Disordini genetici/Aberrazioni cromosomiche Malattie da Imprinting

1. MALATTIE GENETICHE • Disordini genetici/Aberrazioni cromosomiche • Malattie da Imprinting • Malattie genetiche da singolo gene • ereditate in modo mendeliano • Malattie da singolo gene • non ereditate in modo mendeliano • (Mitocondriali e Malattie da espansione di triplette) • Tecniche diagnostiche 1° Lezione 2° Lezione

2. MALATTIE GENETICHE Mutazioni Genomiche (n° Cromosomi # 46) • Mutazioni Cromosomiche • (Alterazione Struttura Cromosomi) • Traslocazioni • Delezioni • Cromosomi Autosomici • Cromosomi Sessuali • NON EREDITARIE EREDITARIE E NONEREDITARIE • Mutazioni Geniche • Delezioni, Inserzioni, Mutazioni Puntiformi, • Espansione di Triplette ) • Possono essere EREDITATE in modo: • MENDELIANO: • singolo gene dominate/recessivo, cromosomi sessuali • NON MENDELIANO: • Espansione triplette, mitocondriali

3. PATOLOGIA GENETICA Studia i fenomeni patologici che riconoscono come causa un’alterazione del genoma • Differenza tra: • Malattie genetiche • Malattie ereditarie • Malattie congenite

4. Malattie genetiche: comprendono tutte quelle condizioni patologiche a carico del patrimonio genetico (ereditarie e non) Malattie ereditarie: Derivano dai genitori, sono trasmesse attraverso le cellule germinali nelle diverse generazioni e sono quindi familiari Non tutte le malattie ereditarie si manifestano al momento della nascita (ex. Corea di Huntington) Malattie congenite: significa “Nato con”. I sintomi sono riscontrabili al momento della nascita. Non tutte le malattie congenite sono ereditarie (ex. Sindrome di Down, raramente lo e’) oppure determinate geneticamente (ex. Toxoplasmosi). Derivano da fattori patogeni di natura fisica/chimica/biologica che agendo durante la vita intrauterina inducono alterazioni organiche

5. Mutazioni ed Evoluzione • L’insorgenza di mutazioni é dovuta ad una interazione fra componenti ambientali (esempio: radiazioni, raggi cosmici, composti chimici) e una non perfetta efficienza dei sistemi di riparazione dei danni al DNA • Le mutazioni peró possono insorgere anche spontaneamente: una classe di DNA polimerasi é detta “a bassa fedeltá” proprio per la sua tendenza ad inserire errori: vi é pressione selettiva per la riduzione, non per la scomparsa delle mutazioni

6. NON TUTTE LE MUTAZIONI RISULTANO ESSERE CAUSA DI MALATTIE… HIV-1 e DCCR5

7. Meccanismo di Infezione da HIV-1

8. Il Recettore CCR5 (CD195) • Localizzato sul cromosoma 3 • Recettore per le chemiochine RANTES, Mp1alfa e Mip1 beta • Espresso su linfociti T, Macrofagi, cellule dendritiche e microgliali • Esiste una mutazione D32 (32 nucleotidi) che produce una proteina • non capace di raggiungere la superficie cellulare • L’allele D32 è comune nella popolazione Caucasica (frequeunza 10%) • ma quasi assente in Africa e Asia • I portatori Omozigoti di questa mutazione non hanno CCR5 • sulla superficie cellulare • Sono resistenti all’infezione da HIV-1 (R5) • Hanno un fenotipo normale

9. Individui Recanti la Mutazione D32 sono protetti dall’Infezione HIV-1 (R5)

10. Le Malattie Genetiche Sono Molto Frequenti • Nel corso della vita: 670 per ogni 1000 individui • Il 50% degli aborti spontanei sono riconducibili ad alterazioni geniche • Circa 1% di nuovi nati ha alterazioni cromosomiche • Il 5 % di persone al di sotto dei 25 anni sviluppano malattie riconducibili • a disordini genetici • Sono compresi però sia disordini genetici classici (cioè ereditari) • sia altre malattie riconducibili a disordini genetici ex.: • cancro (genetiche ed ambientali) • malattie cardiovascolari (genetiche e ambientali) • Queste sono le principali cause di morte nel mondo occidentale

11. Malattie Genetiche • In funzione dell’estensione della mutazione posso essere suddivise in: • Mutazioni genomiche (ANEUPLOIDIA): perdita o acquisto di interi cromosomi (ex. Sindrome di Down) • 2) Mutazioni cromosomiche (riarrangiamento di materiale genomico, ex. traslocazioni) • Definite anche come: Aberrazioni Cromosomiche • 3) Mutazioni Geniche

12. Aberrazioni Cromosomiche

13. Aberrazioni Cromosomiche (I) • Trisomia: 2n+1 • Monosomia: 2n-1 • A carico dei cromosomi autosomici sono rare • Più frequenti a livello dei cromosomi sessuali

14. Aberrazioni Cromosomiche (II) (Cause) • Alterazione della meiosi durante la gametogenesi • Alterazioni mitotiche durante le prime fasi dello sviluppo • (MOSAICISMO) (46,XY/47,XY,+21) • In entrambi i casi il fenomeno più frequente è di: • NON DISGIUNZIONE (meiotica/mitotica) • Raramente SEGREGAZIONE (ritardo nella migrazione del cromosoma)

15. NON-DISGIUNZIONE: incapacità dei cromatidi fratelli appaiati di separarsi nella seconda divisione meiotica. I due cromosomi o cromatidi congiunti migrano ad un polo e vengono inclusi in una sola cellula figlia, mentre l’altra avrà materiale genetico in meno • RITARDO ANAFASICO: ritardata migrazione del cromosoma durante l’anafase, conseguente perdita del cromosoma. Mancata incorporazione di un cromosoma nel nucleo di una delle cellule figlie.

16. Meiosi: è un processo di divisione mediante il quale una cellula eucariotica con corredo cromosomico diploide dà origine a quattro cellule con corredo cromosomico aploide. I Divisione meiotica II Divisione meiotica

17. Aberrazioni Cromosomiche (I) (Cromosomi Autosomici) • Sindrome di Down: trisomia 21 (incidenza 1/700) • causata prevalentemente da non disgiunzione meiotica, a carico • dell’ oocita • aumenta con l’eta’ della madre (over 35 amniocentesi) • 1/1550 sotto 20 anni, 1/25 sopra i 45 anni • Più raramente (3-4% casi) causata da non disgiunzione mitotica in • una fase più o meno precoce dello zigote (Mosaicismo) con fenotipo • più lieve del precedente • Traslocazione del braccio lungo del cromosoma 21 sul 14 • (4-5% dei casi) (QUESTA E’ EREDITARIA)

18. Sindrome di Down

19. Sindrome di Down • La SD siassociasovente a complicanzemalformativecherichiedonointerventichirurgicirilevantinelcorsodeiprimiannidi vita: • il 50% presentamalformazionicardiache, • il 30% stenosiduodenale, • l’1% atresiaesofagea, • il 2% malformazionianorettali. • La chirurgiaoftalmica è richiestanel 12% deicasi per problemidicataratta. • Oltreallemalformazionicongenitedescritte, ilsoggetto con SD ha la tendenza a svilupparepatologiesecondarie per deficit nelsistemaimmunitario con particolarepredisposizione ad infezionibatteriche; nell’1% poi deicasi compare leucemiaacuta. Nelcorsodella vita ilsoggetto Down tendeanche a sviluppareipotiroidismo e diabetemellito.

20. Aberrazioni Cromosomiche (II) (Cromosomi Autosomici) Edwards Syndrome: trisomia 18 (1/8000).The syndrome has a very low rate of survival, resulting from heart abnormalities, kidney malformations, and other internal organ disorders

21. Aberrazioni Cromosomiche (II) (Cromosomi Autosomici) Patau Syndrome: trisomia 13 (1/15000) common abnormalites include: Nervous system Musculoskeletal and cutaneous Urogenital • Derivano quasi sempre da non disgiunzione meiotica nell’oocita. • La probabilità Incrementa con l’età della madre • A causa della severità del fenotipo, in entrambi i casi, la morte • sopraggiunge nel primo anno di età

22. Aberrazioni Cromosomiche (Cromosomi Sessuali (I)) • Più numerose perchè meglio tollerate: • inattivazione di tutti i cromosomi X in eccesso tranne uno • scarsa quantità di informazione genica presente sul cromosoma Y • Tutte le malattie: • Causano problemi di sviluppo sessuale e fertilità • Sono normalmente evidenziabili durante la pubertà • Danno ritardo mentale

23. Aberrazioni Cromosomiche (Cromosomi Sessuali (II)) • Lyonization: (Lyon 1961) solo uno dei due cromosomi X rimane attivo (in modo casuale paterno/materno), l’altro viene represso durante le prime fasi dell’embriogenesi e la repressione persiste nella progenie. Femmine hanno mosaicismo derivante da cellule che hanno attivo il cromosoma X da parte del padre o da parte della madre . • Evidenziabile dal corpo di Barr nei nuclei in interfase (massa al lato della membrana nucleare) • - Oggi si sa che non tutti i geni del X inattivo sono veramente inattivi (ex. Sindrome di Turner femmine con un solo X) hanno severe anomalie somatiche e sessuali

24. Il gene deputato a tale processo è XIST (X inactive specific transcript), che trascrive un RNA espresso solo dal cromosoma inattivato e che non codifica alcuna proteina. Agisce sul centro di inattivazione dell'X (Xic, X inactivation center). XIST non è espresso nel maschio normale (46,XY). Il cromosoma X differisce dagli autosomi per alcune caratteristiche: geni corti, minor numero di geni, bassa densità di geni.

25. The X-inactive specific transcript (Xist) gene encodes a large non-coding RNA that is responsible for mediating the specific silencing of the X chromosome from which it is transcribed. The inactive X chromosome is coated by Xist RNA, whereas the Xa is not . The Xist gene is the only gene which is expressed from the Xi but not from the Xa. X chromosomes which lack the Xist gene cannot be inactivated. Artificially placing and expressing the Xist gene on another chromosome leads to silencing of that chromosome. Compared to the Xa, the Xi has high levels of DNA methylation, low levels of histone acetylation, low levels of histone H3 lysine-4 methylation, and high levels of histone H3 lysine-9 methylation, all of which are associated with gene silencing. The existence of genes along the inactive X which are not silenced explains the defects in humans with abnormal numbers of the X chromosome, such as Turner syndrome (X0) or Klinefelter syndrome (XXY).

26. Esempi di malattie causate da anomalie nel numero dei cromosomi sessuali • Klinefelter syndrome: 47,XXY (1/1000) • Turner syndrome: 45,X (1/5000) • Multi-X Females: 47,XXX; 49,XXXXX • XYY Sindrome: 47,XYY (1/1000) Un solo cromosoma Y e’ in grado di determinare il sesso, su di esso e’ presente il gene SRY (Sex-determining Region Y) Codifica per un fattore trascrizionale (HMG-box family) che inizia la determinazione sessuale maschile

27. Klinefelter syndrome: 47,XXY (1/1000)

28. Klinefelter syndrome: 47,XXY (1/1000) • mancato sviluppo dei caratteri sessuali secondari • microrchidia e aspermatogenesi • tendenza all'alta statura • L'analisi dei cromosomi sui linfociti è lo standard • genetico di diagnosi • deficit di androgeni • solo il 10% presenta un ritardo mentale. • ridotto sviluppo del linguaggio, con problemi • di espressività • sul piano comportamentale si possono riscontrare • immaturità, poca sicurezza, timidezza

29. Turner syndrome: 45,X (1/5000) • Sintomi della sindrome di Turner sono: • ipogonadismo con fenotipo femminile • bassa statura • torace a scudo (piatto) e capezzoli iperdistanziati; • attaccatura dei capelli bassa • orecchie a basso impianto; • il viso può avere un aspetto da persona anziana • sterilità dovuta a malformazioni dell'ovaia detta "a stria"; • amenorrea primaria, cioè, l'assenza della mestruazione (in Turner la menopausa avviene prima del menarca all'età di 2 anni);

30. Multi-X Females: 47,XXX; 49,XXXXX • Le principali caratteristiche standard sono: • altezza (maggiore che nella media) • circonferenza cranica inferiore alla norma (soprattutto alla nascita, poi c’è un ridotto recupero). • sviluppo motorio generalmente un po’ ritardato. Inizio della pubertà tendenzialmente ritardato. • sviluppo cognitivo. In media di poco inferiore alla norma. • sviluppo comunicativo e linguistico. Tendenzialmente allo stesso livello o inferiore rispetto alle prestazioni intellettive generali.

31. XYY Sindrome: 47,XYY (1/1000) • I soggetti possono presentare spesso un'altezza superiore a 180 cm (media 188 cm) • lieve ritardo mentale.

32. Anomalie strutturali dei cromosomi

33. Anomalie strutturali dei cromosomi

35. Anomalie strutturali dei cromosomi

36. TRASLOCAZIONE ROBERTSONIANA La persona portatrice di questa anomalia è perfettamente sana.  È da considerare, però, che un’alta percentuale dei gameti prodotti dalle persone con traslocazioni bilanciate/ robertsoniane può essere “sbilanciata”. Di conseguenza, le persone che hanno una traslocazione, nella loro vita riproduttiva, hanno un rischio superiore, rispetto a quello di chi non è portatore di traslocazioni, di avere figli con patologia malformativa o di avere gravidanze interrotte da aborti

37. Malattie da Genomic Imprinting (Prader-Willi, Angelman)

38. Genomic imprinting • Per imprinting genomico si intende una modificazione “epigenetica” di uno specifico allele nel gamete o nello zigote, responsabile per l’espressione differenziale dei due alleli del gene nelle cellule somatiche della progenie • For the vast majority of autosomal genes, expression occurs from both alleles simultaneously. In mammals however, a small proportion (<1%) of genes are imprinted, meaning that gene expression occurs from only one allele.The expressed allele is dependent upon its parental origin. For example, the gene encoding Insulin-like growth factor 2 (Igf2) is only expressed from the allele inherited from the father.

39. EPIGENETICA • Per modificazione epigenetica, si intende una modificazione ereditaria genomica, che non é associata ad un cambio della sequenza di DNA.

43. Imprinting control region La delezione di ICR porta all’espressione materna di igf2

44. Malattie da Imprinting • Prader-Willi syndrome • Angelman syndrome

45. Prader-Willi Syndrome • E’ una malattia genetica rara (colpisce 1 su 15.000-25.000 nati vivi) • caratterizzata dall'alterazione del cromosoma 15 • Ipotonia nell' infanzia, obesità dovuta ad iperfagia, ipogonadismo, • mani e piedi piccoli • E’ la più comune tra le sindromi di microdelezione cromosomica • Avviene per due diverse cause accertate, entrambe di tipo genetico: • Delezione sul cromosoma 15 paterno • Disomia uniparentale materna del cromosoma 15

46. Prader-Willi/Angelman Syndrome • Nella PWS il gene materno è silenziato perché sotto imprinting, • mentre quello paterno è deleto • La regione in questione è sul cromosoma 15 (15q11-q13). • La PWS è strettamente correlata con la Sindrome di Angelman (AS), • che è causata da imprinting paterno e delezione del gene materno • caratterizzata da movimenti ripetitivi, simmetrici, atassici e da una • disposizione all' allegria, al riso frequente

47. Stage 1 In the first stage, infants with PWS are hypotonic or "floppy", with very low muscle tone. Weak cry and a poor suck reflex are typical. Babies with PWS usually are unable to breastfeed and frequently require tube feeding. These infants may suffer from "failure to thrive" if feeding difficulties are not carefully monitored and treated. As these children grow older, strength and muscle tone generally improve. Motor milestones are achieved, but are usually delayed. Stage 2 An unregulated appetite characterizes the second stage of PWS. This stage most commonly begins between ages 2 and 6 years old. Individuals with PWS lack normal hunger and satiety cues. They usually are not able to control their food intake and will overeat if not closely monitored. Food seeking behaviors are very common. In addition, the metabolic rate of persons with PWS is lower than normal. Left untreated, the combination of these problems will lead to morbid obesity and its many complications

48. Uniparental Disomy Stesso risultato delle delezione Genomic Imprinting (Prader-Willi and Angelman Syndromes) • Sono attivi solo: • Un set di geni Prader-Willi (paterni) • Un set di geni Angelman (materni) Delezione banda q12 Cromosoma 15 • Sono attivi solo: • Un set di geni Angelman (materni) • Sono attivi solo: • Un set di geni Prader-Willi (paterni)

49. Uniparental Disomy Perdita del cromosoma Materno (PWS) o Paterno (Angelman S)

50. MUTAZIONI GENICHE EREDITARIE • Tutte quelle malattie derivanti da alterazioni genetiche che: • possono essere trasmesse per via parentale perché • presenti nelle cellule germinali • Normalmente: • non alterano la capacità riproduttiva • sono compatibili con la vita