Disordini genomici. By NA. Lezione 21

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1 Disordini genomici By NA Lezione 21

2 Genome Research 2000 Yonggang J, Evan E. Eichler, Stuart Schwartz, and Robert D. Nicholls Structure of Chromosomal Duplicons and their Role in Mediating Human Genomic Disorders Genome Research Vol. 10, Issue 5, , May 2000 Analysis of long stretches of available sequence from human chromosomes 22 and X suggest that 5% -10% of the genome may be duplicated (Mazzarella and Schlessinger 1998; Dunham et al. 1999). Sequence homology between duplicated DNA segments provides a chance for misalignment during meiosis, leading to unequal exchange and chromosome rearrangement, by either inter - or intrachromosomal or sister chromatid homologous recombination. This process with divergence between duplicated segments is essential to the generation of diversity and new genes over evolutionary time, although the more typical, shortterm effect is genetic disease. By N.A.

3 P.Stankiewicz and J.R.Lupski Trends in Genetics 2002 Genome architecture, rearrangements and genomic disorders TRENDS in Genetics Vol. 18: 74-82, 2002 Human Molecular Genetics 2004 By N.A.

4 Disordini Genomici L instabilita di alcune regioni genomiche e dovuta alla presenza di low copy repeats: duplicazioni segmentali/dupliconi Il fenotipo clinico e conseguenza di alterato dosaggio genico di un gene o piu localizzati all interno di segmenti genomici riarrangiati All origine ci possono essere : la Non-Allelic Homologous Recombination: NAHR By N.A.

5 Disordini Genomici NAHR Dupliconi altamente omologhi Regione contenente almeno un gene dosage sensitive Ricombinazione omologa non allelica cromosoma duplicato cromosoma deleto All origine ci possono essere : la Non Homologous End Joining: NHEJ By N.A.

6 Disordini Genomici NHEJ A B A NN...NN B La presenza fra le due sequenze non omologhe di una sequenza TTTAAA potrebbe causare la formazione di un loop che viene tagliata e ssostituito con basi alternativi non corrispondenti alla sequenza originaria By N.A.

7 Disordini Genomici Possiamo classificarli sulla base del contenuto di geni sensibili alla dose presenti nel segmento compreso fra i dupliconi che vanno incontro alla NAHR Disordini mendeliani: Un solo gene (piccoli riarrangiamenti) Sindromi da geni contigui: piu geni sensibili alla dose (riarrangiamenti piu ampi) Sindromi cromosomiche : molti geni sensibili (riarrangiamenti molto grandi) By N.A.

8 By N.A. Caratteri mendeliani I Banter syndrome type III AD 1p36 del 11kb Gaucher disease AR 1q21 del 16kb Fam. juv. nephronophthisis AR 2q13 del 290kb Spinal muscular atrophy AR 5q13.2 inv/dup Cong adrenal hyperplasia (21 hydroxylase def.) AR 6p21.3 del 30kb Glucocorticoid -remediable aldosteronism (GRA) AD 8q21 dup 45kb Beta -thalassemia AR 11p15.5 del alfa -thalassemia AR 16p13.3 Polycystic kidney disease 1 AD 16p13.3 Charcot -Marie -Tooth (CMT1A) AD 17p12 dup 1400kb Her. neur. with liability to pressure palsies (HNPP) AD 17p12 del idem Neurofibromatosis type 1 (NFl) AD 17q11.2 del 1500kb Pituitary dwarfism AR 17q23.3 del 6.7kb CYP2D6 pharmacogenetic trait AR 22q13.1 del/dup 9.3kb Ichthyosis XL Xp22.32 del 1900kb Red -green color blindness XL Xq28 del Incontinentia pigmenti XL Xq28 del 10kb Hemophilia A XL Xq28 inv kb Emery -Dreifuss musc. dystr. XL Xq28 del/dup/inv 48kb Hunter syndrome XL Xq28 inv/del 20kb

9 CMT1A 1,4 Mb PMP22 Cen 24 Kb 98,7% di identita tel PMP22 CMT1A tel PMP22 PMP22 Cen tel HNPP Cen By N.A. J All interno della regione sono stati identificati almeno 6-7 geni: solo uno e dosage sensitive. Cen

10 Caratteri mendeliani I Banter syndrome type III 1p36 Gaucher disease 1q21 Fam. juv. nephronophthisis 2q13 Fascioscapulohumeral muscular dystrophy 4q35 Spinal muscular atrophy 5q13.2 Cong adrenal hyperplasia (21 hydroxylase def.) 6p21.3 Glucocorticoid -remediable aldosteronism (GRA) 8q21 Beta -thalassemia 11p15.5 alfa -thalassemia 16p13.3 Polycystic kidney disease 1 16p13.3 Charcot -Marie -Tooth (CMT1A) 17p12 Her. neur. with liability to pressure palsies (HNPP) 17p12 Neurofibromatosis type 1 (NFl) 17q11.2 Pituitary dwarfism 17q23.3 CYP2D6 pharmacogenetic trait 22q13.1 Ichthyosis Xp22.32 Red -green color blindness Xq28 Incontinentia pigmenti Xq28 Hemophilia A Xq28 Emery -Dreifuss musc. dystr. Xq28 Hunter syndrome Xq28 By N.A.

11 Haemophilia A (X-linked): Factor VIII Sostituzioni nucleotidiche (missense / nonsense) 515 Sostituzioni nucleotidiche (splicing) 49 Sostituzioni nucleotidiche (regulatory) 0 Piccole delezioni 116 Piccole inserzioni 36 Piccole inserzioni/delezioni 5 Grandi delezioni 86 Grandi delezioni & duplicazioni 6 Riarrangiamenti complessi (incluse inversioni) 9 TOTAL 822 By N.A.

12 Inversione in Xq28 :Emofilia A F8C CpG F8B tel F8A F8A Cen F8A F8A F8A F8A tel 22 F8C 1 CpG F8B F8A F8A Cen By N.A. F8A 23 26

13 Inversione in Xq28 :Emofilia A Rossiter et al, 1994 Hum Mol Genet 3(7) :Factor VIII gene inversion causing severe hemophilia A originates almost exclusively in male germ cells By N.A. The human X and Y pair at early -mid pachytene as seen in a silver nitrate stained EM microspread preparation. Solari, 1980

14 Caratteri mendeliani I Banter syndrome type III AD 1p36 del 11kb Gaucher disease AR 1q21 del 16kb Fam. juv. nephronophthisis AR 2q13 del 290kb Spinal muscular atrophy AR 5q13.2 inv/dup Cong adrenal hyperplasia (21 hydroxylase def.) AR 6p21.3 del 30kb Glucocorticoid -remediable aldosteronism (GRA) AD 8q21 dup 45kb Beta -thalassemia AR 11p15.5 del alfa -thalassemia AR 16p13.3 Polycystic kidney disease 1 AD 16p13.3 Charcot -Marie -Tooth (CMT1A) AD 17p12 dup 1400kb Her. neur. with liability to pressure palsies (HNPP) AD 17p12 del idem Neurofibromatosis type 1 (NFl) AD 17q11.2 del 1500kb Pituitary dwarfism AR 17q23.3 del 6.7kb CYP2D6 pharmacogenetic trait AR 22q13.1 del/dup 9.3kb Ichthyosis XL Xp22.32 del 1900kb Red -green color blindness XL Xq28 del Incontinentia pigmenti XL Xq28 del 10kb Hemophilia A XL Xq28 inv kb Emery -Dreifuss musc. dystr. XL Xq28 del/dup/inv 48kb Hunter syndrome XL Xq28 inv/del 20kb

15 Caratteri mendeliani I Spinal muscular atrophy(sma) Fenotipo autosomico recessivo letale,1/ nati vivi. In circa il 18% dei casi e associato ad un riarrangiamento di una regione di ~500kb in 5q13 Sindrome di Hunter Fenotipo X -linked recessivo, dovuto a mutazioni del gene IDS (Xq28).Nel 20% dei casi la mutazione e dovuta a ricombinazione fra IDS e un suo pseudogene localizzato 90Kb a valle.

16 Caratteri mendeliani I Banter syndrome type III AD 1p36 del 11kb Gaucher disease AR 1q21 del 16kb Fam. juv. nephronophthisis AR 2q13 del 290kb Spinal muscular atrophy AR 5q13.2 inv/dup Cong adrenal hyperplasia (21 hydroxylase def.) AR 6p21.3 del 30kb Glucocorticoid -remediable aldosteronism (GRA) AD 8q21 dup 45kb Beta -thalassemia AR 11p15.5 del alfa -thalassemia AR 16p13.3 Polycystic kidney disease 1 AD 16p13.3 Charcot -Marie -Tooth (CMT1A) AD 17p12 dup 1400kb Her. neur. with liability to pressure palsies (HNPP) AD 17p12 del idem Neurofibromatosis type 1 (NFl) AD 17q11.2 del 1500kb Pituitary dwarfism AR 17q23.3 del 6.7kb CYP2D6 pharmacogenetic trait AR 22q13.1 del/dup 9.3kb Ichthyosis XL Xp22.32 del 1900kb Red -green color blindness XL Xq28 del Incontinentia pigmenti XL Xq28 del 10kb Hemophilia A XL Xq28 inv kb Emery -Dreifuss musc. dystr. XL Xq28 del/dup/inv 48kb Hunter syndrome XL Xq28 inv/del 20kb

17 LCR 17p distal CMT1A -REP proximal CMT1A -REP distal SMS-REP middle SMS-REP proximal SMS-REP PMP22 LCR17pE ~31Kb LCR17pF ~33Kb LCR17pG ~31Kb 24Kb LCR17pA 383Kb LCR17pB 191Kb LCR17pC 91Kb LCR17pD 191Kb CEN ~200Kb 7,4 Mb totale LCR 1,7 Mb (23%)

18 Sindromi da geni contigui I Williams-Beuren syndrome 7q11.23 Prader-Willi syndrome 15q11.2q13 Angelman syndrome 15q11.2q13 dup(15)(q11.2q13) 15q11.2q13 triplication 15q11.2q13 15q11.2q13 Smith-Magenis syndrome 17p11.2 dup(17)(p11.2p11.2) 17p11.2 DiGeorge/VCFS 22q11.2 Male infertility AZFa microdeletion Yq11.2 Male infertility AZFc microdel. Yq11.2

20 Fenotipo autosomico dominante. mutazione presente: delezione di 1600kb. Prevalenza 1/7500-1/ fra i nati vivi Williams-Beuren syndrome (WBS) I

21 Williams-Beuren syndrome (W BS) II 7q11.23 Inversione benigna nel 28% dei genitori cen cen cen crom.7 ELN C A B C B A B A C C A B C B A B A C cromosoma deleto cromosoma invertito C A B C A B B A C tel tel tel

23 Cen A crom.22 22q11.2 DGS/VCFS A B C D N 1.5Mb (8%) 2Mb (2%) 3 Mb (85-90%) B D T.H.Shaikh et al: Hum.Mol.Genet.9(4) T.H.Shaikh & B.S.Emanuel:Nat.Rev.Genet.2(10) Tel C

25 15q11-q13 PWS/AS crom.15 delezione 4Mb ~70% dei casi di PWS/AS inversione in 4/15 madri di AS deleti

26 Intercromosomico tel Come si originano le del/dup Cen tel delezione duplicazione Intracromosomico delezione frammento acentrico inversione paracentrica

27 Riarragiamenti costituzionali inv dup(15)(q11q13) inv dup(22)(q11.2) dic(x)(p11.2) inv dup(8p) der(8)(pterp23.1::p23.2pter); del(8)(p23.1p23.2) dup(15)(q24q26) t(11;22)(11q23;22q11) Inverted dup Inverted dup Isodicentric inv/dup/del inv/dup/del dup

28 Inv dup(22) Cat-Eye Syndrome (CES) 22q11.2 Cromosoma 22 mar Cariotipo del laboratorio Prof.ssa O.Zuffardi

29 Due tipi di inv dup(15) Inv dup(15) I 15q11 mar Cromosoma 15 48,XX,+mar.+mar J Fenotipo normale Cariotipo del laboratorio Prof.ssa O.Zuffardi

30 Cromosoma 15 mar Inv dup(15) II 15q12 LFenotipo patologico Ipotonia -Deficit di accrescimento - Facies caratteristica -Ritardo mentale -epilessia -comportamento autistico. Cariotipo del laboratorio Prof.ssa O.Zuffardi

31 Origine dei riarrangiamenti I MI punti di rottura dei marcatori sovrannumerari sono gli stessi della delezione all origine di DGS/VCFS CES BP CES BP A B C D N 1.5Mb (8%) 2Mb (2%) 3 Mb (85-90%)

32 Origine dei riarrangiamenti II MI punti di rottura (BP) dei marcatori sovrannumerari coinvolgono i dupliconi della regione PWS/AS ed altri piu distali BP1 classei BP2 classeii BP3 BP4 BP5 delezioni PWS/AS inv dup(15) grandi inv dup(15) duplicazioni e triplicazioni Modificato da: Gimelli G. et al: Hum.Mol.Genet. 12(8)

33 Intercromosomico Origine dei riarrangiamenti III bisatellitato acentrico Intracromosomico inversione paracentrica bisatellitato acentrico Modificato da: B.S.Emanuel &T.H.Shaikh: Nat.Genet.Rev. 2(10) 2001

35 T(11;22) * La traslocazione 11q/22q e l unica traslocazione costituzionale ricorrente non robertsoniana. Anche in questo caso i portatori che si presentano fenotipicamente normali vengono individuati per la nascita di progenie sbilanciata. Portatore bilanciato Progenie sbilanciata der(11) der(22) 11 der(11) 22 der(22) der(22) Cariotipi del laboratorio Prof.ssa O.Zuffardi

36 T(11;22) origine I * Il punto di rottura di entrambi i cromosomi contiene una sequenza (AT)n palindromica (PATRR:PalindromicATRichRegion) M Il BP sul cromosoma 22 cade in uno dei dupliconi della regione DGS/VCFS CES BP t(11;22) BP CES BP A B C D N Quale potrebbe essere il meccanismo? Forse tramite la formazione di una hairpin/cruciform structure (Kurahashi H.et al.hum.mol.genet. 9(11) )

37 T(11;22) origine II Forse tramite la formazione di una hairpin/cruciform structure in cui il centro della forcina e suscettibile alle DSB(double-strand break). La struttura potrebbe originarsi anche in altri cromosomi che condividono la stessa organizzazione e questo sarebbe l innesco per la traslocazione A B C D N crom.22 crom.11 der22 der11 In effetti sembra che il BP sia localizzato all estremita della forcina e un altro caso e stato riportato nel 2003 in cui e coinvolta la stessa sequenza del 22 e una sequenza ATn localizzata sul 17. I BP di questa traslocazione hanno la stessa organizzazione della 11/22 (Kurahashi H. et al. Am.J.Hum.Genet , 2003)

39 Olfactory receptor genes OR ipotizzati nel genoma umano: 1000 tra geni e psuedogeni La maggior parte sono organizzati in cluster di 10 o piu membri

40 Il braccio corto del cromosoma 8 Giglio S.et al. Am.J.Hum.Genet. 68: , 2001 Inv dup(8) der(8)(pterp23.1::p23.2pter); Inv dup(8) crom.8 I BP sono costanti in entrambi i casi e coinvolgono i cluster degli OR presenti su 8p. I due cromosomi riarrangiati sono i prodotti reciproci dello stesso evento In tutti i casi esaminati :21(inv dup8) e 2 der(8), l origine era materna:

41 Il braccio corto del cromosoma 8 Giglio S.et al. Am.J.Hum.Genet. 68: , 2001 Origine: meiosi materna

42 Il braccio corto del cromosoma 8 Giglio S.et al. Am.J.Hum.Genet. 68: , 2001 La NAHR fra due cluster di OR potrebbe portare alla formazione di un dicentrico e di un frammento acentrico

43 Il braccio corto del cromosoma 8 Giglio S.et al. Am.J.Hum.Genet. 68: , 2001 FISH con sonde interne agli OR 26% della popolazione europea e eterozigote 8% omozigote M Polimorfismo

44 T(4;8)(p16;p23) Heterozygous submicroscopic inversions involving olfactory receptor -gene clusters mediate the recurrent t(4;8)(p16;p23) translocation. Giglio S.et al. Am. J. Hum. Genet. 71: (2002) Anche in questo caso l origine era la meiosi materna. Anche in questo caso le madri erano eterozigoti per la regione compresa fra i cluster degli OR del cromosoma 4 e del cromosoma 8 12,5% eterozigoti per il crom.4 26% eterozigoti per il crom.8 ~2.5% doppie eterozigoti

45 CONCLUSIONI Particolari strutture genomiche predispongono all insorgenza di riarrangiamenti genomici e cromosomici, in meiosi e/o in mitosi La variabilita individuale potrebbe essere il principale fattore di suscettibilita alla loro insorgenza

46 By NA NON sono dispense, ma un ausilio allo studio sul libro