Indice. Parte I - Le basi della genetica umana. Capitolo 3 L analisi molecolare degli acidi nucleici...31 Roberta Sestini, Laura Papi

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1 Indice Parte I - Le basi della genetica umana Capitolo 1 Struttura e funzione dei geni e del genoma umano...3 Christina Brahe, Pietro Chiurazzi Acidi nucleici e informazione genetica...3 Struttura degli acidi nucleici...3 Replicazione del DNA...4 Trascrizione e maturazione degli RNA...6 Sintesi delle proteine e codice genetico...9 Struttura ed espressione dei geni...9 Il promotore...9 Regolazione della trascrizione...10 Struttura esoni-introni...12 Trascritti alternativi e isoforme proteiche...12 Trascritti non codificanti e antisenso...13 RNA interference (RNAi)...13 Anatomia del genoma umano...14 DNA a sequenza unica...15 DNA ripetitivo intersperso...16 DNA ripetitivo in tandem...18 Variabilità del genoma...19 Conclusioni...19 Capitolo 2 Variazioni del genoma umano...21 Christina Brahe, Francesco Danilo Tiziano Introduzione...21 Classificazione delle mutazioni...21 Mutazioni puntiformi...21 Riarrangiamenti genici strutturali...25 Mutazioni dinamiche...28 Come si verificano le mutazioni e qual è il loro significato biologico...28 Effetto delle mutazioni sul fenotipo...29 Conclusioni...30 Capitolo 3 L analisi molecolare degli acidi nucleici...31 Roberta Sestini, Laura Papi Introduzione...31 Estrazione degli acidi nucleici...31 Enzimi di restrizione...31 Elettroforesi degli acidi nucleici...32 Ibridazione degli acidi nucleici...33 Blotting...33 PCR...34 Principio della metodica...34 PCR quantitativa...34 Metodi per la ricerca di mutazioni del DNA: analisi di mutazioni note...35 Analisi di restrizione...36 Metodica ASO (allele-specific oligonucleotide)...36 Amplification refractory mutation system (ARMS)...38 Oligonucleotide ligation assay (OLA)...38 Metodi per la ricerca di mutazioni nel DNA: analisi di mutazioni sconosciute...40 Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE)...41 Single strand conformation polymorphism (SSCP)...42 Denaturing high performance liquid chromatography (dhplc)...43 Il sequenziamento del DNA...43 Tecniche di analisi dei riarrangiamenti genomici...43 Analisi di frammenti...46 Conclusioni...46 Capitolo 4 Cromosomi umani...51 Marcella Zollino Introduzione...51 Grandezza e morfologia dei cromosomi umani...51 Cellule utilizzate per l analisi del cariotipo...52 Bandeggio cromosomico...53 Citogenetica molecolare...56 C0160.indd XI 7/19/10 5:10:57 PM

2 XII Indice Ibridazione in situ fluorescente...56 Array-CGH...56 Polimorfismi cromosomici...59 Mitosi...59 Meiosi...60 Polimorfismi del cariotipo umano...60 Conclusioni...65 Capitolo 5 Ereditarietà mendeliana...67 Introduzione...67 Ereditarietà mendeliana classica...67 Ereditarietà autosomica dominante...71 Ereditarietà autosomica recessiva...75 Ereditarietà X-linked...77 Conclusioni...79 Capitolo 6 Meccanismi atipici di ereditarietà...81 Fiorella Gurrieri Introduzione...81 Meccanismi molecolari coinvolti nelle irregolarità di segregazione delle condizioni mendeliane...81 Presentazione sporadica di condizioni monogeniche dominanti dovute a mutazioni con effetti fenotipici gravi o letali...81 Ereditarietà digenica...81 Influenza isoallellica sui fenotipi dominanti con penetranza ridotta o con espressività variabile...82 Effetti fenotipici inattesi di alleli a bassa penetranza con particolare riferimento ad alcuni geni oncosoppressori...84 Ereditarietà paradossa...84 Distorsione della segregazione...84 Anticipazione genetica...84 Meccanismi molecolari coinvolti nella segregazione non mendeliana di alcune malattie genetiche...85 Ereditarietà mitocondriale...85 Imprinting genomico...87 Conclusioni...90 Capitolo 7 L ordine dei geni sui cromosomi...91 Maurizio Genuardi, Laura Papi Gameti parentali e ricombinanti...91 Mappaggio genico...91 Marcatori genetici...92 Analisi di linkage a due punti...92 Costruzione di mappe genetiche di riferimento...97 Mappaggio di geni: malattia mediante analisi di linkage...98 Conclusioni Capitolo 8 Distribuzione dei geni nelle popolazioni Maurizio Genuardi Introduzione Legge di hardy-weinberg Calcolo delle frequenze geniche Metodo della conta diretta degli alleli Metodo indiretto basato sulla legge di hardy-weinberg Fattori che alterano le frequenze geniche Mutazione Selezione Deriva genetica, effetto del fondatore e flusso genico Linkage disequilibrium Conclusioni Capitolo 9 Caratteri multifattoriali Berardino Porfirio, Francesca Gensini Introduzione Caratteri quantitativi o continui Definizione Controllo genetico dei caratteri quantitativi Il modello dell allelia multipla Il modello poligenico Influenza dell ambiente Relazione tra coefficiente di correlazione (r) e percentuale di geni in comune Ereditabilità I valori fenotipici dei caratteri quantitativi possono essere raggruppati in classi discrete La statura Il quoziente intellettivo Caratteri semiquantitativi Il modello di falconer spiega l aggregazione familiare delle malattie non mendeliane Rischio di ricorrenza Strategie per l identificazione dei geni Gli alleli implicati nelle malattie multifattoriali sono frequenti nella popolazione Dissezione genetica di un carattere complesso: la celiachia Conclusioni Capitolo 10 Effetti delle mutazioni somatiche Maurizio Genuardi, Marcella Zollino Introduzione Tipi di alterazioni genetiche nei tumori Aberrazioni cromosomiche Mutazioni puntiformi Alterazioni epigenetiche Protoncogeni e oncogèni Effetti delle traslocazioni bilanciate nei tumori C0160.indd XII

3 Indice XIII Altri meccanismi di attivazione dei protoncogeni Geni oncosoppressori Il modello del retinoblastoma Funzioni dei protoncogeni e dei geni oncosoppressori Geni mutatori Meccanismo d azione dei geni mutatori Conclusioni Capitolo 11 La biologia dei sistemi Elisabetta Tabolacci, Pietro Chiurazzi Definizione Cenni storici Reti e interazioni molecolari Studio di reti e analisi di pathway Tecnologie high-throughput e campi di applicazione Genomica Trascrittomica Proteomica Metabolomica Conclusioni Capitolo 12 Applicazioni dell ingegneria genetica in medicina Francesco Danilo Tiziano, Eugenio Sangiorgi Introduzione Proteine ricombinanti Modelli animali Topi transgenici e topi knock-out Mutagenesi condizionale Terapia genica Terapia genica su cellule somatiche: inserimento di un gene nelle cellule bersaglio Terapia genica su cellule somatiche: modificazione dell espressione di un gene L esempio della XSCID Cellule staminali Cellule staminali indotte (IPS) Clonazione animale L imatinib, la leucemia mieloide cronica e la medicina traslazionale Conclusioni Parte I I - La genetica nella pratica clinica Capitolo 13 Sindromi cromosomiche e disordini genomici Marcella Zollino Introduzione Anomalie cromosomiche Anomalie di numero Anomalie di struttura Disordini genomici Dupliconi Sindromi da microdelezione e sindromi da microduplicazione Riarrangiamenti subtelomerici Riarrangiamenti subtelomerici e ritardo mentale A-CGH e riarrangiamenti cromosomici criptici Anomalie dei cromosomi sessuali Sindrome di klinefelter Femmine triplo X Sindrome di turner Maschi 47,XYY Delezione Xq Conclusioni Capitolo 14 Malattie da difetti dell imprinting genomico Fiorella Gurrieri Introduzione Sindrome di angelman e sindrome di prader-willi Sindrome di angelman Sindrome di prader-willi Diagnosi di laboratorio Sindrome di beckwith-wiedemann Diagnosi di laboratorio Sindrome di silver-russell Diabete mellito neonatale transitorio Disomia uniparentale del cromosoma Osteodistrofia ereditaria di albright, pseudoipoparatiroidismo e pseudopseudoipoparatiroidismo, ossificazione eterotopica progressiva e sindrome di MCcune-Albright Imprinting genomico e procreazione medicalmente assistita Conclusioni Capitolo 15 Malattie da mutazioni dinamiche...241, Pietro Chiurazzi Introduzione Microsatelliti e meccanismi di espansione Classificazione delle patologie da mutazioni dinamiche Sindrome del cromosoma X fragile Cenni storici ed epidemiologia Fenotipo clinico Gene e mutazione Sindromi da premutazione di FMR Menopausa precoce Sindrome da tremori e atassia Distrofia miotonica Cenni storici ed epidemiologia Fenotipo clinico Geni e mutazioni C0160.indd XIII

4 XIV Indice Malattia di huntington Cenni storici ed epidemiologia Fenotipo clinico Gene e mutazioni Malattia di kennedy (atrofia muscolare spino-bulbare) Cenni storici ed epidemiologia Fenotipo clinico Gene e mutazioni Atassia di friedreich Cenni storici ed epidemiologia Fenotipo clinico Gene e mutazioni Atassie spino-cerebellari autosomiche dominanti Cenni storici ed epidemiologia Fenotipo clinico Geni e mutazioni Conclusioni Capitolo 16 Malattie neuromuscolari su base genetica Christina Brahe Introduzione Atrofie muscolari spinali Aspetti clinici Aspetti molecolari dell atrofia muscolare spinale Correlazione genotipo-fenotipo Prospettive terapeutiche Sclerosi laterale amiotrofica Aspetti clinici Aspetti genetici Distrofia muscolare di duchenne e becker Aspetti clinici Gene della distrofina e sue mutazioni Complesso proteico associato alla distrofina Prospettive terapeutiche Distrofie muscolari dei cingoli Distrofie muscolari congenite Neuropatie periferiche ereditarie CMT tipo CMT tipo CMT X-linked Malattia di Déjerine-Sottas Conclusioni Capitolo 17 Epilessie su base genetica Renzo Guerrini, Elena Parrini Introduzione Patogenesi e diagnosi delle epilessie Epilessie idiopatiche con base genetica nota Epilessia generalizzata con crisi febbrili plus (GEFS+) Epilessia mioclonica severa dell infanzia (sindrome di Dravet) Epilessie Parziali Crisi febbrili Epilessie idiopatiche causate da geni che non codificano canali ionici Epilessie generalizzate idiopatiche con modello di ereditarietà complesso Modello di ereditarietà Basi molecolari Consulenza genetica Epilessie sintomatiche/criptogenetiche Epilessie secondarie ad anomalie dello sviluppo della corteccia cerebrale Lissencefalie Eterotopia periventricolare Polimicrogiria Conclusioni Capitolo 18 Difetti genetici dello sviluppo embrionale Fiorella Gurrieri, Eugenio Sangiorgi Introduzione Geni homeobox Mutazioni Difetti di sviluppo associati ai geni pax Ruolo dei geni pax La famiglia dei geni hedgehog Ruolo del gene shh Difetti di sviluppo degli arti Studi sull uomo Geni dello sviluppo della corteccia cerebrale Conclusioni Capitolo 19 Sindromi da difetti dei recettori per i fattori di crescita fibroblastici Sabrina Giglio Introduzione Displasie scheletriche associate a mutazioni del gene FGFR Acondroplasia Ipocondroplasia Displasia tanatofora Acondroplasia grave con ritardo di sviluppo e acanthosis nigricans Craniostenosi associate a difetti dei geni FGFR Sindrome di pfeiffer Sindrome di Apert Sindrome di Crouzon Sindrome di Beare-Stevenson Sindrome di Jackson-Weiss Sindrome di Muenke Craniostenosi Isolate Patologia molecolare Mutazioni di FGFR Mutazioni di altri geni FGFR Patogenesi Conclusioni C0160.indd XIV

5 Indice XV Capitolo 20 Sindromi neuro-cardio-facio-cutanee Introduzione La rete (pathway) ras/mapk Sindrome di Noonan Sindrome LEOPARD Sindrome CFC Sindrome di Costello Conclusioni Capitolo 21 Malattie ereditarie del tessuto connettivo Guglielmina Pepe Il tessuto connettivo Composizione Geni e proteine della matrice extracellulare Patologie del collagene Geni e proteine Osteogenesi imperfetta Sindrome di Stickler Sindromi di Ehlers-Danlos Miopatia di Bethlem e distrofia muscolare congenita di Ullrich Patologie legate a difetti del pathway di TGF Fibrillina e pathway TGF Sindrome di Marfan Conclusioni Capitolo 22 Cardiomiopatie primarie ereditarie Luigi Boccuto, Introduzione e classificazione Cardiomiopatia ipertrofica Definizione ed epidemiologia Patologia molecolare Non-compattazione ventricolare sinistra Definizione ed epidemiologia Patologia molecolare Cardiomiopatia dilatativa Definizione ed epidemiologia Patologia molecolare Consulenza genetica Cardiopatie aritmogene Definizione ed epidemiologia Patologia molecolare Consulenza genetica Conclusioni Capitolo 23 Genetica clinica oncologica Maurizio Genuardi, Emanuela Lucci Cordisco Introduzione Tumori ereditari della mammella e dell ovaio Epidemiologia Geni e mutazioni Indagini genetiche e prevenzione Tumori ereditari del colon-retto Poliposi familiare del colon Sindrome di Lynch Conclusioni Capitolo 24 Le facomatosi Laura Papi Introduzione Neurofibromatosi Neurofibromatosi di tipo Sindrome di Legius o NF1-like (NFLS) Neurofibromatosi di tipo Schwannomatosi Sclerosi tuberosa Malattia di von hippel-lindau Conclusioni Capitolo 25 Emoglobinopatie Mauro Piazzini Introduzione Struttura dell emoglobina Localizzazione, struttura ed espressione dei geni globinici Classificazione delle emoglobinopatie Emoglobinopatie qualitative Anemia falciforme Emoglobine instabili Emoglobine con alterata affinità per l ossigeno Emoglobine M Emoglobine chimeriche Talassemie talassemie talassemie Persistenza ereditaria di emoglobina fetale (HPFH) Conclusioni Capitolo 26 Errori congeniti del metabolismo Enrico Zammarchi, Maria Alice Donati, Amelia Morrone Introduzione Clinica ECM a esordio acuto neonatale ECM a esordio acuto tardivo ECM a esordio lento e progressivo (cronici) Sintomatologia Diagnosi Elementi generali Analisi di metaboliti specifici e dosaggi enzimatici C0160.indd XV

6 XVI Indice Analisi del DNA Esami bioptici Esami strumentali Diagnosi prenatale Screening neonatali di ECM Terapia Esempi specifici di ECM Difetti del ciclo dell urea Aminoacidopatie: iperfenilalaninemie Malattie perossisomiali Conclusioni Capitolo 27 Patologie correlate al gene CFTR Maurizio Genuardi Introduzione Aspetti clinici Forma classica Forme non classiche Patologia molecolare e correlazioni genotipo-fenotipo Ricerca di mutazioni del gene CFTR nella pratica clinica Prospettive terapeutiche Conclusioni Capitolo 28 Difetti genetici degli organi di senso Sabrina Giglio, Maurizio Genuardi Introduzione Ipoacusie genetiche Forme sindromiche Sordità sindromiche a trasmissione autosomica dominante Sordità sindromiche a trasmissione autosomica recessiva Sordità sindromiche a trasmissione X-linked Forme non sindromiche Sordità isolata a trasmissione autosomica recessiva Sordità isolata a trasmissione autosomica dominante Sordità isolata a trasmissione X-linked Sordità isolata mitocondriale Strategie per l identificazione delle cause di sordità Patologie genetiche dell apparato oculare Malformazioni oculari Conclusioni Capitolo 29 Difetti genetici della differenziazione sessuale Introduzione Determinazione e differenziazione del sesso gonadico e fenotipico Gonade primitiva Differenziazione della gonade e dei genitali maschili Differenziazione della gonade e dei genitali femminili Difetti dello sviluppo sessuale Pseudoermafroditismo femminile Pseudoermafroditismo maschile Cause genetiche di infertilità Traslocazioni cromosomiche bilanciate Microdelezioni del cromosoma Y Conclusioni Capitolo 30 Diagnosi prenatale di malattia genetica Cenni storici Definizione Diagnosi ecografica e test predittivi Diagnosi ecografica Test predittivi Indicazioni alla diagnosi prenatale Tecniche di prelievo di materiale fetale Villocentesi Amniocentesi Cordocentesi Analisi del materiale prelevato e risultati Analisi citogenetiche (esame cromosomico) Casi particolari Analisi molecolari (esame del DNA) Consulenza genetica in diagnostica prenatale Diagnosi genetica preimpianto Conclusioni Capitolo 31 Basi genetiche della risposta ai farmaci Maurizio Genuardi Diversità individuale di reazione agli stimoli ambientali Farmacogenetica e farmacogenomica Effetti terapeutici e risposte avverse Geni implicati nella risposta ai farmaci Meccanismi mendeliani Effetto delle varianti genetiche comuni Funzioni dei prodotti genici Rapporti tra farmacogenetica e farmacogenomica Farmacogenetica e farmacogenomica del cancro Conclusioni Indice analitico C0160.indd XVI