Malattie monofattoriali nell uomo.

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1 Malattie monofattoriali nell uomo

2 Esempi di patologie a trasmissione autosomica dominante Nelle forme familiari, ogni figlio/a ha un genitore affetto. Spesso il paziente affetto ha una diminuita capacità di riprodursi. La malattia è quindi mantenuta nella popolazione per la comparsa di mutazioni de-novo (figli affetti con genitori sani). Gli omozigoti sono rarissimi se non in presenza di matrimonio tra individui affetti o per consanguineità. Hanno in genere una sintomatologia più severa rispetto all eterozigote. Acondroplasia Corea di Huntington Neurofibromatosi Tipo1

3 Acondroplasia Dal greco (a = senza, condros = cartilagine, plais = formazione) Ci sono circa 200 tipi di nanismo L acondroplasia è la forma più comune di nanismo (circa il 50% dei casi) Altezza media maschi adulti: 131cm; altezza media femmine adulte: 124cm Sistema scheletrico: osteocondrodisplasia,, nanismo, arti corti

4 Malattia genetica caratterizzata da un mancato sviluppo armonico della cartilagine di accrescimento delle ossa lunghe degli arti. Letteralmente significa senza cartilagine anche se in realtà il difetto è nella conversione della cartilagine in osso, specialmente nelle ossa lunghe Frequenza: 1/ nati Causata da mutazioni del gene FGFR3 (sul cromosoma 4, regione 4p16.3) che lo rendono costitutivamente attivo allele letale allo stato omozigote

5 FGFR3 = Fibroblast Growth Factor Receptor 3 Recettore del fattore di crescita dei fibroblasti: proteina transmembrana con attività tirosin chinasica e tre domini Ig-like E un regolatore negativo della proliferazione e del differenziamento dei condrociti della cartilagine di accrescimento; è attivato dalle mutazioni presenti nei soggetti con acondroplasia. Queste mutazioni sono da considerare del tipo con "guadagno di funzione" ( (gain of function), perché il recettore diventa più efficace nello svolgimento del suo ruolo inibitorio.

6 Il 99% dei pazienti affetti da ACP ha la stessa mutazione (G380R) nella proteina FGFR3, consistente in una sola base nucleotidica alterata nel gene. La sostituzione aminoacidica nel dominio transmembrana del recettore porta ad una dimerizzazione ligando- indipendente). Altre mutazioni cadono nel dominio kinasico. (G380R)

7 Ereditarietà Eredità autosomica dominante a penetranza completa Una persona affetta da ACP, insieme ad una normale, hanno il 50% di probabilità di avere un figlio affetto. Una coppia in cui entrambi i genitori sono affetti da ACP ha 1 probabilità su 4 di concepire un figlio/a affetto da una grave forma di acondroplasia letale alla nascita (acondroplasia omozigote); 1 probabilità su 4 di avere figli normali e 1 probabilità su 2 di avere un figlio affetto Effetto dell et età paterna per le mutazioni de-novo Circa 9 casi su 10 i pazienti affetti da ACP nascono da genitori assolutamente normali, a causa di alterazioni nel gene che avvengono di solito negli spermatozoi (mutazioni de-novo) novo), correlati ad una avanzata età paterna. Diagnosi Amplificazione per PCR del DNA genomico e sequenziamento degli esoni dove sono localizzate le mutazioni. Alcune mutazioni danno origine a RFLP (es. G380R la mutazione crea sito di restrizione per l enzima SfcI)

8 Curiosità Lo studio delle mummie egizie ha evidenziato la presenza di affetti da acondroplasia fin dal 4500 a.c. In foto: terracotta di epoca precolombiana (datata circa 2500 anni fa), in cui e e raffigurato un soggetto affetto da nanismo.

9 Neurofibromatosi di Tipo1 Malattia autosomica dominante ad espressività variabile (macchie caffè- latte/tumori fibromatosi della pelle/tumori maligni del SNC) Frequenza: 1/3000 nati Almeno il 50% degli affetti ha una storia familiare di neurofibromatosi omatosi 1 documentata; nella restante parte dei casi si tratta di mutazioni de-novo Forme di mosaicismo somatico (meno gravi) Il gene della neurofibromatosi di tipo 1 (NF1( NF1) è localizzato sul cromosoma 17 (17q11.2) e codifica per una proteina (neurofibromina( neurofibromina) ) con attività inibitoria sulla crescita tumorale (inibisce l'oncoproteina p21ras), cosa che la fa appartenere alla famiglia dei geni oncosoppressori.. La funzione della proteina si riduce o viene alterata in seguito a mutazione. Le mutazioni più frequenti sono mutazioni puntiformi e ampie delezioni

10 La neurofibromatosi 1: un caso di espressività variabile Individui sani con macchie e tumori benigni della pelle Individui sani con episodi di malattia acuta Individui malati con sintomi gravi,, con tendenza a degenerazione maligna dei neurofibromi cutanei, sviluppo di fibrosarcomi e tumori del sistema nervoso. Amartomi pigmentati dell'iride (noduli di Lisch)

11 Esempi di patologie a trasmissione autosomica recessiva I genitori sono solitamente eterozigoti (portatori sani), con il 25% di rischio di generare un figlio omozigote. Classicamente il pedigree mostra solo un membro della famiglia affetto o, al massimo, fratelli affetti. Per alcune patologie, la percentuale di portatori sani nella popolazione è estremamente elevata, spesso perché la condizione di eterozigoti dà un vantaggio selettivo (es. beta-talassemia), detto appunto vantaggio dell eterozigote Albinismo Sordità Talassemia Falcemia Fenilchetonuria Fibrosi cistica

12 Talassemia (o microcitemia o anemia mediterranea) Disordini nella sintesi dell emoglobina emoglobina dovuti all assenza assenza o alla ridotta produzione di catene di tipo α o β,, che costituiscono l emoglobina l umana adulta Dal punto di vista clinico la talassemia è contraddistinta da fragilità degli eritrociti, microcitosi,, anemia. ricambio troppo veloce dei globuli rossi che vengono distrutti molto m rapidamente dalla milza ( ( splenomegalia). le e periodiche trasfusioni di sangue e eritropoiesi inefficace provocano un dannosissimo accumulo di ferro nei tessuti che va eliminato attraverso averso una terapia ferro-chelante Frequenza: in Italia è molto rara, anche se è di frequente riscontro nelle regioni del sud come Sicilia e Sardegna. In Sardegna il 12% degli individui è portatore sano di β- talassemia. La malattia è frequente (3% nella popolazione mondiale) nell'africa centrale, nel Sud-est asiatico, in Medio Oriente e in alcune zone dell'india.

13 La distribuzione geografica della talassemia suggerisce una selezione positiva del gene mutato nelle regioni malariche, per la maggiore protezione degli eterozigoti verso la malaria da Plasmidium falciparum (vantaggio dell eterozigote eterozigote). Altre anomalie a carico del sangue possono proteggere parzialmente dalla malaria (anemia falciforme, favismo, etc).

14 Una parte del ciclo vitale di questo protozoo si svolge nell eritrocita. L infezione degli eritrociti microcitemici è sfavorita (impediscono il completamento del ciclo vitale) protezione dalla malattia. Zanzara Anopheles Gli omozigoti normali vengono selezionati negativamente dalla malaria; gli omozigoti mutati vengono selezionati negativamente dalla talassemia; gli eterozigoti risultano avvantaggiati (non sono talassemici ma sono resistenti alla malaria)

15 Mutazioni più frequenti nel gene β-globinico causa della β-talassemia Mutazioni da delezione assenza di β-globina Mutazioni puntiformi nel promotore ridotta espressione di β-globina Mutazioni nei siti di splicing trascritti alterati Mutazioni nonsense e frame-shift prodotto tronco o alterato (Es. CAG TAG nel codone 39 è comune nella popolazione sarda 95% degli alleli mutati) Il gene per la ß globina si trova (insieme a quelli per le gamma, la delta e l epsilon) sul cromosoma 11. Attualmente si conoscono più di 150 mutazioni che causano una ß-talassemia.

16 3 quadri clinici che si distinguono tra loro per gravità crescente: Portatore asintomatico (microcitemico): è caratterizzato da assenza di sintomi clinici, aumento del numero dei globuli rossi con riduzione del loro volume (da ciò il nome di microcitemia), riduzione della concentrazione di emoglobina contenuta nei globuli rossi e alterazione della loro forma. Genotipo: eterozigote Talassemia intermedia: in questo gruppo eterogeneo di pazienti sono compresi casi con gravità differente, da forme minime con lievi manifestazioni cliniche a casi più gravi a volte simili alla forma grave. In questi casi c'è un marcato aumento dell'emoglobina fetale. Genotipo: omozigote per un difetto lieve o eterozigote per un difetto grave ed uno lieve. Talassemia major o malattia di Cooley: è la forma più grave di microcitemia, caratterizzata da anemia marcata. Genotipo: omozigote per un difetto grave o eter.ozigosi mista per due difetti gravi. La terapia è diversa a seconda della gravità della malattia

17 Talassemia Major: striscio di sangue periferico

18 Anemia falciforme Dovuta alla singola mutazione nel gene per la subunità β dell emoglobina emoglobina forma anomala, detta emoglobina S (GAG GTG G nel codone 6= Glu Val Val) Il quadro ematologico tipico, caratterizzato dalla presenza di globuli rossi a forma di falce, è dovuto alla polimerizzazione dell'emoglobina S con formazione di fibre all'interno del globulo rosso. Ne risulta 1) una rigidità dei globuli rossi i quali tendono ad occludere i vasi periferici e 2) una ridotta vita media dei globuli rossi stessi che è alla base dell'anemia cronica. Dal punto di vista clinico la malattia presenta sintomi legati all'emolisi (distruzione) dei globuli rossi e alle crisi da occlusione dei vasi sanguigni. Frequente nelle regioni del Mediterraneo (soprattutto in Africa) Aplosufficienza/insufficienza negli eterozigoti

19 normale malato eterozigote

20 Fenilchetonuria (PKU) E causata da mutazioni nel gene che codifica per l enzima fenilalanina idrossilasi (sul cromosoma 12, 12q24.1). Frequenza: 1/10000 Sono note 462 mutazioni del gene (soprattutto missense, nonsense ma anche delezioni, inserzioni, splicing mutations e mutazioni de novo)

21 La carenza dell enzima provoca l accumulo di fenilalanina e di acido fenilpiruvico nell organismo danni al sistema nervoso centrale (ritardo mentale, epilessia, ipercinesia), ritardo nell accrescimento e morte precoce. A livello cutaneo è presente una caratteristica pigmentazione chiara (capelli biondi ed occhi celesti) per mancanza di produzione di tirosina e successivamente di melanina La fenilalanina è un aminoacido essenziale introdotto con la dieta. Una dieta povera di fenilalanina riduce drasticamente l insorgere della malattia Diagnosi con il test di Guthrie (misura livelli di fenilalanina nel sangue). Alcune mutazioni sono associate a RFLP.

22 Fibrosi cistica E la più comune malattia autosomica recessiva (1/2000 nati ~5% degli individui sono portatori sani) Interessa numerosi organi, come polmoni, fegato, pancreas, intestino ed apparato riproduttivo Mostra espressività variabile ed eterogeneità clinica Causata da mutazioni nel gene che codifica per la proteina CFTR, localizzato sul cromosoma 7 (7q31.2).

23 La proteina CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator) Glicoproteina di membrana con siti intracellulari di legame per l ATP l Canale per il Cl - delle membrane apicali delle cellule epiteliali (ghiandole a secrezione esterna, come le mucipare e le sudoripare)

24 Il gene regola il passaggio di elettroliti (cloro in particolare) verso l esterno, che favoriscono la fuoriuscita di ioni sodio e acqua. Un anomalia di questa proteina di trasporto altera l equilibrio elettrolitico e fa produrre alle ghiandole esocrine muco denso.

25 Nella persona malata il gene difettoso determina la produzione di secrezioni povere di acqua, perciò dense e poco scorrevoli ("muco viscido", da cui il nome in passato di "mucoviscidosi"); il sudore ha una concentrazione molto alta di sale, 4-5 volte il normale. Gli organi più colpiti sono: bronchi e polmoni il ristagno di muco predispone ad infezioni respiratorie che danneggiano la loro funzionalità Pancreas formazioni di cisti, infiammazione e fibrosi (da cui il nome di fibrosi cistica) alterazione delle sue normali funzioni Altri: intestino, fegato, dotti deferenti nel maschio. Diagnosi test del sudore (misura della concentrazione salina) e test genetico (ricerca di mutazioni nel gene CFTR); screening neonatale sul meconio.

26 Mutazioni del gene CFTR Si presentano in modalità diversa nelle varie popolazioni, sia per tipologia che per frequenza. Più di 1800 mutazioni note. Alcune mutazioni fanno sì che essa non venga prodotta affatto, altre permettono che venga prodotta una proteina poco funzionante o ridotta in quantità. Non di tutte si conosce l'effetto clinico. Queste mutazioni determinano una disfunzione della proteina CFTR attraverso numerosi meccanismi molecolari, in base ai quali è possibile raggrupparle in 5 differenti classi la mutazione più frequente in Italia

27 La mutazione F508 Consiste nella perdita di 3 basi con conseguente mancanza di una fenilalanina nella catena aminoacidica della proteina) Wild-type AAT ATC ATC TTT GGT GTT TCC Asn Ile Ile Phe Gly Val Ser mutato AAT ATC ATT GGT GTT TCC Asn Ile Ile Gly Val Ser

28 La mutazione F508, costituisce l allele più comune (70%) alterato folding nel reticolo endoplasmatico ubiquitinazione e degradazione della proteina. Di conseguenza negli eterozigoti è presente una minore quantità di proteina Vantaggio adattativo degli eterozigoti ridotta entrata nelle cellule del batterio Salmonella tiphy o altri patogeni che utilizzano il CFTR come recettore.

29 Espressività variabile geni modificatori delle mutazioni del gene CFTR (questi geni possono aggravare o ridurre l'effetto delle mutazioni CFTR) influenze ambientali (fumo, trattamento antibiotico, dieta, caratteristiche immunitarie, etc)

30 Esempi di patologie a trasmissione X-linked recessiva Generalmente ristrette ai maschi, perché le femmine per manifestare la malattia devono essere omozigoti Daltonismo Emofilia A Distrofia di Duchenne Favismo

31 Emofilia Malattia con difetti più o meno gravi nella coagulazione del sangue trasmessa come carattere legato al cromosoma X Emofilia A e B sono distinte dal punto di vista molecolare e biochimico ma simili dal punto di vista clinico anche minimi traumi possono provocare emorragie gravi

32 Emofilia A E un difetto della coagulazione del sangue trasmesso come carattere legato al cromosoma X e dovuto ad un deficit del fattore VIII della coagulazione (gene F8, Xq28) La terapia si basa sulla somministrazione di concentrati di fattore VIII preparati da plasma umano o mediante la tecnica del DNA ricombinante. Dal punto di vista genetico nel 70% dei casi è ereditaria e nel 30% rappresenta il frutto di una mutazione de novo. Frequenza nella popolazione: 1/5000 Nelle famiglie in cui siano presenti casi di emofilia è possibile sottoporre le donne all'analisi del DNA (sequenziamento o ricerca RFLP), che si effettua a partire da un normale prelievo di sangue (anche diagnosi prenatale nelle gravidanze a rischio). Mutazioni eterogenee (eterogeneità allelica) che si traducono in fenotipi più o meno gravi (eterogeneità fenotipica). Hot spot nell introne 22 (nel 50% dei casi).

33 L emofilia A è storicamente nota come malattia reale la regina Vittoria di Inghilterra era una portatrice dell allele mutato del fattore VIII (mutazione de novo) Famiglia imperiale di Russia Famiglia reale di Spagna Famiglia reale di Inghilterra

34 Emofilia B E un difetto della coagulazione del sangue trasmesso come carattere legato al cromosoma X e dovuto ad un deficit del fattore IX della coagulazione (gene F9, Xq27.1) Più rara dell emofilia A: 1/ maschi Eterogeneità allelica alta. Anche mutazioni in regioni regolative, assenti nell emofilia A

35 Distrofia muscolare di Duchenne La distrofia muscolare è una malattia degenerativa che colpisce i muscoli. Esistono diversi tipi di distrofia muscolare ma la più frequente in età pediatrica è la forma di Duchenne. Frequenza: circa 1/3500 bambini maschi Difetto del gene che codifica per la distrofina (Xp p21.1), una proteina che si lega alla membrana delle fibre muscolari e stabilisce una connessione tra citoscheletro e matrice extracellulare preserva l integrità delle membrane delle cellule muscolari. Il gene è molto grande (più di due milioni di basi) con numerose varianti alleliche patologiche (70% delezioni, 30% mutazioni puntiformi) ed espressività variabile (fenotipo più grave è la Duchenne, quello meno grave è la Becker) Alta percentuale di mutazioni de novo (>30%). Caratterizzata da progressiva debolezza muscolare (diagnosi clinica tardiva: 2-6anni) con morte entro i 30 anni

36 Il gene per la distrofina è il più grande individuato, costituito da 79 esoni per una dimensione di 2,3 Mb. Il trascritto è costituito da 1,770 Kb. 427 kd

37 Duchenne Muscolo normale Becker Assenza totale della distrofina Spostamento del quadro di lettura Prematuro codone di stop Degenerazione tissutale e necrosi Alterazione parte centrale della distrofina Nessuno spostamento del quadro di lettura Distrofina diversa solo nelle dimensioni Fibrosi moderata e necrosi ridotta

38 Identificazione mutazioni Amplificazione di 18 esoni del gene della distrofina mediante PCR permette di evidenziare il 98% delle delezioni Exon Size (bp) Exon Size (bp) exon exon exon exon exon exon exon exon exon exon exon exon exon exon exon exon exon exon 4 196

39 Favismo Malattia dovuta alla mancanza di un'enzima, glucosio-6- fosfato-deidrogenasi (G-6-PDH). La forma da carenza di G-6-PDH riguarda circa 400 milioni di persone nel mondo (specialmente in Africa, nell'area tropicale e subtropicale ed in alcune zone del mediterraneo). In Italia è molto frequente in Sardegna (mutazioni nel 15% della popolazione) ed in numero più limitato in Sicilia ed in altre regioni meridionali. Eterogeneità allelica (circa 400 diverse varianti dell enzima note) e fenotipica

40 Effetto delle mutazioni Mutazioni estese (es. frame-shift o delezioni) sono incompatibili con la sopravvivenza nel maschio e molto rare nelle femmine La maggior parte delle mutazioni sono missense proteina instabile o con ridotta attività enzimatica La G6PD catalizza la deidrogenazione del G6P e la produzione di NADPH 2, usato come cofattore della catalasi per la detossificazione di specie reattive perossidanti come il perossido d idrogeno (H 2 O 2 ) e per la riduzione del glutatione. La carenza dell enzima causa quindi stress ossidativo, particolarmente dannoso per gli eritrociti: emolisi anemia acuta Solitamente si manifesta solo in certe condizioni: esposizione a sostanze particolari, contenute ad es. nelle fave* (da cui il nome) o in alcuni farmaci, che possono scatenare la crisi emolitica Diagnosi mediante saggio enzimatico * Il consumo di fave espone i favici al rischio di crisi emolitiche per via della presenza, all'interno dei semi, di sostanze ossidanti come la vicina e convicina A

41 Esempi di patologie a trasmissione X-linked dominante Nefrite ereditaria Condrodisplasia punctata Esempi di caratteri/patologie a trasmissione Y-linked Retinite pigmentosa

42 OMIM, Online Mendelian Inheritance in Man, è una banca dati che contiene informazioni sui geni umani e sulle malattie genetiche realizzata e mantenuta dall NCBI, the National Center for Biotechnology Information. La banca contiene la descrizione dei geni e delle malattie ad essi associate,i quadri clinici e i riferimenti bibliografici, oltre a link a sequenze e ad altre risorse web.

43 Malattie monogeniche- Tipo di trasmissione - Localizzazione cromosomica- Ref. OMIM Corea di Huntington -1 / Autosomica dominante- Cromosoma Fibrosi cistica - 1 / Autosomica recessiva -Cromosoma Anemia falciforme (HbS)- Autosomica recessiva- Cromosoma Talassemia -Autosomica recessiva- Cromosoma 11 catene beta; cromosoma 16 catene alfa -Alfa: Beta: Fenilchetonuria- 1 / nati vivi- Autosomica recessiva- Cromosoma Emofilia A- 1 / nei maschi - X-linked recessiva- Cromosoma X Miopatia di Duchenne- 1 / 6000 nei maschi -X-linked recessiva- Cromosoma X

44 MIM ID # MUSCULAR DYSTROPHY, DUCHENNE TYPE; DMD Alternative titles; symbols DUCHENNE MUSCULAR DYSTROPHY, MUSCULAR DYSTROPHY, PSEUDOHYPERTROPHIC PROGRESSIVE, DUCHENNE TYPE Gene map locus: Xp21.2 Table of Contents MIM # Text Description Clinical Features Other Features Inheritance Cytogenetics Mapping Molecular Genetics Diagnosis Clinical Management Population Genetics Animal Model Clinical Synopsis