Genetica umana (malattie genetiche monofattoriali e complesse, HLA, ereditarietà, mutazioni, genetica delle popolazioni)

Genetica umana

Introduzione

Il vero obiettivo della genetica non è chiedersi perché l’uomo si ammala, ma al contrario perché nella maggior parte dei casi ciò non avviene. Questo perché siamo macchine perfette, o meglio adatte all’ambiente in cui viviamo e prosperiamo, ciò ci è possibile grazie a un sistema di difesa che caratterizza ognuno di noi, ci distingue gli uni dagli altri. Siamo diversi gli uni dagli altri in quanto risultato finale di una costante pressione selettiva, ma la base di questa diversità è il Complesso Maggiore di Istocompatibilità, vera origine dell’individualità genetica, determinando la nostra resistenza o suscettibilità alle patologie.

A differenza di quanto si possa pensare, le malattie più significative per la genetica non sono le più aggressive, ma le più diffuse (es. diabete, malattie cardiovascolari, ecc.).

Il destino delle malattie genetiche

“Qual è il destino delle malattie genetiche, tendono ad aumentare o a diminuire?” [rispondo erroneamente che ciò dipende da fattori ambientali quali inquinamento e agenti mutageni e che essendo in aumento questi ultimi sono in aumento anche le malattie genetiche, una compagna risponde giustamente che ciò dipende dal fatto che la malattia si manifesti prima o dopo l’età fertile].

Individui che presentano malattie genetiche hanno una fitness inferiore rispetto ad individui normali (se la mutazione è sfavorevole all’ambiente in cui vive il soggetto preso in considerazione). La fitness è appunto la capacità di un individuo di avere una prole e trasmettere il proprio patrimonio genetico, quindi la capacità di un individuo di trasmettere una patologia genetica alla prole dipende da determinati fattori: se questa mutazione è adatta o inadatta all’ambiente in questione, l’età in cui questa malattia si manifesta fenotipicamente, fattori culturali e sociali.

Teoricamente, coloro che sono affetti da malattie genetiche hanno una fitness decisamente più bassa rispetto ad individui fenotipicamente “normali”, quindi queste malattie dovrebbero lentamente scomparire, ma ciò non avviene perché c’è un “serbatoio” di nuove mutazioni. Un altro fattore che può mantenere costante o portare ad un aumento del numero di malattie genetiche possono essere delle determinate pressioni selettive. Un esempio lampante è il rapporto tra talassemia minor e malaria. La talassemia minor è una patologia che porta in chi ne è affetto ad avere globuli rossi di dimensioni piccole. Normalmente questo sarebbe un carattere sfavorevole in un ambiente normale, ma in un ambiente in cui è diffusa la malaria diventa un carattere vantaggioso, in quanto chi è affetto o portatore sano di talassemia minor è immune alla malaria, perciò sopravvive ed ha più probabilità di avere una prole rispetto agli individui “normali”, viene quindi selezionato positivamente.

Un altro fattore che può essere causa della presenza di una determinata malattia genetica all’interno della popolazione sono le migrazioni: riprendendo l’esempio della talassemia minor, fino a poche decadi addietro questa patologia era piuttosto diffusa anche in Italia, in particolare a Torino, a causa di una significativa migrazione proveniente da regioni dove la malaria era presente e aveva selezionato positivamente coloro che erano affetti da talassemia minor.

Le malattie genetiche che non vengono selezionate sono quelle che insorgono in età adulta, quindi chi ne è affetto ha tutto il tempo di procreare e trasmettere la patologia con la stessa fitness di un individuo normale. Un esempio sono le malattie neurodegenerative che insorgono in tarda età (Alzheimer e Parkinson).

Prevenzione delle malattie genetiche

L’Istituto Superiore di Sanità tiene un registro dell’incidenza delle singole malattie genetiche nella popolazione, per monitorarne l’andamento e trovare le possibili cause. Negli anni ’70 si registrò un’impennata nell’incidenza di neonati affetti da trisomia 21. Si capì in seguito che la causa era di tipo sociale: la legge sul divorzio. Da quel momento in poi, essendo legalmente permesso il divorzio, aumentarono le coppie di età avanzata. Aumenta esponenzialmente la percentuale di riscontrare la trisomia 21 all’aumentare dell’età della madre, la combinazione di questi due fattori fu la causa dell’impennata registratasi nei primi anni ’70. Questo è un esempio di “osservazione occasionale” che combina dati biologici e sociali. Ciò dimostra come l’incidenza di alcune malattie genetiche sia dovuta a una serie di concause, non solo biologiche ma anche sociali e culturali.

Si è cercato un modo per prevedere e correggere determinati difetti genetici, un esempio è la terapia genica prenatale unita al sequenziamento del DNA per localizzare il gene patologico, questo procedimento però può essere attuato solo nel caso di malattie geniche monofattoriali. Altre terapie prevedono la somministrazione di farmaci in grado di sopperire al malfunzionamento o totale mancanza funzionale di un gene, come nel caso dell’asma o della fibrosi cistica, ma sono rimedi temporanei e validi unicamente per organi facilmente accessibili come i polmoni.

Per il medico è fondamentale capire se un determinato individuo è più suscettibile o propenso a determinate patologie, se è “adatto ad un determinato ambiente” da un punto di vista evoluzionistico. Negli esseri umani sono stati trovati sistemi estremamente polimorfici, raggruppati sotto il nome di Complesso Maggiore di Istocompatibilità caratterizzato da molecole di superficie presenti sulle cellule, quest’ultimo è regolatore delle interazioni cellula-cellula ed è un sistema estremamente polimorfico ed è probabilmente la base delle diverse risposte a terapie e patologie dei singoli individui. Tutti noi siamo diversi dal punto di vista morfologico e funzionale in quanto siamo l’esito di selezioni naturali e ambientali diverse.

I medici, quando comincerete a fare la parte di clinica, vi racconteranno quello che capita ad un paziente medio dicendovi come si presenta una malattia in media e quali siano i sintomi più frequenti, qual è il decorso clinico più frequente: questa rappresenta la medicina della media.

Questo tipo di approccio alla medicina è quello vecchio, che si basa sul trial and error: prova, sbaglia, correggi. Per esempio, per la pressione alta il medico di base può fornire un farmaco universalmente accettato e a seconda degli effetti sul paziente si può eventualmente virare su un altro farmaco, in caso non vi siano miglioramenti. Questo ha un costo poiché viene trattato con una terapia farmacologica sbagliata con tutti gli effetti che ne derivano. La medicina del futuro si basa su un approccio genetico grazie al quale si possano evidenziare le malattie a cui il singolo può essere soggetto e come egli possa reagire ai vari farmaci.

Ad esempio, il cumadin, anticoagulante orale, è usato nel caso di fibrillazione atriale oppure nei casi di possibilità di sviluppare una malattia tromboembolica. Il cumadin inibisce un enzima che fa parte della cascata di coagulazione del sangue, però è poco maneggevole perché ha una finestra d'azione stretta per cui all'inizio per non scoagulare troppo il paziente si fornisce una dose di attacco media e poi si fanno esami del sangue e leggendo i valori si aggiusta la dose. Si è visto che la risposta del paziente è geneticamente determinata ed è parte della variabilità genetica. Si può misurare la risposta al farmaco che è basata sul gene che è responsabile del metabolismo del farmaco all'interno del corpo con un test dal costo di pochi euro. Con un test genetico si può sapere se il paziente avrà bisogno di una dose più alta o più bassa del farmaco, su questo si basa la medicina di precisione detta anche medicina dell'“individuo”.

Due esempi clinici per capire come si applica la medicina di precisione

• Femmina di 35 anni con tosse non produttiva di tre settimane. Si esegue un RX torace che mostra un'area sospetta nel polmone sinistro, viene eseguita in seguito una TAC che mostra una lesione avanzata ed infiltrante. Si esegue allora una biopsia la quale evidenzia un adenocarcinoma non a piccole cellule (non operabile). Un oncologo della media prescrive una chemioterapia, oggi invece posso fare un'altra cosa. Studiando l'esoma delle cellule degli adenocarcinomi si è visto che non sono tutti uguali. Analizzando l'espressione mutata di un gene attraverso coloranti si capisce che la paziente ha un gene mutato per cui c'è un farmaco specifico (cioè un anticorpo monoclonale). Con questa informazione in più posso dare un farmaco specifico che manda la signora in remissione completa con effetti collaterali trascurabili.
• Neonata di 15 mesi, mostra nistagmo verticale, si esegue risonanza magnetica ma non si evidenzia la presenza di malattia autoimmune o infettiva. Ai 19 mesi compaiono segni di neurodegenerazione e debolezze arti superiori. I dottori iniziano una terapia a base di cortisonici, non presentando miglioramenti. Oggi sequenziando l'esoma della bambina e dei due genitori si è evidenziata una mutazione ereditata sia da parte di madre che di padre per cui era omozigote in un gene che codifica per la riboflavina (di cui è composto il FAD). I neuroni senza FAD soffrono. Si decise allora di darle grandi dosi di riboflavina. La bambina presenta adesso il fenotipo normale.

Medicina traslazionale

Per questa medicina bisogna servirsi della ricerca per rispondere alla clinica. Questa medicina cambia il modo di approcciarsi alle malattie perché l'aspetto molecolare delle malattie diventa enormemente più importante. Dunque, informazioni molecolari e cliniche devono sovrapporsi, in questo senso è traslazionale.

Medicina del futuro

L'obiettivo è quello di migliorare la prevenzione, la diagnosi e il trattamento. La ricerca è iniziata dal campo dell'oncologia e il fine è quello di eliminare l'uso della chemioterapia. Ad oggi le malattie si classificano sulla base della morfologia. 10 anni fa circa si è scoperto che quasi il 50% dei malati con melanoma avevano mutato il gene piraf implicato nella cascata di segnalazione delle map chinasi. Trattando malati con farmaci specifici miglioravano anche se poi i malati ricadevano perché comparivano altre mutazioni nella cascata più a monte rispetto a piraf allora si decise di inibire il mek, l'ultimo punto della cascata. Diedero un inibitore a monte e uno a valle, questo funziona per molti più mesi. Inoltre si cerca di risvegliare il sistema immunitario perché le cellule tumorali inviano segnali che inibiscono il sistema immunitario e si usarono anticorpi monoclonali che bloccavano questo sistema. La combinazione di questi tre approcci sembra essere la soluzione migliore.

L'oncologo deve avere una conoscenza molecolare della malattia. Bisogna riscrivere la tassonomia della malattie, non più sul sistema morfologico (come nei tumori) ma su quello molecolare. La biopsia deve essere un punto di inizio, si deve in seguito analizzare quali geni sono mutati, quali recettori ormonali positivo o negativo. Quindi tumore della mammella non significa niente, bisogna aggiungere altri aggettivi. Questo sistema viene paragonato ad una mappa geografica, ovvero una definizione più precisa della malattia. Oggi la biopsia deve essere solo un punto di partenza.

Per esempio, per quanto riguarda il linfoma (linfoma cresce all'interno degli organi linfatici come milza, linfonodi mentre poi può leucemizzarsi), se estraiamo DNA e RNA dai linfomi, si possono ordinare i pazienti in ulteriori categorie invece che raggrupparli tutti nella stessa "etichetta" del linfoma a grandi cellule. A seconda della categoria in cui un paziente è inserito cambia la prognosi e di conseguenza la risposta alla terapia.

La medicina sta cambiando da una diagnosi empirica o macroscopica a molecolare. Questo si riflette in un cambiamento dei trial clinici. Il sequenziamento del genoma del 2000 ha permesso di arrivare a poter sequenziare oggi l'esoma in poche ore e con costi relativamente bassi.

Un altro progetto molto importante è stato l’HAPMAP, volto a capire dove si trovi a livello genetico la nostra diversità che viene poi sfruttata per capire quale sia la nostra risposta ai farmaci e la nostra predisposizione alle malattie. Gli elementi di variabilità non sono mutazioni ma sono esempi di variabilità che rendono protetti o propensi a sviluppare una certa malattia. Il progetto 1000 genomes ha evidenziato i molti tipi di polimorfismi (come le variazioni nel numero di copie).

Malattie monofattoriali

In questo tipo di malattie, la mutazione di un singolo gene è sufficiente per causare la manifestazione della patologia. Sono state ormai diagnosticate moltissime malattie di questo tipo, moltissime delle quali negli ultimi anni. Inoltre vengono inserite e registrate in particolari cataloghi in modo che per il genetista medico possa essere più facile diagnosticare patologie di questo tipo, anche se molto rare. Alla base di queste malattie stanno le mutazioni, ovvero cambiamenti della sequenza di DNA; queste possono essere fisiologiche, ovvero molto frequenti, in quanto ad ogni duplicazione le nostre cellule devono duplicare un patrimonio genetico molto vasto. L’errore di replicazione, cioè la mutazione stessa, risulta così essere intrinseco al sistema. È importante sottolineare come le mutazioni siano alla base del processo evolutivo, infatti possono causare un beneficio all’individuo in questione, come il miglioramento di una determinata funzione, determinando così un miglioramento della qualità della vita dell’individuo. Dunque nel momento in cui si ha un’alterazione genica che possa risultare favorevole, quest’ultima viene fissata nella popolazione, dal momento che gli individui il cui genoma porta quella mutazione hanno acquisito un vantaggio evolutivo, come il poter avere più figli ad esempio. Se invece la mutazione risulta essere deleteria e costituisce uno svantaggio evolutivo (ad esempio una minore capacità riproduttiva), essa tenderà a scomparire nella popolazione. Oltre a questo processo spontaneo e fisiologico, ci sono altri agenti, detti mutageni, che sono in grado di provocare la comparsa di mutazioni. Questi sono agenti chimici o fisici, cui siamo esposti quotidianamente, come i raggi solari o il fumo di sigaretta. Si può definire colui il quale è portatore della mutazione, Wild type mentre è definito colui che possiede la copia normale del gene.

Sistemi bioinformatici di ultima generazione ci possono aiutare a comprendere e prevedere quale sia l’effetto pratico della mutazione, e come possa alterare la funzionalità della proteina codificata dal gene in questione. Dal punto di vista dell’individuo, il cambiamento della proteina può avere un effetto fenotipico nullo, in quanto essa può essere ancora in grado di svolgere la sua funzione; è possibile che ne venga alterata solo una parte e dunque la proteina ha ancora una completa funzionalità e infine anche che la mutazione risulti essere letale e che non sia dunque osservabile fenotipicamente. La situazione più frequente è quella in cui si ha una proteina colpita da una mutazione che ne determina un funzionamento anomalo e diverso da quello normale.

È importante distinguere i polimorfismi dalle mutazioni che consistono in varianti di determinati loci genici presenti nella popolazione con una frequenza maggiore dell’1%; è questo un valore che indica che un numero consistente di individui possiede quella variante che è stata fissata nella popolazione e non è più considerabile casuale. Questi non possono mai essere responsabili di una malattia, ma possono però predisporre l’individuo allo sviluppo di una patologia. I polimorfismi sono dunque quantificabili ed analizzabili nella popolazione e possono predire ad esempio la minore o la maggiore resistenza di un individuo ad un determinato farmaco o all’alcool, ovvero tratti alla base della variabilità della popolazione. Nel momento in cui la variante genetica causa una patologia, si definisce mutazione.

Le mutazioni possono essere di vario genere e interessare porzioni più o meno grandi del genoma. Ci possono essere mutazioni definite puntiformi, che interessano il cambiamento di una singola base, come le delezioni, inserzioni o inversioni. Ma possono interessare intere porzioni di un cromosoma, e dunque definite cromosomiche. Tra queste è utile ricordare le traslocazioni cromosomiche, in cui ci sono cromosomi che si scambiano reciprocamente tratti di DNA e che causano patologie piuttosto gravi. È inoltre importante classificare le mutazioni in base all’alterazione funzionale che causano sulla proteina, cosa che risulta essere piuttosto complessa.

Dal punto di vista del genetista medico è utile distinguere le mutazioni che interessano le cellule somatiche e quelle che invece interessano le cellule germinali, ovvero le uniche ereditabili. Sono stati identificati anche tumori che hanno alla base la trasmissione ereditaria di una mutazione; questo comporta una differenza minima per la persona affetta dal tumore ma molto significativa per la famiglia, da un punto di vista clinico.