Patologie da mutazioni dinamiche
Mutazioni dinamiche mutazioni progressive, nei tessuti e nelle generazioni, di ripetizioni instabili Alleli normali Pre-mutazioni Mutazioni Le alterazioni fenotipiche (patologia) si manifestano al di là di un valore soglia
DNA ripetuto stabile ad ogni replicazione e tra generazioni Perché allora alcuni alleli tendono ad espandersi? Forse elementi in cis favoriscono l espansione
Come si formano le ripetizioni?
INSTABILITÀMITOTICA presenza di espansioni di grandezze differenti all interno dello stesso tessuto e tra tessuti diversi (mosaicismo tissutale) INSTABILITÀ MEIOTICA trasmissione alle generazioni successive di una espansione di diversa ampiezza. E alla base del meccanismo dell anticipazione genetica.
Anticipazione genetica La malattia esordisce più precocemente da una generazione alla successiva La severità della malattia aumenta da una generazione alla successiva 50 anni 30 anni 10 anni
Malattie da espansione di triplette
Patologie da espansione di triplette ripetizioni consecutive, in numero variabile e quindi polimorfe, di sequenze uguali Causano in genere disordini neurologici (malattie neurologiche, neurodegenerative e neuromuscolari) Tendenza al rapporto lineare fra numero di numero di ripetizioni e gravita del quadro clinico Si possono accompagnare ad anomalie citogenetiche (sito fragile) Espansione preferenziale nelle trasmissioni materne (sindrome dell X-fragile fragile, distrofia muscolare miotonica) o paterne (corea di Huntington) Spesso associate al fenomeno dell anticipazione genetica anticipazione genetica (= esordio piu precoce da una generazione alla successiva e spesso aggravamento dei sintomi) inspiegabili dalla genetica classica e spiegati solo negli ultimi anni con la genetica dinamica
Perché un aumento nel numero delle sequenze ripetute causa una patologia? esistono differenti meccanismi molecolari Espansioni in regioni codificantidel gene es. corea di Huntington Espansioni in regioni non codificanti del gene es. sindrome dell X-fragile fragilee distrofia miotonica di tipo 1 e 2
Malattia di Martin Bell o sindrome dell X-fragile E la seconda causa di ritardo mentale di natura genetica dopo la sindrome di Down. Si associa ad anomalie citologiche (sito fragile) Frequenza: 1/4000 maschi; 1/6000 femmine Fenotipo: - ritardo mentale grave - faccia allungata con mandibola larga - grandi orecchie a sventola - testicoli ingrossati (macro-orchidismo)
Alterazione responsabile della malattia: Espansione della tripletta CGG nella 5 UTR del gene FMR-1 che ne determina il silenziamento genico (malattia da perdita di funzione) e la mancata produzione della proteina FRMP (fragile X-mental retardation protein). Fenotipo normale: <50 repeats Fenotipo premutato: 55-200 repeats Fenotipo malato: >200 repeats Xq27.3) FMRP è una proteina legante gli RNA (RNA-binding protein) espressa soprattutto nei testicoli e nel cervello, i tessuti più colpiti dalla sindrome. FMRP si associa ad RNA messaggeri codificanti importanti proteine neuronali, e ne regola alcuni aspetti essenziali, quali il trasportolungo i dendriti verso le sinapsi e la traduzionein proteine.
Genetica: Espansione preferenziale nelle trasmissioni materne. DURANTE L OOGENESI PRE-MUTAZIONE amplificazione MUTAZIONE COMPLETA Patologia X-linked % maschi affetti piùalta no prodotto genico % femmine affette piùbassa dipende da quale cromosoma X èinattivato
La tendenza all espansione della sequenza ripetuta CGG si verifica solo quando la premutazione è trasmessa dalla madre: pertanto, poichè durante la maturazione dell'ovulo materno o nelle prime fasi della crescita embrionale, la premutazione può espandersi a mutazione completa, una madre portatrice sana avrà il rischio del 50% di avere dei figli maschi affetti e del 50% di avere delle femmine con la mutazione completametàdelle quali presenterài sintomi della malattia
Quando la premutazione è trasmessa dal padre rimane stabile quindi le figlie femmine riceveranno la premutazione senza che avvengano variazioni nel numero delle triplette CGG. I figli maschi, invece, ricevono dal padre il cromosoma Y pertanto non sono a rischio di ereditare la premutazione.
NB: La mutazione patologica (definita full mutation),, corrisponde all allele allele con > 200 triplette metilate Casi particolari (rari): Mosaicismo di lunghezza (normale/premutato premutato; premutato/mutato; normale/mutato) fenotipo variabile Mosaicismo di metilazione (alleli con > 200 triplette metilati e non metilati) fenotipo variabile 1% dei pazienti non presenta espansione di triplette ma mutazioni puntiformi o delezione del gene
Albero genealogico di famiglia con FRAX I II III Fenotipo malato: >200 repeats
Distrofia muscolare miotonica di tipo 1 o Malattia di Steinert Caratteristiche: patologia ad andamento progressivo caratterizzata da miotonia e distrofia muscolare. Presente in forma lieve (dell adulto), in forma classica (esordio in età adulta o giovanile) ed una forma congenita(presente alla nascita) Frequenza: 1/8000 Genetica: trasmissione autosomica dominante a penetranza incompleta. Espansioni trasmesse per via materna. Gene responsabile: l espansione riguarda la tripletta CTG e si trova nella regione 3 UTR del gene DMPK che mappa sul cromosoma 19 e codifica per la proteina miotoninaprotein-chinasi(mt-pk): alleli normali: 5-35 repeats alleli premutati: 36-49 repeats classe E1: 50-150 repeats classe E2: 150-1000 repeats classe E3: >1000 repeats
Distrofia muscolare miotonica di tipo 2 o PROMM Caratteristiche: miopatia miotonica prossimale, indistinguibile a livello clinico dalla DMM Tipo 1. Non è mai presente una forma congenita. Clinicamente più lieve. Frequenza: 1/50.000 circa Genetica: trasmissione autosomicadominante Gene responsabile: la patologia è determinata da un espansione di un tetranucleotide CCTG, presente nel primo introne del gene ZNF9, che mappa in posizione 3q21.3. Espansioni trasmesse per via materna. Alleli normali: 11-26 repeats Alleli mutati: 75-11.000 repeats(media: 5.000 repeats) Malattia da guadagno di funzione
DMM1 e DMM2: patologie a RNA I trascritti contenenti l espansione formano degli aggregati resistenti alla distruzione che rimangono intrappolati nel nucleo. Questi aggregati interferiscono con altre proteine nucleari guadagno di funzione In particolare, gli aggregati ( foci ) di RNA sequestrano una classe di proteine necessarie per un corretto assemblaggio dello spliceosoma L effetto finale è l alterazione dello splicing di altri geni, con conseguente alterazione funzionale di diversi pathways(effetto in trans).
DMM1 e DMM2 sono un esempio di ETEROGENEITÀ GENETICA, cioè mutazioni in geni differenti possono produrre lo stesso fenotipo Entrambe le patologie sono dotate di grandissimo mosaicismo somatico Espansioni trasmesse per via materna
Corea di Huntington Caratteristiche: Malattia neurodegenerativa che porta alla demenza, caratterizzata da disturbi del movimento (còrea, dal greco danza) e rigidità. Esordio tardivo e decorso progressivo. Porta a morte in circa 15 anni. Frequenza: circa 1/20.000 Genetica: Espansione preferenziale nelle trasmissioni paterne (favorita da eta paterna avanzata) Gene responsabile: gene IT15, (Interesting Transcript 15) sul braccio corto del cromosoma 4, che codifica per la proteina huntingtina. La mutazione è data dall espansione della tripletta CAG nell esone1 proteina con sequenza di glutaminein eccesso Fenotipo normale: 9 36 repeats Alleli normali: Alleli intermedi: <26 CAG 27-35 CAG Fenotipo malato: 37 121 repeats Alleli mutati a penetranza incompleta: 36-39 CAG Alleli mutati a penetranza completa: 40-121 CAG Forma giovanile per espansioni > 60 CAG
La proteina mutata: stabilisce interazioni anomale con altre proteine cellulari A ha un alterata localizzazione prevalentemente nucleare B provoca tossicità cellulare è suscettibile al taglio proteolitico A B WT mut
Meccanismo patogenico Meccanismi di guadagno di funzione (dominante) 1) Tossicità da poliglutamine L eccesso di glutamine nella sequenza aminoacidica impedisce il giusto ripiegamento (folding) della proteina stessa. La proteina viene degradata ma i frammenti con le poliglutamine si aggregano. Si formano accumuli all interno dei nuclei dei neuroni con effetto citotossico. 2) Altri meccanismi: danno mitocondriale, alterazione della trascrizione di altri geni, alterazione del trasporto assonale e dell omeostasi del calcio, alterato metabolismo degli RNA Meccanismi di perdita di funzione perdita della funzione anti-apoptotica con degenerazione tissutale
Famiglia con malattia di Huntington (HD)
Analisi delle ripetizioni espanse
Malattia di Huntington. Amplificazione di un frammento di gene contenente ripetuti (CAG) n con la PCR e corsa su gel di polyacrylamide. Le bande sono rivelate con colorazione argentica. La scala indica il numero di ripetizioni. 5) caso di insorgenza giovanile. 9) feto affetto (diagnosi prenatale). Espansioni trasmesse per via paterna Distrofia miotonica. Southern blot di DNA digerito con Eco RI. Le bande di 9 o 10 kbsono varianti normali. 4) Il nonno ha una banda 10 Kb lievemente espansa (ha catarratta ma non altri segni di DM). 1) Sua figlia ha una banda 10 Kbdecisamente espansa con un tipico esordio di DM in etàadulta. 6) Il nipote ha una forte espansione ed è caratterizzato da una forma molto severa e congenita. Espansioni trasmesse per via materna
Sia la Sindrome dell X-fragile che la malattia di Huntington sono causate dall espansione di una ripetizione di triplette. Gli individui con la sindrome dell X-fragile hanno almeno 200 ripetizioni CGG all estremità5 del gene FMR-1. Gli individui con la malattia di Huntington hanno almeno 36 ripetizioni CAG dentro la regione codificante del gene dell huntingtina. a)come viene influenzata l espressione del gene da queste espansioni di triplette? b)in base alla risposta (a) perché la mutazione del gene FRM-1 dell Xfragile è recessiva mentre quella dell huntingtina nella Corea di Huntington è dominante? c)perché il numero di ripetizioni di triplette necessario a determinare il fenotipo è diverso per ciascuna malattia? d) Perché la penetranza è incompleta nell X-fragile?