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1 Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana

2 Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana Mutazioni de novo Espressività variabile Penetranza incompleta Mosaicismo Germinale Insorgenza Tardiva Eterogeneità genetica Scaricato da

3 Famiglia con malattia autosomica dominante con nuova mutazione nel probando Scaricato da

4 Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana Una nuova mutazione autosomica dominante determina uno schema di eredità simile a quello di un carattere recessivo autosomico o legato all X ed invece si tratta di un caso sporadico (mutazione de novo) specialmente frequente nelle malattie che portano a morte prima dell eta riproduttiva (osteogenesi imperfetta 100%, acondroplasia 80%).

6 Espressività variabile Manifestazione più o meno marcata di un fenotipo dovuto ad un allele mutante. In altre parole, differenti membri di una stessa famiglia mostrano spettri fenotipici differenti della stessa malattia. L espressività di un carattere si riferisce alla natura ed alla gravità del fenotipo

7 Sordita Sordita + occhi di colore diverso Sordita + occhi di colore diverso + ciuffo di Capelli bianchi sulla fronte Sordita + occhi di colore diverso + ciuffo di Capelli bianchi sulla fronte + precoce incanutimento Eredità autosomica dominante con espressività variabile: in questa famiglia con sindrome di Waardenburg, l ombreggiatura del primo quadrante = sordità; del secondo quadrante = occhi di colore diverso; del terzo quadrante = ciuffo di capelli bianchi sulla fronte; del quarto quadrante = precoce incanutimento. Altri es: Neurofibromatosi, Sindrome di Marfan, Osteogenesi imperfecta, Distrofia miotonica

9 Penetranza La penetranza è un fenomeno tutto o nulla che si riferisce all espressione, o alla non espressione, di un dato gene mutante; per un carattere dominante è definita quantitativamente come la proporzione di portatori obbligati della mutazione (eterozigoti) che esprimono il fenotipo. Ad esempio se una malattia ha una penetranza del 90% significa che il portatore (carrier) dell allele mutato ha il 90% di probabiltà di esprimere la malattia a livelli osservabili. La penetranza si valuta guardando se la malattia è presente oppure no

10 Penetranza incompleta la penetranza incompleta di un carattere si manifesta in una proporzione di figli affetti minore di quella attesa dalle proporzioni mendeliane (comunemente il 50% e 25% nei casi di caratteri autosomici rispettivamente dominanti e recessivi) molte malattie autosomiche dominanti sono a penetranza incompleta: vengono all osservazione come fenotipi che saltano una generazione si esprime come una percentuale o una frazione di uno

11 Il pedigree di una famiglia con eritromelalgia autosomica dominante che mostra un difetto di penetranza. Si osservi come l individuo III-1 è clinicamente sano, ma è portatore obbligato dell allele mutante. 9 dei 10 eterozigoti obbligati manifestano la malattia. Quindi la penetranza in questo caso e del 90%. Scaricato da

12 Un esempio di penetranza incompleta spiegata molecolarmente: il locus di retinite pigmentosa RP11 Retinite pigmentosa: la forma piu frequente di retinopatia ereditaria (1:4000 individui); Clinica: esordio con cecita notturna e progressiva degenerazione della retina periferica, elettroretinogramma (ERG) ridotto o assente; Genetica molto complessa: puo essere causata da molti diversi geni (circa 50). La forma RP11 e causata da mutazioni nel gene PRPF31 (human homolog of yeast pre-mrna splicing factor 31). Penetranza incompleta descritta per questo locus

13 Un esempio di penetranza incompleta spiegata molecolarmente: il locus di retinite pigmentosa RP11 La penetranza incompleta e spiegata dal livello di espressione dell allele RP11 sano: livelli piu elevati hanno un effetto protettivo.

14 Complicazioni rispetto ai principali modelli di ereditarietà mendeliana Espressività variabile Mutazioni de novo Penetranza incompleta Mosaicismo Germinale Insorgenza Tardiva Eterogeneità genetica Scaricato da

15 Eterogeneita Genetica Eterogeneità genetica: lo stesso fenotipo causato da mutazioni in geni diversi mutazioni in geni che codificano per diverse unità o subunità di una proteina, o per proteine che interagiscono con altre proteine, o che agiscono a stadi diversi di un processo metabolico Esempio della Osteogenesis Imperfecta (OI). La tripla elica del collagene di tipo I è formata da 2 catene a1 (codificate sul cromosoma 17) and 1 catena a2 (codificata sul cromosoma 7). Mutazioni nei geni che modificano la produzione o la struttura di queste catene danno luogo a diversi tipi clinici di OI. Eterogeneita allelica: uno stesso (o simile) fenotipo causato da mutazioni diverse allo stesso locus: e in genere la regola nelle malattie genetiche mendeliane con poche eccezioni (es. Acondroplasia).

16 RETINITIS PIGMENTOSA The most frequent form of inherited retinopathy (1 in 4000 individuals worldwide) Characterized by night blindness and progressive degeneration of the mid-peripheral retina, bone spicule-like pigmentary deposits and reduced or absent electroretinogram (ERG).

17 RETINITIS PIGMENTOSA Isolated or syndromic The main syndromic forms are: Usher syndrome: RP + deafness Bardet-Biedle syndrome: RP + mental retardation + renal anomalies + hypogonadism + polydactyly, etc.

18 RETINITIS PIGMENTOSA Molecular genetics Over 200 loci involved in retinal diseases have been mapped. At least seventy of these loci are involved in the pathogenesis of RPs (both isolated and syndromic) Over 50 RP genes have been identified From RETnet,

19 Summary of genes involved in retinitis pigmentosa Scaricato da

20 MOLECULAR PATWAYS INVOLVED IN RP PATHOGENESIS: PHOTOTRANSDUCTION (1) PDE Transducin Rhodopsin

21 MOLECULAR PATWAYS INVOLVED IN RP PATHOGENESIS: the retinoid cycle Scaricato da

22 RETINITIS PIGMENTOSA All types of inheritance have been described in RP (autosomal dominant, autosomal recessive, X- linked and mitochondrial) BUT About fifty percent of RP cases are sporadic (new mutations,recessive inheritance, digenic inheritance)

23 .....

24 DIGENIC INHERITANCE HAS BEEN OBSERVED IN BARDET- BIEDLE SYNDROME

26 Mosaicismo Mosaicismo: condizione in cui in un individuo sono presenti due o piu linee cellulari geneticamente diverse derivate da un singolo zigote, ma diverse per una mutazione o per una non disgiunzione. Queste mutazioni possono avere luogo in epoca prenatale o postnatale.

27 Se la mutazione colpisce le cellule che daranno luogo ai gameti si otterra un mosaicismo germinale. Scaricato da

28 Mosaicismo Mosaicismo germinale: nella linea germinale possono essere presenti due o piu linee cellulari derivate da un singolo zigote che differiscono per la presenza di una mutazione somatica o una non-disgiunzione. Chiamato anche mosaicismo gonadico Durante le prime fase dello sviluppo embrionale di un genitore e possibile ipotizzare che sia avvenuta una mutazione in una cellula o in un precursore della linea germinale che poi e persistito in tutti i discendenti del clone di quella cellula e successivamente hanno formato una porzione di gameti. Implicazioni per il counseling genetico Scaricato da

29 Esempio di mosaicismo germinale Famiglia con osteogenesi imperfetta (autosomica dominante). Alleli normali: 153 e 63 bp. Allele affetto: 72 bp. Il padre non ha la mutazione nelle cellule del sangue ma ha due figli affetti che hanno l allele mutato. L analisi dello sperma del padre (FSp) rivela la presenza della mutazione.

31 MALATTIE AD INSORGENZA TARDIVA Un caso particolarmente importante di penetranza ridotta è rappresentato dalle malattie ad insorgenza tardiva. Le malattie genetiche non necessariamente devono essere congenite. Quelle congenite sono quelle che si presentano alla nascita. In alcune malattie, sebbene l alterazione genetica sia presente fin dalla nascita, il quadro clinico può manifestarsi nell età adulta. Il ritardo nell insorgenza può essere dovuto a: lento accumulo di sostanze nocive morte rallentata di certi tessuti incapacità di riparare certe forme di danno ambientale geni oncosoppressori cause sconosciute

32 Come apparira un albero di malattia ad insorgenza tardiva?

33 Casi in cui in una malattia trasmessa con modalita dominante un affetto ha entrambi i genitori sani Mutazione de novo Penetranza incompleta Mosaicismo germinale Errata attribuzione di paternita (5-10%) Scaricato da

34 Alcune classi particolari di malattie genetiche Malattie Mitocondriali Malattie da triplette (X-fragile, SCA). Concetto di premutazione ed anticipazione Imprinting (sindrome di Prader-Willi e sindrome di Angelman) Scaricato da

35 Organizzazione del Genoma Umano 1) Genoma nucleare = Mb, geni 2) Genoma mitocondriale = 16.6 kb, 37 geni

36 GENOMA MITOCONDRIALE bp - 37 geni (13 codificano per proteine che rappresentano subunità di enzimi coinvolti nella catena respiratoria; 22 per RNA transfer; 2 per RNA ribosomiale) - Codice genetico leggermente diverso da quello nucleare (AGA e AGG sono STOP)

37 Le proteine mitocondriali Le proteine mitocondriali sono prodotte da geni mitocondriali e geni nucleari

38 CARATTERISTICHE del DNA mitocondriale POLIPLASMIA ETEROPLASMIA EFFETTO SOGLIA SEGREGAZIONE MITOTICA EREDITÀ MATERNA

39 POLIPLASMIA In ogni cellula sono presenti molti mitocondri (da 2 a 100) ed ogni mitocondrio contiene multiple copie del suo genoma (eccetto piastrine e ovulo non fertilizzato) migliaia di copie mtdna / cellula. Durante la divisione cellulare i mitocondri vengono distribuiti casualmente alle cellule figlie ETEROPLASMIA In tessuti normali tutte le copie di mtdna sono identiche. Nel caso di una mutazione del mtdna questa può colpire tutte le copie omoplasmia oppure essere presente solo in una percentuale di genomi eteroplasmia.

40 EFFETTO SOGLIA L espressione clinica delle mutazioni del mtdna è determinata dalla relativa proporzione wild type/mutato in un determinato tessuto; è necessario un numero minimo di copie per danneggiare il metabolismo energetico di un determinato organo o tessuto (valore relativo e non assoluto) (SNC, cuore, muscolo, rene e ghiandole esocrine) (bilancio energetico). SEGREGAZIONE MITOTICA Durante la divisione cellulare la proporzione di genomi mutati può variare per deriva nelle cellule figlie, con conseguente cambiamento fenotipico. EREDITÀ MATERNA Virtualmente tutti i mitocondri dello zigote derivano dall oocita e perciò la modalità di trasmissione delle mutazioni mt differisce dalla trasmissione mendeliana classica: madre portatrice trasmissione a tutta la progenie, ma solo le figlie femmine possono trasmettere la mutazione ai loro figli (eredita matrilineare). Eteroplasmia + effetto dose eccezioni fenotipiche all eredità matrilineare.

41 MALATTIE MITOCONDRIALI - Frequenza 6-7/ nati - Malattie da mutazioni di geni del genoma mitocondriale Mutazioni puntiformi, delezioni o duplicazioni - Malattie da mutazioni di geni del genoma nucleare che codificano per proteine che vengono trasportate nel mitocondrio (proteine strutturali, proteine deputate all importazione o alla comunicazione tra i due genomi) - Poiche la funzione mitocondriale e necessaria a quasi tutte le cellule e poiche l espressione fenotipica di una mutazione nell mtdna dipende dalla proporzione relativa di mtdna normale e mutante nelle cellule che formano i tessuti, la ridotta penetranza l espressivita variabile e la pleiotropia sono caratteristiche tipiche di un albero genealogico di un disordine mitocondriale

42 Malattie mitocondriali (da mutazioni nel genoma mitocondriale L eredita e matrilineare e nessun maschio affetto trasmette la malattia alla sua progenie mentre la femmina affetta trasmette la malattia a tutti i figli senza distinzione di sesso.

43 EXAMPLES OF MITOCHONDRIAL DISORDERS Scaricato da

44 Neuropatia Ottica Ereditaria di Leber (LHON) Perdita acuta o subacuta della visione senza dolore, acc. Da scotoma centrale, per atrofia ottica nel giovane adulto - teleangectasia peripapillare nel pz presintomatico. NUCLEOTIDE GENE FREQUENZA ND % ND 1 15% ND 6 10% Sono geni del complesso 1 della catena respiratoria = NADH - coenzima Q ossido reduttasi

45 Alcune classi particolari di malattie genetiche Malattie Mitocondriali Malattie da triplette (X-fragile, SCA, Corea di Huntington). Concetto di premutazione ed anticipazione Imprinting (sindrome di Prader-Willi e sindrome di Angelman)

46 Genetica mendeliana classica: Le mutazioni sono stabili e vengono trasmesse invariate da una generazione all altra. ECCEZIONE: Mutazioni instabili dovute ad espansione di DNA ripetuto

47 Triplette trinucleotidiche in tandem sono abbastanza comuni nel nostro genoma Ci sono 10 possibili triplette: AAC/GTT AAG/CTT ACT/AGT AGG/CCT AAT/ATT ACT/GAT ACC/GGT CAG/CTG ACG/ CGT CCG/CGG Alcune triplette CAG/CTG e CCG/GGC mostrano un comportamento anomalo: al di sopra di una certa soglia diventano estremamente instabili in mitosi e meiosi

48 MUTAZIONI DA DNA INSTABILE..CGGCGGCGG..!.. CGGCGGCGGCGGCGGCGGCGGCGG..!..CAGCAGCAG..!.. CAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAG..! AMPLIFICAZIONE DI TRIPLETTE DI DNA CHE AVVIENE DI GENERAZIONE IN GENERAZIONE NUOVO MECCANISMO DI MUTAZIONE E DI TRASMISSIONE GENETICA

49 MECCANISMO" Scaricato da

50 Ci dovremmo aspettare sia espansioni che riduzioni di triplette." " " C e una tendenza all espansione!" Scaricato da

51 Genetica delle malattie da triplette: Concetto di premutazione Instabilita somatica e germinale Anticipazione

52 Concetto di Premutazione Ripetute al limite superiore del normale, che di per se non causano la malattia, ma possono espandersi e diventare patogenetiche nella generazione successiva ~500 >200 >200

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54 Instabilita genetica normal: 5-37 premutation: (minimal transition threshold: 35) very late onset: adult onset: few - several hundreds congenital disease: greater than approx. 1000

55 Generic Pedigree of a Dominantly Inherited Disease due to CAG Repeat Instability

56 SCA1 INSTABILITA GERMINALE S. CHONG et al Scaricato da

57 " Origine parentale della tripletta può " essere importante:" La trasmissione paterna ha un rischio aumentato di espansione nel caso delle malattie da poliglutamine (CAG codifica per glutamina): i casi piu gravi sono ereditati dal padre. Le grandi espansioni di triplette alla base della distrofia miotonica e della sindrome dell X fragile non vengono in genere trasmesse dal padre affetto: c è probabilmente una selezione a livello spermatico. Es. nella distrofia miotonica, madri lievemente affette possono avere figli con una gravissima forma di miopatia congenita" Scaricato da

58 Anticipazione = peggioramento della malattia da una generazione alla successiva Esempio della distrofia miotonica: I I 1 = caratatta, a 50 anni insorge il il difetto muscolare II III II 2 = debolezza muscolare insorta nell adolescenza, cataratta, cardiomiopatia III 1 = neonato affetto da miotonia congenita ( insufficienza respiratoria ipotonia ecc.)

59 Zoghbi & Orr 1995 Relationship between the age of onset and the number of CAG repeats on the expanded alleles of individuals affected with SCA1.

60 Qual e il meccanismo con cui l espansione da triplette causa la malattia?" 1. Perdita di funzione 2. Acquisizione di una nuova funzione" Posizione della tripletta nel gene

61 Due tipi principali di malattie da triplette " 1. Triplette in regioni codificanti (malattie di tipo I). 2. Triplette in regioni non codificanti (malattie di tipo II)."

62 La tripletta espansa si trova nella regione codificante. Malattie di tipo I HD SCA1 DRPLA MJD 121 Affected Normal DRF 5 UTR Normal 3 UTR Affected SCA2 SBMA SCA6 Alleli normali tra 10-30, alleli espansi tra Il tratto poliglutaminico conferisce una nuova, patologica funzione alla proteina Scaricato da

63 Type I Trinucleotide Disease REDDY & HOUSMAN 1997 Scaricato da

64 STORIA George Huntington medico americano; nel 1872 a 22 anni, descrisse il ballo di San Vito if by chance these children go through life without it, the thread is broken and the children and grand-children of the original shakers may rest assured that they are free from the disease George Huntington Scaricato da

65 Corea di Huntington" " Malattia neurologica devastante dovuta alla degenerazione dei neuroni del corpo striato Autosomica dominante Eta di insorgenza intorno ai 40 anni Sintomi iniziali irritabilita, depressione; progredisce con gravi disturbi del movimento (corea) e demenza" "

66 COREA DI HUNTINGTON Autosomica dominante Anticipazione Origine paterna delle forme piu gravi Scaricato da

67 Numero CAG <28 Normale, non a rischio Normale, ma la generazione successiva e a rischio Alcuni sviluppano la malattia, la generazione successiva e a rischio >40 Sviluppano la malattia

68 Huntingtin" " " Espressa in tutti i neuroni" Q" Funzione normale: "regolazione della trascrizione" " " " "protezione dalla apoptosi" " Espansione poliglutamine: acquisizione di una nuova funzione tossica per la cellula, tendenza a formare aggregati nucleari"

69 FORMAZIONE DI AGGREGATI INTRANUCLEARI" Scaricato da

70 Caratteristiche comuni delle malattie da poliglutamine: Progressivo fenotipo neurologico dovuto a perdita di neuroni Sono tutte caratterizzate da un acquisizione di funzione della proteina dovuta al tratto poliglutaminico Espressione ubiquitaria, ma fenotipo selettivo Il contesto proteico media la selettiva vulnerabilita neuronale

71 La tripletta si trova in regioni non codificanti. Malattie di tipo II FRAXA FA MD Full mutation Pre/protomutation Normal 1997 Current Opinion in Cell Biology Exon Exon Exon Intron Intron 5 UTR 3 UTR Alleli normali tra 5-50 ripetute, alleli espansi hanno centinaia, o migliaia di copie. La ripetuta inibisce l espressione del gene, causando una perdita di funzione della proteina

72 Type II Trinucleotide Disease REDDY & HOUSMAN 1997

73 SINDROME DELL X FRAGILE E una delle forme piu comuni di ritardo mentale ereditario, e rappresenta il 15-20% dei ritardi mentali legati all X. Incidenza: 1/4000 maschi; 1/8000 femmine Si trasmette come tratto legato all X recessivo con penetranza ridotta (80% nei maschi, 30% nelle femmine)

74 Fragile X Cromosome Quando i linfociti in coltura vengono privati di folato si evidenziano i siti fragili

75 QUADRO CLINICO Ritardo mentale" Facies anormale con mandibola prominente e grosse orecchie" Macroorchidismo" Anomalie comportamentali (iperattivita autismo) nei maschi" Scaricato da

76 Fragile X Syndrome Scaricato da

77 Fragile X Syndrome Scaricato da

78 20-50 (CGGCGGCGGCGG) 5 ATG STOP 3 Gene FMR1 normale (CGGCGGCGGCGGCGGCGGCGG) 5 ATG STOP 3 Gene FMR1 premutazione (CGGCGGCGGCGGCGGCGGCGG) 5 ATG STOP 3 Gene FMR1 pazienti

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80 FMR1 FMR1 codifica per una proteina con un possibile ruolo nel trasportare mrna dal nucleo alla macchina traduzionale Piu del 99% delle mutazioni in FMR1 sono dovute all espansione di una sequenza ripetuta CGG nel 5 non codificante del gene

81 Quando il numero di triplette supera la soglia di 230 l estremita 5 del gene FMR1 diventa ipermetilata e si blocca la trascrizione Scaricato da

82 Cause di variabilita fenotipica Dimensione della ripetuta CGG (premutazione/ mutazione) Metilazione Mosaicismo somatico (instabilita della ripetuta): un maschio con mosaicismo somatico avra generalmente un ritardo mentale piu lieve rispetto ad un individuo con la stessa espansione in tutte le cellule.

83 X FRAGILE: LA genetica rivisitata Legata all X Necessaria una mutazione in due step (premutazione e mutazione vera e propria) per l espressione della malattia Alto rischio di trasformazione dalla premutazione alla mutazione nella linea germinale femminile Possibile trasmissione da parte di maschi normali: attraverso le figlie portatrici sani ai loro nipoti

84 La tendenza all espansione della CGG si verifica solo quando la premutazione e trasmessa dalla madre Scaricato da

85 Quando la premutazione e trasmessa dal padre rimane stabile quindi le figlie femmine ricevono la premutazione senza che ci sia espansione ed i figli maschi ricevono l Y e non sono a rischio di ereditare la premutazione Scaricato da

86 Malattie da espansioni di polialanine in regioni codificanti: un caso un po a parte. Alleli normali tra 10-20, alleli espansi tra Al contrario delle altre mutazioni viste finora, le espansioni da polialanine sono stabili in cellule somatiche e germinali e trasmesse stabilmente alla progenie. Il tratto polialaninico espanso puo conferire una nuova, patologica funzione alla proteina o determinare una sua parziale perdita di funzione. Sono in genere riscontrate, con un unica eccezione (PABPN1) in fattori di trascrizione con ruoli importanti in processi fondamentali dello sviluppo.