Alberi genealogici e loro complicazioni (Prima parte dell individuazione dei loci responsabili di patologie genetiche in uomo) Prof.

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1 Alberi genealogici e loro complicazioni (Prima parte dell individuazione dei loci responsabili di patologie genetiche in uomo)

2 ATTENZIONE ricordate e tenete presente che lo studio della genetica umana si articola su due linee: Ricerca: individuare i geni che controllano le nostre funzioni, capirne l ereditarieta, studiare la nostra evoluzione. Per questi aspetti l uomo e un organismo come gli altri con qualche difficolta in piu per l impossibilita di fare incroci predeterminati e mutagenesi. Inoltre l uomo di solito ha poca progenie.

3 ATTENZIONE Diagnostica: i risultati della ricerca possono portare alla diagnostica e alla prevenzione delle patologie ereditarie. Ne consegue che se devo studiare un carattere nuovo il modo di procedere e diverso da quando devo fare consulenza genetica: se sto ricercando devo procedere verso l ignoto e scegliero le strategie di volta in volta diverse perche collegate all informazioni che ho al momento di partire. se sto facendo consulenza parto da informazioni sul carattere gia note e devo concentrami su una particolare famiglia e adottare gli strumenti piu utili per quella famiglia

4 ATTENZIONE Cominceremo dall aspetto di ricerca e prenderemo ad esempio di studio alcuni fenotipi patologici per capire come si ragiona quando si vuole studiare una funzione. Quindi cominciamo a richiamare alcune nozioni di base sulle modalita di trasmissione e come si studiano gli alberi genealogici che sono la versione umana degli incroci studiati a Genetica di base.

5 I Autosomica dominante Una persona che manifesta il carattere ha almeno un genitore con lo stesso fenotipo Aa aa II aa Aa aa Aa aa III aa Entrambi i sessi presentano il carattere E trasmessa da entrambi i sessi Aa Aa aa Aa Aa Il figlio di chi manifesta il carattere ha il 50% di probabilita di ereditare l allele e di manifestare il fenotipo Assumendo che il genitore sia eterozigote il che di solito e vero per fenotipi rari aa

6 Autosomica recessiva Entrambi i sessi presentano il fenotipo Aumentata incidenza della consanguineita aa Aa A- Aa Aa aa????? A- A- A- Aa Aa Aa aa aa A- A-? aa aa A- aa Gli individui che presentano il fenotipo di solito sono figli di soggetti che non presentano il fenotipo Ciascun figlio successivo a quello che presenta il carattere ha il 25% di probabilita di mostrarlo (I legge di Mendel) INDIVIDUI CON UN FRATELLO O SORELLA CON IL CARATTERE HANNO 2/3 DI PROBABILITA DI ESSERE PORTATORI DELL ALLELE MUTATO.

7 X-linked recessiva Esprimono il carattere quasi esclusivamente i maschi? I genitori di solito non presentano il carattere soprattutto se e una patologia grave. Lo stato di portatrice della madre e certo se ha il padre o fratelli che manifestano (nel caso delle patologie gravi il padre non e mai affetto) X A X a? X a Y???? X a Y Le femmine possono manifestare il carattere: 1. se il padre lo manifesta il carattere e la madre eterozigote 2. se l inattivazione del cromosoma X non e casuale

8 X-linked dominante Entrambi i sessi presentano il carattere. Se e una patologia le femmine presentano un fenotipo meno grave dei maschi per effetto dell inattivazione I figli di una donna che manifesta hanno il 50% di essere affetti, indipendentemente dal sesso Un maschio che manifesta avra tutte le figlie che manifestano e tutti i figli maschi senza il carattere

9 Y -linked solo i maschi I maschi che manifestano hanno il padre con lo stesso fenotipo Tutti i figli maschi di un uomo che manifesta, manifesteranno il fenotipo NON SI CONOSCONO GENI-MALATTIA LEGATI AL CROMOSOMA Y

10 Elevata frequenza dell allele recessivo e un carattere dominante? OO AO AO AA OO AO AO OO AO AO AA AO OO AO OO OO

11 Concepiti maschi abortiti Dominante X linked

12 Eredita mitocondriale Figure 3.4. Pedigrees of mitochondrial diseases. (A) A typical pedigree pattern, showing mitochondriallydetermined hearing loss (family reported by Prezant et al., 1993). Sordita B) The atypical pattern of Leber's hereditary optic atrophy, which affects mainly males (family reported by Sweeney et al., 1992). Atrofia ottica ereditaria di Leber (LHON)

13 Eredita mitocondriale Eredita matrilineare: - interessa entrambi i sessi; - trasmesse da madri affette Eteroplasmia ed omoplasmia

14 Nuova mutazione Qual e il modello piu probabile di ereditarieta? mutazione DOMINANTE

15 Ancora complicazioni SPESSO LA MALATTIA SI PRESENTA IN FORMA SPORADICA aa aa aa NUOVA MUTAZIONE: nessuno dei genitori porta la mutazione; essa si verifica in uno dei gameti che da origine all individuo affetto. Questo sembra essere il caso di forme gravi di OI, che non sono generalmente compatibili con la riproduzione. Aa In questo caso il rischio di avere un altro figlio affetto e praticamente nullo a meno che non si tratti di MOSAICISMO

16 CSp=Controllo sperma PSp=Paziente sperma Mosaicismo germinale N OI CSp PSp 225 nt 72 nt 63 nt PCR coni geni per COL1A1 la mutazione e presente nelle cellule germinali del padre

17 Mosaicismo MOSAICISMO SOMATICO O DELLA LINEA GERMINALE: un individuo presenta alcune cellule mutate e altre no. Se le cellule mutate sono in prevalenza rispetto a quelle wild-type si possono manifestare segni clinici della malattia. La mutazione e insorta durante lo sviluppo embrionale. Piu precocemente insorge maggiore e il numero di cellule mutate. E S I S T E U N R I S C H I O D I TRASMISSIONE DELLA MALATTIA. Anche se non quantizzabile. Questo sembra spiegare casi di famiglie con piu di un figlio affetto, ma genitori sani e non portatori della mutazione (se nota).

18 Mosaicismo germinale e chimerismo Mosaico Chimera Il chimerismo e un fenomeno piuttosto raro, diversamente dal mosaicismo

19 Eterogeneita genetica Questo concetto si applica alla popolazione ed e un indice della nostra ignoranza dei processi che portano all espressione del fenotipo non esiste corrispondenza 1:1 gene:fenotipo Eterogeneita di locus Il fenotipo e il risultato di una catena di interazioni: il risultato finale puo risultare simile anche quando i loci sono diversi. Eterogeneita allelica/serie allelica Fenotipi diversi possono essere originati da mutazioni in siti diversi dello stesso gene o da tipi diversi di mutazione a carico dello stesso gene.

20 Eterogeneita genetica di locus (geni diversi = fenotipo) Il fenotipo puo essere molto lontano dal gene e dal suo prodotto primario in quanto esso risulta dall interazione di prodotti genici. Il primo passo e definire le modalita di trasmissione: Uno stesso fenotipo puo mostrare tipi di ereditarieta diversa (questo immediatamente segnala la presenza di piu loci). Retinite pigmentosa 6 locus X-linked, ~20 locus autosomici trasmessi sia come caratteri recessivi che dominanti Alterazioni del collagene di tipo1: ci sono 2 loci dal momento che questo collagene e formato da un trimero: il fenotipo viene comunque identificato come Osteogenesi imperfetta

21 Fenotipi diversi possono essere originati da mutazioni in siti diversi dello stesso gene o da tipi diversi di mutazione. Eterogeneita allelica/serie allelica (un solo gene diversi fenotipi) AR (gene per il recettore per gli androgeni) : la mutazione puntiforme che provoca l inattivazione del gene origina la femminilizzazione testicolare. L espansione di triplette l atrofia muscolo-spino-bulbare Ret (recettore tirosi-chinasi): Mutazioni che provocano la perdita di funzione originano la sindrome di Hirschsprung (sindrome del megacolon). Mutazioni puntiformi che generano un aumento di funzione originano tumori familiari delle ghiandole endocrine MEN (tidoide e adrenali). Altre mutazioni portano entrambe PMP22: la duplicazione di una regione di 1.5 Mb provoca CMT1A,distrofia muscolare neurodegenerativa con ipomielinizzazione delle fibre nervose. La delezione dello stesso gene porta ad HNPP: sindrome neurologica con paralisi e ipermielinizzazione

22 Penetranza Nel caso dei caratteri mendeliani classici il fenotipo corrisponde esattamente al genotipo (compatibilmente con la dominanza e la recessivita ). Spesso pero a livello del singolo individuo questo puo non essere vero o immediamente evidente. Un carattere presenta penetranza pari al 100% quando tutti i portatori di un certo allele manifestano il fenotipo corrispondente: pisello verde o giallo, colore bianco, rosso, rosa o striato dei fiori, nanismo acondroplasico nell uomo, gruppo sanguigno. Un carattere presenta penetranza pari al 70% quando solo il 70% degli individui portatori dell allele manifestano il fenotipo.

23 Penetranza La penetranza e quindi un concetto che si riferisce alla popolazione. A livello del singolo individuo il carattere ha solo due possibilita : si manifesta o non si manifesta. E piu frequente nei caratteri dominanti ed e piu evidente nella genetica umana perche la genetica umana si applica ad una popolazione selvatica. Sapere che un gene puo non essere completamente penetrante, e critico per studiarne la genetica o fornire consulenza genetica: un certo soggetto che non manifesta il carattere puo essere portatore del gene. Maggiore difficolta in consulenza genetica!!!

24 Ancora complicazioni: Insorgenza tardiva penetranza correlata con l eta Non tutti i disordini genetici sono congeniti Molti sono congeniti e genetici... ma non tutti il fenotipo puo comparire in eta avanzata dal punto di vista genetico raramente questi fenotipi sono dovuti a nuove mutazioni a livello di popolazione l allele mutato puo essere frequente purche l insorgenza si verifichi dopo l inizio dell eta riproduttiva e non limiti la fitness FITNESS: IDONEITA BIOLOGICA = capacita di avere figli

25 Insorgenza tardiva Curve relative all eta di insorgenza della Corea di Huntigton. A. probabilita che un individuo che porta il gene responsabile della malattia ne abbia presentato i sintomi ad una certa eta. B. rischio che il figlio sano di un genitore affetto possegga il gene della malattia ad una data eta. MOLTE patologie mitocondriali sono ad insorgenza tardiva

26 Anticipazione E la tendenza di alcun condizioni dominanti ad espressivita variabile a diventare piu gravi con le generazioni successive MOTIVO? espansione di triplette: tipo di mutazione individuata nel 1990 Corea di Hunghinton, X fragile, Distrofia Miotonica premutazione: stato che aumenta il rischio di trasmettere il fenotipo patologico. Il rischio non e piu quantizzabile in termini probabilistici

27 Espansioni di triplette instabili:mutazioni dinamiche Mutazioni dovute all espansione di trinucleotidi localizzate nelle regioni codificanti o non-codificanti di alcuni geni, si originano per errori nella replicazione del DNA. Possono originare un sito fragile visibile citogeneticamente (sindrome del sito fragile del chrx = FRAX).

28 Espansioni di triplette instabili:mutazioni dinamiche Se si trova in una regione codificante il prodotto del gene presenterà n numero di residui amminoacidici corrispondenti alla tripletta superiori al prodotto dell allele selvatico. Di solito la tripletta coinvolta è CAG (acido glutammico). Se si trova in una regione non-codificante possono alterare l espressione del gene in cis. Distrofia miotonica: 3 UTR; atassia di Friedrich: introne1; X-fragile:5 UTR. In genere il numero di triplette associato allo stato di mutazione piena è più alto se l amplificazione colpisce regioni non tradotte, ma comunque importanti per la trascrizione o per il trascritto

29 Mutazione completa, range di mutazione Premutazione Normale CG G Schema di mutazioni dinamiche GAA GAA GAA GAA GAA GAA GAA GAA GAA CTG CTG CTG CTG CTG CTG CTG CTG 52 GAA CTG GAA 6 7 CTG GAA CTG 5 UTR esone introne esone introne esone 3 UTR X-fragile Atassia di Friedrich CTG Distrofia miotonica 3000 Mutazione completa, range di mutazione Premutazione Normale Esone ORF Corea di Huntington Atassia spinocerebellare 1 CAG CAG CAG CAG CAG 36 CAG 35 CAG CAG CAG

30 Sindrome della X-fragile

31 Analisi delle mutazioni da amplificazione di triplette Primer Normale 5-50 Premutazione Mutazione completa >200