Lezioni, Genetica

SNP.

Le sostituzioni di un’unica base, che possono essere transizioni (sostituzioni di una pirimidina con

un’altra pirimidina, o una purina con un’altra purina) o trasversioni (sostituzioni di una pirimidina

con una purina o viceversa), sono tra le più comuni e possono essere raggruppate in 4 sottoclassi:

- Le sostituzioni sinonime (“silenti”): quando la sostituzione dà origine ad un nuovo codone che

tuttavia specifica lo stesso amminoacido. Si tratta quasi sempre di mutazioni neutre, quindi non

soggette a pressione selettiva. Spesso sono quelle che si verificano nella terza base del codone.

- Le mutazioni nonsense: sostituzioni non sinonime di un codone che danno luogo ad un codone di

stop. Poiché queste mutazioni sono associate spesso ad una drastica riduzione della funzionalità

genica, la pressione selettiva ne determina la progressiva eliminazione.

- Le mutazioni missense: sostituzioni non sinonime che originano un codone che specifica un

amminoacido diverso da quello originario.

- Le mutazioni nei siti di splicing: creano o distruggono i segnali di splicing tra esoni e introni.

2) Delezioni: da una sequenza vengono eliminati uno o più nts.

3) Inserzioni: uno o più nucleotidi vengono inseriti in una sequenza.

8.1.1 Linkage Disequilibrium

Si parla di Linkage Disequilibrium quando due mutazioni/marcatori/SNPs vengono ereditati insieme con

una frequenza maggiore di quella che ci si aspetterebbe se non fossero correlati.

8.1.2 Mutazioni LOF e GOF

La mutazione di un gene può causare un cambiamento fenotipico in uno dei seguenti modi: il prodotto può

avere una riduzione di funzione o perderla del tutto (loss of function, LOF) oppure può funzionare in un

modo anomalo o acquisire una funzione (gain of function, GOF).

Le mutazioni LOF spesso producono fenotipi recessivi. Per la più parte dei prodotti genici, la quantità esatta

non è fondamentale e si sopravvive adeguatamente anche con metà del prodotto normale.

Occasionalmente però, il 50% del livello normale di prodotto può non essere sufficiente per il normale

funzionamento e tale aploinsufficienza determina un fenotipo anomalo, che viene ereditato come

carattere dominante. Talvolta anche un polipeptide mutante non funzionale può impedire che il prodotto

dell’allele normale funzioni in un individuo eterozigote, producendo un effetto dominante negativo.

Le mutazioni GOF di solito producono invece fenotipi dominanti, perché la presenza di un allele normale

non impedisce all’allele mutante di comportarsi in modo anomalo.

9. GENI OMEOTICI

Un gene omeotico è un tipo di gene che, quando è mutato, causa la conversione di una parte del corpo in

un’altra. I geni omeotici spesso codificano per fattori di trascrizione, ma non sempre contengono un

omeodominio, e la presenza di una particolare combinazione di questi fattori determina il “commitment”

della cellula. L’espressione dei geni omeotici è controllata da determinanti citoplasmatici o, più spesso, da

fattori inducenti. I geni omeotici sono spesso chiamati geni selettori perché la loro attività seleziona una

particolare via di sviluppo per la cellula.

L’esistenza di due stati discreti dell’attività del gene è la via normale per assicurare una definita e

discontinua soglia di risposta ad un determinante o a un segnale induttivo. Un modo per assicurare che ci

siano proprio due stati discreti è quello di avere una regolazione a feedback positivo come quella mostrata

nella Fig: Questo tipo di sistema è chiamato interruttore bistabile

perché ha due stati stabili. Il gene è “off” se sono assenti sia

il regolatore che il prodotto genico. E’ inizialmente attivato

dal regolatore, che può essere un determinante

citoplasmatico o un segnale trasduttivo attivato da un

fattore inducente. Una volta che il prodotto genico si è

attivato, il gene rimane nello stato “on” anche se il

regolatore è rimosso.

I geni Hox sono una famiglia di geni che si trova negli

animali ma non in altri eucarioti e che sono responsabili per

specificare l’identità antero-posteriore del corpo. In molti

animali, i geni Hox formano un solo cluster e sono quindi

adiacenti in un cromosoma. Ciascun gene nel cluster è

espresso in una particolare zona lungo l’asse antero-

posteriore, con un confine anteriore molto netto per spegnersi gradualmente nella parte posteriore. Essi

sono espressi sia nel sistema nervoso centrale che nel mesoderma. L’ordine spaziale di espressione dei geni

Hox nel corpo, dall’anteriore al posteriore, è lo stesso ordine di arrangiamento dei geni nel cromosoma. Gli

invertebrati hanno un solo cluster in un cromosoma, i vertebrati hanno quattro o più clusters, ciascuno

situato in un diverso cromosoma. Il complesso Hox di Drosophila è diviso in due regioni:

- Il complesso Antennapedia (che contiene 5 geni) corrisponde al gruppo paralogo dei vertebrati 1-6,

- Il complesso Bithorax (che contiene 3 geni) corrisponde al gruppo paralogo 7-13.

I geni Hox appartengono al gruppo dei “pattern determining genes” cioè di quei geni che determinano lo

schema di espressione. I cambiamenti nell’attività e negli schemi di espressione di questi geni determinano,

nell’evoluzione delle specie, alterazioni significative nella morfologia degli animali, mentre, se tale

alterazione avviene nello sviluppo di un animale, determinano la formazione di strutture corrette ma nei

posti sbagliati. E’ il caso del gene Pax6, non appartenente al “cluster” Hox, che controlla lo sviluppo

dell’occhio nella maggior parte degli animali. Variazioni negli schemi di espressione di Pax6 sono

responsabili di alcune delle differenze morfologiche riscontrate negli occhi di animali diversi. Se però Pax6 è

espresso in tessuti sbagliati produce occhi ectopici. Antennapedia (Antp) controlla lo sviluppo dei segmenti

centrali del torace, il mesotorace, il quale contiene il paio di zampe centrali. Questo gene non è espresso

nella parte anteriore dell’animale, ma una mutazione dominante di Antp, causata da una inversione

cromosomica, porta la sequenza codificante di Antp sotto il controllo di un promotore che media

l’espressione nei tessuti della testa, comprese le antenne. Il risultato è che al posto delle antenne

compaiono le due zampe mediane.

I geni del cluster Hox nel moscerino sono allineati nel cromosoma e sono espressi nell’asse antero–

posteriore nell’ordine di allineamento (dal 3’ al 5’, cioè a partire dalla testa).

In generale le mutazioni con LOF producono anteriorizzazione, mentre mutazioni con GOF producono

posteriorizzazione. Un esempio è dato dai moscerini mutanti che non esprimono Ubx (Ultrabithorax). Ubx,

che fa parte del cluster Hox, codifica per una proteina regolatrice contenente l’omeodominio e controlla lo

sviluppo del terzo segmento toracico, il metatorace. Ubx è anche un repressore e reprime Antp

definendone i confini posteriori dell’espressione. Quando Ubx è mutato non è in grado di reprimere Antp

che viene espresso anche nel metatorace che diventa mesotorace: il moscerino ha due paia di ali invece di

un paio di ali e un paio di altere (bilanceri per il volo).

Se la mutazione di Ubx riguarda la sua regione regolatrice esso può essere espresso anche nel mesotorace

(dove dovrebbe essere espresso Antp): in tal caso il mesotorace si trasforma in metatorace e al posto delle

ali si avranno due altere. La colinearità dei geni Hox è apparentemente

molto importante in quanto è conservata sia

negli artropodi che nei vertebrati.

La figura confronta le sequenze colineari e lo

schema di trascrizione dei geni Hox nella

Drosophila e nel topo. Il topo ha 38 geni Hox,

organizzati in quattro raggruppamenti (Hoxa,

b, c, d). Ciascun raggruppamento contiene 9 o

10 geni Hox e corrisponde al singolo gruppo di

geni omeotici degli insetti che ha formato i

complessi di Antennapedia e Bithorax in

Drosophila.

Le mutazioni nei geni Hox dei mammiferi

provocano delle malformazioni nello scheletro

assiale, che consiste nel midollo spinale e nelle

vertebre della colonna. Queste alterazioni

ricordano quelle riscontrate nei mutanti di Ubx

e Antp nel moscerino: mutazioni omozigote

nel gene Hoxc-8nel topo producono una prima

vertebra lombare (che non ha costole) con due costole.

10. MALATTIE GENETICHE

10.1 Sindrome di Down (o trisomia 21)

La Sindrome di Down (SD, detta anche trisomia 21 e comunemente indicata con il nome di "mongolismo"),

è la più frequente forma di ritardo mentale. La SD è molto comune: in Italia si stima che le persone affette

siano circa 40mila.

La SD è causata dalla presenza nel patrimonio genetico di un cromosoma 21 in più. Normalmente,

nell'uomo sono presenti 46 cromosomi in ogni cellula, 23 di origine materna e 23 di origine paterna. Ogni

persona possiede quindi in ogni cellula due copie di ogni cromosoma (con l'eccezione di quelli sessuali X e

Y). Nelle persone affette da SD, il cromosoma numero 21 è presente invece in triplice copia. Per questo si

parla di trisomia 21.

Nella maggior parte dei casi (quasi il 90%) la trisomia 21 è dovuta ad un meccanismo chiamato non

disgiunzione. Durante la formazione dei gameti (cellule uovo e spermatozoi), le coppie di cromosomi

omologhi devono separarsi e ogni cromosoma deve andare in un gamete diverso. La non disgiunzione ha

origine quando questo meccanismo non funziona correttamente: in uno o più gameti le coppie di

cromosomi 21 non si separano. Questo succede soprattutto nelle cellule uovo materne, e molto più

raramente negli spermatozoi. La cellula uovo o gli ovuli che ne risultano avranno così una copia in più del

cromosoma 21 rispetto al normale.

Non si conoscono le cause della non disgiunzione, tuttavia un dato certo è che il rischio aumenta di pari

passo con l'aumentare dell'età materna. La trisomia 21 dovuta a non disgiunzione è anche detta trisomia

primaria, e può essere di due tipi:

- Trisomia primaria omogenea: la trisomia è presente in tutte le cellule della persona Down. Questo

avviene in circa il 90% dei casi.

- Trisomia primaria a mosaico: la trisomia è presente solo in una parte delle cellule dell'individuo

Down. Questo avviene in circa il 5% dei casi. I sintomi possono essere meno gravi rispetto alla

trisomia primaria omogenea, a seconda del numero di cellule che possiedono la trisomia.

MEIOSI NORMALE MEIOSI CON NON-DISGIUNZIONE

In un numero molto più basso di casi, la trisomia è dovuta al processo della traslocazione.

Nella SD dovuta a traslocazione le persone affette hanno apparentemente un numero normale di

cromosomi. In realtà possiedono tre