Sindromi cromosomiche e disordini genomici

Sindromi cromosomiche e disordini genomici

La variabilità genetica può portare a malattie, perché c'è un problema grande o per qualcosa a livello molecolare. Prima di Mendel si credeva che le caratteristiche dei genitori si mescolassero nei figli, ma questo non spiegava ad esempio l'albinismo o la fibrosi cistica.

Basi cromosomiche dell'eredità

Nel 1839, Sheleiden e Schwann introdussero il concetto di cellula come unità vivente fondamentale. Dal '60 al '68 si scoprì che la trasmissione ereditaria avviene attraverso gli spermatozoi e gli oociti e che, molto probabilmente, risiedeva nel nucleo. 1882-1903: la chiave sono i cromosomi.

I cromosomi

I cromosomi sono superavvolti; il DNA presente in una cellula è lungo circa 2m, ma il diametro della cellula è di 5μm. Il cromosoma risulta come nella figura dopo aver duplicato il DNA ed essere stato condensato. La cromatina (che condensa a formare il cromosoma) è formata da DNA e proteine, di cui l'80-90% sono istoni.

Istoni

Gli istoni sono proteine basiche che costituiscono la componente strutturale della cromatina. Gli istoni formano una sorta di nucleo; il DNA ci gira attorno e continua. Si forma una ‘collana di perle’ che si avvolge su se stessa → super avvolgimento del DNA e si ottengono i cromosomi (il DNA delle cellule è compattato fino ad un certo punto, si compatta tanto solo per fare la mitosi e la meiosi. Ci sono zone più compattate e altre meno). Gli istoni risultano essere le più abbondanti proteine della cromatina. Sono tipiche degli organismi eucarioti, nonostante alcuni tipi di cellule eucariotiche ne siano privi, e sono assenti nei procarioti, con l'eccezione degli Archaea.

Sono proteine basiche cariche positivamente, poiché possiedono un gran numero (circa il 20%) di amminoacidi con catena laterale basica, in particolare lisina e arginina. Gli istoni interagiscono con il DNA, che è carico negativamente a causa dell'abbondanza di gruppi fosfato, per formare strutture dette nucleosomi. Gli istoni sono fra le proteine eucariotiche più conservate durante il corso dell'evoluzione.

I nucleosomi sono formati da DNA e da un ottamero e si formano grazie ad un processo autoaggregativo per il quale serve DNA. Il processo di formazione del nucleosoma prevede i seguenti passaggi: formazione di un tetramero composto da H3 e H4 (due per ciascuno); il tetramero lega nel solco minore una zona ricca di AT del genoma eucariotico e lo ripiega; si forma un dimero H2A-H2B che lega il DNA e il tetramero precedente; H1 riconosce il DNA linker e ne causa l'avvicinamento all'ottamero istonico.

Cariotipo e struttura dei cromosomi

Il cariotipo di una persona è la rappresentazione della costituzione cromosomica dell’individuo. Prelevo delle cellule e le lascio duplicarsi; faccio arrivare le cellule alla metafase, le blocco e fotografo.

I cromosomi umani variano in grandezza e morfologia. La morfologia viene definita dalla posizione del centromero, che per convenzione divide il cromosoma in un braccio corto, denominato p (dal francese petit, che significa “piccolo”), e in un braccio lungo, denominato q.

I cromosomi si dicono metacentrici quando il rapporto tra la lunghezza del braccio corto e quella del braccio lungo è all’incirca 1 (il centromero è posizionato al centro del cromosoma); si dicono submetacentrici quando la lunghezza delle braccia lunghe è superiore a quella delle braccia corte (il centromero è posizionato a breve distanza dal centro del cromosoma); si dicono acrocentrici quando il centromero si trova terminalizzato verso un’estremità del cromosoma.

Il cromosoma presenta due strutture fondamentali per la sua stabilità: il centromero e il telomero. Il centromero lega i microtubuli del fuso durante la divisione cellulare ed è responsabile della corretta segregazione mitotica e meiotica dei cromosomi. È costituito da DNA satellite di tipo α, cioè da blocchi di DNA altamente ripetitivo le cui sequenze, ripetute in tandem, sono spesso cromosoma-specifiche. Tuttavia nel centromero non ci sono geni, ha una funzione strutturale.

Il telomero protegge le estremità dei cromosomi dalla degradazione (responsabile dell’integrità) e dalla fusione coda-coda, e assicura un ancoraggio alla DNA polimerasi per la duplicazione delle sequenze di DNA più terminali. I telomeri sono costituiti da code ripetute di 6 paia di basi (bp), TTAGGG. Neanche sui telomeri ci sono geni.

Tecniche di bandeggio cromosomico

Quando i cromosomi sono sottoposti a determinate tecniche di bandeggio, come il bandeggio G o il bandeggio R, avviene una denaturazione lungo il loro asse, che determina, dopo colorazione con Giemsa, un’alternanza di bande chiare e scure. Il pattern di alternanza di tali bande è ricorrente ed è specifico di ogni cromosoma, in quanto riflette la concentrazione relativa, che è regione-specifica, di AT o CG. Si pensa che questa colorazione a bande sia dovuta al fatto che la sostanza usata entra solo nelle zone aperte del cromosoma ma non in quelle più spiralizzate.

• Bande Q (ottenute con mostarda di Quinacrina e osservate in fluorescenza)
• Bande C (soluzione di Urea riscaldate a 87° C)
• Bande G (ottenute colorando con Giemsa)
• Bande R (sono esattamente l’inverso delle bande Q e si ottengono per denaturazione termica)

Il genoma umano

Il genoma aploide umano è costituito da 23 cromosomi. Si definisce aneuploidia un numero di cromosomi NON pari ad un multiplo esatto di 23. Di norma si determina un fenotipo patologico tutte le volte in cui ogni singola regione cromosomica di un autosoma non sia presente in duplice copia. Esistono autosomi (cromosomi non sessuali) e cromosomi sessuali. Ogni volta che un autosoma non è presente in duplice copia si determina un fenotipo patologico.

I cromosomi vengono numerati in base alle dimensioni. Il braccio corto viene indicato con la lettera p e quello lungo con la lettera q. Le regioni sono divise in bande indicate con p11, p12, etc, in sottobande indicate come p11.1, p11.2, etc e in sottobande indicate come p11.21, p11.22, etc in tutti i casi con la numerazione che va dal centromero ai telomeri.

Anomalie di numero e di struttura

I cariotipi possono essere descritti usando un sistema stenografato di simboli (nomenclatura di Parigi), ordinati nel modo seguente: numero totale di cromosomi, composizione dei cromosomi sessuali e una descrizione di ciascuna anomalia. Possono esserci tutte le X che vuoi, ma se c'è anche solo una Y sei un maschio. Il cromosoma X è fondamentale: è enorme, è pieno di geni per lo sviluppo. La metà dei geni per il ritardo mentale sono sulla X; è fondamentale per lo sviluppo cognitivo. Il cromosoma Y è piccolino, ha pochi geni e ha a che fare con la fertilità maschile.

Anomalie di numero

• Poliploidia - Si dice poliploide un organismo con un numero di cromosomi pari a 3 o 4 volte il corredo cromosomico aploide. Un corredo cromosomico triploide è tra le cause più frequenti di aborto spontaneo perché è una situazione incompatibile con la vita (rappresenta il 15% delle anomalie cromosomiche riscontrate nei materiali abortivi). Un corredo cromosomico tetraploide si riscontra nel 6% dei materiali abortivi. Sia per la triploidia che per la tetraploidia il rischio di ricorrenza è trascurabile. Si parla di diandra o diginia a seconda dell’origine del problema.
• Monosomia - Manca un cromosoma, tipo sindrome di Turner. Però se manca un autosoma non è una situazione compatibile con la vita.
• Trisomia - Ci sono tre copie per un cromosoma. Le uniche trisomie autosomiche compatibili con la vita sono quelle sui cromosomi 21, 18, 13.
• Tetrasomia - Ci sono quattro copie di un cromosoma.

Sindrome di Down - Trisomia 21 - 47, XX/XY, +21

La trisomia 21 è clinicamente associata alla sindrome di Down. Rappresenta la causa genetica più comune di disabilità intellettiva ed è anche il disordine cromosomico più frequente nell’uomo. L’incidenza media è di 1:750 nati vivi, tuttavia essa varia in rapporto all’età materna, da 1:1.500-1.800 a 25 anni, a 1:100 a 40 anni, fino a 1:15 a 45 anni. Un cariotipo a 47 cromosomi con trisomia 21 libera si osserva nel 95% circa delle persone Down. Questa trisomia è la causa genetica più comune di disabilità intellettiva ed è il disordine cromosomico più frequente nell’uomo.

La causa che più frequentemente determina la trisomia 21 è una non-disgiunzione meiotica, che solitamente avviene nella prima divisione meiotica materna. Conta molto l’età materna. Una bambina ha già gli oociti bloccati in una fase della meiosi; ad ogni mese un po’ di oogoni maturano ecc ecc. A 40 anni gli oogoni sono vecchi e quindi è più facile che ci siano errori di non-disgiunzione meiotica. In questi casi l’evento “sindrome di Down” va considerato sporadico, e il rischio di ricorrenza familiare è basso.

In circa il 4% dei casi la trisomia 21 non è libera, ma è associata a una traslocazione robertsoniana sbilanciata tra un cromosoma 21 e un altro cromosoma acrocentrico, che il più delle volte è il cromosoma 14. Nel 95% dei casi si tratta di una trisomia 21 libera quindi c’è un cromosoma 21 in più, ma sono tre cromosomi a sé stanti. Anche la trisomia 21, al pari della maggior parte delle sindromi cromosomiche, è soggetta a una forte selezione in utero tramite aborto spontaneo. Infatti, solo il 20% dei concepiti con trisomia 21 arriva a termine di gravidanza con nascita di un neonato vivo. Questa trisomia però è compatibile con la vita perché il cromosoma 21 non è molto grande.

I segni clinici più significativi della sindrome di Down includono ipotonia, presente fin dalla nascita, un aspetto peculiare del capo e del volto, con brachicefalia, viso rotondeggiante, obliquità verso l’alto delle rime palpebrali, epicanto, naso piccolo con ipoplasia del dorso e narici antiverse, lingua grossa e tendente alla protrusione, padiglioni auricolari piccoli e accartocciati, ipoplasia del segmento medio del viso. Le caratteristiche facciali, insieme all’ipotonia, permettono in genere l’accertamento diagnostico già alla nascita.

Circa il 50% delle persone Down ha una cardiopatia congenita. La presenza di una cardiopatia condiziona la prognosi sia nei confronti della sopravvivenza sia nei confronti della qualità di vita, anche se la prognosi dipende comunque dal tipo e dalla gravità della cardiopatia. Il deficit cognitivo è costante, ma è di grado variabile. Va sottolineato che le persone con sindrome di Down rispondono bene al trattamento psicoattitudinale, possono raggiungere notevoli gradi di autonomia e anche un inserimento lavorativo.

Le mani sono usualmente piccole con dita brevi e clinodattilia del V dito, ed è spesso presente una linea palmare trasversa unica.

Sindrome di Edwards - Trisomia 18 - 47, XX/XY, +18

Ha un’incidenza di circa 1:7.000 nati vivi e interessa più spesso soggetti di sesso femminile. Il cromosoma 18 è molto povero di geni, per questo questa trisomia è compatibile con la vita. Patogeneticamente origina da una non-disgiunzione meiotica ed è quindi correlata a età materna relativamente avanzata. Subisce una forte selezione negativa in utero; infatti il 95% degli embrioni trisomici viene abortito precocemente. Originando da un evento casuale di non-disgiunzione meiotica, il rischio di ricorrenza familiare per trisomia 18 è trascurabile, con un piccolo incremento per i genitori del soggetto affetto, verosimilmente legato a mosaicismo germinale.

I segni clinici specifici includono un marcato ritardo di crescita, microcefalia con dolicocefalia, un aspetto peculiare del volto, che è minuto, con naso sottile, microretrognazia, orecchie a basso impianto e con padiglioni a punta. È tipico un atteggiamento delle mani strette a pugno, con accavallamento del II dito sul III e del V sul IV, e una conformazione del piede “a piccozza”, con calcagno prominente e atteggiamento talo-verticale. Molto frequenti sono le malformazioni congenite, soprattutto cardiovascolari, ma anche scheletriche, gastrointestinali e renali. Il ritardo psicomotorio è molto grave, e la mortalità è del 90% entro il primo anno di vita. I soggetti a più lunga sopravvivenza sono generalmente mosaici con cellule normali.

Sindrome di Patau - Trisomia 13 - 47, XX/XY, +13

La trisomia 13 è clinicamente associata alla sindrome di Patau. È una condizione molto grave, con alta selezione negativa prenatale. L’incidenza tra i nati vivi è di circa di 1:10.000. È peculiare di questa condizione il pattern di crescita, che alla nascita è più spesso normale o relativamente in eccesso, anche se sono documentati casi con importante ritardo di crescita. Questa trisomia è compatibile con la vita perché anche se il cromosoma 13 contiene molti geni essi non sono tutti fondamentali.

La maggior parte dei casi di sindrome di Patau ha un cariotipo a 47 cromosomi per trisomia 13 libera. Anche in questo caso la sindrome correla con l’età materna avanzata (non-disgiunzione meiotica) e il rischio di ricorrenza familiare è basso. In circa il 10% dei casi, invece, la trisomia 13 è associata a traslocazione robertsoniana t(13;14). La traslocazione può essere de novo, oppure ereditata da uno dei genitori.

I segni clinici distintivi includono labiopalatoschisi, oloprosencefalia (assente o parziale separazione degli emisferi cerebrali), polidattilia e microftalmia, oltre che anomalie dei padiglioni auricolari, e anomalie scheletriche. Frequenti sono le malformazioni degli organi interni, a carico di cuore, rene e intestino. Il ritardo psicomotorio è molto grave, sono frequenti le crisi convulsive e la sopravvivenza è in genere limitata al primo anno di vita.

Anomalie di struttura

Le anomalie cromosomiche di struttura possono essere bilanciate o sbilanciate.

Anomalie bilanciate

• Traslocazioni reciproche, traslocazioni robertsoniane, inversioni pericentriche e paracentriche, inserzioni. Nella maggior parte dei casi sono innocue per il soggetto portatore. Non si ha alcuna perdita ma la struttura è alterata. Tipicamente non riesci ad avere figli perché si formano trisomie o monosomie parziali dopo la fecondazione.
• Inversioni - Si stacca, si gira e torna al suo posto.
• Inserzioni - Un pezzo ad es del cromosoma 9 si stacca e va nel 17. [Se rompi un gene si vede fenotipicamente. Se tolgo un pezzo inattivo e lo metto in una zona attiva può dare problemi]
• Traslocazioni robertsoniane - Per traslocazione robertsoniana si intende la fusione, a livello del centromero, di due cromosomi acrocentrici. A ciò consegue la formazione di un unico cromosoma formato dalle braccia lunghe, complete, dei due acrocentrici, con centromero comune e perdita delle braccia corte (si forma un microcromosoma formato dai due bracci p che di solito si perde). In presenza di traslocazione robertsoniana il numero cromosomico si riduce dunque apparentemente di una unità. La traslocazione robertsoniana t(13;14)(q10;q10) è la traslocazione bilanciata più frequente nella popolazione generale. Innocua per il soggetto portatore, essa implica il rischio di concepire zigoti con trisomia 13. Traslocazioni robertsoniane bilanciate possono causare oligospermia nel maschio. Si riscontrano infatti nell’1,6% dei maschi oligospermici, contro lo 0,1% della popolazione generale.

Anomalie sbilanciate

Le anomalie sbilanciate sono caratterizzate da una perdita o da un’acquisizione di materiale genetico; esse sono rappresentate da:

• Delezioni parziali - Le delezioni cromosomiche parziali possono essere terminali o interstiziali. Sono osservabili praticamente in tutti i cromosomi. L’estensione del segmento deleto è variabile, e il fenotipo clinico associato varia in relazione all’estensione della delezione (se ti manca solo un pezzetto di autosoma puoi vivere, ma ti mancano certe proteine). Le alterazioni fenotipiche sono causate dalla delezione di gruppi di geni contigui. L’esame cromosomico convenzionale ha validità diagnostica solo fino al limite di risoluzione di questa tecnica, che è di circa 5-8 Mb. Per la diagnosi di delezioni di grandezza inferiore si rendono necessarie tecniche di citogenetica molecolare. Il meccanismo patogenetico che determina le anomalie fenotipiche è l’aploinsufficienza. I trascritti dei geni inclusi nell’intervallo di delezione sono mediamente ridotti della metà rispetto alla norma.
• Duplicazioni parziali - Un pezzo viene duplicato, trisomia parziale.
• Cromosomi ad anello (ring), prodotti dalla circolarizzazione di un cromosoma, con frequente perdita delle regioni terminali. Se perdi o stacchi il telomero il cromosoma circolarizza.
• Isocromosomi

Cri du chat syndrome - monosomia 5p (monosomia parziale) - 46, XY, del(5)(p14,2)

La maggior parte delle delezioni parziali del braccio corto del cromosoma 5 è associata alla sindrome cri du chat, appellativo che deriva dal tipico timbro del pianto, simile a un miagolio. La sindrome Cri du chat ha un’incidenza di 1:20.000-1:50.000 nati vivi. L’ampiezza della delezione varia nei diversi individui, e la gravità del quadro. Clinicamente, i segni distintivi sono rappresentati, oltre che dal tipico pianto, da microcefalia, ritardo di...