Cromosomiche - dovute ad una alterazione del numero o della struttura dei cromosomi
Monogeniche o mendeliane - dovute alla mutazione di un singolo gene
Multifattoriali - dovute all’effetto combinato di alcuni geni e dell’ambiente
Mitocondriali - dovute a mutazioni del DNA mitocondriale
Epigenetiche - dovute a modificazioni del DNA che non riguardano la sequenza nucleotidica
Malattie genetiche: classificazione
Gene:
sequenza di DNA che codifica una specifica catena polipeptidica
Locus:
la posizione occupata dal gene sul cromosoma
Allele:
forma alternativa di un gene nello stesso locus. In un individuo diploide, possono essere presenti al massimo due alleli diversi
Omozigote:
individuo con alleli identici ad uno stesso locus (AA o aa)
Eterozigote:
individuo con alleli diversi allo stesso locus (Aa)
Un po’ di nomenclatura…
Dominante:
carattere che si esprime anche nell’eterozigote
Recessivo:
carattere che si esprime soltanto nell’omozigote Genotipo: costituzione genetica di un individuo nella sua totalità o riferita ad un gene specifico. Fenotipo: caratteristiche (fisiche e biochimiche) osservabili di un individuo; manifestazione clinica di un individuo con un particolare genotipo
Un po’ di nomenclatura…
Eredità Mendeliana
Caratteri Mendeliani
I caratteri genetici
semplici o mendeliani
dipendono dal genotipo
in un singolo locus
(caratteri monogenici).
Molti caratteri e molte malattie umane sono ereditate come caratteri semplici e seguono le leggi di Mendel (dei caratteri monogenici o mendeliani)
I caratteri semplici sono trasmessi dai geni, che si comportano come unità segreganti
Gli alleli si separano durante la formazione dei gameti (meiosi) e si distribuiscono in maniera indipendente nelle cellule figlie
Gregor Mendel
(1822–1884)
Legge della segregazione degli alleli
Nella formazione dei gameti, i due alleli di un
gene segregano separatamente. Metà dei gameti
portano un allele, l'altra metà porta l'altro allele
Legge dell’indipendenza
Geni per i tratti differenti segregano
indipendentemente l'uno dall'altro nella
formazione dei gameti
Leggi di Mendel
I geni sono presenti in coppia sui cromosomi omologhi (ereditati uno dal padre e l’altro dalla madre)
Alla meiosi gli alleli segregano obbligatoriamente nei gameti
Alleli di loci su cromosomi diversi segregano indipendentemente
Eredità Mendeliana
La meiosi è un
sorteggio casuale
di un cromosoma
di ogni coppia di
omologhi
23 23
MEIOSI
46
I gameti
sono
aploidi
46
MITOSI
46
46
I geni si ereditano dai genitori attraverso i gameti
Aa
1/2 A, 1/2 a
Aa
1/2 1/2
1/2 A, 1/2 a
AA Aa aA aa
1/2
1/2 Di una coppia di alleli un genitore ne trasmette al figlio uno ed uno solo
A a
Meiosi
46 cromosomi 92 cromatidi
23 cromosomi 46 cromatidi
23 cromosomi 23 cromatidi
1/2 gameti A e 1/2 gameti G
A G
A A G G
A A G G
C C T T A A G G
C C T T A A G G
C T A G
Loci vicini sullo stesso cromosoma segregano assieme
C T C T A A G G
crossing-over
A meno di
C T C T A A G G
C T A G
X
RICOMBINANTI
Conseguenze genetiche della meiosi
Segregazione
degli alleli
Indipendenza
Legge della
segregazione degli alleli
Legge
dell’indipendenza
Modelli di trasmissione delle Patologie mendeliane
autosomico dominante autosomico recessivo X-linked dominante X- Linked recessivo Y-Linked
ALBERO GENEALOGICO
L'analisi dell'albero genealogico permette in molti
casi di stabilire il modello di trasmissione di una
malattia mendeliana
Il catalogo di McKusick (1998) Mendelian Inheritance in Man e il
corrispettivo programma “on-line” OMIM forniscono strumenti
integrativi molto utili in questo tipo di valutazione
Eredità autosomica dominante Eredità legata all’X
ALBERO GENEALOGICO
Si definisce dominante il carattere che si
manifesta anche nell'eterozigote
Per convenzione, viene indicato con una lettera
maiuscola A, B, C, ecc…
Una persona che manifesta il carattere o fenotipo A
una costituzione genetica o
genotipo AA o Aa (più comune
nel caso di malattie)
possiede ..
CARATTERE DOMINANTE
Trasmissione verticale da un affetto al 50% dei
figli\e
Trasmettono la mutazione sia i maschi che le
femmine
Entrambi i sessi colpiti
ALBERO AUTOSOMICO DOMINANTE
Il genitore affetto di solito è eterozigote
La malattia si trasmette in media al 50% dei figli
indipendentemente dal loro sesso Aa
Aa Aa aa aa
aa
Il matrimonio più comune:
eterozigote malato (Aa)
omozigote selvatico (aa)
MALATTIE AUTOSOMICHE DOMINANTI
NUOVE MUTAZIONI
Una malattia autosomica dominante può anche
originare da nuova mutazione al concepimento in
individui senza altri familiari affetti
Questa è la regola delle patologie che riducono
l’idoneità biologica o FITNESS
Se l’idoneità biologica è ridotta, ma è diversa da
zero, una percentuale dei pazienti nasce da un
genitore affetto, ma la maggior parte origina per
nuova mutazione
NUOVE MUTAZIONI
EFFETTO DELL’ETÀ PATERNA
Aumento dell'età aumenta paterna
aumenta il rischio di malattie
autosomiche dominanti che appaiono
come il risultato di nuove mutazioni
genetiche
Età paterna e mutazioni puntiformi
mature sperm
produced by
older males
have gone
through large
numbers of cell
divisions each of
which provides
an opportunity
for mutation as
a result of a
DNA copy error
and/or failure of
DNA repair
ESPRESSIVITÀ
grado di estrinsecazione fenotipica
L’espressività può variare all'interno di una stessa
famiglia
DISTROFIA
MIOTONICA MICROCEFALIA AD
ETÀ DI ESORDIO VARIABILE
Anticipazione della Distrofia Miotonica
45 anni
18 anni
4 anni
Un carattere presenta penetranza pari al 100% quando tutti i portatori di quel genotipo manifestano il fenotipo
Un carattere presenta penetranza pari al 70%
quando solo il 70% degli individui portatori
dell’allele manifestano il fenotipo
PENETRANZA
Frequenza con cui un genotipo si manifesta in fenotipo
Si manifesta nell’albero genealogico con un "salto di generazione"
Esempio: polidattilia
PENETRANZA
altri geni ambiente
modulano, fino ad impedire l’espressione
di un gene mutato
DIFETTO DI PENETRANZA
Soggetto con
mutazione affetto
Soggetto con
mutazione non
affetto
Esempi di patologie autosomiche dominanti
Malattia di Darier Malattia di Haley Haley Ipercolesterolemia familiare Rene policistico tipo adulto Neurofibromatosi Distrofia miotonica Corea di Huntington Poliposi adenomatosa del colon Sindrome di Ehlers-Danlos Sclerosi tuberosa
Complicanze (5-10% dei pazienti): ritardo mentale, neurofibromi plessiformi,
scoliosi, pseudoartrosi, ipertensione, malformazioni cardiovascolari e
insorgenza di tumori maligni
neurofibromatosi di tipo 1 (NF1)
Caratteristiche cliniche principali: macchie caffè-latte, lentigginosi, noduli di
Lisch e neurofibromi cutanei
condizione genetica ereditaria
patologia autosomica dominante
Gene NF1
neurofibromatosi di tipo 1 (NF1)
condizione genetica ereditaria
patologia autosomica dominante
50% di rischio ad ogni gravidanza chr17 chr17: mutazione nel gene NF1
neurofibromatosi di tipo 1 (NF1)
condizione genetica ereditaria
patologia autosomica dominante
incidenza: 1/3500
neurofibromatosi di tipo 1 (NF1)
condizione genetica ereditaria
patologia autosomica dominante
incidenza: 1/3500
penetranza completa
Tutti gli individui portatori di una mutazione patogenetica,
mostrano i segni clinici della patologia
Tutti i pazienti mutati esprimono il fenotipo NF1
neurofibromatosi di tipo 1 (NF1)
condizione genetica ereditaria
patologia autosomica dominante
incidenza: 1/3500
penetranza completa
espressività variabile
estrema variabilità di segni clinici tra pazienti diversi
neurofibromatosi di tipo 1 (NF1)
Si definisce recessivo il carattere che si
manifesta solo nel soggetto omozigote (aa)
Una persona che manifesta il carattere o fenotipo aa
ha…..
Una costituzione genetica o
genotipo aa
CARATTERE RECESSIVO
Trasmissione orizzontale da due individui sani e
portatori al 25% in media dei figli\e
Entrambi i sessi colpiti con uguale frequenza e
gravità
I figli degli affetti sono generalmente tutti sani e
portatori
Importanza della consanguineità
ALBERO AUTOSOMICO RECESSIVO
Da genitori sani eterozigoti
Il carattere si trasmette in duplice dose (omozigosi),
in media al 25% dei figli indipendentemente dal sesso
Aa Aa
Aa Aa AA aa
Matrimonio più
comune:
eterozigote sano (Aa)
eterozigote sano (Aa)
MALATTIE AUTOSOMICHE RECESSIVE
CONSANGUINEITÀ
Se una malattia autosomica recessiva è rara
è tanto più probabile che origini dal matrimonio tra consanguinei
hanno un rischio riproduttivo doppio
rispetto a quello della popolazione generale
I cugini di primo
grado, che hanno
i nonni in comune
Coefficient of Inbreeding (F)
probability that the child of a consanguineous
marriage will be homozygous for a specific gene
derived from a common ancestor
coefficient of relationship (R) relates to a
consanguineous couple and indicates the
proportion of genes that on average they would
be expected to share by descent from common
ancestors
A1A2 A3A4
A1A3 A1A4
A1A1
Nella
popolazione
umana esistono
incroci tra primi
cugini, zio-
nipote, secondi
cugini e così via
Ognuna di
queste unione
ha un
coefficiente F
F di un incrocio
varia tra 0 (non
imparentati) e un
valore max
(padre-figlio)= ¼.
Nelle popolazioni nelle quali è elevata la percentuale di
matrimoni tra consanguinei, il matrimonio tra eterozigoti
è comune….
Nel caso di una patologia autosomica recessiva, l’analisi
dell’albero genealogico, anziché dimostrare una trasmissione
“orizzontale” della malattia può dare l’impressione di una
trasmissione verticale
ELEVATO GRADO DI ININCROCIO
EREDITÀ QUASI-DOMINANTE
La consanguineità tra i genitori deve fare sospettare la
natura autosomica recessiva di una patologia presente
in un loro figlio
Autosomica recessiva
Gli individui affetti di solito sono figli di non affetti
I genitori degli affetti di solito sono portatori non affetti
Aumentata incidenza della consanguineita’
Sono colpiti entrambi i sessi
Ciascun figlio successivo all’affetto ha il 25% di probabilità di essere affetto
Esempi di patologie autosomiche recessive
Anemia falciforme β-talassemia Fibrosi cistica Malattia di Gaucher Malattia di Tay-Sachs Sindrome adreno-genitale
Omozigote per beta-talassemia;
sono evidenziati i confini della
epato-splenomegalia
Albinismo: figlia omozigote
di due indiani eterozigoti
ESEMPI DI PATOLOGIE AUTOSOMICHE RECESSIVE
Fibrosi Cistica sudorazione ad alto contenuto di sali e secrezioni
mucose fortemente viscose
apparato respiratorio (bronchite cronica), pancreas
(insufficienza pancreatica, diabete giovanile), intestino
(ostruzione stercorale), fegato (cirrosi)
caratteristica costante è la sterilità nei maschi
la più frequente malattia genetica tra i bambini Caucasici
prevalenza in Europa: 1/5000
Frequenza dei portatori: 1/25
(1 coppia/600 è composta da 2 portatori)
Fibrosi Cistica malattia monogenica, trasmissione autosomica recessiva
gene CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance
Regulator)
proteina CFTR: regola flusso idroelettrolitico transmembrana
descritte più di 1250 mutazioni. Circa il 70% dei casi è dovuto
all'allele delta F508
La diagnosi si basa sul test del sudore concentrazione di cloro
superiore a 60 mmol/L) ed è confermata dall'identificazione della
mutazione nel gene CFTR
consulenza genetica: coppie portatrici di mutazioni in eterozigosi
(identificate dopo la nascita di un bimbo affetto da fibrosi cistica, in
base all'anamnesi familiare positiva o successivamente
all'identificazione di una mutazione in eterozigosi in un bambino
sottoposto allo screening alla nascita)
Cromosoma X
Il cromosoma X contiene alcune centinaia di geni
I maschi hanno un solo cromosoma X e perciò
esprimono le mutazioni recessive presenti su
quel cromosoma: MASCHI EMIZIGOTI
Una donna è omozigote se gli alleli sull’X
sono identici. In questo caso manifesta quel
carattere
Cromosoma Y
a
a a
a A Una donna è eterozigote (portatrice sana)
se gli alleli sono diversi
CARATTERE LEGATO ALL’X
si manifestano essenzialmente nei maschi emizigoti
Le femmine eterozigoti manifestano
solo eccezionalmente la mutazione
a
a A
In questi casi il fenotipo tende a manifestarsi in forma
attenuata
Il meccanismo più comune è il venire meno della
casualità dell’inattivazione dell’X (preferenziale
inattivazione dell’X mutato)
MALATTIE LEGATE ALL’X
ALBERO GENEALOGICO DI UN CARATTERE
RECESSIVO LEGATO ALL’X
Maschio affetto emizigote Femmina eterozigote “portatrice sana”
E' importante in queste famiglie definire il genotipo delle
femmine
Non si osserva mai la trasmissione della malattia da
maschio a maschio
I casi sporadici, cioè isolati, possono originare da nuova
mutazione nell’oogenesi
Le eterozigoti obbligate sono:
le figlie di un padre ammalato
le madri con due figli ammalati
le donne con un figlio ed un
fratello ammalato eterozigote obbligata
CARATTERE RECESSIVO LEGATO ALL’X
Affetti quasi esclusivamente maschi
Le femmine possono essere affette:
1. se il padre e’ affetto e la madre eterozigote 2. se l’inattivazione del cromosoma X non e’
casuale
CARATTERE RECESSIVO LEGATO ALL’X
X-linked recessivo: madre portatrice
50% dei figli maschi è sano; 50% è emizigote malato
tutte le figlie sono non affette; la metà sono eterozigoti (portatrici), come la madre
Tutti i figli maschi sono sani
Tutte le figlie femmine sono portatrici
X-linked recessivo: padre affetto (emizigote)
X-linked recessivo
Trasmettono la mutazione sia i maschi che le femmine
Le femmine trasmettono sia ai maschi (malati) che alle femmine (portatrici)
I maschi affetti nascono da femmine sane e trasmettono esclusivamente alle femmine (portatrici)
Le femmine portatrici possono presentare la patologia in forma attenuata
Il fenotipo è più variabile ed attenuato nelle
femmine rispetto ai maschi
Un genitore eterozigote (che presenta il carattere)
lo trasmetta in media al 50% dei figli, indipendentemente
dal loro sesso
Il padre eterozigote trasmette il carattere a tutte le
figlie e a nessun figlio
CARATTERE DOMINANTE LEGATO ALL’X
X-linked dominante: madre affetta
50% dei figli sono malati
50% dei figli sono
sani
I figli di una donna affetta hanno il 50% di essere affetti, indipendentemente dal sesso
Tutte le figlie femmine sono malate
Tutti i figli maschi
sono sani
X-linked dominante: padre affetto
Trasmettono la mutazione sia i maschi che le femmine
Le femmine trasmettono sia ai maschi che alle femmine
I maschi trasmettono esclusivamente alle femmine
Spesso i maschi presentano forme più gravi o letali
X-linked dominante
Esempi di patologie X-linked:
X linked recessive Ritardo mentale da X-fragile Distrofia muscolare di Duchenne Distrofia muscolare di Becker Emofilia A (difetto della coagulazione da deficit di fattore
VIII) Emofilia B (difetto di coagulazione da deficit di fattore IX)
X linked dominanti Rachitismo resistente alla vitamina D (incapacità dei reni di riassorbire fosfati)
Incontinentia pigmenti (sindrome che associa alterazioni della pigmenazione cutanea, difetti degli occhi, dei denti e neurologici)
Distrofia muscolare di Duchenne (DMD) Distrofia muscolare di Becker (DMB)
malattie neuromuscolari caratterizzate da atrofia e debolezza
muscolare progressiva da degenerazione dei muscoli scheletrici,
lisci e cardiaci
DMD è più frequente (1/3.300 nati maschi), ha un
esordio più precoce ed è più grave rispetto alla DMB
(1/18.000 e 1/31.000 maschi)
DMD
o bambini cominciano a camminare in ritardo
o esordio 3-5 anni
o funzioni cognitive possono essere alterate
o andatura a base allargata e piedi in equinismo
o ipertrofia dei polpacci
o scoliosi, una cardiomiopatia e un'insufficienza respiratoria
restrittiva
DBM
o esordio più tardivo tra i 5 e i 15 anni
o deficit motorio prossimale, a progressione variabile
Entrambe le malattie sono dovute a mutazioni del gene
della distrofina
è il gene più grande
nell’uomo
La mutazione più comune è una delezione di 1 o più
esoni del gene
Per la prognosi della malattia (DMD o DBM) è
importante il reading frame che risulta dalla delezione
Il cromosoma Y contiene relativamente pochi
geni, importanti nella determinazione del sesso e
nella fertilità maschile
Il cromosoma Y è poco rilevante
per quanto attiene l’eredità delle malattie
complessivamente considerate
EREDITÀ LEGATA ALL’Y
Il carattere colpisce solo i maschi
Il carattere è trasmesso a tutti i figli maschi
Trasmissione Y-linked
Circa 230 geni sul cromosoma Y Caratteristiche somatiche: l’orecchio peloso
Y -linked
I maschi affetti hanno il padre affetto
Tutti i figli maschi di un uomo affetto sono affetti
Nuova mutazione
Es : acondroplasia
Complicazione dei principali modelli di ereditarieta
Dominante X linked
Concepiti maschi abortiti
Recessiva X-linked
Consanguineità -> Femmine omozigoti
Difetto di Penetranza
Metodi di studio delle malattie monogeniche
segregazione nelle famiglie (rischi mendeliani) analisi molecolare metodo diretto metodo indiretto
Test indiretti
•Delezioni
•Mutazioni nonsense
•Mutazioni missense
•Mutazioni di splicing
•Microdelezioni e microinserzioni
•
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
• • • • •
• • • • • • • • •
• • •
Test diretti
Si applicano quando il gene che causa la malattia è noto uso di marcatori polimorfici vicini al
gene-malattia (linkage-based
analysis)
Si applicano quando il gene che causa la malattia non è noto
Indirect diagnosis refers to the use of linkage analysis to
determine whether an individual has inherited a disease-
causing gene from a parent. It is used when a disease
gene has been mapped but not yet cloned or, when the
mutations at a locus are very numerous or poorly
characterized
With direct diagnosis, it is possible to examine the
disease-causing mutation(s) directly through methods
such as DNA sequencing
Compared with indirect diagnosis, the advantages of
direct diagnosis are that the mutation itself must be
identified
Sostituzioni Una o più basi contigue sono sostituite da una o più basi a
sequenza differente
Mutazioni nonsenso
Cambiano un codone senso in uno non-senso (stop)
Mutazioni missenso
Cambiano la sequenza proteica del prodotto genico
Mutazioni sinonime (silenti)
Non cambiano la sequenza proteica del prodotto genico
Delezioni Una o più basi sono rimosse dalla
sequenza originaria
Inserzioni Una o più basi sono inserite nella
sequenza originaria
In ogni caso di inserzione o delezione di frammenti di DNA a numero di paia di basi non
multiplo di 3 avviene una alterazione del frame di lettura e stop precoce alla traduzione
Mutazioni puntiformi in sequenze codificanti
Q cag
Q caa
K aag
stop tag
ag aga
Le sequenze ripetute più spesso associate a patologia sono le triplette
ESPANSIONE SEQUENZE RIPETUTE A TANDEM
Sequenze ripetute in tandem costituite da due a 4 nucleotidi sono
frequenti nel genoma e spesso polimorfe
L’ aumento del numero
delle unità semplici
(estremizzazione del
polimorfismo) può essere
causa di
malfunzionamento genico
Anticipation describes earlier age of onset and more
severe expression of a disease phenotype in more
recent generations of a pedigree
In some cases, such as Fragile X syndrome, Huntington
disease, myotonic dystrophy, and spinocerebellar ataxia
type 1, anticipation can be explained by the tendency of
trinucleotide repeat units to expand from generation to
generation
Sometimes this expansion may be influenced by the
parent's gender (e.g., expansion of the Huntington
disease trinucleotide repeat is more likely if the
transmitting parent is male, while expansion of the
myotonic dystrophy and Fragile X repeats are more
likely if the transmitting parent is female)
DIAGNOSI MOLECOLARE
?
? ?
?
In seguito ad un test genetico per Fibrosi Cistica con
esito negativo, il rischio residuo varia in funzione della
sensibilità del test utilizzato
Rischio residuo
Percentuale di
mutazioni FC
caratterizzabili
( sensibilità del test)
Rischio di essere
portatore per
persone con un test
negativo
Rischio di Fibrosi Cistica nella progenie di
coppie testate con:
Un genitore Nessun genitore
positivo positivo
0
1/25.2
NA
1/2500
75
1/99
1/396
1/39200
80
1/124
1/494
1/61000
85
1/165
1/661
1/109200
90
1/246
1/984
1/242100
95
1/491
1/1964
1/964400
Mendel was fortunate
The seven characters that Mendel studied were
clear-cut in their differences and showed constant
dominance or recessiveness in the hybrid
Moreover they proved to be located on different
chromosomes, or at least not near to each other
on the same chromosome, thus allowing
independent assortment unconfused by genetic
linkage
Caratteri mendeliani
Un certo genotipo a un locus è necessario e
sufficiente perché il carattere sia espresso
In the time since Mendel's original experiments, we have come to
learn that there are extensions to Mendelian principles, including
the fact that some alleles are incompletely dominant, that some
genes are sex-linked, and that some pairs of genes do not assort
independently because they are physically linked on a
chromosome…
Penetranza incompleta
Espressività variabile
Codominanza
Insorgenza tardiva
Anticipazione
Mutazioni de novo
…
Varianti all’eredità mendeliana