Corso di Genetica Umana e Medica

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1 Corso di Genetica Umana e Medica Alberto Auricchio Andrea Ballabio Sergio Cocozza Brunella Franco (Coordinatore) Achille Iolascon Lucio Nitsch brunella.franco@unina.it;

2 Modalita ESAMI Quiz con risposte multiple Proposta di voto Propedeuticita Integrazioni

3 Testi consigliati CUMMINGS EREDITÀ, II Edizione EdiSES Thompson & Thompson Genetica in Medicina Testi Utili per la consultazione Neri - Genetica Umana e Medica Masson Strachan & read, Genetica Molecolare Umana, UTET Russell, igenetica, EDISES Materiale da consultazione disponibile in rete presso: include Introduction to Genetic Analysis. 7th ed., Griffiths, et al. Genomes Brown, T.A. New York and London: Garland Science ; c2002 Reviews aggiornate su malattie specifiche possono essere reperite a GeneReviews: id=23322&key=aei6smdenzfcz&gry=insertgry&fcn=y&fw= OtTI&filename=/profiles/all.html OMIM - Online Mendelian Inheritance in Man

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5 GENETICA E LA SCIENZA CHE STUDIA: La variabilità biologica degli organismi viventi La trasmissione dei caratteri da un organismo ad un altro o da una cellula ad un altra Il ruolo del genoma (patrimonio genetico), ed in particolare dei geni, nei processi fondamentali della vita (morfogenesi, sviluppo, metabolismo etc..)

6 EVOLUZIONE DELLA GENETICA UMANA - Ereditarietà e variabilità - Geni malattia e mutazioni - Funzione genica e patogenesi della malattia - Genomica - Terapia Genica

7 TAPPE IMPORTANTI DELLA GENETICA (1) 1859 DARWIN Natura ereditaria della variabilità delle specie 1865 MENDEL Leggi che regolano la trasmissione dei caratteri 1902 GARROD Primo esempio umano di ereditarietà mendeliana 1941 BEADLE e TATUM Un gene - un enzima 1953 WATSON e CRICK Struttura del DNA

8 TAPPE IMPORTANTI DELLA GENETICA (2) Anni 50 Anni 70 Anni 80 Anni 90 Tecniche per lo studio dei cromosomi Tecniche per l analisi e la manipolazione del DNA Identificazione di geni umani coinvolti in malattie ereditarie Progetto Genoma Umano

9 LE AREE DELLA GENETICA IN MEDICINA Genetica umana Genetica medica Medicina molecolare studio della variabilità biologica dell'uomo studio della variabilità biologica in relazione alla malattia o stato di salute dell'individuo si occupa della diagnostica e della comprensione dei meccanismi della suscettibilità genetica delle malattie

10 LE AREE DELLA GENETICA IN MEDICINA Genetica clinica frutto dell applicazione delle capacità diagnostiche e terapeutiche che nascono dalla Genetica Medica Genetica biochimica Citogenetica Genetica molecolare - Genetica di Popolazione - Genetica dello Svilluppo - Genetica delle Cellule Somatiche

11 DEFINIZIONI (1) - Malattia Congenita - Familiarità - Caso sporadico - Malattia a Carattere Ereditario - Genotipo Costituzione genetica di un individuo o piu specificatamente gli alleli presenti ad ogni particolare locus - Fenotipo Manifestazione fisica di un carattere genetico, che dipende da fenotipo specifico e dalla sua interazione con l ambiente

12 DEFINIZIONI (2) - Cellule Germinali - Cellule Somatiche - Genoma, Cromosoma, Gene - Mutazione e Polimorfismo

13 CLASSIFICAZIONE DELLE MALATTIE GENETICHE - Malattie Monogeniche (Mendeliane) A.D., A.R., X-L. - Malattie Cromosomiche (Anomalie di numero e di struttura) - Malattie Multifattoriali (o Poligeniche) - Malattie da Mutazioni delle Cellule Somatiche - Malattie da Mutazioni nel Genoma Mitocondriale

14 MALATTIE MONOGENICHE (MENDELIANE) - Dovute alla mutazione in un singolo gene - Rare (se prese individualmente) - Alto rischio di ricorrenza familiare - Pattern di ereditarietà (modalità di trasmissione) facilmente riconoscibile - ~ 7000 entità riconosciute - ~ 3000 con difetto biochimico conosciuto - Diagnosi molecolare e prenatale disponibile per molte

15 ESEMPI DI MALATTIE MONOGENICHE - Talassemia - Emofilia A - Fibrosi Cistica - Distrofia Muscolare Duchenne - Deficit di G6PD (Favismo) - Fenilchetonuria - Neurofibromatosi - Anemia a Cellule Falciformi

16 MALATTIE CROMOSOMICHE - Dovute alla deficienza od all eccesso di interi cromosomi o frammenti di cromosoma (non un singolo gene ma molti geni) - Rare (trisomia 21 frequente) se prese individualmente ma frequenti come gruppo - Rischio di ricorrenza familiare molto variabile, secondo il tipo (da 1:2 a 1:1000) - Sintomi frequenti : ritardo mentale, bassa statura, segni dismorfici - Frequente causa di aborto - Frequenza: ~ 7/1000 neonati

17 ESEMPI DI MALATTIE CROMOSOMICHE - Sindrome di Down (Trisomia 21) (Frequenza: ~ 1:800) - Trisomia 18 (Frequenza ~ 1:8000) - Trisomia 13 (Frequenza ~ 1:25000) - Sindrome di Klinefelter XXY (Frequenza: ~1:1000 maschi) - Sindrome di Turner XO (Frequenza: ~ 1:5000 femmine)

18 MALATTIE MULTIFATTORIALI - Dovute al coinvolgimento di più geni (Poligeniche) - Molto frequenti - Comprendono vari tipi di malformazioni congenite e malattie frequenti dell adulto - Modalità di trasmissione difficilmente riconoscibile - Interazione con l ambiente - Basi molecolari e meccanismo patogenetico ancora poco noti - Predisposizione a sviluppare determinate patologie

19 ESEMPI DI MALATTIE MULTIFATTORIALI - Diabete Mellito - Ipertensione - Labbro Leporino - Malattia Coronarica

20 MALATTIE GENETICHE DA DIFETTO DELLE CELLULE SOMATICHE - Colpiscono di solito un unico tipo cellulare - Sono dovute in molti casi a una mutazione ereditata attraverso le cellule germinali (predisposizione) + una mutazione nelle cellule somatiche ( second hit ) ESEMPI : - Vari tipi di cancro

21 MALATTIE MITOCONDRIALI - Sono dovute a mutazioni del genoma mitocondriale - Sono trasmesse esclusivamente per via materna ESEMPI : - Atrofia Ottica di Leber - Epilessia Mioclonica

22 RUOLO DELLA GENETICA IN MEDICINA (1) DIAGNOSI : - Prenatale - Postnatale (Pre- o Post-sintomatica) - Di predisposizione - Screening di popolazione PREVENZIONE : - Consulenza genetica - Interruzione di gravidanza - Prevenzione dei sintomi

23 RUOLO DELLA GENETICA IN MEDICINA (2) TERAPIA : - Terapia farmacologica - Terapia genica ALTRI : - Produzione di farmaci mediante tecniche di DNA ricombinante - Identificazione di agenti infettivi - etc...

24 ASPETTI ETICI E SOCIALI L informazione genetica è: personale potente potenzialmente predittiva legata alla famiglia causa di pregiudizi

25 DOMANDE - Quali malattie si definiscono genetiche? - Qual é l interazione tra componente genetica ed ambiente? - Quando si deve sospettare una malattia genetica? - Chi deve porre il sospetto clinico di malattia genetica?

26 TAPPE IMPORTANTI DELLA GENETICA (1) 1859 DARWIN Natura ereditaria della variabilità delle specie 1865 MENDEL Leggi che regolano la trasmissione dei caratteri 1902 GARROD Primo esempio umano di ereditarietà mendeliana 1941 BEADLE e TATUM Un gene - un enzima 1953 WATSON e CRICK Struttura del DNA

27 GREGOR MENDEL 1860

28 ( ) era un monaco austriaco che nel suo tempo libero iniziò a coltivare ed incrociare le sue piante di piselli nel giardino del monastero

29 Mendel affrontò questo suo hobby non da giardiniere ma con la curiosità dello scienziato ed inizio a studiare le sue piante di piselli con la massima attenzione

30 La scelta dei piselli si rivelò fortunata. Infatti queste piante sono molto adatte ad una ricerca nel campo della genetica ed inoltre hanno molte caratteristiche che possono essere utilizzate per la generazione degli ibridi In particolare c è una varietà alta ed una varietà bassa Esistono piselli lisci e piselli rugosi Alcuni baccelli sono arrotondati mentre altri sono ondulati Esistono piselli verdi e gialli; i fiori dei piselli possono essere bianchi o violaceo. Ci sono differenze nel colore dei baccelli acerbi nella posizione dei fiori etc

31 Ciascun fiore di pisello ha entrambi gli organi Femminili (uova) e Maschili (polline-spermatozoo), e quindi i piselli sono in grado di effettuare un autoimpollinazione e quindi di autofertilizzarsi

32 Come Mendel ottenne gli ibridi Mendel eliminò quando erano ancora immaturi gli organi sessuali per impedire l autoimpollinazione Ha poi spolverato sul pistillo il polline ottenuto dal padre desiderato Infine coprì i fiori per evitare che fossero contaminati da polline estraneo In questo modo Mendel riuscì a controllare la trasmissione dei caratteri nelle varie generazioni

33 Il primo risultato importante di Mendel fù la scoperta della dominanza. Cosa succede quando una pianta alta viene incrociata con una bassa? Ci si potrebbe aspettare una pianta di medie dimensioni ed invece.. Infatti tutti gli ibridi erano alti

34 Mendel espresse il concetto che l altezza era dominante sulla bassa statura (nei piselli!!). Il tratto della bassa statura fu quindi definito recessivo. In tutti gli esperimenti di Mendel un tratto fu trovato dominante su un altro definito come recessivo I semi tondi erano dominanti su quelli rugosi, i baccelli arrotondati su quelli ondulati il colore verde su quello giallo etc etc etc..

35 I LEGGE DI MENDEL Principo dell uniformità della prima generazione ibrida Dall incrocio tra individui che differiscono per un carattere, appartenenti a linee pure, si ottiene una prima generazione filiale (F 1 ) costituita da individui tutti uguali fra loro, che manifestano il carattere di uno dei due genitori.

36 Non importava quale genitore avesse contribuito il polline e quale l uovo il risultato di una fusione (ibrido) tra una pianta alta ed una bassa era sempre una pianta alta La parte più interessante inzia quando si cominciano ad incrociare gli ibridi

37 Quando gli ibridi vengono sottoposti all autoimpollinazione, circa 1/4 delle piante che nascono sono corte Il tratto recessivo è riapparso

38 Continuando con gli esperimenti di autoimpollinazione con gli ibridi Mendel scoprì che all incirca una pianta alta su tre generava solo piante alte mentre le altre davano piante alte e piante basse nel rapporto di 3:1

39 L interpretazione di Mendel E matematico Matematico!!!!!!!!!! C è qualcosa nel polline e nelle uova che determina l altezza delle piante di pisello. Questo qualcosa lo possiamo chiamare GENE Ciascun grano di polline e ciascun uovo hanno un gene responsabile per l altezza. Quindi essendo la pianta formata dall unione di polline ed uovo ne avrà due uno derivante dal polline ed uno derivante dall uovo

40 Ogni gene (ad esempio quello della statura) può quindi essere rappresentato da due tipologie diverse denominate Alleli Un allele A (grande) è responsabile per l alta Statura, l altro allele a (piccolo) è responsabile per la bassa staura

41 Una pianta può avere gli stessi alleli oppure alleli diversi L allele A è DOMINANTE sull allele a. Questo significa che una pianta con la combinazione Aa è alta. Gli alleli non si fondono

42 Cosa succede quando AA s incrocia con AA? Polline ed uovo danno ciascun una copia del gene, in questo caso gli alleli sono uguali -A- quindi l individuo che deriva dall incrocia sarà AA e quindi alto. Allo stesso modo l incrocio aa potrà generare solo aa. AA ed aa costituiscono le varietà stabili per l alta e per la bassa statura

43 Il primo ibrido di Mendel fù un incrocio tra AA e aa: il polline (oppure uovo) di AA contiene solo l allele A mentre il polline (oppure uovo) di aa contiene solo l allele a. Il risultato di quest incrocio è costituito da Aa che ha un fenotipo caratterizzato da alta statura.

44 Quando l ibrido va incontro ad autoimpollinazione i suoi alleli A ed a vengono distribuiti in maniera casuale tra i grani di polline e le uova. Entrambi A ed a vengono distribuiti in proporzioni pressocchè uguali

45 Quando uova ed polline si uniscono ci sono quattro possibilità Polline basso Uova basse Polline alto Uova basse Polline basso Uova alte Polline alto Uova alte Le diverse possibilità sono riassunte in questo rombo. Tutte le possibili generazioni sono rappresentate nei riquadri piccoli Quadrato di Punnet

46 Ecco indicate le generazioni successive degli ibridi come vennero osservate da Mendel. La prima generazione è in accordo con quanto previsto e descritto nel rombo 1/4 alte (AA) 1/2 alte (Aa) 1/4 basse (aa)

47 1/4 alte (AA) (se incrociate danno alte) 1/2 alte che possono se incrociate dare basse (Aa) 1/4 basse (se incrociate danno basse)

48 I LEGGE DI MENDEL Principo dell uniformità della prima generazione ibrida Dall incrocio tra individui che differiscono per un carattere, appartenenti a linee pure, si ottiene una prima generazione filiale (F 1 ) costituita da individui tutti uguali fra loro, che manifestano il carattere di uno dei due genitori. II LEGGE DI MENDEL Principio della segregazione I caratteri allelomorfi sono controllati da coppie di fattori che segregano l uno dall altro durante la formazione dei gameti e passano, separati, in gameti diversi; di conseguenza alla F 2 anche i caratteri controllati da questi fattori segregano e si manifestano in rapporti numerici definiti e costanti.

49 Mendel incrociò anche piselli dalla buccia liscia con piselli dalla buccia rugosa, fiori bianchi e fiori violacei etc etc. In tutti gli esperimenti riscontrò che le diverse caratteristiche erano controllate da un singolo gene con due diversi alleli dei quali uno era dominante sull altro e per tutti gli incroci osservo gli stessi rapporti numerici

50 Mendel arrivò quindi alla conclusione che i grani di polline e uova sono pieni di queste piccole cose (geni) e che in realtà le piante ne possiedono uno per ogni tratto ereditario dell organismo

51 Quindi senza averne mai visto uno Mendel concluse che l ereditarietà è controllata da questi atomi d ereditarietà che non si rompono mai e non si amalgamano mantenendo i loro caratteri immutati di generazione in generazione

52 Infine Mendel incrociò piante che differivano solo per due caratteristiche - ad esempio una pianta alta con grani lisci - ed una bassa con grani rugosi. La domanda era l altezza e la superficie dei grani (lisci o rugosi) sono caratteristiche correlate oppure agiscono in Maniera indipendente quando la pianta si riproduce? L allele per la superficie liscia è S quello per la superficie rugosa è s. L allele S è dominante, quindi

53 L incrocio è quindi tra AASS e aass

54 Per quello che riguarda l autoimpollinazione degli ibridi: Se la distribuzione dei geni per l altezza e la superficie dei grani di piselli avviene in maniera indipendente tutte le sequenti diverse possibilità saranno equalmente possibili

55 Alti, lisci Alti, rugosi Bassi, lisci Bassi, rugosi E questo è esattamente quello che Mendel osservò :un rapporto di 9:3:3:1. Questo esperimento ed altri con combinazioni differenti provarono il principio della distribuzione indipendente: Gli Alleli di un gene si distribuiscono indipendentemente dagli alleli di un altro gene (anche se ci sono eccezioni a questa regola).

56 I LEGGE DI MENDEL Principo dell uniformità della prima generazione ibrida Dall incrocio tra individui che differiscono per un carattere, appartenenti a linee pure, si ottiene una prima generazione filiale (F 1 ) costituita da individui tutti uguali fra loro, che manifestano il carattere di uno dei due genitori. II LEGGE DI MENDEL Principio della segregazione I caratteri allelomorfi sono controllati da coppie di fattori che segregano l uno dall altro durante la formazione dei gameti e passano, separati, in gameti diversi; di conseguenza alla F 2 anche i caratteri controllati da questi fattori segregano e si manifestano in rapporti numerici definiti e costanti. III LEGGE DI MENDEL Principio dell assortimento indipendente Quando si incrociano individui che differiscono per due coppie di alleli, che controllano due caratteri, ciascuna coppia viene ereditata indipendemente dall altra.

57 CONSEGUENZE GENETICHE DELLA MEIOSI 1 - Riduzione del numero dei cromosomi da diploide ad aploide, fase essenziale nella formazione dei gameti. 2 - Segregazione degli alleli, sia durante la prima divisione meiotica che durante la seconda, in base alla prima legge di Mendel. 3 - Rimescolamento del materiale genetico attraverso l assortimento casuale degli omologhi, in base alla seconda legge di Mendel. 4 - Ulteriore rimescolamento del materiale genetico attraverso crossing over, presumibilmente sviluppatosi come meccanismo per aumentare sostanzialmente la variazione genetica.

58 LOCUS: ALLELI: APLOTIPO: Posizione specifica su un cromosoma (spesso riferito ad un gene) - Forme alternative di un locus - Ogni individuo ha un allele materno ed uno paterno per ciascun locus (fatta ecezione per i loci sul cromosoma X e Y nei maschi Successione di alleli di loci vicini su un cromosoma POLIMORFISMO: OMOZIGOTE: Variabilità allelica presente in più dell 1% della popolazione Individuo con alleli identici di un locus specifico ETEROZIGOTE: Individuo con alleli diversi di un locus specifico

59 DOMINANTE: Carattere genetico che si manifesta nel fenotipo anche allo stato di eterozigote RECESSIVO: Carattere genetico che si manifesta nel fenotipo solo allo stato di omozigote DOPPIO ETEROZIGOTE: Individuo eterozigote per due distinti loci (4 alleli) ETEROZIGOTE COMPOSTO: Individuo che porta due mutazioni (rare) diverse allo stesso locus