Alterazioni genomiche e cromosomiche

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1 Elementi di genetica umana Il Progetto Genoma Umano (HGP, Human Genome Project), iniziato nel 1990, è stato un importante progetto di ricerca internazionale il cui obiettivo era quello di determinare la sequenza del DNA umano e mappare ed identificare i singoli geni. Il sequenziamento è stato completato il 22 giugno 2000, consentendo così di avviare la seconda parte del progetto: la mappatura di ciascun cromosoma per scoprire quali geni ci sono su ciascuno di essi. Per il momento ne sono stati mappati solo alcuni, restano ancora molti altri cromosomi per poter poi avviare la terza ed ultima fase del progetto: l identificazione della funzione di ciascun gene. Comunque, dal lavoro svolto finora già possiamo trarre alcune importanti conseguenze: Il DNA umano è lungo più di due metri ed ha più di 6 miliardi di coppie di basi (equivalenti ad oltre 7000 Divine Commedie). È stata accertata l esistenza di non più di geni. Sorprendentemente tale numero sembra essere solo poco più del doppio rispetto a quello di organismi molto più semplici, come la Drosophila. Si pensa quindi che le cellule umane utilizzino massicciamente lo splicing alternativo per produrre un gran numero di proteine differenti da uno stesso gene. I geni umani hanno una lunghezza complessiva di non più di di nucleotidi, considerando una lunghezza media di circa nucleotidi per gene. Ciò significa che vi è una notevole quantità di DNA non codificante, circa il 98%. Questo DNA fu definito inizialmente junk-dna (DNA spazzatura), a sottolinearne l inutilità; successivamente però si è immaginato che esso debba avere un ruolo, altrimenti non se ne spiegherebbe la conservazione nel corso dell evoluzione. È abbastanza recente, infatti, la scoperta che anche gli introni possono avere un ruolo nell espressione dei geni e addirittura sono stati scoperti geni alla rovescia, la cui parte attiva è costituita dagli introni. La variabilità genetica umana è molto contenuta, non supera lo 0,1%: prendendo due persone a caso esse sono geneticamente identiche per oltre il 99,9%, a dispetto di qualsiasi differenza d aspetto. Ciò significa che, al di là di qualunque dubbio, le razze umane non esistono perché non è possibile separare il genere umano in gruppi geneticamente distinti, come invece succede in altre specie. Se dovesse accadere un immane catastrofe che distruggesse tutta l umanità ad eccezione di un piccolo gruppetto di individui, quel gruppetto potrebbe riformare l intero genere umano perché possiede quasi tutti gli alleli della specie. Nonostante la variabilità genetica umana sia molto contenuta, si è riscontrato che la percentuale maggiore di variabilità è in Africa e, man mano che ci si allontana da questo continente, essa diminuisce costantemente: geneticamente parlando, due africani sono molto più diversi tra loro di due eschimesi. Ciò significa che quasi sicuramente la specie umana è nata in Africa e da lì si è irradiata in tutto il pianeta. Il DNA umano non è unico e caratteristico: esso è identico per il ben il 99% a quello dello scimpanzé 1, per il 46% a quello della banana e per quasi l 80% al genoma di un verme microscopico (il Caenorhabditis elegans). Questa è una forte conferma della comune origine di tutte le forme viventi ed una importante prova a sostegno dell evoluzione. Alterazioni genomiche e cromosomiche Con il termine cariotipo si indica l analisi del numero e della morfologia dei cromosomi di una cellula attraverso la rappresentazione ordinata del suo corredo cromosomico. Si ottiene prendendo una cellula in mitosi e, con appositi farmaci, si blocca in metafase così da poter osservare e fotografare al microscopio i 1. Ciò non significa dire che abbiamo il 99% dei geni in comune con lo scimpanzé, ma che la sequenza delle basi del DNA umano (compresi i tratti non codificanti) è per il 99% la stessa che si osserva nel DNA dello scimpanzé.

2 I geni nell uomo 2 cromosomi (oggi si acquisiscono direttamente sul computer). I diversi cromosomi appaiono a strisce chiare e scure alternate (bandeggio cromosomico) perché vengono colorati con una tecnica particolare che conferisce loro questo aspetto. Ciò facilita il loro riconoscimento perché ciascun cromosoma ha un alternarsi di bande chiare e scura caratteristica 2. I cromosomi fotografati vengono ritagliati e ordinati in coppie di omologhi (i cromosomi omologhi vengono facilmente individuati poiché, oltre allo stesso bandeggio, hanno anche la stessa lunghezza e il centromero nella medesima posizione). Nell uomo il cariotipo normale (detto euploide) è costituito da 46 cromosomi suddivisi in 22 coppie di autosomi più due cromosomi sessuali (detti talvolta eterocromosomi). Eventuali alterazioni rispetto alla normalità vengono definite anueploidi. TRISOMIA E MONOSOMIA Nel corso della meiosi si può verificare la mancata separazione di una coppia di omologhi, così che al termine del processo si hanno gameti con due cromosomi omologhi ed altri in invece cui mancano del tutto. Questi gameti potranno allora dare origine ad individui in cui le coppie di cromosomi omologhi saranno costituite da terne o da singoli cromosomi. Nel primo caso si parla di trisomia, nel secondo di monosomia. In genere la monosomia è letale (anche se si conoscono rari casi di individui monosomici per una particolare coppia di cromosomi), la trisomia è invece una condizione meno letale (se ne conoscono diversi casi) anche se provoca gravi malformazioni. Sindrome di Down È provocata dalla mancata disgiunzione dei cromosomi 21 nel corso della meiosi femminile ed è correlata all età della madre: più questa è avanzata più è probabile che si verifichi. Una persona con sindrome di Down presenta fin dalla nascita anomalie del cranio, delle orecchie, delle mani e del volto, tra cui una piega palpebrale che ricorda vagamente i tratti caratteristici della popolazione mongola (da qui il nome di mongolismo), talvolta associate ad una riduzione del tono muscolare. A queste anomalie si associano deficit dell'accrescimento, ritardo dello sviluppo motorio e del linguaggio ed un ritardo mentale moderato o severo. Oggi però sappiamo che la maggior parte di queste caratteristiche, fatta eccezione per il ritardo mentale, sono variabili e possono addirittura non essere presenti. Sindrome di Edwards La sindrome di Edwards è dovuta ad un cromosoma in più nella coppia 18 (trisomia 18). È, dopo la sindrome di Down, l aneuploidia più comune. Colpisce in prevalenza le femmine rispetto ai maschi, ma non è ancora ben chiaro il perché. Così come nella sindrome di Down, anche qui l età della madre è notevolmente correlata al rischio di avere un figlio affetto dalla malattia. La causa è infatti la stessa: la mancata disgiunzione dei cromosomi 18 nel corso della gametogenesi femminile. I bambini affetti da sindrome di Edwards sono molto deboli ed hanno una limitata capacità di sopravvivenza (il 90% di essi muore entro il primo anno di vita), chi sopravvive riporta notevoli malformazioni scheletriche e muscolari ed un severo ritardo mentale. 2. Contrariamente a quanto si può pensare le bande non corrispondono ai geni che stanno sul cromosoma, ma riflettono il diverso grado di condensazione della cromatina.

3 I geni nell uomo 3 Sindrome di Turner Si tratta di una monosomia a carico degli eterocromosomi, definita come X0, perché gli individui che ne sono affetti possiedono un solo cromosoma X. Si tratta di persone di sesso femminile che non presentano gravi anomalie, eccettuato un ridotto sviluppo degli organi dell apparato riproduttivo con conseguente sterilità. Le alterazioni caratteristiche sono: bassa statura (1,45 m in media), collo, corto e tosso, piedi e mani piuttosto gonfi e una carente produzione di estrogeni. Vi è inoltre assenza del ciclo mestruale o menopausa molto precoce. La sindrome non comporta ritardo mentale. Sindrome di Klinefelter È anch essa a carico degli eterocromosomi, ma si tratta di una trisomia (XXY). Gli individui sono di sesso maschile, spesso molto alti, tendono all obesità, sono privi o carenti di barba e di peli e sviluppano una corporatura con proporzioni di tipo femminile (fianchi più arrotondati e spalle più strette, mammelle più o meno sviluppate). Raggiunta la pubertà, i soggetti sviluppano un pene di dimensioni normali, ma i testicoli rimangono però di dimensioni ridotte e si ha sterilità. ABERRAZIONE CROMOSOMICA Un altro tipo di aneuploidia è data dalla possibilità di modificazioni nella forma o nella lunghezza dei cromosomi stessi. In rare occasioni, infatti, pezzi di cromosoma possono andar perduti o anche attaccarsi su un cromosoma diverso. La prima eventualità prende il nome di delezione, la seconda di traslocazione. Vi è infine la formazione di cromosomi bizzarri, ovvero cromosomi la cui forma si discosta più o meno notevolmente da quella solita: si possono così avere cromosomi con tre bracci, cromosomi con due centromeri, cromosomi chiusi ad anello, cromosomi a racchetta (uno dei due bracci si piega ad arco e si ricongiunge al centromero), e così via. Sindrome cri du chat La sindrome del verso di gatto (cri du chat) è una malattia genetica causata dalla delezione di parte del cromosoma 5 individuata dal medico francese Jérôme Lejeune nel Il 90% delle delezioni si genera sul cromosoma di derivazione paterna. La sindrome, che prende nome dal pianto lamentoso, simile al miagolio del gatto, caratteristico dei soggetti che ne sono affetti, consiste in ritardo dello sviluppo psicomotorio e grave ritardo mentale, un aspetto caratteristico del volto che appare rotondeggiante, in una notevole percentuale di casi l assenza di malformazioni gravi può garantire una lunga sopravvivenza. Sindrome dell X fragile Dopo la sindrome di Down, la sindrome dell X fragile è la causa più frequente di ritardo mentale nei maschi, che hanno un solo cromosoma X. Il nome deriva dal fatto che il cromosoma X sembra avere una zona fragile che ne determina facilmente la rottura. La sindrome dell X fragile colpisce in forma leggera anche 1/3 delle femmine eterozigoti e, perciò, è da considerarsi parzialmente dominante. Cromosomi Philadelphia Nei pazienti affetti da leucemia mieloide cronica (una forma tumorale a carico dei globuli bianchi) è stato messo in evidenza una particolare aberrazione cromosomica: una parte del cromosoma 22 è traslocata sul cromosoma 9 e una parte di quest ultimo è traslocata sul 22. Vi sono quindi due cromosomi anomali,detti Philadelphia, dal nome della città natale del primo paziente in cui sono stati osservati. Questa aberrazione è responsabile della formazione di oncogeni che causano la leucemia. Alterazioni geniche Una malattia genetica (o malattia ereditaria) è una patologia la cui causa è dovuta alla presenza di geni con struttura e funzionalità anomala o alla malregolazione dell espressione di geni normali. Le malattie genetiche meglio caratterizzate sono quelle relative ad un solo gene. Particolarmente diffuse sono le patologie dovute ad alleli recessivi, in quanto gli eterozigoti risultano portatori sani.

4 I geni nell uomo 4 MALATTIE AUTOSOMICHE Si chiamano così le malattie genetiche che consistono in alterazioni a carico di geni situati sui cromosomi non sessuali. Ve ne sono molte e di alcune non è stata ancora individuata l esatta alterazione. Le più importanti sono la fibrosi cistica e la talassemia. Fibrosi cistica La fibrosi cistica, o mucoviscidosi, è una malattia genetica autosomica recessiva, poiché si manifesta pienamente soltanto negli omozigoti e non da nessuna sintomatologia negli eterozigoti. È causata da una alterazione del gene responsabile del trasporto del cloro e del sodio (e conseguentemente dell acqua) attraverso le membrane delle cellule delle ghiandole a secrezione esterna. Di conseguenza queste ghiandole secernono un muco denso e vischioso e quindi poco scorrevole. Negli organi interessati, le secrezioni mucose, essendo anormalmente viscide, determinano un ostruzione provocando l insorgenza di gran parte delle manifestazioni tipiche della malattia, come la comparsa di infezioni polmonari ricorrenti, insufficienza pancreatica, produzione di feci grasse, stati di malnutrizione, cirrosi epatica, ostruzione intestinale e infertilità maschile. Talassemia La talassemia, o anemia mediterranea, è anch essa una malattia genetica autosomica recessiva in cui è difettosa la produzione dell emoglobina. La malattia è caratterizzata da scarsa produzione di globuli rossi, anemia emolitica, iperstimolazione del midollo osseo e alterazioni ossee, forte ingrossamento della milza. Esiste in diversi livelli di gravità, detti minor e major, corrispondenti generalmente allo stato eterozigote e omozigote: Nella talassemia minor sia ha una disfunzione di grado lieve, e non occorrono generalmente trasfusioni; nella talassemia major (detta anche morbo di Cooley), invece, l anemia è grave e la sopravvivenza dipende dalle trasfusioni. MALATTIE LEGATE AL SESSO I cromosomi sessuali, in particolare l X, possiedono geni che non hanno niente a che fare con le caratteristiche sessuali e la cui ereditarietà dipende, di conseguenza, dal sesso dell individuo. Tipici esempi nell uomo di malattie legate al sesso sono il daltonismo, l emofilia, la distrofia muscolare di Duchenne. Daltonismo Gli individui daltonici sono persone incapaci di distinguere tra loro alcuni colori, ad esempio il rosso dal verde, anche se esistono forme diverse di daltonismo. La capacità di vedere i colori è determinata da un gene situato sul cromosoma X di cui esiste un allele dominante C, che consente una visione corretta, ed un allele recessivo c, che rende incapaci di distinguere i colori. Perché una femmina sia daltonica è evidentemente necessario che l allele c sia allo stato omozigote perché la contemporanea presenza di C, che è dominante, prevarrebbe su c. In un maschio però vi è un solo cromosoma X, perciò in questo caso per essere daltonici è sufficiente un solo allele c, poiché non c è la possibilità di compensare con l allele sano la presenza di quello difettoso. Per questa ragione il daltonismo è molto più frequente tra gli uomini che tra le donne. Dall unione tra una donna eterozigote (detta anche portatrice ), e perciò normale, ed un uomo normale possono nascere bambini maschi daltonici, che hanno ereditato il gene recessivo dalla madre. Una bambina daltonica può nascere invece solo dall unione tra una madre portatrice ed un padre daltonico. Emofilia Gli emofilici sono persone il cui sangue non è capace di coagulare efficacemente, così che in loro anche una piccola ferita può avere conseguenze drammatiche potendosi verificare gravi emorragie. La coagulazione del sangue è un fenomeno piuttosto complesso che si verifica per il concorso di più fattori, alcuni dei quali sono di natura proteica; di questi fattori uno in particolare è codificato da un gene situato sul cromosoma X. Anche in questo caso esiste un allele dominante ed un allele recessivo incapace di codificare per il fattore necessario alla coagulazione del sangue. Il risultato è un ereditarietà simile a quella vista per il daltonismo: i maschi emofilici sono molto più frequenti delle femmine, che possiedono due cromosomi X, esse però possono essere portatrici.

5 I geni nell uomo 5 Distrofia muscolare di Duchenne La distrofia muscolare di Duchenne è una malattia che provoca una grave insufficienza dei muscoli volontari; questa forma, la più grave, porta a una debolezza progressiva che costringe in carrozzella i ragazzi colpiti. La malattia, che colpisce a partire dai 2-6 anni e l aspettativa di vita può essere molto breve, è prevalentemente maschile in quanto è assai difficile trovare femmine omozigoti. Nel 1987 Louis fu identificata una proteina, chiamata distrofina, che è difettosa (o addirittura assente) nei pazienti colpiti da distrofia muscolare. Il gene per la distrofina è situato sul cromosoma X e un suo allele recessivo determina la produzione della proteina difettosa. ALLELI DOMINANTI Non stupisce che le malattie genetiche più diffuse siano quelle causate da mutazioni recessive, infatti negli eterozigoti la situazione è pressoché normale e di conseguenza i geni mutati possono diffondersi soprattutto all interno della stessa famiglia. È per questo motivo che si sconsiglia, addirittura si vieta, la riproduzione tra consanguinei: perché è altamente probabile la presenza di individui mutati eterozigoti che potrebbero facilmente dare origine ad omozigoti. Stupisce però che vi siano anche malattie dovute a mutazioni dominanti, questo perché eventuali portatori di alleli dominanti in genere muoiono prima di riprodursi e di conseguenza gli alleli non si diffondono. Esistono tuttavia alleli mutati dominanti che danno origine ad alterazioni che compaiono ben dopo l età della riproduzione e quindi si diffondono nella popolazione. i dicono letali quegli alleli la cui manifestazione fenotipica è la morte dell individuo. Esempi di alleli di questo tipo sono quelli che determinano il morbo di Tay-Sachs, la fenilchetonuria e la còrea di Huntington, mentre gli individui eterozigoti non hanno alcun sintomo. Morbo di Tay-Sachs Gli individui omozigoti per il morbo di TaySachs appaiono normali alla nascita e per i primi mesi di vita. Però, a circa otto mesi compaiono i primi sintomi di una forte apatia cui segue, entro il primo anno di vita, una forma di cecità. I bambini colpiti riescono a sopravvivere solo per alcuni anni. Il gene responsabile determina la produzione di un particolare enzima, normalmente presente nei lisosomi delle cellule cerebrali, che demolisce un particolare lipide. Nel bambino privo di questo enzima i lisosomi delle cellule cerebrali si riempiono di questo lipide, si gonfiano e le cellule cerebrali muoiono. Non è ancora disponibile alcuna terapia per il morbo di Tay-Sachs. L unica difesa, per il momento, è un test attraverso il quale è possibile determinare se i genitori siano o meno portatori della malattia (eterozigoti). Fenilchetonuria (PKU) Agli individui affetti da PKU manca un enzima che demolisce l amminoacido fenilalanina. In essi la fenilalanina e i suoi derivati si accumulano nel sangue e nell urina determinando danni per le cellule del sistema nervoso, per cui si ha un grave ritardo mentale e l attesa di vita è inferiore alla norma. In Italia viene effettuato un test di routine per scoprire, tra i neonati, eventuali omozigoti. Quelli che sono identificati alla nascita vengono alimentati per i primi sei anni di vita (quando è in corso lo sviluppo del cervello) con una dieta a basso contenuto di fenilalanina, sufficiente a soddisfare le esigenze ma non tanto alta da produrre accumuli tossici; ciò permette di crescere normalmente. Di recente è stato allestito un test che permette di identificare la PKU nel feto. Còrea di Huntington È una malattia progressiva che porta alla distruzione delle cellule cerebrali e alla morte dell individuo dopo circa anni dalla comparsa dei primi sintomi. Purtroppo i primi sintomi compaiono generalmente dopo i 30 anni di età, quando gran parte degli individui malati ha già avuto figli e può avere, in questo modo, trasmesso la malattia.