18 Aprile 2013 LE MERAVIGLIE DELLA GENETICA NEGLI ANNI Un Seminario dedicato agli Allievi delle Classi IV dell Istituto Superiore Elsa Morante

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1 18 Aprile 2013 LE MERAVIGLIE DELLA GENETICA NEGLI ANNI 2000 Un Seminario dedicato agli Allievi delle Classi IV dell Istituto Superiore Elsa Morante Prof. Maria Luisa Giovannucci Uzielli Docente di Genetica e Medicina Molecolare Università degli Studi di Firenze Michelangelo Michelagnolo di Lodovico Buonarroti Simoni BACC0

2 Famiglia Alberti, Ramo Fiorentino, 1649

3 Un figlio nasce dalla unione del patrimonio genetico dei suoi genitori

4 LO SPERMATOZOO, L OOCITA Il miracolo della Vita

5 Il Miracolo della Vita

6 E LA VITA CONTINUA

7 La GENETICA, la Scienza dell Eredità, la Scienza della Vita Il patrimonio genetico del padre e della madre, sotto forma di cromosomi, viene trasmesso alla prole, e disegna le caratteristiche cliniche, staturoponderali, psichiche, comportamentali: nel suo insieme, disegna il fenotipo clinico del figlio Ma che cosa è esattamente il patrimonio genetico?

8 Il Patrimonio Genetico, ereditato dal padre e dalla madre, è costituito da una struttura chimica, contenuta in grandissima parte nei cromosomi del nucleo della cellula I cromosomi possono avere anomalie di numero e di struttura, responsabili di quadri clinici anomali, quasi sempre molto gravi

9 I Cromosomi rappresentano il patrimonio genetico di un individuo. Il loro studio, con tecniche diverse, permette di individuare errori trasmessi dai genitori, o de novo. METAFASE

10 Nella Specie Umana, tutte le cellule che contengono il patrimonio ereditario normale, per metà paterno e per metà materno, hanno 46 cromosomi nel nucleo. Spermatozoo ed ovulo hanno 23 cromosmi Il DNA e contenuto, arrotolato in una stretta matassa, nei cromosomi: ogni cellula contiene DUE METRI di DNA (Deoxyribo Nucleic Acid)

11 CARIOTIPO UMANO NORMALE 46,XX Femminile Bandeggio GAG Bande G

12 UNA SPLENDIDA BIMBA ANCHE DOWN UN FETO ANCHE DOWN. E EVIDENTE L IGROMA CISTICO DEL COLLO VILLOCENTESI AMNIOCENTESI

13 SINDROME DI DOWN Trisomia 21 libera, completa, omogenea,

14 Trisomia 21 libera e trisomia 21 con traslocazione

15 Trisomy 21

16 IL LINFOCITA, COME OGNI CELLULA HA 46 CROMOSOMI Si può studiare il Patrimonio Genetico a livello dei Cromosomi, con tecniche diverse Colture di linfociti a medio termine. Colture di villi coriali o amniociti. Si conoscono, oggi, moltissimi errori cromosomici, responsabili di malformazioni, o quadri clinici complessi. 47,XYY (invece che 46,XY) NON è un superrmaschio 47,XXX (invece che 46,XX) NON è una superfemmina

17 IL PATRIMONIO EREDITARIO DEL MASCHIO DELLA SPECIE UMANA, SOTTO FORMA DI CROMOSOMI, E 46,XY UN MASCHIO SU 1000 HA UN CARIOTIPO (CORREDO CROMOSOMICO) 47,XXY, OD ANCHE 48XXYY, E 49,XXXXY, 48,XXYY. E STERILE PUO ESSERE PER TUTTO IL RESTO NORMALE PUO AVERE ALTRI PROBLEMI, FISICI e PSICHICI

18 SINDROME DI TURNER Fenotipo clinico, femminile INCIDENZA: 1 su 1000 femmine nate vive IL CARIOTIPO PIU COMUNE: 45,X0 STERILITA, BASSA STATURA La Diagnosi Clinica, alla nascita, è talvolta facile, sulla base delle caratteristiche peculiari: sopratutto a livello, del viso, del collo, degli arti

19 TECNICHE DI ANALISI CITOGENETICO-MOLECOLARE FISH (Fluorescence In Situ Hybridization)

20 ANOMALIE CROMOSOMICHE DI STRUTTURA DELEZIONE 18p Tecnica FISH Fluorescence In Situ Hybridization

21 TRASLOCAZIONE BILANCIATA PATERNA t(1;18) La figlia ha delezione 18p

22 Ritardo globale di sviluppo, malformazioni, dismorfismi. Lo studio del Cariotipo ha rivelato un cromosoma 5 ad anello

23 Cromosoma Cromosoma 5 ad anello Questa alterazione, presente in tutte le metafasi analizzate, è stata determinata dalla rottura delle due estremità del cromosoma, e successiva saldatura delle nuove estremità, con perdita dei due frammenti distali conseguenti alla rottura.

24 Il MECCANISMO DI TRASMISSIONE DEL SINGOLO DISORDINE E UN DATO PREZIOSO PER LA CONSULENZA GENETICA Una Famiglia con un Disordine Genetico trasmesso come carattere Autosomico Dominante. Ogni soggetto affetto ha un rischio del 50% di trasmettere il Disordine alla propria prole

25 Trasmissione di tipo Autosomico Dominante Trasmissione di tipo X-linked Trasmissione di tipo Autosomico Recessivo PEDIGREE

26 Dai Cromosomi al DNA Agli inizi degli anni 50, la straordinaria SCOPERTA della intima struttura del Patrimonio Genetico, DeoxyriboNucleic Acid (DNA), custode di ogni informazione genetica, necessaria ed indispensabile per la Vita e la Salute dell Uomo, e di ogni Essere vivente

27 LA DOPPIA ELICA STRUTTURA MOLECOLARE DEGLI ACIDI NUCLEICI Una struttura per l Acido Desossiribo Nucleico Noi vogliamo suggerire una struttura per il sale dell Acido Desossiribo Nucleico (Deoxyribose Nucleic Acid D.N.A.). Questa struttura ha aspetti nuovi che sono di notevole interesse biologico. Questa struttura ha due catene ad elica, ciascuna arrotolata intorno allo stesso asse Nature April 25, 1953 (Anthony Barrington Brown s phptpgraph, 21 Maggio 1953 )

28 DEOXYRIBO NUCLEIC ACID Rosalind Franklin James Watson, Francis Crick

29 IL GENOMA UMANO GENI GENE: sequenza di DNA, che istruisce la cellula a produrre una particolare proteina. GENE: l Unita funzionale del GENOMA 2 metri di DNA per cellula diploide di paia di basi Il gioco perfetto di due coppie di basi, A-T C-G complementari

30 L ELICA DEL DNA ed i di paia di basi A C G T: le basi, struttura fondamentale del DNA

31 Leclerc de Buffon Histoire naturelle générale et particulière

32 NEUROFIBROMATOSI NF-1 CAFE AU LAIT SPOTS NF1 NF2 ALBRIGHT S. WATSON S. SILVER RUSSELL DWARFISM ATAXIA TELANGECTASIA TUBEROUS SCLEROSIS TURNER S. BLOOM S. LEOPARD S. WESTERHOF S.

33 Peutz-Jeghers syndrome GENE/GENE MAP Serine/Threonine kinase STK11 19p13.3

34 PEUTZ JEGHERS syndrome

35 ACRODERMATITIS ENTEROPATICA AR Gene SLC39A4 A disorder of zinc metabolism 8q24.3 Erosive diaper dermatitis, hair loss during the first months of life, diarrhea, erythema

36

37 La Diagnosi?

38 KABUKI MAKE UP SYNDROME Novembre 2003 E stata identificata una regione critica, che si presenta deleta o duplicata in 8p Sindrome da geni contigui? Ora conosciamo il gene-malattia Tecnica FISH

39 Williams syndrome

40 OGNI ESSERE VIVENTE HA IL PATRIMONIO GENETICO, CARATTERISTICO DELLA SUA SPECIE Il Panda, per esempio, ha 42 Cromosomi Alcune, altre, razze di orsi hanno fino a 74 Cromosomi

41 Cariotipo Costituzionale (Numero dei Cromosomi) in alcune Specie Animali Bovino 60 Elefante 56 Canguro 16 Topo 40 Cavallo 64 Pecora 54 Capra 60 Cane 78 Tigre 38 Mosca dell aceto (Drosophila Melanogaster) 8

42 Sempre un occhio alle sequenze conservate

43 OGNI SPECIE HA IL SUO PATRIMONIO GENETICO ASSOLUTAMENTE CARATTERISTICO, ED OGNI SPECIE PUO ESSERE STUDIATA ATTRAVERSO IL SUO DNA, RIVELANDONE LE CARATTERISTICHE DEL GENOMA, DELLE SEQUENZE CONSERVATE, DELLA EVOLUZIONE, DELLE SUE PERFORMANCE, DELLA SUA ESISTENZA TUTTA

44 Il DNA dei Primati è sovrapponibile a quello dell Uomo, per più del 98% L importanza delle sequenze conservate

45 IL DNA - da 10 ml di sangue intero si possono ricavare microgrammi di DNA - 10 nanogrammi di DNA sono utilizzati per una singola analisi Si mettono a punto tecniche capaci di analizzare in molti modi il DNA, di completarne la lettura, di scoprire struttura e funzione di Geni ed altre Sequenze, di rivelare correlazioni con Difetti Clinici spesso devastanti, ma anche di cercare legami con le caratteristiche dell Atleta, per esaltarle e perfezionarle. PER FARE UN CAMPIONE

46 LA TECNICA PCR (Polymerase Chain Reaction) HA RIVOLUZIONATO IL MONDO DELLA GENETICA Kary Mullis premio Nobel per la Chimica nel 1993 Quale sofisticata diavoleria riuscirò ad inventare stanotte per leggere la sequenza del re delle molecole. Sto parlando del big one: del DNA. Stanotte sto giocando con un fuoco che arderà luminoso come Antares, scomparsa poche ore fa dietro queste montagne profumate

47 Dal Cromosoma al DNA LA SCELTA DELLA TECNICA DIAGNOSTICA PIU OPPORTUNA Il fenotipo clinico può suggerire la tecnica diagnostica di elezione. Il contributo prezioso dei data-base. L esperienza professionale ed il lavoro di équipe.

48 PROGETTO GENOMA: LA SCRITTURA DELL INTERA SEQUENZA DELLE BASI (bp) DEL DNA E STATA COMPLETATA Quanti sono, e dove sono i geni, che occupano solo il 3% di tutto il genoma? A che cosa serve il restante 97%? MUTAZIONE O POLIMORFISMO? TTCGTTATG TTCGACATG CCTTAAGGGCT CCTTAGGGCT La Scienza corre, la Genetica galoppa. Il DNA rivela splendide novità. Oltre alle mutazioni che rappresentano alterazioni responsabili di Quadri Clinici, devastanti, il DNA rivela milioni di polimorfismi e varianti, coinvolte nella Salute dell Uomo.

49 GENE: l unità fondamentale dell eredità

50 Apert syndrome FGFR2 gene S252W mutation FGFR2 gene S253R mutation

51 Treacher Collins syndrome Mandibulofacial dysostosis Trasmissione di tipo Autosomico Dominante, ad espressività variabile

52 Ecografia alla 19 settimana di gestazione. In utero si possono visualizzare le caratteristiche fetali, con apparecchiature e tecniche sempre più valide

53 ANALISI MIRATA A LIVELLO MOLECOLARE IPOCONDROPLASIA Gene FGFR3 PCR e taglio enzimatico DHPLC

54 LA SCRITTURA DEL GENOMA SI PUO CONDURRE CON METODICHE DIVERSE, E CON APPARECCHIATURE DIVERSE

55 Alla ricerca della mutazione in una bimba con una forma di lassità ligamentosa (Collagenopatia). Molti i geni già identificati, ma molto rimane da fare.

56 Dai data-base, una regione cromosomica con geni e polimorfismi La sequenza di un gene con la evidenziazione di alcuni esoni. Le caratteristiche del fenotipo clinico

57 Il contributo immenso dei data-base

58 TUMORI E GENETICA La trasmissione delle neoplasie del seno da una generazione all altra

59 ALLA RICERCA DELLA DIAGNOSI Studio molecolare in soggetti di diverse generazioni della stessa famiglia

60 LA TRASMISSIONE, DA UNA GENERAZIONE ALL ALTRA, DI CARATTERI EREDITARI, GARANTISCE UN CONTINUO RIASSORTIMENTO E RINNOVAMENTO DEL PATRIMONIO GENETICO

61 Alla ricerca della Diagnosi GENETIC or NON-GENETIC DISORDER CONGENITAL VARICELLA SYNDROME

62 ANOMALIE CONGENITTE DEGLI ARTI, SU BASE GENETICA, SU BASE NONGENETICA, SU BASE MULTIFATTORIALE