Riassunto esame di genetica medica

Introduzione alla genetica medica

Definizione di genetica e genetica medica

Genetica → Scienza che studia le cause e i modi di trasmissione da un vivente all'altro dei caratteri biologici ereditari.

Genetica medica → Branca della genetica che studia le basi ereditarie delle malattie. Quest'ultima è importante per:

• Conoscere i problemi psicologici legati ai test genetici;
• Conoscere il ruolo svolto dallo psicologo nell'ambito della consulenza genetica;
• Conoscere le basi genetiche del comportamento;
• Conoscere l'ereditarietà delle patologie neuro-psico-comportamentali.

La presenza di uno psicologo durante una consulenza genetica è utile in caso di:

• Diagnosi prenatale di feto affetto da patologia genetica;
• Diagnosi presintomatica di malattia genetica a esordio tardivo incurabile;
• Diagnosi di stato di portatore di aumentata suscettibilità a tumori ereditari.

Antico dualismo in genetica

• Teoria ambientalista → La variabilità comportamentale umana è determinata solo dalle influenze ambientali;
• Teoria naturalista → Gli attributi caratteriali sono determinati geneticamente.

Tratti mendeliani semplici → Un carattere deriva esclusivamente dall'effetto di un gene, senza influenze ambientali.

Tratti complessi → Il fenotipo è un carattere quantitativo, derivante dall'interazione da fattori genetici e ambientali. Se un tratto complesso è dovuto all'azione di più geni, apparentemente non si trasmetterà seguendo le leggi di Mendel, ma ciascuno dei geni che contribuiscono alla determinazione di questo tratto verrà ereditato in modo mendeliano.

Variabilità genetica

Il genoma umano contiene variazioni nella sequenza di basi tra un individuo e l'altro. Alcune varianti si manifestano in aree che non codificano per RNA o proteine e non hanno alcun effetto visibile; altre intervengono sul fenotipo alterando i prodotti dell'RNA e delle proteine; alcune sono responsabili di patologie specifiche.

Le varianti geniche sono responsabili di alcune differenze fisiche tra gli individui, quali, per esempio, il colore degli occhi e dei capelli. Una variante potrà essere neutrale per quanto riguarda i suoi effetti o potrà conferire un vantaggio selettivo: la forza trainante dell'evoluzione a livello di popolazione, ma all'interno di un singolo individuo può rappresentare il meccanismo che porta alla formazione tumorale.

Tipi di mutazioni

Le mutazioni possono colpire:

• Cromosomi
• Singoli geni
• Singole basi

Il tipo di mutazione più semplice è la mutazione puntiforme: consiste nella sostituzione di una singola base. Le delezioni, duplicazioni, inserzioni e inversioni sono rimaneggiamenti di sequenza che possono comprendere una o milioni di paia di basi e sono dette alterazioni genomiche. Le delezioni e le inserzioni sono definite come indel e possono verificarsi simultaneamente.

Eugenetica

I genetisti hanno coniato il termine "wild type" per indicare la versione più comune di un tratto genetico nella popolazione. Il termine eugenetica fu coniato per descrivere gli studi delle caratteristiche umane e delle applicazioni dell'accoppiamento selettivo per aumentare la diffusione delle caratteristiche considerate più desiderabili. L'eugenetica diventò uno strumento della politica sociale razzista. Fu utilizzata per negare il diritto alla riproduzione attraverso la sterilizzazione forzata e il genocidio. Ha assunto la forma più mostruosa con il Nazismo per creare una razza umana "perfetta" attraverso lo sterminio di massa degli individui considerati inferiori.

Programma Aktion T4

AKTION T4 è un programma nazista che aveva l'obiettivo di sopprimere persone con malattie. Era divisa in tre fasi:

• Fase I → Sterilizzazione di persone malate.
• Fase II → Uccisione di bambini malformati.
• Fase III → Uccisione di adulti malati.

Alterazioni a livello nucleotidico

Includono alterazioni di singole basi di DNA o delezioni, duplicazioni e inserzioni di un piccolo numero di basi. L'effetto di un cambiamento genetico dipende dal fatto che la variante sia localizzata o meno in una regione di controllo o che coinvolga un intero gene o gruppi di geni. La sostituzione di una singola base cambierà un codone. Se il nuovo codone codifica per lo stesso amminoacido del codone originario non ci sarà alcuna variazione nella proteina e si avrà una mutazione silente.

Se viene prodotto un amminoacido diverso la mutazione è definita mutazione missenso. In altri casi l'amminoacido prodotto ha caratteristiche chimiche simili all'aminoacido originario. L'effetto sulla funzione proteica dipende dal fatto che il nuovo amminoacido cambi le proprietà fisiche e chimiche della proteina. Una mutazione nella sequenza di un promotore può portare all'impossibilità di iniziare la trascrizione. Alcune mutazioni sono responsabili di una prematura terminazione della traduzione: una mutazione di stop cambia un codone aminoacidico in un codone di stop; una mutazione frameshift altera la sequenza aminoacidica e porta alla produzione di un codone di stop.

L'inserzione o la delezione di un numero di basi diverso da tre o da un multiplo di tre provocherà un frameshift (scivolamento della cornice di lettura) che risulterà in un'alterata lettura dei codoni fino a quando non si giungerà ad un codone di stop. Le cause di alterazione nucleotidica possono essere spontanee o indotte.

Mutazioni spontanee e indotte

Spesso si verificano spontaneamente a causa di un'errata incorporazione di una base nel DNA durante la replicazione, nonostante ci siano meccanismi di verifica e di riparo che identificano la presenza di errate incorporazioni di basi, alcuni errori possono sfuggire a tali controlli. Quindi le mutazioni spontanee si verificano come risultato della presenza di peculiarità nella struttura del DNA.

Le mutazioni indotte derivano da sostanze chimiche, fisiche e biologiche. Gli agenti mutageni alterano la struttura chimica di una base di DNA o includono rotture della catena di DNA. Gli agenti intercalanti possono collocarsi tra le basi nella doppia elica e causare mutazioni da inserzione. Un'altra classe di mutazioni è quella legata alla formazione di radicali liberi nel nucleo, che porta ad una rottura del filamento di DNA. Es. le radiazioni ionizzanti possono agire direttamente o indirettamente sulla formazione di radicali liberi. I fattori biologici comprendono l'età elevata del padre o della madre. L'elevata età materna è legata ad un rischio di non disgiunzione cromosomica, mentre il rischio legato all'età paterna è dovuto al fatto che le cellule germinali maschili vanno incontro a divisioni mitotiche che iniziano alla pubertà e continuano per tutta la vita, mentre gli oociti completano tutte le loro divisioni mitotiche durante la vita fetale.

Meccanismi di riparazione del DNA

• Riparazione per escissione nucleotidica → Rimuove un segmento di DNA intorno alla base danneggiata. Un'endonucleasi opera un taglio su un filamento di DNA e le basi vengono rimosse tramite una DNA elicasi. Il filamento viene ricostruito dalla DNA polimerasi e reinserito tramite la ligasi.
• Riparazione per escissione di basi → Rimuove in primo luogo la base danneggiata attraverso l'azione di un enzima glicosilasi, la catena di zucchero e fosfato a cui la base era legata viene rimossa da un'endonucleasi e la base corretta viene inserita e legata al filamento.
• Mismatch repair → Corregge gli errori di incorporazione delle basi sulla catena di nuova formazione. La proteina MutS si lega al mismatch e la proteina MutL esamina il DNA per verificare la presenza di un'interruzione di sequenza adiacente, le basi presenti tra quest'interruzione e la posizione appena precedente al mismatch sono rimosse e sostituite con il filamento nuovo.

Mutazioni genomiche

Includono delezioni, duplicazioni e inserzioni coinvolgenti molti esoni all'interno di un gene o segmenti più grandi di DNA che comprendono molti geni. La perdita di un intero gene porta a un ridotto livello di espressione detto aploinsufficienza. Le duplicazioni possono invece portare ad un aumento dell'espressione genica. Le mutazioni genomiche possono essere classificate in due gruppi: le mutazioni ricorrenti in cui le dimensioni della duplicazione o della delezione sono simili da individuo a individuo, questo è dovuto al fatto che queste alterazioni presentano confini specifici rappresentati da tratti di sequenze ripetute di DNA; le mutazioni che sono uniche per uno specifico individuo derivano da meccanismi più complessi.

Eventi di duplicazione genica hanno ricoperto un ruolo importante nell'evoluzione del genoma. Nel corso di molte generazioni, dopo l'evento di duplicazione le copie geniche possono andare incontro a successive mutazioni che alterano la funzione dei prodotti genici. I geni che derivano da un antenato comune vengono chiamati ortologhi, mentre quelli che derivano da eventi di duplicazione vengono definiti paraloghi.

I polimorfismi

Molti loci genici mostrano un'alta frequenza di varianti da individuo a individuo e queste differenze sono definite polimorfismi. Ci sono quattro tipi di polimorfismi:

• I polimorfismi a singolo nucleotide → Consistono in cambi di una sola base.
• Le ripetizioni di sequenze semplici → Si tratta di segmenti di DNA in cui sequenze di-, tri- o tetranucleotidiche sono ripetute diverse volte.
• Le ripetizioni in tandem → Sono ripetizioni di un numero da dieci a cento basi.
• Variazione di un numero di copie → Consiste nella presenza di un numero diverso di copie di una specifica sequenza genica.

Il termine polimorfismo non implica il fatto che una variante del DNA abbia o meno un effetto fenotipico. Molti polimorfismi, infatti, sono silenti in quanto si trovano in regioni che non codificano per RNA o proteine; alcuni, invece, cadendo all'interno o nei pressi di sequenze codificanti, possono contribuire allo sviluppo di una malattia.

Esempi di patologie legate alle mutazioni

• La talassemia → È una patologia autosomica recessiva che produce allo stato omozigote una grave forma di anemia e in tale condizione la mutazione è letale. Gli eterozigoti sono portatori sani, quindi non affetti dalla patologia, quindi allo stato eterozigote la talassemia appare come una mutazione neutra. La condizione di portatore sano di talassemia protegge dall'infezione malarica, quindi la condizione di eterozigote per la talassemia ha rappresentato una mutazione vantaggiosa.
• Lo xeroderma pigmentoso → È un disturbo della riparazione del DNA. Questa malattia si presenta nei primi anni di vita con lentiggini ed estrema sensibilità della pelle al sole. C'è un rischio molto alto di tumori della pelle, ci possono essere problemi oculari causati da danni indotti dai raggi UV presenti nella luce e alcuni bambini sviluppano problemi neurologici, ritardo di sviluppo e sordità. Questa patologia è dovuta a un difettoso sistema di riparazione per escissione.
• La malattia di Charcot-Marie-Tooth → È una forma di neuropatia motoria e sensoriale ereditaria. La patologia colpisce il rivestimento mielinico dei nervi sensoriali e motori, causando lentezza nella conduzione nervosa e deficit sia di tipo motorio sia sensoriale. I nervi interessati per primi e in modo più grave sono quelli dei piedi. Il segno clinico principale è rappresentato dalla debolezza dei muscoli dei piedi, della parte inferiore delle gambe e delle mani.

Modelli di ereditarietà

Ereditarietà mendeliana

Un organismo diploide contiene due copie di ogni gene, una copia di ogni gene viene ereditata da ognuno dei genitori, queste copie si separano durante la formazione delle cellule germinali aploidi e si riuniscono durante la fecondazione. Le singole copie di un determinato gene sono chiamate alleli. La costituzione genetica di un individuo viene definita come genotipo, mentre la corrispondente manifestazione fisica è il fenotipo. I geni che si trovano sui cromosomi sessuali sono detti geni legati al sesso, mentre gli altri sono detti autosomici. I caratteri possono essere trasmessi in forma dominante o recessiva.

Eredità autosomica recessiva

I caratteri sono espressi in individui che possiedono due copie mutate del gene (alleli); questi individui sono definiti omozigoti → hanno entrambe le copie del gene mutate. Eterozigoti → Possiedono una copia mutata e una non mutata. Es. albinismo: c'è un deficit della melanina causato da assenza di attività dell'enzima tirosinasi. La base biochimica della dominanza degli alleli wild type sugli alleli mutanti può essere compresa considerando il meccanismo d'azione degli enzimi. Poiché un enzima non viene consumato durante una reazione, è necessaria una sua quantità minima per portare a termine la reazione.

In un individuo omozigote è presente poca o nessuna attività enzimatica e quest'individuo manifesterà il fenotipo anomalo. Un individuo eterozigote esprime il 50% del livello normale di attività enzimatica e questo è sufficiente per prevenire l'espressione del fenotipo. Non tutti i caratteri recessivi sono dovuti a deficit enzimatici: la fibrosi cistica è una malattia recessiva caratterizzata da un addensamento delle secrezioni nei polmoni e nel pancreas ed è dovuta a una mutazione in un gene che codifica per un canale del cloro, quindi un deficit del trasporto del cloro attraverso la membrana cellulare porta a una riduzione di acqua nei fluidi extracellulari.

Eredità autosomica dominante

L'allele dominante è quello mutato. I soggetti omozigoti ne sono affetti in modo più grave e possono anche non sopravvivere, quindi gli individui clinicamente affetti saranno gli eterozigoti. Es. sindrome di Marfan, dovuta ad un'insufficiente sintesi della proteina fibrillina-1. Questo fenomeno è definito come aploinsufficienza. Alcune mutazioni della fibrillina-1 danno luogo a una sintesi normale della proteina che però agisce in modo anomalo con le altre proteine, questo meccanismo viene definito come effetto dominante negativo. Un esempio di malattia dominante dovuta ad acquisto di funzione è l'acondroplasia: una forma di nanismo dovuta a mutazioni del recettore del fattore di crescita fibroblastico di tipo 3.

Eredità X-linked

È provocata da geni sul cromosoma X. Una mutazione sul cromosoma X verrà più probabilmente espressa nei maschi che ricevono il loro unico cromosoma X dalle madri e il cromosoma Y dai padri. Le femmine esprimeranno quei caratteri solo se li ereditano da entrambi i genitori, il che accade raramente. Le femmine che ereditano il carattere saranno portatrici, mentre i maschi saranno affetti. I maschi non trasmettono mai un carattere X-linked ai propri figli maschi. Un carattere X-linked può essere trasmesso anche come dominante: in questo caso i maschi trasmettono il carattere a tutte le loro figlie femmine, ma a nessuno dei figli maschi. Alcuni caratteri X-linked sono letali nei maschi e si manifesteranno solo nelle femmine. Una femmina eterozigote per un carattere X-linked esprimerà l'allele mutante in circa metà delle sue cellule e l'allele non mutante nell'altra metà; talvolta si manifesta un'inattivazione del cromosoma X, quindi uno dei due cromosomi X è attivo in più del 50% delle cellule; se l'inattivazione del cromosoma X porta a una preponderanza di cellule che esprimono l'allele mutante X-linked, allora il soggetto esprimerà il fenotipo.

Un'altra possibilità in cui una femmina può esprimere il fenotipo di una malattia X-linked recessiva è la presenza di un solo cromosoma X, nel caso delle donne che hanno solo 45 cromosomi e un solo cromosoma sessuale.

Eredità pseudodominante

Si riferisce alla trasmissione diretta da genitore a figlio di caratteri autosomici recessivi. Si manifesta quando una certa condizione è comune e compatibile con la riproduzione. Un maschio eterozigote e una femmina omozigote trasmettono una malattia recessiva alla figlia, dando l'apparenza di una trasmissione dominante.

Eredità digenica

Nell'eredità digenica uno dei genitori porta una mutazione del gene A e l'altro del gene B, quindi il figlio che eredita sia la mutazione sul gene A che sul gene B esprimerà il fenotipo mutante. L'eredità si mostra come un carattere autosomico recessivo. Il bambino affetto può trasmettere entrambi gli alleli mutati, ma la trasmissione apparirà come dominante.

Penetranza ed espressività

Gli individui che sono in possesso di un genotipo associato a uno specifico fenotipo ma che non esprimono il fenotipo in questione, costituiscono il fenotipo non penetrante. Un esempio è dato da un carattere autosomico dominante espresso nel nonno e nel bambino, ma non nel genitore di quest'ultimo: in questo caso, il genitore non affetto è portatore del gene mutante e viene definito come non penetrante.

Alcune patologie mostrano una penetranza legata all'età: ci sono tipiche malattie nelle quali la possibilità della manifestazione del fenotipo in un soggetto portatore di una mutazione aumenta con l'età. La penetranza può essere confusa con l'espressività, la quale si riferisce al livello di espressione fenotipica di un carattere genetico. L'espressività differisce dalla penetranza in quanto tutti gli eterozigoti mostreranno una manifestazione del carattere, ma con un'intensità diversa nel fenotipo.

Eterogeneità genetica

È rappresentata da un singolo fenotipo causato da mutazioni in multipli geni distinti.

Eterogeneità allelica → Uno specifico fenotipo può derivare da una mutazione in uno specifico gene, ma la mutazione specifica può cambiare da un individuo affetto a un altro.

Mutazioni e mosaicismo

Ci sono circostanze in cui un individuo rappresenta il primo caso di una nuova mutazione in una famiglia. Ci sono due circostanze particolari di nuove mutazioni:

• Mosaicismo germinale →