PATOLOGIE da

IMPRINTING GENOMICO

Patologie e sindromi genetiche riconducibili ad anomalie che coinvolgono regioni sottoposte a imprinting genomico

Sindromi e patologie da imprinting genomico

Isodisomia mat del cr.7:grave ritardo di accrescimento e fibrosi cistica

Isodisomia mat o del. .allele paterno del cr. 15q11-13: S.Prater WilliIsodisomia pat o del. allele materno del cr. 15q11-13 : S. Angelmans

Isodisomia pat del cr. 11p15:Beckwit –Wiedeman

Delezione allele mat in11p15: un oncogene che determina anomalie di accrescimento e predisposizione ai tumori

Assenza materno cr. 11 : tumore di Wilms (11p13)Assenza dell’allele materno RB (13q14) : osteosarcoma sporadicoAssenza dell’allele paterno RB (13q14) : retinoblastoma

IDEOGRAMMA CARIOTIPO UMANO

Schema internazionale dei cromosomi del cariotipo umano con bande G positive

Aspetti fenotipici delle S. di Prader Willi e AngelmanConseguenze fenotipiche dovute a alterazioni della stessa regione cromosomica 15q11-q13 sottoposta al meccanismo di imprinting

AS (HAPPY PUPPET)

PW

ANGELMAN (AS) e PRATER-WILLI (PWS)

Esempio di patologie severe con quadro clinico completamente diverso determinate dalla delezione della stessa regione del 15p11.1

AS: gravi menomazioni psichiche, convulsione, aspetto a “marionetta”

PWS: ritardo di sviluppo, disturbi comportamentali , ritardo mentale ipotonia, obesità non trattabile

PWSAS

Normale sviluppo embrionale Geni localizzati sul cromosoma 15

sottoposti ad imprinting: SNURF e UBEA3

Nella regione di 2 Mb a livello della banda cromosomica 15q11–q13 sono espressi alternativamente i geni materni o paterni.

L’allele materno espresso UBEA3 codifica una proteina ubiquitina ligasi di E3A (imprinted solo nel cervello), mentre l’allele paterno è silenziato.

L’allele paterno espresso SNURF codifica la proteina SNRP mentre nelle cellule normali l’allele materno è silenziato

gene alleli parentali SNURF PATERNOMATERNO UBEA3 PATERNOMATERNO

SVILUPPO NORMALE

Chr.15 Abbott

SINDROME DI PRADER WILLISindrome di Prader–Willi(PWS). 1 su 20,000 neonati. Caratterizzata da ritardo di crescita nell’infanzia, iperfagia, ritardo mentale e anomalie comportamentali: è la principale causa di obesità non trattabile nella prima infanzia.

La PWS insorge per la perdita di espressione dell’allele paterno a causa di: microdelezione della regione 15q11–q13 : 65–70% dei casi; UDP materna : 20–30%. Più raramente da difetti nel ICR (metilazione de novo dell’allele paterno), e da TRANSLOCAZIONI bilanciate che distruggono il locus SNURF/SNRPN.)

Il difetto molecolare è nel dominio sottoposto a imprinting nella regione di 2 Mb a livello della banda cromosomica 15q11–q13, che contiene geni SNURF e UBEA3.

gene alleli parentali SNURF PATERNOMATERNO UBEA3 PATERNOMATERNO

PWSUDPmicrodel

SINDROME DI ANGELMANSindrome di Angelman (AS). 1 su 15,000 NEONATI: ritardo mentale, difficoltà di linguaggio, bassa statura, anomalie comportamentali (movimenti da marionetta).

Il difetto molecolare coinvolge lo stesso dominio 15q11–q13 responsabile di PW E’ dovuta alla perdita di espressione dell’allele materno UBE3A. Il gene codifica una ligasi ubiquitina E3 coinvolta nella degradazione di UBIQUITIN–PROTEOSOME e nell’adulto è sottoposto a imprinting solo nel cervello.

Causa più comune: microdelezione della regione materna 15q11–q13 65–70% dei casi ; UPD paterna 5%, mutazione genica dell’allele materno al locus UBE3A 10% e difetti di imprinting 5%

geni alleli parentali SNURF PATERNO MATERNO UBEA3 PATERNO MATERNO

ASmicrodel UDP

Cromosomi metafasici ibridati con sonda LSI Prader-Willi/Angelman region (D15S10). La presenza del segnale verde (Cep) e di entrambi i segnali

orange-pink su i due cromosomi 15 esclude la delezione al locus D15S10

Cr.15

Cr.15

C

C

C

C

P/A

P/A

MECCANISMI DI TRASMISSIONE EREDITARIA NON MENDELIANA

DISOMIA UNIPARENTALE (UDP): presenza di UNA linea cellulare disomica (2n = 46) con due cromosomi omologhi ereditati entrambi da un solo genitore

DISOMIE UNIPARENTALIPresenza di una copppia di cromosomi omologhi erroneamente ereditata da un GENITORE e ASSENZA dell’omologo dell’altro geninitore

ISODISOMIA : due cromosomi derivati dai cromatidi fratelli dell’ omologo di un genitore

ETERODISOMIA: due cromosomi originari di due omologhi dello stesso genitore

MECCANISMO PIU’ PROBABILE

ZIGOTE TRISOMICO

Embrione con unidisomia Tessuti extraembrionali

CONSEGUENZE

1. Omozigosi recessiva per alleli di un solo genitore portatore; 2..Patologie da imprinting genomico; 3. Disomie uniparentali per cromosomi NON sottoposti ad imprinting non determinano patologie e rimangono non diagnosticate

4. crossing over somatico (isodisomia parziale)

Meccanismi di insorgenza di un UDP

1. Fecondazione di gameti aneuploidi prodotti per errore di non disgiunzione in entrambi i genitori

3. “recupero” di una monosomia dello zigote per duplicazione post zigotica del singolo cromosoma

♂

♀

2. “recupero” di una trisomia per perdita post-zigotica di un cromosoma soprannumerario

♀

oppure

♂

IMPLICAZIONI DELLA DISOMIA UNIPARENTALE (UDP)

Isodisomia, due copie di un cromosoma (i due cromatidi fratelli di un omologo), determina OMOZIGOSITA’ per tutti gli alleli del cromosoma Eterodisomia, presenza di una copia di entrambi gli omologhi di un genitore, mantiene l’ ETEROZIGOSITA’ parentale originaria

Per particolari cromosomi coinvolti in UPD può insorgere una patologia dovuta al fenomeno di imprinting a carico di geni in esso localizzati con conseguente NULLISOMIA FUNZIONALE di un gene in un momento critico dello sviluppo embrionale

In casi di UPD è presente un mosaicismo per trisomia nei tessuti placentare e extraembrionali (assenza del recupero di trisomia, presente solo nell’embrione in cui risulterebbe letale )

Per omozigosità in seguito a UPD (isodisomia) può nascere un individuo affetto da malattia autosomica recessiva da un solo genitore eterozigote: Aa x AA aa UDP

Qual è il rischio atteso di

UDP nello zigote?

Quale tipo di errore si è verificato nella gametogenesi materna e in quale divisione?

Coppia di cromosomi 15 omologhi

22 cromosomi 24 cromosomi

Oociti

Recupero di un errore di non disgiunzione

Il meccanismo primario di insorgenza per l’ UPD è una NON DISGIUNZIONE MEIOTICA.

IMPLICAZIONI DIAGNOSTICHE

L’analisi molecolare per UPD è fortemente consigliata nei casi di mosaicismo del cr.15 nei villi coriali. Una trisomia a mosaico è osservata in circa l’ 1% dei villi coriali esaminati per età materna a rischio.

Il recupero post-zigotico di una trisomia o monosomia causa UPD rilevabile in prenatale con mosaicismo e/o anomalia cromosomica nei genitori o feto.

Molti casi di UPD per cr. acrocentrici sono descritti nei concepimenti di genitori portatori di traslocazioni Robersoniane. E’ consigliabile l’analisi per accertamento UPD per ogni traslocazione Robersoniana di cr.14 o 15.

Esiste una correlazione tra età materna e recupero della trisomia del 15: l’analisi dei villi coriali può mostrare un mosaicismo 15, assente nelle cellule del feto(46 cr.), con sospetto di UPD e alto rischio di PWS nel neonato

EFFETTI EPIGENETICI E CLONAZIONE

Dopo il trasferimento di un nucleo somatico (ora zigote) inizia subito la riprogrammazione epigenetica della maggior parte dei geni

Vengono riattivati geni silenziati nella cellula somatica del donatore e inattivata l’espressione di geni associati al differenziamento

Inadeguata riprogrammazione del nucleo donatore porta a un mosaico di espressione e silenziamento di geni, causa degli insuccessi della clonazione nei mammiferi

EPIGENOTIPO rappresenta la struttura della cromatina indotta dalla metilazione degli istoni, è responsabile dello sviluppo normale di un embrione fino alla blastocisti, influenza la riprogrammazione.

La metilazione del DNA regola vari processi cellulari: REPLICAZIONE DNA: INATTIVAZIONE DNA, IMPRINTING GENOMICO, ESPRESSIONE

GENICA TESSUTO-SPECIFICA, INATTIVAZIONE CROMOSOMA X

CLONAZIONE NELL’UOMONon ci sono prove sperimentali che dimostrino impossibile il clonaggio umano a partire da un nucleo adulto; l’alto numero di fallimenti nella sperimentazione sui

mammiferi dimostra la presenza di ostacoli difficili da superare

Imprinting- nei nuclei di cellule adulte di alcuni tessuti geni specifici mantengono uno schema di silenziamento parentale

Dai risultati sui mammiferi: la maggior parte degli embrioni clonati si arresta nelle prime fasi dello sviluppo; circa ½ muoiono in epoca perinatale; gli altri

hanno varie anomalie e minori aspettative di vita.

Riprogrammazione epigenetica- il nucleo del donatore dovrebbe essere riprogrammato epigeneticante nel citoplasma dell’uovo entro un preciso limite di tempo prima dell’attivazione

Telomeri - In relazione al tessuto i telomeri nelle cellule somatiche sono molto più accorciati di quelle germinali.

Mitocondri – eteroplasmia di mtDNA di origine materna

Ruolo di meccanismi biologici nel fallimento di clonazioni:

CONTROLLO GENETICO DELLO SVILUPPO EMBRIONALE

Mutanti omeotici

Il mutante omeotico deriva da errato posizionamento di un organo. In a. e b. testa di drosophila(pos. Anteriore). a. moscerino wildtype. b. il mutante dominante Antennapedia – le zampe al posto delle antenne

antenne

Wild type Mutante Antennapedia

Mutante Bithorax

zampe

a. b.c.

occhi

Mutante omeotico derivato da duplicazione della regione genica responsabile dello sviluppo del torace contenente l’attaccatura delle ali : bitorax

PRIMI STADI DELLO SVILUPPO EMBRIONALE PRECOCE

►Definizione degli assi principali del corpo:dorso-ventrale; antero-posteriore

Geni responsabili►di polarità dell’uovo (geni materni)

DROSOPHILA

■ Determinazione del numero e polarità dei segmenti corporei

■di segmentazione (geni embrionali)

● Definizione dell’identità di ciascun segmento

● omeotici (geni embrionali)

Geni omeotici in tutti gli organismi da un’unica precoce origine evolutiva

GENI OMEOTICI

Contengono brevi sequenze (Hox)che permettono a proteine corrispondenti di legarsi a specifiche sequenze del DNA del gene sotto il loro controllo

Presenti con sorprendenti analogie in tutte le specie

Famiglie di geni contenenti Homeobox “i geni architetto”, che dirigono lo sviluppo di determinate regioni anatomiche mediante regolazione di geni esecutori.

CODICE EPIGENETICO

Hanno un ruolo chiave nell’evoluzione. I mutanti omeotici possono dare rapidamente origine a fenotipi capaci di adattamenti evolutivi in ambienti in veloce trasformazione

Un sistema di interpretazione del progetto biologico non determinato dal DNA ma da specifiche proteine e composti chimici che, in risposta a circostanze ambientali, interagiscono con le sequenze di DNA attivandole o inibendole.

Famiglie di geni simili per struttura e ruolo:“Master control genes” organizzate in un ordine gerarchico lungo l’asse antero-posteriore embrionale

GENETICA DELLO SVILUPPOOgni tappa dello sviluppo embrionale è sotto il controllo dell’espressione genica. Le cellule embrionali hanno un “FATO” un destino biologico compiuto mediante l’espressione di specifici geni durante sviluppo e organogenesi. Molte tappe dello sviluppo embrionale sono evolutivamente conservate

I geni responsabili dello sviluppo dell’occhio nei vertebrati sono attivati da una proteina “interruttore” regolatrice che ha omologhi in tutti i vertebrati

Mutazioni di questo gene

Eyless Drosophila M. ▷presenza di abbozzi di occhi nell’adulto. (1993 trapianti di cellule embrionali: mut. omeotici)

Small eye Topo ▷occhi piccoli in eterozigote , privo di organi nell’omozigote

Aniridia Uomo ▷gravi malformazioni a carico dell’occhio

Le analogie di sequenza indicano che i tre geni si sono evoluti da una sequenza ancestrale comune, indicando tappe comuni nello sviluppo dell’occhio di insetti mammiferi uomo

Geni omeotici

Alcuni funzionano solo durante l'embriogenesi perché implicati solo nello sviluppo dell'embrionale, altri sono espressi anche

nell'individuo adulto

Di solito codificano per fattori di trascrizione e sono presenti in gradienti all'interno dell'embrione nei primi stadi lungo l’asse

antero-posteriore.

I geni omeotici sono geni che vengono attivati o disattivati in momenti specifici dello sviluppo e sono in grado di guidare lo sviluppo di organi e apparati secondo un preciso ordine sia

temporale che topografico.

STADI PRECOCI DELLO SVILUPPO DEI MAMMIFERI

Le prime cellule a differenziarsi sono quelle che danno origine ai tessuti extraembrionali necessari per l’impianto e la formazione della placenta (imprinting paterno)

Anche nei mammiferi si esprimono in sequenza geni posizionali - selettori - realizzatori

Uno dei primi tessuti formati dall’embrione definitivo sono le cellule della linea germinale (riprogrammazione dell’imprinting)

Nel liquido amniotico “cell free” (20°-22° sett.) prelevato per analisi di routine sono presenti tracce di RNA fetale per la sintesi di proteina specifiche a un determinato stadio del programma di sviluppo. (J.Am.Med.Ass.2005)

Induzione embrionale = il “fato” di una regione dipende da segnali extracellulari

Sviluppo regolativo = la rimozione di una regione è compensata da altre regioni embrionali (gemelli monozig., analisi preimpianto. Non teratogeno) (2 sett. )

Sviluppo a mosaico = le diverse regioni si sviluppano indipendentemente dall’ambiente; si verifica nello sviluppo di organi ( teratogeno da virus e farmaci)