Corso di Genetica Medica e Citogenetica

Transcript

1 Corso di Genetica Medica e Citogenetica Università degli Studi di Teramo Corso di Laurea in Biotecnologie A.A Prof.ssa Alessia Colosimo acolosimo@unite.it Tf: Orario di ricevimento: Martedì ore o su appuntamento Materiale di studio Testi consigliati Programma del corso Strachan & Read Genetica umana molecolare, UTET Neri, Genuardi Genetica umana e medica, Elsevier Masson Lewis Genetica Umana, Piccin Appunti presi a lezione Modalità di esame Gli esami si svolgeranno mediante 3 prove in itinere seguite o meno da colloquio orale

2 Corso di Genetica Medica e Citogenetica Corso di Laurea in Biotecnologie A.A Lezione 1 - Introduzione alla Genetica Medica GENETICA Struttura, trasmissione ed espressione delle variazioni ereditarie negli organismi Genotipo Fenotipo

3 Un unico genotipo diverso fenotipo Espressione Differenziale Ogni cellula di un organismo contiene gli stessi geni Le cellule sono di diversi tipi (cellule muscolari, cellule cardiache, cellule della pelle, cellule del sangue ) Che cosa le rende differenti? Espressione genica differenziale, cioéquando, dove, e in che quantità ogni gene viene espresso Ad un determinato istante circa il 40% dei geni sono espressi e circa il 10% dei geni sono tessuto-specifici

4 Espressione Differenziale Le cellule eucariotiche sono specializzate grazie all attivazione di alcuni geni: geni tessuto-specifici Geni espressi in tutte le cellule: geni housekeeping Sylvia S. Mader Immagini e concetti della biologia Zanichelli editore, 2012 Genetica e Ambiente GENOTIPO: costituzione genetica di un individuo AMBIENTE: fattori ambientali o comportamentali FENOTIPO: caratteristica osservabile di un individuo

5 GENOTIPO FENOTIPO AMBIENTE COLORE CAPELLI GENOTIPO = FENOTIPO Albinismo gene Tyr AMBIENTE = FENOTIPO GENOTIPO FENOTIPO AMBIENTE MUSCOLATURA GENOTIPO = FENOTIPO Toro Belgian Blue gene miostatina AMBIENTE = FENOTIPO

6 GENOTIPO FENOTIPO AMBIENTE Costituzione genetica ALTEZZA Alimentazione GENOTIPO FENOTIPO AMBIENTE Acondroplasia gene FGFR3 Sindrome di Marfan gene fibrillina Genetica Scienza che studia le cause e i modi di trasmissione da un vivente all altro dei caratteri biologici ereditari 1. Trasmissione genetica (analisi alberi genealogici) 2. Citogenetica (morfologia dei cromosomi)

7 Genetica Scienza che studia le cause e i modi di trasmissione da un vivente all altro dei caratteri biologici ereditari 3. Genetica molecolare (analisi dei singoli geni) 4. Genetica popolazioni (studio di polimorfismi) 5. Genetica modelli animali (studio in modelli animali) Ruolo della Genetica in Medicina MECCANISMI MOLECOLARI Studi di popolazione Test genetici Terapia genica Studi familiari Modelli animali Farmacogenetica

8 Obiettivi della ricerca genetica Comprensione dei meccanismi biologici & fisiologici alla base dell evoluzione del genoma umano identificare i geni-malattia (mal. mendeliane) ed i geni di suscettibilità (mal. complesse) identificare i meccanismi patogenetici causativi e le interazioni gene-gene e gene-ambiente diagnosi, consulenza terapia, prevenzione Autismo S. Down GENETICA MEDICA Applicazioni della genetica nella pratica medica Acondroplasia Sclerosi Laterale Amiotrofica M. Parkinson Albinismo Emofilia

9 E chiaro che praticamente tutte le malattie (con l esclusione, forse, di quelle traumatiche) hanno una componente genetica e l identificazione di queste basi biologiche è prioritaria nella medicina moderna Francis S Collins, Nature Genet 1995 Anche alcune condizioni acquisite possono avere una componente genetica che determina il loro riparo: es. traumi, fratture, ustioni, infezioni Malattie genetiche Fattori genetici Fattori ambientali Emofilia Duchenne Osteogenesi imperfetta Stenosi pilorica Lussazione dell anca Diabete Ulcera peptica Tubercolosi Fenilchetonuria Galattosemia Spina bifida Cardiopatia ischemica Spondilite anchiloisante Scorbuto Mendeliane Monofattoriali Alleli Rari Rischi alti Complesse Multifattoriali Alleli Comuni Rischi bassi Ambientali o acquisite

10 E chiaro che praticamente tutte le malattie (con l esclusione, forse, di quelle traumatiche) hanno una componente genetica e l identificazione di queste basi biologiche è prioritaria nella medicina moderna Francis S Collins, Nature Genet, 1995 Fenilchetonuria Diabete di tipo 2 (età adulta) AIDS Componente genetica Componente ambientale Interazione geni-ambiente Fattori genetici Fattori ambientali Caratteri genetici complessi Caratteri genetici semplici o monofattoriali o mendeliani Caratteri acquisiti (non genetici)

11 Interazione geni-ambiente Fattori genetici Fattori ambientali Caratteri genetici complessi Caratteri genetici semplici o monofattoriali o mendeliani Caratteri acquisiti (non genetici) Patologie infettive e genetica Resistenza all infezione da HIV Polimorfismi genetici correlati all infezione da HIV In Europa CCR5Δ32: 10%, In Africa, Asia e Oceania CCR5Δ32: 0 Allele d32 nel gene CCR5 (recettore chemochine, essenziale per l entrata di HIV nei linfociti Th): gli omozigoti sono HIV-resistenti; gli eterozigoti mostrano una carica virale più bassa e un andamento della malattia più lento Allele G801A nel gene SDF-1 (ligando del recettore CXCR4): gli omozigoti sono HIV-resistenti Persona HIVresistente Copie difettive del gene CCR5

12 Patologie ambientali e genetica Rottura di un osso Se si rompe un osso in seguito ad un evento traumatico (fattore ambientale), il suo effetto varia a seconda della costituzione genetica dell individuo. Si esprimerà con maggiori probabilità in un soggetto affetto da osteogenesi imperfetta (malattia monogenica associata a fragilità dello scheletro) o da osteoporosi (rarefazione dell osso) che non in un soggetto con struttura ossea normale Interazione geni-ambiente Fattori genetici Fattori ambientali Caratteri genetici complessi Caratteri genetici semplici o monofattoriali o mendeliani Caratteri acquisiti (non genetici)

13 Patologie ereditarie ed ambiente GALATTOSEMIA (deficit enzima galattosio-1p-uridiltransferasi) Se la diagnosi viene fatta precocemente e si eliminano il galattosio e il lattosio dalla dieta (fattore ambientale) si evitano i danni più gravi (ritardo mentale e cancro dell ovaio) dovuti all accumulo di galattosio-1p Lattosio lattasi Glucosio Non si sa perché il galattosio-1p sia tossico, ma i pazienti omozigoti non trattati presentano itterizia, cataratta e ritardo mentale con decorso progressivo e fatale Galattosio Galattosio 1-fosfato UDP-Galattosio Patologie ereditarie ed ambiente FENILCHETONURIA (PKU) (deficit enzima fenilalanina idrossilasi: PAH): Accumulo di fenilalanina nel sangue e sistema nervoso centrale Se la diagnosi viene fatta precocemente e si elimina l aminoacido fenilalanina (Phe) dalla dieta (fattore ambientale) entro il I mese di vita, si evita il ritardo mentale FENILALANINA fenilalaninidrossilasi Blocco= FENILCHETONURIA

14 Fenilchetonuria Malattia autosomica recessiva. Prevalenza di 1: Causata da mutazioni nel gene PAH che codifica per l enzima fenilalanina idrossilasi Diagnosticata in base ad elevate concentrazioni seriche di Phe (>4 mg/dl) Elevati livelli di Phe nel sangue e SNC interferiscono con il trasporto di neurotrasmettitori, determinando il danno neurologico tipico Pazienti non trattati presentano: ritardo mentale severo, microcefalia, epilessia, tremori, convulsioni, ipertonicità, eczema, ipopigmentazione, odore sgradevole della pelle Screening neonatale La normativa italiana (legge 104, 1992) sancisce l obbligo di eseguire lo screening neonatale per le malattie genetiche ereditarie a più alta incidenza: Fenilchetonuria (1: nati) Ipotiroidismo congenito (1:4.500 nati) Fibrosi cistica (1:2.000 nati) Il test di screening deve essere eseguito nei primi giorni di vita del bambino, preferibilmente tra la seconda e la quarta giornata di vita TEST DI GUTHRIE

15 Screening neonatale per fenilchetonuria La diagnosi si basa sull aumento dei livelli di fenilalanina nel plasma sanguigno Il test di Guthrie viene eseguito per legge a tutti i neonati, prelevando una goccia di sangue dal tallone del bambino, assorbita su carta assorbente. Il test si basa sul fatto che esiste un batterio (Bacillus subtilis) che cresce in presenza di fenilalanina. Il sangue del neonato viene posto a contatto con il batterio e con una sostanza, beta-2-tienilalanina, che inibisce la fenilalanina. Se nel sangue del bambino esiste un eccesso di fenilalanina si ha lo sviluppo della colonia batterica (test POSITIVO per la FENILCHETONURIA). Se i valori di fenilalanina sono normali, i batteri non si moltiplicano e il test è NEGATIVO. Screening neonatale per fenilchetonuria Pochi giorni dopo la nascita viene prelevato un campione di sangue dal tallone Il campione viene essiccato su carta da filtro (spot di Guthrie) La carta da filtro viene posta su una piastra contenente una cultura di batteri, che necessita Phe per crescere In un campione positivo èvisibile un alone di batteri in crescita intorno al campione di sangue con eccesso di Phe. In un campione negativo l alone di crescita è limitato

16 Terapia per fenilchetonuria La terapia è esclusivamente dietetica, somministrando miscele di amminoacidi privi di Phe, cui vanno aggiunti alimenti naturali per fornire la quantità di Phe necessaria, calcolata in base alla tolleranza La dieta deve essere iniziata entro il primo mese di vita e proseguita per tutta la vita per garantire uno sviluppo cognitivo normale Sindrome PKU materna Tutti i bambini nati da donne omozigoti per la PKU che durante la gravidanza seguono una dieta normale (ricca di Phe) saranno malati, indipendentemente dal loro genotipo. La sindrome sarà causata dall esposizione del feto alle elevate concentrazioni sieriche di Phe della madre (la Phe attraversa la barriera placentaria), con danni al SNC del feto. Ritardo nella crescita intra-uterina Anomalie cardiache congenite Ritardo mentale Microcefalia

17 L impatto delle malattie genetiche Il 2-3% dei neonati presenta anomalie cromosomiche o difetti di un singolo gene 50% delle sordità, cecità, e ritardi mentali infantili sono dovuti a fattori genetici 25-30% dei ricoveri ospedalieri in età pediatrica e 50% dei decessi pediatrici sono dovuti a malattie genetiche o malformazioni congenite 10% dei tumori più comuni presentano una forte componente genetica 5% degli adulti manifesteranno nel corso della loro vita una malattia nella quale i fattori genetici sono importanti Ruolo della Genetica in Medicina prevenire e/o evitare la malattia analisi finalizzate per individuare persone a rischio miglioramento della diagnosi consulenza e diagnosi prenatale terapia genica

18 Ruolo della Genetica in Medicina Identificazione del gene Diagnostica Comprensione delle basi biologiche della malattia Medicina preventiva Terapia farmacologica Terapia genica Malattie a componente genetica Cromosomiche Monogeniche numeriche strutturali autosomiche legate al sesso Tumorali Infettive Geniche ad eredità non mendeliana Geniche ad eredità citoplasmatica da espansione da imprinting Multifattoriali o complesse Genomiche mitocondriali Malattia Genetica non sempre è Malattia Congenita

19 Malattie cromosomiche generalmente NON sono ereditarie il difetto coinvolge regioni genomiche estese acquisto o perdita di un intero cromosoma o parti di esso manifestazioni cliniche gravi 1% dei nati vivi, 1% ricoveri pediatrici, 2.5% morti infantili aborti spontanei (15% delle gravidanze riconosciute): il 50% è dovuto ad anomalie cromosomiche Malattie monogeniche (mendeliane) mutazioni a carico di un singolo gene (DNA nucleare) più di 4000 malattie monogeniche trasmesse con modalità autosomica dominante, recessiva o legata al sesso 5-10% ricoveri pediatrici e morti infantili

20 Malattie monogeniche più frequenti Autosomiche dominanti Ipercolesterolemia familiare 1/500 Rene policistico 1/1000 Retinite pigmentosa 1/4000 Neirofibromatosi tipo I 1/5000 Distrofia miotonica* 1/8000 Autosomiche recessive Emocromatosi 1/350 Fibrosi cistica 1/2500 Deficiti di α1-at 1/3500 Fenilchetonuria 1/ Atrofia muscolare spinale 1/ Beta talassemia 1/ Legate al cromosoma X maschi femmine Emofilia A 1/500 rara Ittiosi 1/600 rara Sindrome X fragile* 1/1500 1/2500 Distrofia muscolare Duchenne* 1/3500 rara Malattie non mendeliane (mitocondriali) Science 5 marzo 1999 Diverse malattie mitocondriali Eredità matrilineare (citoplasmatica) Correlate a disturbi della trasformazione energetica Colpiti organi ad alto consumo energetico (muscolo, cuore, cervello, fegato, reni) Genoma mitocondriale utilizzato per studi evolutivi

21 Malattie multifattoriali Sono malattie comuni dell età adulta (ipertensione, diabete, coronopatie, schizofrenia, ) eziologia sconosciuta ricorrenza in famiglie poligeniche: effetto additivo di molti geni, responsabili della predisposizione ad una malattia interazioni geni-ambiente (eredità non mendeliana) impatto clinico importante dal periodo neonatale all età adulta Età di comparsa di malattie genetiche NUMERO INDIVIDUI AFFETTI MALATTIE CROMOSOMICHE MALATTIE MONOGENICHE (MENDELIANE) MALATTIE MULTIFATTORIALI NASCITA PUBERTA ETA ADULTA

22 Età di comparsa di malattie genetiche Età letale durante la vita prenatale prima della nascita subito dopo la nascita durante il primo anno alla pubertà dopo la pubertà età variabile Malattia aberrazioni cromosomiche alcune gravi malformazioni malformazioni congenite aberrazioni cromosomiche fenilchetonuria fibrosi cistica distrofia m. di Duchenne distrofia m. dei cingoli porfiria intermittente acuta glaucoma ereditario diabete mellito (0-80 anni) m. di Huntington (15-65 aa) malattia genetica malattia congenita Alcuni rischi nella vita di ogni persona Aborto spontaneo 1:6 Nati mortalità 1:150 Morte perinatale 1:50-1:100 Malformazione congenita 1:33 Ritardo mentale/handicap fisico 1:50 Cardiopatie congenite 1:110 Anomalia cromosomica 1:150 Lussazione congenita dell'anca 1:150 Piede torto 1:200 Difetti renali 1:250 Cataratta congenita 1:250 Difetti congeniti agli arti 1:500 Sordità congenita 1:1000 Labiopalatoschisi 1:1000 Ritardo mentale in età scolare 1:300 Infertilità di coppia 1:6 Tumore nella vita adulta 1:4

23 Siti Internet utili OMIM POSSUM (Picture of standard Syndromes and Undiagnosed Malformations)

24

25