BASI MOLECOLARI DELLE MALATTIE MONOGENICHE

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1 BASI MOLECOLARI DELLE MALATTIE MONOGENICHE Le malattie mendeliane sono causate da alterazioni che coinvolgono un singolo gene Il difetto genetico può causare: La sintesi di una proteina anomala La riduzione della sintesi della proteina L assenza della proteina L eccesso di proteina o sintesi in tessuti diversi L alterazione della maturazione proteica

2 BASI MOLECOLARI DELLE MALATTIE MONOGENICHE In base al meccanismo di azione della proteina coinvolta, le malattie mendeliane possono essere classificate: Difetti di proteine enzimatiche Con accumulo di substrato Con difetto di prodotto

3 BASI MOLECOLARI DELLE MALATTIE MONOGENICHE In base al meccanismo di azione della proteina coinvolta, le malattie mendeliane possono essere classificate: Difetti di recettori e trasportatori di membrana Con ridotta/assente funzione recettoriale Con aumentata attività postrecettoriale Con ridotta attività di trasporto intracellulare

4 BASI MOLECOLARI DELLE MALATTIE MONOGENICHE In base al meccanismo di azione della proteina coinvolta, le malattie mendeliane possono essere classificate: Alterazioni della struttura, quantità e/o funzione di proteine non enzimatiche Difetti di trasporto plasmatico (talassemie) Difetti strutturali (distrofie muscolari) Difetti sull'emostasi (emofilia)

5 BASI MOLECOLARI DELLE MALATTIE MONOGENICHE In base al meccanismo di azione della proteina coinvolta, le malattie mendeliane possono essere classificate: Alterazioni enzimatiche con alterata tolleranza ai farmaci Difetto di G6PD

6 MALATTIE ASSOCIATE A DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Sindrome di Marfan Malattia genetica che colpisce il tessuto connettivo, cioè il tessuto che costituisce l impalcatura del corpo, importante per la struttura e la funzione di quasi tutti i tessuti dell organismo Autosomica dominante Incidenza 1 su Espressione estremamente variabile a causa di molte mutazioni diverse

7 MALATTIE ASSOCIATE A DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Sindrome di Marfan Dovuta ad un difetto della fibrillina,, componente della matrice extracellulare con conseguente alterazione delle fibre elastiche La fibrillina-1 è una glicoproteina che costituisce una componente importante delle fibre elastiche presenti nel tessuto connettivo. Le mutazioni sono numerose: a tutt oggi sono note circa 500 diverse mutazioni del gene FBN1 e questo rende particolarmente difficile effettuare una diagnosi genetica per identificare la presenza di una mutazione.

8 MALATTIE ASSOCIATE A DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Sindrome di Marfan Il paziente si presenta con: Alta statura Dolicocefalia Estremità molto allungate Dita delle mani e dei piedi affusolate

9 MALATTIE ASSOCIATE A DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Sindrome di Marfan La parte inferiore del corpo è eccessivamente allungata rispetto al tronco Il torace è deformato in maniera caratteristica (pectus excavatum) La lassità dei legamenti è molto pronunciata (il pollice può essere iperesteso fino al polso)

10 MALATTIE ASSOCIATE A DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Sindrome di Marfan Disturbi Cardiovascolari: Il problema maggiore è costituito dalla dilatazione dell aorta. La dilatazione dell aorta avviene progressivamente nel tempo e può passare inosservata anche per molti anni, perché può essere asintomatica Quando le pareti dell aorta si allargano (aneurisma aortico), c èc il rischio di rottura, un evento pericoloso che deve essere prevenuto con frequenti controlli cardiologici (ecocardiogramma)) ed opportuni interventi chirurgici preventivi.

11 MALATTIE ASSOCIATE A DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Sindrome di Marfan Disturbi dell apparato Sceletrico: I soggetti affetti hanno un aspetto longilineo, con arti e mani lunghe e sottili. Le articolazioni sono lasse,, con frequenti lussazioni. Spesso è presente piede piatto. Si possono avere anche deformità della gabbia toracica come il petto carenato e il petto escavato,, e problemi alla spina dorsale come scoliosi e lordosi di gravità variabile.

12 MALATTIE ASSOCIATE A DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Sindrome di Marfan Un altro difetto frequente è la miopia con la LUSSAZIONE DEL CRISTALLINO : In alcuni casi si può verificare anche il rischio di distacco della retina

13 MALATTIE ASSOCIATE A DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Sindrome di Marfan Possono comparire con l'età: Cifosi Scoliosi Scivolamenti vertebrali Esempio famoso: Abraham Lincoln

14 Il Collageno PROTEINE STRUTTURALI L unità costitutiva è il tropocollageno (( 300 kda): formato dall unione di 3 catene polipeptidiche avvolte in una tripla elica destrorsa molto stretta di 300 x 1,5 nm (elica del collagene) molto resistente alla trazione ma non elastica (cime delle navi!) La struttura primaria di una singola catena è costituita da 330 motivi Gly-X-Y Y dove circa 100 residui X sono Pro/Lys e 100 residui Y sono 4-OH- Pro o 5-OH5 OH-Lys

15 Il Collageno PROTEINE STRUTTURALI La singola catena ha una struttura secondaria ad elica sinistrorsa stabilizzata da ponti idrogeno con un passo di 3 residui per giro (non è un alpha elica né un foglietto beta) Le 3 eliche sinistrorse sono avvolte una sull altra a formare l elica l destrorsa del tropocollageno stabilizzata sia da legami deboli (ponti idrogeno) che covalenti

16 PROTEINE STRUTTURALI Il Collageno La polimerizzazione spontanea (extracellulare!) del tropocollageno forma le fibrille collagene. La periodicità dell allineamento genera striature di 64 nm

17 Il Collageno PROTEINE STRUTTURALI Durante la sintesi del collageno, specifici residui di Pro e Lys sono idrossilati nel Golgi a 4-OH 4 Pro e 5-OH Lys Questi residui sono importanti per formazione ponti idrogeno intra- e inter-molecolari quindi per la stabilizzazione della tripla elica e per la secrezione nello spazio extracellulare

18 Il Collageno PROTEINE STRUTTURALI Prolil- e lisil-idrossilasi idrossilasi sono diossigenasi: Trasferiscono entrambi gli atomi di O 2 su 2 diverse molecole Contengono Fe 2 L ascorbato mantiene l ossigeno l in forma ridotta Sono sito-specifiche specifiche Inoltre avviene la deaminazione ossidativa di ε-nh 2 di Lys e HO-Lys a CHO (allolisina) da parte di lisil ossidasi (contiene Cu 2+ )

19 PROTEINE STRUTTURALI Il Collageno Infine, durante l assemblaggio l delle fibrille di collageno, avviene la condensazione aldolica (non enzimatica) tra due allolisine e/o la formazione di una base di Schiff tra CHO e NH 2 di allolys e Lys tra catene diverse (responsabili dei cross-links covalenti intra- e inter- molecolari)

20 DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Malattie del Collageno Acquisite: scorbuto (deficit vitamina C) Congenite (autosomiche dominanti): sindrome di Ehlers Danlos osteogenesi imperfetta

21 DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Sindromi di Ehlers-Danlos Gruppo di malattie genetiche eterogenee (clinicamente e geneticamente) dovute ad alterazione della sintesi del collageno Descritte 10 varianti poi riunite in 6 gruppi con ereditarietà mendeliana diversa.

22 DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Sindromi di Ehlers-Danlos Ereditarietà,, sintomatologia ed organi coinvolti estremamente variabili in funzione del tipo di collagene coinvolto (14 tipi, geneticamente diversi) Caratteristiche comuni alle varie sindromi: Pelle iperestensibile, fragile, sensibile ai traumi Articolazioni estremamente mobili Coinvolgimento degli organi interni con ernia diaframmatica Aneurismi e rotture delle grandi arterie Rottura della cornea

23 DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Iperlassità di legamenti; ipermobilità articolare; aneurismi aortici; emorragie interne (intestino, utero)

24 Sindrome di Ehlers-Danlos: Tipo VI E la forma più comune di EDS Ereditatà di tipo autosomico recessivo E causata dal difetto dell'enzima Lisina Idrossilasi Questo enzima è responsabile della modifica delle lisine che costituiranno i legami crociati nel collagene maturo e che conferiscono rigidità e stabilità alla molecola

25 Sindrome di Ehlers-Danlos: Tipo IV E causata da alterazione del collagene tipo III E geneticamente eterogenea Esistono almeno tre tipi di mutazioni del gene proα1 del collagene Esse determinano a carico del collagene tipo III: Ridotta produzione Ridotta secrezione Alterata struttura (con modalità principalmente autosomica dominante)

26 Sindrome di Ehlers-Danlos: Tipo IV Coinvolge principalmente gli organi interni e risparmia la cute e le ossa: Rottura del colon Aneurismi Rotture delle grandi arterie

27 Sindrome di Ehlers-Danlos: Tipo VII E causata da alterazione del collagene tipo I Ereditarietà di tipo autosomica dominante Coinvolge principalmente la cute le ossa e i tendini: Lussazioni Fratture Cute fragile

28 Sindrome di Ehlers-Danlos: Tipo IX E causata da alterazione del metabolismo del rame Il rame è abbondante all'interno delle cellule dei pazienti ma i livelli plasmatici di rame e ceruloplasmina sono bassi Ereditarietà di tipo recessivo legata al cromosoma X

29 Sindrome di Ehlers-Danlos: Tipo IX Il l difetto di rame extracellulare determina la riduzione dell attivit attività enzimatica responsabile della formazione dei legami crociati tra le lisine idrossilate nella molecola del collagene L enzima è la lisil ossidasi Il danno coinvolge tutti i tipi di collagene Ha sintomatologia simile alla EDS di tipo VI

30 Sindrome di Ehlers-Danlos: Tipo VII Difetto di Procollageno Aminopeptidasi Quindi: Mancata rimozione peptidi NH 2 -terminali catene α Mancata polimerizzazione del tropocollageno in fibrille (collageno tipo I) Sintomatologia: iperlassità dei legamenti e delle articolazioni lussazioni articolari (anca!)

31 DIFETTI DELLE PROTEINE Osteogenesi Imperfetta STRUTTURALI Almeno 4 tipi con diversa patogenesi e gravità dei sintomi tutte a trasmissione Autosomica Dominante Hanno in comune la ridotta sintesi di collagene tipo I (mutazione nei geni Col 1 A1 e Col 1 A2) Tipo I è meno grave: fratture osse in età pediatrica Tipo II è più grave: gravi deformazioni ossee insufficienza respiratoria morte pre- o post-natale

32 OSTEOGENESI IMPERFETTA Deformità ossee Deficit dell accrescimento Fratture multiple spontanee Sordità Dentinogenesi difettosa

33 MALATTIE ASSOCIATE A DIFETTI DELLE PROTEINE STRUTTURALI Sindrome di Marfan Malattia del connettivo associata ad alterazioni scheletriche, oculari e cardiovascolari Autosomica dominante Incidenza 1 su Espressione estremamente variabile a causa di molte mutazioni diverse

34 Glicogenosi MALATTIE DA ACCUMULO DI GLICOGENO Sono malattie nelle quali le cellule accumulano glicogeno per incapacità di mobilizzarlo Sono dovute a deficienze enzimatiche geneticamente determinate Sono trasmesse, di solito, con meccanismo autosomico recessivo

35 STRUTTURA DEL GLICOGENO Il glicogeno è un omopolimero ramificato del glucosio con legami α- (1,4) e ramificazioni con legame α-(1,6) presenti ogni 8-10 residui.. Il glicogeno ha una struttura molto compatta derivante dall'avvolgimento a spirale delle catene polisaccaridiche

36 METABOLISMO DEL GLICOGENO

37 Glicogenosi MALATTIE DA ACCUMULO DI GLICOGENO Gli organi colpiti sono essenzialmente quelli in cui il metabolismo del glicogeno è particolarmente attivo: Fegato Muscolo (incluso il cuore) Rene

38 METABOLISMO DEL GLICOGENO NEL FEGATO E NEL MUSCOLO In condizioni normali il fegato accumula glicogeno per liberare glucosio quando le richieste periferiche aumentano Nel muscolo scheletrico il glicogeno viene usato per produrre glucosio rapidamente utilizzabile durante lo sforzo SCHELETRICO

39 METABOLISMO DEL GLICOGENO NEL FEGATO E NEL MUSCOLO SCHELETRICO Quando mancano gli enzimi epatici coinvolti nel metabolismo del glicogeno si va incontro ad epatomegalia ed ipoglicemia

40 METABOLISMO DEL GLICOGENO NEL FEGATO E NEL MUSCOLO SCHELETRICO Quando mancano gli enzimi muscolari coinvolti nel metabolismo del glicogeno si va incontro ad crampi, affaticabilità e mancato aumento dei livelli di lattato sotto sforzo

41 Glicogenosi MALATTIE DA ACCUMULO DI GLICOGENO La classificazione è basata essenzialmente sui difetti enzimatici coinvolti Questi difetti enzimatici, seppur diversi, possono portare a malattie difficilmente distinguibili sul piano clinico Infatti essi colpiscono lo stesso tessuto e la stessa via metabolica

42 Glicogenosi I FORME EPATICHE DI GLICOGENOSI difetto glucoso-6-fosfatasi Glicogenosi III difetto amilo-1,6-glucosidasi (enzima deramificante) Glicogenosi IV difetto 1,4-1,6 transglucosidasi (enzima ramificante) Glicogenosi VI difetto fosforilasi Glicogenosi IX difetto fosforilasi chinasi

43 Glicogenosi II FORME MUSCOLARI DI GLICOGENOSI difetto maltasi acida lisosomiale Glicogenosi V difetto di miofosforilasi Glicogenosi VII difetto fosfofruttochinasi

44 EREDITARIETA Sono trasmesse con modalità autosomica recessiva Glicogenosi I, II, III, IV, V, VI, VII E trasmessa con modalità autosomica dominante Glicogenosi IX E trasmessa come carattere X-linked Glicogenosi X

45 INCIDENZA Le Glicogenosi hanno un'incidenza complessiva di 1 ogni nati Le Glicogenosi I e III sono le più frequenti tra le glicogenosi epatiche Rara è la Glicogenosi IV La Glicogenosi II, in particolare la forma infantile grave (Malattia di Pompe), è la più comune tra le glicogenosi muscolari

46 Forme epatiche- Glicogenosi Tipo I E dovuta al difetto dell'enzima glucosio-6-fosfatasi (G-6-fosfatasi) presente nel fegato e in piccole quantità nel rene, nella mucosa intestinale e nel pancreas. Il difetto della G-6-fosfatasi non consente di liberare il glucosio dal glicogeno né consente la produzione di glucosio da altre fonti (neoglucogenesi). La tolleranza al digiuno è variabile a seconda dei soggetti e dell'età (è accentuata nei primi anni di vita e migliora successivamente).

47 Forme epatiche- Glicogenosi Tipo I Il soggetto affetto si abitua a tollerare l'ipoglicemia per cui può essere asintomatico anche in presenza di valori di glicemia molto bassi (20-40 mg%) Il glicogeno non utilizzato si accumula nel fegato (epatomegalia) e nei reni (nefromegalia). Gli altri sintomi clinici, in particolare il difetto di crescita, sono conseguenti modificazioni metaboliche che l'organismo mette in atto nel tentativo di controllare autonomamente l'ipoglicemia.

48 Forme epatiche- Glicogenosi Tipo III E dovuta al difetto dell enzima amilo-1,6-glucosidasi chiamato anche enzima deramificante in quanto libera il glucosio dalle catene laterali del glicogeno. Il difetto dell enzima deramificante può essere presente nel fegato e nei muscoli per cui si distinguono due sottotipi di glicogenosi III: III-a caratterizzata da difetto enzimatico nel fegato e nel muscolo III-b caratterizzata da difetto enzimatico limitato al muscolo

49 Forme epatiche- Glicogenosi Tipo III La maggior parte dei pazienti è affetta da tipo III-a con interessamento epatico e muscolare. In questi soggetti l epatomegalia e l ipoglicemia a digiuno si riducono con l età I sintomi muscolari sono lievi nell infanzia ma progrediscono oltre l adolescenza Questi (debolezza, difficoltà a salire le scale e a correre) arrivano a compromettere notevolmente le possibilità motorie in età adulta

50 Forme epatiche- Glicogenosi Tipo IV E dovuta a difetto dell amilo-1,4-1,6- tranglucosidasi o enzima ramificante Determina l accumulo generalizzato di glicogeno con struttura anomala in quanto manca delle catene laterali. L accumulo di glicogeno anomalo nel fegato induce un danno progressivo fino alla cirrosi

51 Forme epatiche- Glicogenosi Tipo VI E dovuta a difetto della fosforilasi epatica, il cui gene è situato nel cromosoma 14 E una condizione benigna e spesso non riconosciuta

52 Forme epatiche- Glicogenosi Tipo IX E dovuta a difetto della fosforilasichinasi il cui gene è situato sul cromosoma x E una glicogenosi epatica a decorso favorevole I maschi affetti presentano, durante l età infantile: addome globoso, ritardo di crescita, aumento di colesterolo, transaminasi e trigliceridi, acetone a digiuno e modesta ipoglicemia Queste alterazioni scompaiono con l età e gli adulti sono asintomatici

53 Forme Muscolari- Glicogenosi Tipo II E dovuta al difetto della α-glucosidasi o maltasi acida il cui gene è situato sul cromosoma 17 E caratterizzata da accumulo lisosomiale di glicogeno Nella forma più grave, nota con il termine di malattia di Pompe, l accumulo intralisosomiale di glicogeno non è limitata al muscolo scheletrico ma è generalizzato

54 Forme Muscolari- Glicogenosi Tipo II Nel corso del primo anno di vita i pazienti affetti dalla malattia di Pompe presentano ipotonia muscolare e cardiomegalia (ingrandimento del cuore) Il decorso è rapidamente progressivo e la morte interviene in genere entro il primo anno di vita per insufficienza cardiaca

55 Forme Muscolari- Glicogenosi Tipo II Esistono altre forme di glicogenosi II caratterizzate da un accumulo di glicogeno limitato alla muscolatura scheletrica Queste forme sono chiamate glicogenosi "tardo-infantile" o "giovanile" o "adulta" a seconda dell età di inizio dei sintomi Queste forme muscolari hanno un decorso lentamente progressivo e raramente si accompagnano ad interessamento cardiaco

56 Forme Muscolari- Glicogenosi Tipo V E dovuta a difetto della fosforilasi muscolare (malattia di Mc Ardle) In questi pazienti è bloccata la glicogenolisi muscolare Di conseguenza: Il glicogeno si accumola nelle fibre muscolari Il muscolo è incapace di far fronte alla richiesta energetica per uno sforzo intenso e di breve durata

57 Forme Muscolari- Glicogenosi Tipo V In corrispondenza di un esercizio muscolare acuto compaiono: Crampi Dolore muscolare Mioglobinuria (urine scure per la presenza di mioglobina) Il quadro clinico è variabile con casi pressoché asintomatici ed altri caratterizzati da imponente debolezza muscolare

58 Forme Muscolari- Glicogenosi Tipo VII E dovuta a difetto della fosfofruttochinasi muscolare il cui gene è situato sul cromosoma 1 La sintomatologia più frequente è dominata da crampi muscolari e mioglobinuria in occasione di sforzo muscolare Possono manifestarsi nausea e vomito che sono particolarmente evidenti dopo un pasto ricco di carboidrati