MUTAZIONEMUTAZIONE

Cambiamento della struttura del genoma che causa una variazione del

genotipo attraverso le generazioni

Base molecolare della Base molecolare della variabilitàvariabilità

Comparsa improvvisa di un caso di Comparsa improvvisa di un caso di acondroplasia da genitori saniacondroplasia da genitori sani

Gene coinvolto "recettore del fattore di crescita dei fibroblasti di tipo 3", (FGFR3). Questo recettore, in condizioni normali esplica un controllo di tipo negativo sulle cellule della cartilagine di accrescimento.

Mutazioni di FGFR3 lo rendono costitutivamente attivato (mutazioni con “guadagno di funzione”) FGFR3 mutato è in grado di segnalare continuamente alla cellula un segnale negativo, col risultato di inibire l’allungamento dell’osso.

Condizione autosomica dominante

FGFR3FGFR3

S - S S - S S - S

CROUZONAla(391)GluD. transmembranario

IPOCONDROPLASIALys(540)Leu 70%TK1

TDLys(650)Met TK2

TDArg(258)Cys IgII-IgIIIinterloop

ACONDROPLASIA1138 G A 1138 G CGly (380)Arg D. transmembranoso

Mutazione in un Mutazione in un genegene

Gene normaleGene normale

Gene mutatoGene mutato

Evento mutazionale

Trascrizionee

traduzione

Prodotto genico normale

Prodotto genico parzialmente funzionante/non funzionante/assente

Espressione fenotipica normale

Espressione fenotipica alterata

N.B. NON TUTTE LE MUTAZIONI CAUSANO UN’ALTERAZIONE DELLE PROTEINE E NON TUTTE LE MUTAZIONI AVVENGONO

NELLA REGIONE CODIFICANTE DEL GENE

mutazioni …..EFFETTOmutazioni …..EFFETTO

MINIMO O NULLOMINIMO O NULLO (non alterazioni della proteina)

POLIMORFISMIPOLIMORFISMI se la frequenza è superiore all’1%

LETALE LETALE proteina anomala FENOTIPO ANOMALO

Classificazione in base ………..Classificazione in base ………..………….. alla tipologia e all’estensione.. alla tipologia e all’estensione

Mutazioni cromosomiche: sono alterazioni di numero o di struttura dei cromosomi

Mutazioni geniche: interessano i geni

TIPO MECCANISMO FREQUENZA ESEMPIO

Genomiche Errori di segregazione 10-2/div. cell. AneuploidiaN° cromosomi

Cromosomiche Errori di ricombinazione 6X10-4/div. cell. DuplicazioniStruttura cromosomi Delezioni

Geniche Errori della duplicazione 10-10/bp/div. cell. Mut. puntiformiPoche basi 10-5-6/ locus/gen.

Mutazioni spontanee:

Duplicazione.3 miliardi di coppie di basi devono essere replicate ad ogni divisione cellulare, in un periodo di 2-3 ore. Velocità di circa 100.000 bp/sec.Avvengono casualmente degli errori

Ricombinazione. Processo fondamentale per generare “diversitàbiologica”, a causa della struttura di particolariregioni genomiche, è un’altra fonte di possibili errori.

Segregazione. Processo finale della mitosi e della meiosi.Avvengono casualmente degli errori che portanoad una errata ripartizione dei cromosomi nelle cellulefiglie.

COSA CAUSA LE MUTAZIONI?

Classificazione in base ……Classificazione in base ……………….. all’origine .. all’origine

Mutazioni spontanee: insorgono in assenza di agenti mutageni esterni e sono prodotte da fenomeni di ricombinazione (crossing-over) o replicazione del DNA

Mutazioni indotte: dovute all’azione sul DNA di agenti chimici, fisici o biologici

La differenza principale tra mutazioni spontanee La differenza principale tra mutazioni spontanee ed indotte è la frequenza di mutazioneed indotte è la frequenza di mutazione

Numero di eventi mutazionali mutazionali (cellule o Numero di eventi mutazionali mutazionali (cellule o individui) individui)

Totale della popolazioneTotale della popolazione

Le mutazioni indotte hanno una frequenza di Le mutazioni indotte hanno una frequenza di mutazione superiore a quella che si osserva per mutazione superiore a quella che si osserva per

le mutazioni spontaneele mutazioni spontanee

MUTAZIONI PUNTIFORMI MUTAZIONI PUNTIFORMI

Molti fattori fisici e chimici, endogeni ed esogeni, tendono se permanenti ad alterare il DNA genomico.

Spesso le lesioni prodotte da:• rottura di una catena• creazione di legami covalenti tra basi contigue o complementari• escissione di una o più basi• errore di replicazione

sono riconosciute e riparate dai sistemi enzimatici deputati a riparare il DNA. Se ciò non avviene l’alterazione che si verifica su una catena può essere fissata al momento della replicazione: si tratta allora di una mutazione puntiforme che si tramanderà nelle generazioni cellulari successive.

Mutazioni indotte:

fattori esogeni (mutageni chimici, ionizzanti e irradiazione UV, calore)

Radiazioni UVRadiazioni UV

Il calore provoca idrolisi dei legami -N-glicosidici, creando un sito senza base. Lo zucchero-fosfato rimanenti vengono facilmente persi lasciando così un “buco”.

Calore

Il risultato è generalmente una delezione.

Le mutazioni non sono distribuite Le mutazioni non sono distribuite

casualmente ed uniformemente nel casualmente ed uniformemente nel

genoma.genoma.

L’incidenza delle mutazioni nei diversi loci dipende da diversi fattori:

- dimensione del locus considerato

- capacità codificante o meno

- caratteristiche di sequenza. ZONE CALDE DI VARIABILITA’ZONE CALDE DI VARIABILITA’

(HOT SPOTS MUTAZIONALI)(HOT SPOTS MUTAZIONALI)

Grandezza dei geni

Frequenza di mutazione di alcuni geni

Gene Nuove mutazioni per 106 gametiEmofilia B 2 – 3Aniridia 2 – 5 Retinoblastoma 5 – 12 Acondroplasia 6 – 40 Emofilia A 32 – 57 Distrofia muscolare di Duchenne 43 – 105 Neurofibromatosi 44 – 100 Polycystic kidney disease 60 – 120

La frequenza di mutazione (mutazione / gene / divisione cellulare) può variare da 10-4 a 10-7 a seconda della

grandezza del gene e del fatto che vi siano “hot spots” mutazionali (la frequenza in molti loci è compresatra 10-5 e

10-6).

MUTAZIONI PUNTIFORMI MUTAZIONI PUNTIFORMI

Cause più frequenti di malattie genetiche (circa il 70%).

Possono essere causate da:• alterazioni biochimiche e soprattutto da deaminazione di citosine metilate localizzate in siti particolari che contengono doppiette CG (punti caldi di mutazione: HOT SPOTS)• errori di replicazione o di riparazione del DNA (delezione o addizione di un numero molto piccolo di basi). Incidenti di replicazione si producono soprattutto a livello di sequenze corte ripetute.

TRASFORMAZIONE DELLA TRASFORMAZIONE DELLA CITOSINA IN TIMINACITOSINA IN TIMINA

TIMINATIMINA

N

N

NH2

N

NH

O3HC

O

3HC

N

N

NH2

O O

CITOSINACITOSINA 5’-METILCITOSINA5’-METILCITOSINA

metilazione deaminazione

Errori che intervengono nei meccanismi di replicazione e di riparazione del DNA

BASI MOLECOLARI DELLE MUTAZIONI BASI MOLECOLARI DELLE MUTAZIONI SPONTANEESPONTANEE ………… ………… APPAIAMENTO ERRATOAPPAIAMENTO ERRATO

Corte sequenze ripetute in tandem

In questo caso si possono verificare inserzioni/delezioni per appaiamento errato causato da scivolamento di un filamento

BASI MOLECOLARI DELLE MUTAZIONI SPONTANEE

Il fenomeno dello slittamento della forca replicativa è spesso la causa di brevi inserzioni/delezioni

Replicazione normale

Slittamento indietro

Slittamento avanti

Classificazione in base ………Classificazione in base ………………….. alla sede.. alla sede

Mutazioni germinaliSi verificano nei gameti e possono essere trasmesse alla prole.Danno origine ad un individuo mutato sia nelle cellule somatiche sia nei gameti

Mutazioni somaticheSono presenti esclusivamente nelle cellule dell’organismo (cellule somatiche) e non nei gameti, pertanto non possono essere trasmesse alla discendenza. Le caratteristiche mutate si manifestano solo nell’individuo in cui e’ avvenuta la mutazione e non vengono trasmesse alle generazioni successive.

TIPO DI MUTAZIONETIPO DI MUTAZIONE

(può interessare uno o pochi nucleotidi oppure centinaia di milioni di nucleotidi):

DelezioniDelezioniInserzioniInserzioniDuplicazioniDuplicazioniInversioniInversioniSostituzioniSostituzioni

TransizioniTransizioni purina <--> purina pirimidina <--> pirimidina

TrasversioniTrasversioni purina<-->pirimidina

TRANSIZIONITRANSIZIONI

Una purina (A o G) e’ sostituita con Una purina (A o G) e’ sostituita con un’altra purina (G o A) o una pirimidina (C un’altra purina (G o A) o una pirimidina (C o T) con l’altra pirimidina (T o C)o T) con l’altra pirimidina (T o C)

ATTTCGCCGAATTGC

TAAAGCGGCTTAACGTRANSIZIONE ATTTCGCCGGATTGC

TAAAGCGGCCTAACG

TRANSVERSIONI

Una purina (A o G) e’ sostituita con una pirimidina (C o T) e viceversa

ATTTCGCCGAATTGC

TAAAGCGGCTTAACGTRANSVERSIONE ATTTCGCCGCATTGC

TAAAGCGGCGTAACG

MUTAZIONI ….. EFFETTOMUTAZIONI ….. EFFETTO

Silente nessun cambiamento nell’aminoacido codificato

Missenso conservativa = residuo aa stessa classe

non-conservativa = residuo aa classe diversa

Nonsense terminazione prematura della proteina

Frameshift cambiamenti nel frame di lettura della sequenza

Molte mutazioni non hannoMolte mutazioni non hannoconseguenze a livello di conseguenze a livello di

proteinaproteina

Molte mutazioni non hannoMolte mutazioni non hannoconseguenze a livello di conseguenze a livello di

proteinaproteina

Amminoacidi neutri con catene non polari

Amminoacidi neutri con catene polari

Amminoacidi acidi con catene polari

Amminoacidi basici con catene polari

AMINOACIDIAMINOACIDI

Amminoacido neutro con catene polari

Amminoacido neutro con catene polari

Amminoacido neutro con catene non polari

CODICE GENETICOCODICE GENETICO

MUTAZIONI SILENTIMUTAZIONI SILENTI

MUTAZIONI NELLE REGIONI CODIFICANTIMUTAZIONI NELLE REGIONI CODIFICANTI

MUTAZIONI NONSENSOMUTAZIONI NONSENSO Risultano da una sostituzione

nucleotidica che comporta la

formazione di un codone di

stop (UAA, UAG o UGA).

EFFETTI ….. determinano EFFETTI ….. determinano

l’interruzione della l’interruzione della

traduzione, e la proteina traduzione, e la proteina

finale, che è troncata, non è finale, che è troncata, non è

generalmente espressa.generalmente espressa.

MUTAZIONI NELLE REGIONICODIFICANTIMUTAZIONI NELLE REGIONICODIFICANTI MUTAZIONI MUTAZIONI MISSENSOMISSENSO

modificano il significato di un codone.

Risulta un cambiamento di un aminoacido nella proteina corrispondente.

L’impatto finale è variabile a seconda della natura del cambiamento e della sua localizzazione sulla catena polipeptidica.

La mutazione può avere effetto sulla funzione e/o sulla stabilità della proteina; al contrario può non avere alcuna influenza.

D167H (ASPARTATO 167 ISTIDINA)D167H (ASPARTATO 167 ISTIDINA)

aa neutro aa neutro con catene con catene

polaripolari

aa neutro aa neutro con catene non polaricon catene non polari

ASPARTATOASPARTATO ISTIDINAISTIDINA

Se la mutazione si verifica a carico di uno dei 3 codoni di stop (UAA, UAG, UGA) può determinare un proseguimento della traduzione fino al codone di stop successivo.

Ne risulta un Ne risulta un allungamento della allungamento della catena polipeptidica.catena polipeptidica.

MUTAZIONI NELLE REGIONI CODIFICANTIMUTAZIONI NELLE REGIONI CODIFICANTI MUTAZIONI MUTAZIONI MISSENSOMISSENSO

modificano il significato di un codone.

MUTAZIONI CHE CAMBIANO LA FASE MUTAZIONI CHE CAMBIANO LA FASE DI LETTURADI LETTURA

MUTAZIONI FRAMESHIFTMUTAZIONI FRAMESHIFT

• Qualunque inserzione o delezione (in un esone) di un numero di basi che non sia multiplo di 3 comporta la modifica della fase di lettura.

• Determina la comparsa di un codone di stop prematuro.

FRAMESHIFTFRAMESHIFT

Delezione di un aa

Cambiamento della fase di lettura del

codice

MUTAZIONI CHE ALTERANO MUTAZIONI CHE ALTERANO LO SPLICINGLO SPLICING

La mutazione colpisce una sequenza consenso dello splicing …….. il processo

di eliminazione degli introni non può avvenire correttamente

mRNAmRNA

GT AG GT AG

SPLICINGSPLICING

sito donatore di splicingsito donatore di splicing sito accettore di splicingsito accettore di splicing

Mutazioni nei siti canonici GTe AG localizzati all’inizio e alla fine dell’introne.

Mutazioni nelle sequenze consenso importanti per il riconoscimentodei limiti dell’introne da parte dei fattori di splicing

Sostituzione di una base in una sequenza intronica o esonica che presenti un certo grado di omologia con sequenze consenso dello splicing (SITI SITI CRIPTICI DI SPLICINGCRIPTICI DI SPLICING)

mRNAmRNA

GT AG GT AG

SPLICINGSPLICING

sito donatore di splicingsito donatore di splicing sito accettore di splicingsito accettore di splicing

MUTAZIONI CHE MODIFICANO SEGNALI MUTAZIONI CHE MODIFICANO SEGNALI IMPORTANTI PER I SITI DI SPLICINGIMPORTANTI PER I SITI DI SPLICING

OMISSIONE DI UN ESONEOMISSIONE DI UN ESONE

GT GT AGCG

SDSD SDSD SASASASA

GT GT AGCG

SDSD SDSD SASASASA

GT CT AGAG

SDSD SDSD SASASASA

MUTAZIONI CHE MODIFICANO SEGNALI MUTAZIONI CHE MODIFICANO SEGNALI IMPORTANTI PER I SITI DI SPLICINGIMPORTANTI PER I SITI DI SPLICING

RITENZIONE DI UN INTRONERITENZIONE DI UN INTRONE

MUTAZIONI CHE MODIFICANO SEGNALI MUTAZIONI CHE MODIFICANO SEGNALI IMPORTANTI PER I SITI DI SPLICINGIMPORTANTI PER I SITI DI SPLICING

ATTIVAZIONE DI UN SITO CRIPTICO DI SPLICINGATTIVAZIONE DI UN SITO CRIPTICO DI SPLICING

Attivazione di un sito criptico accettore di splicing Attivazione di un sito criptico accettore di splicing nell’introne 1nell’introne 1

GT GT AGAG

SDSD SDSD SASASASASASA

ccgg

ccag

MUTAZIONI CHE MODIFICANO SEGNALI MUTAZIONI CHE MODIFICANO SEGNALI IMPORTANTI PER I SITI DI SPLICINGIMPORTANTI PER I SITI DI SPLICING

ATTIVAZIONE DI UN SITO CRIPTICO DI SPLICINGATTIVAZIONE DI UN SITO CRIPTICO DI SPLICING

Attivazione di un sito criptico donatore di splicing Attivazione di un sito criptico donatore di splicing nell’esone 2nell’esone 2

GT GT AGAG

SDSD SDSD SASASASA SDSD

ccgg

ccgt

NF2 EXON 4

46561 agaaaattat taacaggctg ctctggcagc cctcattaga acgccgtgag gccatctgtt46621 gtgatcagcc tacacacctc acttcccctc acagagtatc atgtctccct tgttgctcct46681 ttcagGTAAA GAAGCAGATT TTAGATGAAA AGATCTACTG CCCTCCTGAG GCTTCTGTGC46741 TCCTGGCTTC TTACGCCGTC CAGGCCAAGg taggctcaaa gaagaaaaat gtatttttcc46801 tgggcgttaa tttgggtcat gggatcactc ctatcttctc tttctttggg ttttctgtac46861 ttcagagaga cttgccccag aaagtgagat gttatgggac ttgtggactt gaagaaccac

NF2 EXON 4

46561 agaaaattat taacaggctg ctctggcagc cctcattaga acgccgtgag gccatctgtt46621 gtgatcagcc tacacacctc acttcccctc acagagtatc atgtctccct tgttgctcct46681 ttcagGTAAA GAAGCAGATT TTAGATGAAA AGATCTACTG CCCTCCTGAG GCTTCTGTGC46741 TCCTGGCTTC TTACGCCGTC CAGGCCAAGg taggctcaaa gaagaaaaat gtatttttcc46801 tgggcgttaa tttgggtcat gggatcactc ctatcttctc tttctttggg ttttctgtac46861 ttcagagaga cttgccccag aaagtgagat gttatgggac ttgtggactt gaagaaccac

DONOR SITES:POSITION EXON INTRON SCORE 45 GCC GTGAGG 76. 125 CAG GTAAAG 83. 209 AAG GTAGGC 84. 323 AAA GTGAGA 83.

ACCEPTOR SITES:POSITION INTRON EXON SCORE 95 CCCTCACAG AGTA 90. 126 TCCTTTCAG GTAA 92. 204 GCCGTCCAG GCCA 84. 306 GTACTTCAG AGAG 85.

SEQUENZA NORMALESEQUENZA NORMALEDONOR SITES:POSITION EXON INTRON SCORE 45 GCC GTGAGG 76. 125 CAG GTAAAG 83. 323 AAA GTGAGA 83.

ACCEPTOR SITES:POSITION INTRON EXON SCORE 95 CCCTCACAG AGTA 90. 126 TCCTTTCAG GTAA 92. 204 GCCGTCCAG GCCA 84. 306 GTACTTCAG AGAG 85.

SEQUENZA MUTATASEQUENZA MUTATA

GT GT AGAG

SDSD SDSD SASASASA

RITENZIONE DELL’INTRONE 4RITENZIONE DELL’INTRONE 4

MUTAZIONI CHE ALTERANO LO MUTAZIONI CHE ALTERANO LO SPLICINGSPLICING

Se gli esoni rimaneggiati non sono in fase:• l’omissione dell’esone altera la fase di lettura e portare ad una

interruzione prematura della trascrizione.

Se gli esoni sono in fase:• non viene interrotta la traduzione e si forma una proteina troncata,

la cui funzione residua dipende dall’importanza del dominio mancante.

ATG GAA Met Glu

CGA CGT Ala Gly

ESONE 3 ESONE 4

ATG GA Met Glu

A CGA CGT Ala Gly

IN FRAME IN FRAME

NON IN FRAME NON IN FRAME

CLASSE DELLA MUTAZIONE E MODALITA’ IN CUI VIENE ALTERATA L’ESPRESSIONE DEL GENE

MUTANTE

Le mutazioni, se cambiano il fenotipo, vengono classificate in due categorie:

•mutazioni con perdita di funzione “loss of function”;“loss of function”; sono per lo più recessive.

•mutazioni con acquisizione di funzione, “gain of function”;“gain of function”; sono molto meno comuni. La mutazione deve essere tale da conferire un’attività anormale alla proteina. Molte sono in sequenze regolatrici.

NOMENCLATURANOMENCLATURA

NOMENCLATURA DELLE NOMENCLATURA DELLE MUTAZIONIMUTAZIONI

SOSTITUZIONI NUCLEOTIDICHESOSTITUZIONI NUCLEOTIDICHE• La A del codone ATG di inizio è +1; la base

immediatamente precedente è -1• Fornire il numero del nucleotide seguito dalla

sostituzione:• 1162G>A• 1997C>T

• Sostituzioni introniche: specificare il numero dell’introne IVS4+1G>T IVS4-2A>C

Ex1 Ex2 Ex3 Ex4 Ex5 Ex6

I1 I2 I3 I4 I5 I6

IVS4+1G>T IVS4-2A>C

DELEZIONI NUCLEOTIDICHEDELEZIONI NUCLEOTIDICHEDesignate con “del” dopo il numero del nucleotide:

• 1997delT• 1997-1999delTTC

NOMENCLATURA DELLE NOMENCLATURA DELLE MUTAZIONIMUTAZIONI

INSERZIONI NUCLEOTIDICHEINSERZIONI NUCLEOTIDICHEDesignate con “ins” dopo il numero dell’intervallo

dei nucleotidi interessati • 1997-1998insT

BASATA SULL’ALTERAZIONE BASATA SULL’ALTERAZIONE AMINOACIDICAAMINOACIDICA

• Codone 1: metionina di inizio• Preferibile il codice a singola lettera• L’amino acido wild-type viene indicato prima e quello mutato

dopo il numero del codone: Y97S (tirosina 97 sostituita da serina)• X designa i codoni di stop: R97X (arginina 97 sostituita da stop)• Del viene usato per indicare le delezioni di un amino acido:

T97del (deleto il codone 97 che codifica per treonina)• Ins viene usato per indicare le inserzioni di un amino acido: T97-

98ins indica che un codone per treonina è inserito nell’intervallo tra i codoni 97 e 98 della sequenza di riferimento

NOMENCLATURA DELLE NOMENCLATURA DELLE MUTAZIONIMUTAZIONI

Disordini GenomiciDisordini Genomici

Questo gruppo di patologie si differenzia dai disordini mendeliani, in cui il fenotipo è determinato da mutazioni puntiformi

RIARRANGIAMENTI RIARRANGIAMENTI STRUTTURALISTRUTTURALI

Caratteristiche strutturali del genoma umano predispongonoal verificarsi di riarrangiamenti cromosomiciSequenze ripetute (dupliconi) rappresentate da:

-segmenti senza geni-frammenti di geni-pseudogeni*-copie di geni-famiglie di geni-cluster di geni ripetuti*sequenze di DNA, con struttura analoga a geni espressi, che hanno acquisito una o più mutazioni durante l’evoluzione divenendo incapaci di produrre una proteina

Possono dare origine ad appaiamenti tra sequenze omologhe e successivamente

a crossing-over impropri

Studies on the molecular breakpoints of molecular breakpoints of

the the

recurrent recurrent

chromosome rearrangementschromosome rearrangements

allowed to understand the causes of

structural rearrangements

Chromosome anomalies Syndrome/disorder Estimated frequency

INTERSTITIAL DELETIONINTERSTITIAL DELETION*del(7)(q11.23q11.23) Williams 1 in20,000-50,000

del(8)(q24.1q2424.1) Langer-Giedion del(11)(p13p13) WAGR 1 in 60,000-100,000*del(15)(q12q12) Prader-Willi or Angelman 1 in 15- 20,000*del(17)(p11.2p11.2) Smith-Magenis 1 in 25,000*del(17)(p12p12) HNPP del(20)(p11.23p11.23) Alagille 1 in 70,000*del(22)(q11.2q11.2) DiGeoge/velocardiofacial 1 in 4,000

TERMINAL DELETIONTERMINAL DELETION del(1)(p36.3) Monosomy 1p 1 in 10,000 del(4)(p16) Wolf-Hirschhorn 1 in 50,000 del(5)(p15) Cri-du-chat 1 in 50,000 del(16)(p13.3) Rubinstein-Taybi 1 in 125,000 del(17)(p13.3) Miller-Dieker INTERSTITIAL DUPLICATIONINTERSTITIAL DUPLICATION dup(17)(p12p13) Russel-Silver *dup(15)(q12q12) Variable features with autism dup(17)(p11.2p11.2) Mild developmental delay *dup(17)(p12p12) Charcot-Marie-Tooth disease type 1A 1 in 2,500 dup(X)(q22q22) Pelizaeus- Merzbacher disease

Modified fromL. Shaffer

and J. Lupski,

2000

Frequency ofrecurrent

chromosomerearrangements

BASI MOLECOLARI DELLE MUTAZIONI SPONTANEE

Inserzione/delezione di grandi regioni

Inserzioni/delezioni estese sono causate da ricombinazione omologa ineguale (sequenze omologhe non alleliche) o ricombinazione non omologa (sequenze non omologhe o solo parzialmente omologhe, intersperse nel genoma.

TALASSEMIA ALFATALASSEMIA ALFA

- 2 catene alfa e 2 catene beta vanno a costituire l’emoglobina normale;

- nella talassemia c’è un difetto in una delle due catene; - nella talassemia alfa il difetto è nella sintesi delle catene alfa.

TALASSEMIA ALFATALASSEMIA ALFA

• E’ causata per lo più da delezioni del gene α-globina

• il cluster dei geni α è localizzato in 16p13.3 e

GENI RIPETUTI GENI RIPETUTI IN TANDEMIN TANDEM

• I geni α1 e α2 sono quasi identici a livello di sequenza e codificano per proteine identiche:

un evento di ricombinazione ineguale induce uno scambio tra cromosomi omologhi con la formazione di un cromosoma con geni α-globinici in più e l’altro con riduzione del numero o assenza dei geni α

un numero aumentato di geni del cluster α-globinico non sembra legato a conseguenze cliniche

TALASSEMIA ALFATALASSEMIA ALFA

LA PERDITA DI UNA LA PERDITA DI UNA COPIA DEL GENE PORTA COPIA DEL GENE PORTA AD APLOINSUFFICIENZAAD APLOINSUFFICIENZA

TalassemieTalassemie (diminuzione della sintesi delle catene a o b)

La perdita di geni -globinici porta a forme di -talassemia di differente severità

normale

2-talassemia (portatore silente)

1-talassemia (anemia non significativa)

Hb H disease (anemia da lieve a severa)

Idrope fetale (morte fetale o in epoca neonatale)

MUTAZIONI MUTAZIONI DINAMICHEDINAMICHE

Mutazioni dinamiche e patologiaMutazioni dinamiche e patologiaMalattia localizzazione ripetizione

della sequenza

espansioni modeste in regioni codificanti: seq. normali ca 4-40 ripetizioni, geni mutati ca 20-100 ripetizioni

•Huntington’s disease codificante (CAG)n

•Spinocerebellar ataxia type 1 codificante (CAG)n(SCA1)

•Machado-Joseph’s disease codificante (CAG)n

•Kennedy’s disease (SBMA) codificante (CAG)n

•Dentatorubral-pallidoluysian codificante (CAG)n

espansioni molto estese in regioni non codificanti: seq. normali 2-55 ripetizioni, geni mutati ca 50-4000 ripetizioni

•Fragile XA syndrome 5’ UTR (CGG)n

•Myotonic dystrophy 3’ UTR (CTG)n

Nel 1991 sono state scoperte le espansioni instabili di ripetizioni trinucleotidiche che hanno messo in luce un nuovo meccanismo patogenetico.

Queste triplette possono inserirsi al 3’ , al 5’, nelle regioni codificanti e non codificanti di un gene e sono responsabili di diversi tipi di patologie

Si definiscono ripetizioni instabili perchè il numero delle ripetizioni tende a crescere (espandersi) con l’aumentare delle generazionia causa di crossing-over ineguali alla meiosi

Sequenze ripetute di trinucleotidi sono presenti in tutto il genoma e sono generalmente trasmesse stabilmente. Si trovano in regioni codificanti o non codificanti di un gene e il loro numero varia da individuo a individuo

MALATTIE DA ESPANSIONE MALATTIE DA ESPANSIONE DI TRIPLETTE DI TRIPLETTE - GENETICA- GENETICA

In alcuni geni se il numero delle triplette supera determinati valori rende la sequenza altamente instabile determinando un aumento delle ripetizioni nelle generazioni successive. L’espansione oltre una determinata soglia può influire sull’espressione genica e sulla stabilità dell’mRNA determinando l’insorgenza di sintomi clinici.

MUTAZIONI DINAMICHEin regioni non codificanti

MUTAZIONI DINAMICHEin regioni codificanti, associate ad espansione di poliglutamine

Malattie associate ad espansioni Malattie associate ad espansioni ripetute di trinucleotidiripetute di trinucleotidi

Le espansioni ripetute di trinucleotidi interferiscono con l’espressione del gene o della proteina codificata

Normale 6-55Mutazione >200 Normale 7-21

Mutazione 200-1700

Normale 11-35Mutazione 36-121

Normale 19-36Mutazione 43-81

Normale 5-35Mutazione 50-2000

L’evento primario alla base di queste malattie è l’espansione del numero di triplette .Questo può causare:

MALATTIE DA ESPANSIONE DI MALATTIE DA ESPANSIONE DI TRIPLETTETRIPLETTE

Inattivazione del gene con soppressione della trascrizione e conseguente mancata produzione della proteina (gene FMRi nella sindrome dell’X fragile)

Diminuzione del livello di trascrizione (distrofia miotonica)

Produzione di una proteina alterata con perdita di funzione (HD, SCA)

ANTICIPAZIONEANTICIPAZIONE

Comparsa più PRECOCE o MAGGIORE GRAVITÀ DEI SINTOMI CLINICI con il passare delle generazioni

La gravità di queste patologie correla direttamente con la grandezza dell’espansione (HD,DM)

100DM

300DM 400

DM

700cDM

1000cDM

1400cDM

I,1 II,2 II,3 III,1 III,2 III,3

I

II

III

1 2

1 2 3 4

1 2 3

Distrofia Miotonica • patologia autosomica dominante• caratterizzata da miotonia e progressiva degenerazione muscolare• la forma più comune di distrofia muscolare con esordio nell’adulto• manifestazioni scheletriche, cardiovascolari, e oculari (cataratta) • associazione con cambiamenti cognitivi, incluso il ritardo mentale• la patologia mostra il fenomeno dell’“anticipazione”

• esordio tardivo con sintomi lievi nella prima generazione • quindi esordio neo-natale, associato a ritardo mentale, alla 3°-4° generazione

• causata da mutazioni nel gene DM-1 (miotonina protein kinasi),espresso nel cervello, cuore, e muscolo

• il gene normale ha al 3’-UTR una ripetizione CTG polimorfica nellapopolazione (5-30 ripetizioni)

• i pazienti hanno un numero espanso di ripetizioni, fino a molte centinaia,che causano una diminuzione dei livelli di mRNA

Anticipazione• la severità della patologia aumenta di generazione in generazione• i sintomi passano da lievi nella prima generazione a severi nelle

generazioni più avanzate• è dovuta all’espansione, a step successivi, delle ripetizioni trinucleotidiche• nella popolazione normale, la lunghezza della ripetizione è polimorfica,

ma stabile• il primo step è la formazione di una “premutazione” con normale fenotipo

ma instabile• la premutazione quindi si espande nella successiva generazione a una lunghezza molto maggiore e una ulteriore instabilità

100DM 300

DM 400DM

700cDM

1000cDM

1400cDM

I,1 II,2 II,3 III,1 III,2 III,3

I

II

III

1 2

1 2 3 4

1 2 3

Structure and inheritance of CTG repeats in myotonic dystrophy

normal 5-30

premutation 45-75

affected >75

(CTG)n

myotonic protein kinase gene

Fragile X syndrome (FRAXA)

• X-linked• Frequenza: 1 maschio ogni ~1.250 è la seconda causa di ritardo mentale• La patologia mostra il fenomeno dell’anticipazione• Aumenta la “penetranza” nelle generazioni successive• Causata da mutazioni nel gene FMR-1, espresso ad alti livelli nel cervello

e nei testicoli, e ampiamente nell’embrione• Il gene normale ha al 5’-UTR la sequenza CGG ripetuta e polimorfica

Nella popolazione (6-55 ripetizioni)• I pazienti hanno un numero di ripetizioni che raggiunge le migliaia• Ne risulta il silenziamento trascrizionale

Structure and inheritance of CGG repeats in fragile X syndrome

normal 6-55

premutation 55-200

affected >200

(CGG)n

FMR-1 gene

Huntington’s disease

• Patologia autosomica dominante• Esordio sia giovanile che adulto• Associato a movimenti involontari (chorea)• Malattia neurodegenerativa ereditaria causata da disturbi del

movimento, modificazioni della personalità e demenza con progressiva disabilità. La morte sopravviene in genere entro i 15-20 anni dall’insorgenza.

• Causata da mutazioni nel gene IT15 (la cui funzione non è nota)• Il gene normale ha una ripetizione CAG polimorfica nella

popolazione (11-35 ripetizioni)• I pazienti hanno un numero espanso di ripetizioni (>35)• La ripetizione CAG è tradotta in tratti di poliglutamina nella

proteina• La patologia mostra il fenomeno dell’anticipazione, ma la

severità non sempre correla strettamente con il grado di espansione

COREA DI HUNTINGTONCOREA DI HUNTINGTON

MALATTIA AUTOSOMICA DOMINANTEMALATTIA AUTOSOMICA DOMINANTE

PENETRANZA COMPLETAPENETRANZA COMPLETA

affected range: >39 repeats

CAG repeats in Huntington’s disease

normal range: 11-27 repeats

may or may not have disease: 36-39 repeats

normal but can expand: 27-35 repeats

(CAG)n

(Gln)n

o <29 triplette: fenotipo normale

o 29-34: fenotipo normale, allele instabile

o 35-39: zona d’ombra; marcata 35-39: zona d’ombra; marcata instabilitàinstabilità

o >> 40: patologico, altamente 40: patologico, altamente instabileinstabile

TRATTO POLIGLUTAMINICOTRATTO POLIGLUTAMINICO