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IL NOSTRO FENOTIPO (QUELLO CHESIAMO FISICAMENTE NELLENOSTRE CAPACITA, FUNZIONI ECOMPORTAMENTO) ANCHE SEDERIVA PRINCIPALMENTE DALNOSTRO PROGRAMMAGENETICO DETERMINATO ANCHEDALLEPIGENETICA.
LEPIGENETICA LO STUDIO DEIFATTORI CHE DETERMINANO
CAMBIAMENTI STABILI EDEREDITABILI, MA REVERSIBILI,NELLESPRESSIONE DEI GENI SENZACAMBIAMENTI NELLA SEQUENZAORIGINALE DEL DNA
EPIGENETICA
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EPIGENETICA
Ela scienza che studia variazioni ereditabilidella cromatina che regolano lespressionegenica.
Le modificazioni epigenetiche non cambiano lasequenza del DNA.
Il genoma contiene 2 tipi di informazione:
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Informazione genetica
Istruzioni per la sintesi di
proteine e RNA.E stabile
Informazione epigeneticaIstruzioni su come, quando e
dove deve essere usatalinformazione genetica.E dinamica
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DNA is wrapped around a core of proteins called histones that actas spools around which DNA winds.
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CONTROLLO EPIGENETICODELLA TRASCRIZIONE
DNA methylationHistones deacetylationH3 K9 and K27 methylation
DNA demethylationHistones acetylationH3 K4 methylation
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Epigenetic Modifications
DNA Methylation
Histone Modification (e.g. Acetylation, methylation)
Non-coding RNAs (e.g. microRNA)
All Regulate Gene Expression
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Epigenetic Modification: Non-coding RNAs
RNA which is not used for making
proteins (non-coding RNA) can be
cleaved andused to inhibit protein-codingRNAs
siRNAs, microRNAs (~22Nucleotides; fine tune geneExpression)
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Epigenetic-Regulated Phenomena
Cellular DifferentiationTotipotent cells become pluripotent cells of the embyro which
differentiate into specific lineages
X-chromosome Inactivation
Gene expression on one of the female X-chromosomes isdownregulated
DNA methylation and histone modifications
ImprintingEpigenetic marking of a locus on the basis of parental origin
Results in monoallelic gene expression
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non segue lereditarieta mendeliana.
espressione monoallelica: due alleli identici per sequenzanucleotidica, ma di diversa origine parentale, sono regolati edespressi in modo differente nello stesso nucleo.
-puo essere tessuto-specifico: WT1 BIALLELICO NEL RENE; INPLACENTA E CERVELLO VIENE ESPRESSO L'ALLELE MATERNO--KCNQ1 ESPRESSIONE MATERNA, ESPRESSIONE BIALLELICA SOLONEL CUORE; UBE3A espressione materna in SNC, biallelica in SP
puo variare con lo sviluppo (es. H19)
si stima che il numero dei geni soggetti ad imprinting sia di 0.1-1% sul numero totale
meccanismo epigenetico reversibile: nel corso dellagametogenesi si ha lo switch o conversione.
IMPRINTING GENOMICO
G i i t d i bi ll li
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Gene non imprinted: espressione biallelica
Gene imprinted: espressione monoallelica
Locus A (H19)
in 11p15:espressioneallele materno
Locus B (IGF2)
in 11p15:espressioneallele paterno
AA
B B
Espressione differenziata degli alleli in
base alla loro origine parentaleEspressione monoallelica (emizigosi).
Lallele imprinted quello silenziato
La modulazione dellespressione epigenetica
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2) Establishment: de novo methylation (DNMT3a o
b)in mature germ cellThen, all chromosomes are re-imprintedaccording to the sex of the individual in whichthey reside.
In ovociti: metilazione di alleli che devono essereespressi dal cr. Paterno
in spermatozoi: metilazione di alleli che devonoessere espressi dal cr. maternoCopyright 2002 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings
Fig. 15.15
limprintinggenomico cambia in modocaratteristico duranteil ciclo della vita di un organismo
1) Erasure: genome-wide demethylation in
primordial germ cell. In the newgeneration, both maternal and paternalimprints are apparently erased ingamete-producing cells.
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Erasure, establishment and maintenance of methylation imprints at imprinting centres during germ cell and embryonicdevelopment. Imprinting control elements 1 (IC1) and IC2 are shown as examples. Grey indicates modification and whiteindicates no modification at the corresponding alleles. Parental chromosomes are marked according to their sex in blue(male) or red (female). The reading (transcriptional interpretation of the primary imprints) in the developing embryo isindicated by arrows.
ERASURE: Demetilazione di tutto ilgenoma delle cellule germinali
primordiali di entrambi i sessi durantela prima fase embrionale.
ESTABLISHMENT(DNMT3a o b):Ricomincia una metilazione de novo
MAINTENANCE(DNMT1): Dopo lafertilizzazione la metilazione impostanella linea germinale deve esseremantenuta: il problema che dopo lafertilizzazione c una nuova onda di
demetilazione e una di metilazione de
novo dopo limpianto.
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1) TRAPIANTO PRONUCLEARE NEL TOPO
Barton S, Surani M, Norris M (1984).Nature, 311: 374-376
Produzione in vitro di zigoti ginogenetici (2 pronuclei femminili) o
androgenetici (2 pronuclei maschili) e successivo trapianto in topi
pseudogravidi
CONCEP MENT UN P RENT L NDOTT
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AndrogenoteGinogenote
CONCEPIMENTI UNIPARENTALI INDOTTI
NEL TOPO
(Ectoderma, endoderma e mesoderma)
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alcuni geni a espressione paterna:sviluppo di annessi embrionali
Alcuni geni a espressione materna:sviluppo di embrione
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In entrambi i casi la gravidanza non pu procedere!
PRIMA PROVA DELLESISTENZA DELLIMPRINTING
GENOMICO
Questi esperimenti hanno dimostrato la indispensabilit di
entrambi i contributi genomici parentali per un corretto
sviluppo dellembrione: alcuni geni a espressione paterna
sono coinvolti nello sviluppo dei tessuti di sostegno
dellembrione, mentre alcuni geni a espressione maternasono deputati allo sviluppo dellembrione.
Teoria del gene egoista: conflitto di interessi tra i
genitori.
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Degenerazione proliferativa del
trofoblasto in assenza di svil di
tess embrionali. Corrispettivo h
dellembrione androgen
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b. diploidia uniparentale gino- o parteno-genetico
(M/M): Teratoma ovaricoE un tumore disembriogenetico che colpisce lovaio: 3 foglietti
embrion degenerati e parzialm differenz.Tessuti differenziati disorganizzati, strutture extraembrionaliassenti. Corrispettivo h dellembrione ginogenetico
oocitaattivato
Attivazione spontanea di unovocita
Duplicazione genoma
femminile
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c. fenotipi nelle triploidie
Triploidia: 3 set genomici aploidi (69cromosomi)
23M + 23P + 23P (set in pi paterno)placenta macrocistica e ipertrofica (molaparziale); feto notevolmente iposviluppato
(Feto microcefalico); aborto precoce
23M + 23M + 23P (set in pi materno)Differenziazione discreta dei tessuti fetalitessuti annessiali carenti; placenta
iposviluppata; evoluz fino a secondo trim
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d. fenotipi nelle disomie uniparentali
La disomia uniparentale (UPD) consiste nellorigine uniparentale di
entrambi i cromosomi di una determinata coppia di omologhi
Disomia uniparentale (UPD)
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Non disgiunzione in I div meiotica Non disgiunzione in II div meiotica
ETERO ISO
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Engel nel 1980suggeriva che una
quota di genomi apparentementenormali (2n=46) fosse di fattodovuta ad un processo chiamatocomplementazione gametica
Meccanismi diversi creano UPD.Paradossalmente il megliodocumentato nasce dalla perditadi un cromosoma in un
concepimento trisomicoe quindiper successione di 2 errori.
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ETERO ISO
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RESCUE (salvataggio) DELLA TRISOMIA:
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gamete paterno
gamete materno
zigotetrisomico
perditacromosomica
rescuedi
trisomia
UPD(etero)
RESCUE ( salvataggio ) DELLA TRISOMIA:
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15
15
(0)
15
15
15
15
Tetrasomiamorte cellulare
46Cromosomi(normale)
15,15,15
ND
zigotetrisomico
2 volte su 3
i
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46 cromosomi con UPD
15
15
(0)
15
15
15
15
15,15,15
ND
zigotetrisomico
Tetrasomiamorte cellulare
1 volta su 3
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UPDcelluletrisomiche
15
15
15
15
15
Perdita anafasica
15,15,15zigote
trisomico
embrione a mosaico
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La complementazione gametica pensata da Engel implicaancora 2 errori, ma in questo caso sono entrambi meiotici:
gamete nullisomico+
gamete disomico
zigote 2n
RESCUE (salvataggio) DELLA MONOSOMIA:
COMPLEMENTAZIONE GAMETICA
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COMPLEMENTAZIONE GAMETICA
gamete paterno
gamete materno
zigote con
UPD
UPD(etero)
mitosi
ETERODISOMIA
RE E D N
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RESCUE DI MONOSOMIA
zigotemonosomico
gamete paterno
gamete materno
UPD(iso)
ISODISOMIA
duplicazionecromosomica
rescuedi
monosomia
normaleUPD segmentale
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zigote
normale
Ricombinazione
mitotica
segregazione
mitotica
UPDpatparziale
UPDmat
parziale
UPD segmentale
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CONSEGUENZE DELLA DISOMIA
UNIPARENTALE
Nessuna conseguenza fenotipica
Malattia recessiva: smascheramento di alleli
recessivi (iso=omo). Es: CF, emofilia e talassemie...
Patologie da geni imprinted. Es: PW-AS
CARATTERISTICHE DEI
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CARATTERISTICHE DEI
GENI IMPRINTED
Contengono CpG island soggette a metilazione (DMRs)
La cromatina che li contiene presenta specifiche
modificazioni istoniche
Sono organizzati in cluster
Sono regolati in cis da Imprinting Center
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la metilazione del DNA il meccanismo molecolare chiave
dellimprintingLa metilazione marca i geni che devono essere imprinted inmodo differenziale nella cellula uovo e nello spermatozoo eleredit di questa marcatura porta allespressione genica
differenzialeDMRs (differential methylated regions): sono marcatenelle cellule germinali e vengono mantenute in tutte le fasidello sviluppo; alcune DMRs mostrano cambiamenti durante
lo sviluppo e acquisiscono metilazioni tessuto-specificheassociabili allespressione tessuto-specifica
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GENI IMPRINTED: FUNZIONI
Coinvolti in molti aspetti dello sviluppo: Crescita feto-placentare
Proliferazione cellulare
Sviluppo neurale
Alterazioni del normale pattern dellimprinting:
IUGR
PNGR
morte embrionale
anomalie neonatali
cancro
disordini neuro-comportamentali
MECCANISMI DI CONTROLLO DELLIMPRINTING
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MECCANISMI DI CONTROLLO DELL IMPRINTING
Vari elementi interagiscono per regolare lespressionedei cluster dei
geni imprinted
PROMOTER METHYLATION
Meccanismo pi frequente: Metilazione del promotore ricco in
CpG (DMRs)
MetilCpG Binding Protein (MBP) + Dnmt1 formano complessi con
Istone Deacetilasi: chiusura della cromatina
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BOUNDARIES (o insulator): sequenze di DNA localizzate
tra due elementi di controllo (es:promotore ed enhancer) chenon permettono la loro interazione. Sito di legame di fattori di
controllo (CTCF)
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La mancanza di un imprinting genetico corretto checoinvolge i geni del cromosoma 15 causa
Due sindromi complesse che influenzano lo stato ormonale, ilmetabolismo e la capacit di movimento.
SINDROME DI
ANGELMAN
SINDROME DI
PRADER-WILLI
LA GENETICA DELLE MALATTIE DI
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LA GENETICA DELLE MALATTIE DIE DI
Le due malattie sono disolito causate da unamicrodelezione checolpisce il bracciolungo del cromosoma15 ma, mentre nellaPWS il cromosomacolpito quello diorigine paterna, nellaAS quello di originematerna. Il fatto che ledue malattie sianoclinicamente molto
diverse imputabile alfatto che i genipresenti in quella stes-sa regione genomica
sono espressi diversamente nei cromosomi ereditati dalluno o dallaltro genitore.Mentre la AS causata dalla mancata espressione del solo gene UBE3A, la PWS
causata dalla mancata espressione di pi geni.
PWA
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microbrachicefalialingua protusa allesterno
spazio tra i dentiritardo mentale grave
riso ingiustificato
epilessia
Aspetti clinici:mani e piedi piccoliipogonadismoobesitritardo mentale mediofacies caratteristicaproblemi comportamentali
PWA
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Genetica Umana Medica 2010 - Copyright Elsevier srl - Tutti i diritti riservati
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Figura 14.2 Rappresentazione dei geni imprinted della regione critica 15q11-q13. Il centro dellimprinting ha una
struttura bipartita (si veda la Figura 5.6) e regola lespressione di molti geni (per esempio SNRPN, MAGEL2,
NDN), espressi sul cromosoma paterno e identificati con i quadratini colorati in blu, e due geni (UBE3A e ATP10A)
espressi sul cromosoma materno e rappresentati con ovali di colore rosa. (Modificata da: Maher ER., Hum MolGenet 2005, 14: 133-138.).
Genetica Umana Medica 2010 - Copyright Elsevier srl - Tutti i diritti riservati
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Figura 6.5 Struttura del centro dellimprinting della regione 15q11-q13. Si tratta di una struttura bipartita costituitada PWS-SRO (regione Prader-Willi; 4,3 kb, include il promotore e il primo esone di SNRPN) e AS-SRO (regione
Angelman; 0,88 kb, localizzato a 35 kb a monte di SNRPN), dove SRO sta per Shortest Region of deletion
Overlap e indica il centro dellimprinting.Sullallele materno (Mat) lunit regolatrice AS-SRO inattiva PWS-SRO,
insieme allespressione di tutti i geni da esso dipendenti; sullallele paterno (Pat) lunit regolatrice PWS-SRO
silenzia AS-SRO permettendo lespressione di tutti i geni, escluso UBE3A che espresso solo dallallele materno
(i geni sono rappresentati dalle palline nere; le frecce indicano che il gene espresso, il lucchetto indica la
metilazione e quindi linattivazione). (Modificata da Shemer R, Hershko AY, Perk J. The imprinting box of the
Prader-Willi/Angelman syndrome domain. Nat Genet 2000, 26: 440-443.).
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Sindrome di PW Sindrome AS
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Diagnosi/testing
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g / g
1) Test FISH per le delezioni
2) Test PCR per la presenza di imprinting materno
e paterno3) Polimorfismi del DNA per controllare UPD
Il sodio bisolfito converte le
citosine non metilate in uracile. Lecitosine metilate sono protette da
questa modificaz da parte del
sodio bisolfitoPCR con primer
specifici per la forma metilata e
non-metilata.
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