Il LATTE contiene uno zucchero: il Lattosio Il Lattosio un disaccaride composta da glucosio e galattosio La lattasi (lattasi-florizina idrolisi (LPH

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1 Il LATTE contiene uno zucchero: il Lattosio Il Lattosio un disaccaride composta da glucosio e galattosio La lattasi (lattasi-florizina idrolisi (LPH ) idrolizza il lattosio nelle sue componenti più semplici

2 In humans, the activities of lactase and most of the other digestive hydrolases are maximal at birth. The majority of the world's human population experiences a decline in production of the digestive enzyme lactase during maturation. Due to the reduced lactase level, lactose present in dairy products cannot be digested in the small intestine and instead is fermented by bacteria in the distal ileum and colon. The fermentative products result in symptoms of diarrhea, gas bloat, flatulence,and abdominal pain. However, in a minority of adults, high levels of lactase activity persist in adulthood. Lactase persistence is a heritable autosomal dominant condition that results in a sustained ability to digest the milk sugar lactose throughout adulthood

3 2 fenotipi: Persistenza alla lattasi: grazie ad una mutazione genetica gli individui mantengono la capacità di digerire il lattosio anche in età adulta Ipolattasia (non persistenza): l espressione dell enzima decresce dopo lo svezzamento e l assunzione di latte determina sintomi intestinali quali nausea, crampi, diarrea, ecc.

4 Complessivamente circa il 75% della popolazione mondiale perdono l attività enzimatica della lattasi dopo lo svezzamento La frequenza della persistenza alla lattasi varia notevolmente tra le popolazioni umane. In Europa, maggiore frequenza di persistenza della lattasi tra le popolazioni nord-occidentali, dove l economia pastorale si è sviluppata precocemente. In Italia: dati discordanti: alcuni studi mostrano un incremento della frequenza della persistenza della lattasi da nord verso sud, mentre altri lavori discordano con questa ipotesi, riportando valori discontinui lungo la penisola.

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6 Lactose tolerance, as evaluated by physiological tests, presents high frequency variability in human populations: Tolerance Intolerance High frequencies in Northern-Europeans Higher frequencies in African pastoralists than in neighbor non-pastoralist populations

7 Diagnosi La non persistenza della lattasi, o ipolattasia, è generalmente diagnosticata tramite biopsia intestinale o test fisiologici meno invasivi, quali la misura del tasso di glucosio nel sangue o di galattosio nelle urine, effettuata dopo l assunzione di una dose standard di lattosio. Analisi delle feci Breath test

8 LE DIVERSE FORME D INTOLLERANZA AL LATTOSIO Intolleranza al lattosio: sindrome caratterizzata dalla presenza di uno o più dei seguenti sintomi: dolori addominali, diarrea, nausea, flatulenza, gonfiore di stomaco conseguente all assunzione di lattosio o di sostanze che contengono lattosio come ad esempio gli alimenti preparati con latte in polvere. La dose di lattosio che causa i sintomi suddetti è variabile da individuo ad individuo Malassorbimento del lattosio: sbilanciamento tra la dose ingerita e la capacità di idrolizzare il lattosio (diarree osmotiche) Intolleranza secondaria al lattosio: conseguenza di una patologia che determina lesioni all intestino tenue con conseguente danno enzimatico (gastroenterite, morbo di Crohn, celiachia, colite ulcerativa, sindrome del colon irritabile, radiazioni, deficit immunologici)

9 Intolleranza al lattosio nell adulto (OMIM : online mendelian inheritance in man) Altre condizioni genetiche di intolleranza al lattosio: Deficienza congenita di lattasi OMIM (totale assenza di lattasi fin dalla nascita, rara, Finlandia) mancata attività della lattasi causata da un mrna non-senso, si manifesta non appena il neonato viene nutrito con il latte. Il deficit di elementi nutritivi determina un ritardo nella crescita, con disidratazione e rapida insorgenza di alcalosi Intolleranza neonatale al lattosio OMIM (produzione di lattasi normale, problemi di assorbimento gastrico del lattosio, si risolve con l età)

10 La tolleranza al lattosio è un tratto sotto selezione?

11 A A) Distribuzione del fenotipo tollerante al lattosio B B) Localizzazione dei siti Neolitici che mostrano presenza di attività di allevamento di bovini Beja-Pereira et al., 2003

12 Prima ipotesi: La mutazione si sarebbe verificata nelle popolazioni dedite alla pastorizia all inizio del neolitico, circa anni fa. Essendo il gene mutante un gene dominante e ipotizzato che esso abbia conferito un vantaggio riproduttivo di circa il 5%, si stima che tale tratto sia divenuto predominante in un periodo di circa 7000 anni (350 generazioni).

13 2 ipotesi: Le popolazioni umane del passato erano già differenziate per il polimorfismo della persistenza alla lattasi, prima dello sviluppo della pastorizia e la presenza della persistenza alla lattasi ha determinato la pratica del consumo e della produzione del latte.

14 Evoluzione della tolleranza al Cultural-historical Simoons 1969 Adozione della pastorizia lattosio * Reverse cause Bayless 1971 Insorgenza della mutazione * Insorgenza della mutazione Adozione della pastorizia * * * * * * * : LP individual Aumento in frequenza della mutazione dovuta alla selezione naturale Aumento in frequenza della mutazione dovuta alla selezione naturale

15 SELECTIVE ADVANTAGES Nutrient value of milk Water content (desertic and arid regions) Improved calcium absorption (North Europe) and also high content of riboflavin in the milk

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17 Arid climate hypothesis Cook & al-torki 1975 Milk as a source of food and clean, uncontamin ated fluid in desertic climate Calcium absorption hypothesis Flatz & Rotthauwe 1973 Milk as source of calcium for reducing risk of rickets in high latitudes were low light levels occure

18 Il gene: LCT 2q21 Sono state identificate 2 varianti genetiche localizzate bp e bp a monte del gene umano della lattasi, che risultano associate con la persistenza/non persistenza ereditaria della lattasi. Entrambe le varianti sono dovute a sostituzioni di un singolo nucleotide (SNPs). ( C>T e G>A)

19 Molecular basis for lactose tolerance D2S3010 D2S3013 D2S3015 D2S3016 LCT C/T G/A The T allele of a C/T polymorphism located in a potential regulatory site 13.9 kb upstream the lactase gene (- 13.9kb*T allele) was found to be completely associated with lactase persistence in Northern Europeans. Its frequency matches the frequency of the lactose persistent allele expected from physiological tests. A new diagnostic tolerance test. The A allele of the G/A polymorphism is highly, but not completely associated in the same populations Enattah et al., 2003

20 Distribuzione dell allele T Itan et al. 2009

21 Distribuzione dell allele T Nord Ovest Sud Est Itan et al. 2009

22 I 2 polimorfismi sono da considerare come una predisposizione genetica all intolleranza al lattosio la cui sintomatologia insorge quando sono presenti altri fattori tra i quali una notevole importanza riveste la flora batterica intestinale E possibile infatti che la deficienza dell attività della lattasi sia compensata dall azione della flora batterica, che si estrinseca attraverso il metabolismo dei batteri appartenenti al genere lactobacillus, i quali sono in grado di metabolizzare il lattosio

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24 Analisi DNA antico E stata riscontrata assenza della mutazione nelle popolazioni del Mesolitico ( anni fa), nelle popolazioni del Neolitico la frequenza non è superiore allo 0,17% Anche per il marcatore G>A, tutti i campioni meso e neolitici erano GG, l unico campione eterozigote era del Medioevo Compatibile anche con l ipotesi che la mutazione fosse presente a frequenze apprezzabili nel tardo neolitico o nel preneolitico

25 IPOTESI EVOLUTIVA (Bersaglieri T. et al., Am J Hum Genet 74: , 2004) Genetic signatures of strong recent positive selection at the lactase gene Nelle popolazioni nord europee l allele T strettamente associato a persistenza della lattasi è compreso in un blocco aplotipico con frequenza elevata (0.77) e inusualmente lungo (>1 Mb). selezione recente e forte, avvenuta negli ultimi anni (con l introduzione della pastorizia/allevamento) vantaggio nutrizionale derivante dai latticini importante per sopravvivenza nel Nord Europa

26 Da dove si è originato l allele *T? La distribuzione delle frequenze alleliche suggerisce un origine europea nord occidentale

27 Un recente screening su base molecolare della distribuzione della tolleranza al lattosio in Italia (utilizzando i marcatori biallelici C>T e G>A) ha permesso la tipizzazione di molti campioni italiani in modo non invasivo Risultati: confermato la presenza di un cline decrescente di tolleranza lungo la penisola (come nel resto d Europa) >tolleranza -tolleranza

28 I 2 marcatori biallelici C>T e G>A possono essere tipizzati mediante PCR e tramite analisi di restrizione. Per la digestione enzimatica si utilizzano rispettivamente gli enzimi Faq/Fin e HhaI Prodotti della digestione: Digestione con Faq/Fin T/T (++) omozigote per la mutazione T/C eterozigote C/C (--) omozigote senza mutazione Digestione con HhaI G/G (++) omozigote senza mutazione G/A eterozigote A/A (--) omozigote per la mutazione

29 Studio condotto in Sardegna Confronto tra Cabras e Scano Montiferro Scano Montiferro Cabras *T 13910*C

30 Scano Montiferro Cabras *G 22018*A Differenza statisticamente significativa

31 La persistenza della lattasi: un esempio di adattamento convergente Tolleranza al lattosio (dato fisiologico) Frequenza dell allele T-13910

32 La persistenza della lattasi: un esempio di adattamento convergente Physiological tests Molecular tests 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,

33 CONVERGENZA ADATTATIVA Diversi genotipi che determinano lo stesso fenotipo o fenotipi molto simili vengono selezionati positivamente in popolazioni diverse per conferire lo stesso vantaggio. Popolazioni Africane dedite alla pastorizia mostrano alta frequenza di lattasi persistenza nell adulto. Il fenotipo è determinato da alleli diversi da quello Europeo: Europa C/T Africa (Nilo) G/C Africa (Beja,Kenia) C/G Le diverse varianti sono comparse casualmente non più di anni fa e sono state selezionate positivamente fino a raggiungere frequenze elevate nelle varie popolazioni -> EVOLUZIONE CONVERGENTE