Corso integrato di Genetica e Biologia Molecolare GENETICA

Corso integrato di Genetica e Biologia Molecolare
GENETICA
a.a.2015-2016
Pier Franco Pignatti
14.10.2015
Lezioni N. 9-10
Mutazioni e malattie genetiche
(Neri-Genuardi cap. 2,18,23)
Mutazioni spontanee e indotte, mutagenesi, tipi di mutazione in malattie genetiche
Mutazione: una definizione
Mutazione: una alterazione della sequenza del DNA
rispetto al normale
Polimorfismo : una variante con frequenza > 1% nella
popolazione
NOTA: in medicina è invalso l’uso di chiamare “mutazione”
una variazione del DNA ritenuta causa di patologia, e
“polimorfismo” una variazione del DNA non ritenuta
causa di patologia
Mutazione: caratteristiche
Insorgenza: casuale, preadattativa
Sede: somatica, germinale
Livello: genica, cromosomica, genomica
Meccanismo: sostituzione, inserzione, ripetizione,
inversione, espansione, delezione, riarrangiamento
Cause: endogene, esogene
Effetti evolutivi: neutra, svantaggiosa, vantaggiosa
Stima diretta della frequenza di mutazione
La stima diretta è probabilmente una sottostima a causa di:
penetranza incompleta, fenocopie, eterogeneità genetica, non
paternità, “polimorfismi”, riparazione, letalità…
Thompson & Thompson Genetics in Medicine, Saunders 1986
Livello e frequenza di mutazione
*
Se un gamete ha 20.000 geni, allora il 2-20% dei
gameti avrà almeno una nuova mutazione genica
Thompson & Thompson Genetics in Medicine, Saunders 1986
*
Frequenza di mutazione: stime recenti
Il tasso di mutazione per sostituzione di base nella linea
germinale è circa 10-8 per coppia di basi per generazione
(sequenziamento ad alta densità di 2 trii padre, madre,
figlio). Ogni figlio avrebbe perciò circa 60 nuove
mutazioni (The 1000 Genomes Project, 2010).
Stima di 70 nuove mutazioni per genoma umano diploide per
ogni generazione (Roach JC et al 2010)
Circa 29 mutazioni codificanti per generazione (Genome
Research, 30 aprile 2015).
Circa 3 indels (1-20bp) e 0,2 varianti strutturali (>20bp) per
generazione (Kloosterman WP et al 2015)
Circa 1/30 individui non selezionati hanno una mutazione
con probabile perdita di funzione (pLOF)
precedentemente associata con una patologia (Johnston
JJ et al 2015)
The offspring of older fathers harbor a higher
percentage of de novo mutations.
(Francioli L C et al. 2015)
Tipi di mutazione
Strutturali : sostituzione nucleotidica, inserzioni,
delezioni, inversioni, duplicazioni,
riarrangiamenti
Regolative : trascrizionali o post-trascrizionali, nel
promotore o in altre sequenze di regolazione,
modificazione dello splicing
Mutazioni con perdita di funzione
Per la maggior parte dei prodotti genici la quantità esatta non è
essenziale: la maggior parte delle mutazioni con perdita di
funzione produce fenotipi recessivi, il che significa che una
persona che abbia una sola copia funzionale del gene sarà
fenotipicamente normale.
In alcuni casi però il 50% del livello normale non è sufficiente per la
funzione normale: persone eterozigoti per una mutazione con
perdita di funzione mostrano un fenotipo che è perciò ereditato
come un carattere dominante. Questo si chiama
aploinsufficenza.
Perdita di funzione
Read A e D Donnai, New Clinical Genetics 2° ed. Scion 2011
Mutazioni con guadagno di funzione
Mutazioni con guadagno di funzione sono più rare. Determinano
fenotipi dominanti
Es: Acondroplasia e Malattia di Huntington
Fenotipi dominanti anche nel caso in cui il prodotto dell’allele mutato
interferisca con la funzione del prodotto normale: effetto
dominante negativo
Es: Osteogenesi Imperfetta
Strachan e Read 4th ed
Effetto dominante negativo in OI
I difetti del gene COL1A1 sono più gravi perché il collagene tipo I ha 2
catene alfa-1 e 1 catena alfa-2. Quindi le mutazioni di alfa-1
determinano il 75% di eterotrimeri anomali come indicato in Figura.
Invece le mutazioni di alfa-2 producono il 50% di eterotrimeri anomali.
Mutazioni spontanee
Avvengono durante la vita normale della cellula,
cioè in individui non esposti a mutageni o
radiazioni. Costituiscono il materiale usato dalla
selezione naturale per l’evoluzione biologica.
Cause possibili: tautomeria, deaminazione,
depurinazione delle basi, radicali liberi, errori
replicativi, riparativi o ricombinativi
E. Friedberg, DNA Rapair, Freeman 1985
Deaminazione
Le transizioni C/T rappresentano il 35-50% di tutte le mutazioni
puntiformi nell’uomo. Il dinucleotide CpG muta per deaminazione
8,5 volte più dell’atteso: 5MeC è “hot spot” di mutazione (anche C
viene deaminata a U, ma il DNA può essere riparato)
Mutazioni indotte
Mutageni fisici
Radiazioni ionizzanti (raggi X, gamma, cosmici,
radioattività artificiale e naturale)
Radiazioni UV
Mutageni chimici
Deaminanti, analoghi delle basi, alchilanti,
intercalanti, prodotti di pirolisi, sostanze
naturali, prodotti sintetici
Mutagenesi da raggi X
(senza frazionamento di dose)
Hartl. Genetica Umana, Zanichelli 1986
Esposizione prenatale alle esplosioni atomiche
8-15 settimane: divisione e migrazione delle
cellule nervose nella corteccia cerebrale
Curtoni et al, Manuale di Genetica, UTET 1991
Effetti dell’incidente nucleare di Chernobyl
(Aprile 1986)
Alcuni mutageni chimici
Deaminanti
Analoghi delle basi
Alchilanti
Intercalanti
Hartl, Genetica Umana, Zanichelli 1996
Mutageni ambientali
Sostanze naturali: es. aflatossina
Prodotti di pirolisi: es. cibi cotti, tabacco
Prodotti sintetici: es. additivi alimentari, cosmetici,
tinture permanenti per capelli, farmaci
citostatici e immunodepressivi, insetticidi e
fungicidi, erbicidi e fitormoni, prodotti per la
casa (ipoclorito sodio), il lavoro (cloruro vinile,
diossina), nella atmosfera (formaldeide, fumo
di sigaretta)
Mutageni e cancerogeni
Test di mutagenesi di Ames
his-
Revertenti
his
Test di Ames per tre tinture di capelli
Il costo umano dell’uso del tabacco
Più di 5 milioni di morti/anno: la prima causa mondiale di morte prematura prevenibile
NEJM 330:907, 1994
Mutazioni puntiformi
Sinonima o silente
Sostituzione conservativa
Sostituzione non conservativa
Terminazione
Scivolamento del modulo di lettura
Guttmacher e Collins, NEJM 2002
Mutazioni per sostituzione di base
transizioni ,
transversioni
Mutazione di sostituzione di AA o Missenso:
betas-globina in falcemia o drepanocitosi
Transversione GAG>GTG (p.6 Glu>Val)
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
Mutazione di terminazione o Nonsenso:
HBB p.Gln39X in beta°-talassemia
Transizione CAG>TAG
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
Farmaco anti terminazione prematura
25 MAGGIO 2014 - L’Agenzia europea dei medicinali (EMA) ha dato
l’approvazione condizionale alla commercializzazione di Translarna TM
(Ataluren) per il trattamento della distrofia muscolare di Duchenne e della
Fibrosi Cistica con mutazione non senso (nmDMD e nmCF).
Mutazione da delezione di 1 nucleotide o
Frameshift in gene GJB2 e sordità AR
6G
5G
c.35delG gene connessina 26 (GJB2)
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
Degradazione dell’mRNA da mutazione
nonsenso o Nonsense Mediated Decay (NMD)
Se il codone di Terminazione Prematura (PTC) è nella zona
rossa, l’Exon Junction Complex (EJC) non si stacca e
l’mRNA è degradato.
Es: NMD degrada maggior parte mRNA BRCA1 con PTC
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
Varianti strutturali
Le varianti strutturali a volte sono implicate in patologie, più
spesso rappresentano semplici differenze interindividuali
Check E, “Human genome: patchwork people”, Nature 2005
Delezioni esoniche in DMD e BMD
“Regola della cornice di lettura”
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
CNVs o Copy Number Variants
CNVs o Copy Number Variants: tratti di DNA ripetuti
più lunghi di 1 kb che mostrano differenze del
numero di copie nella popolazione normale
Espressione diversa dei geni con diverso numero di
copie
Mappa ad alta risoluzione di 20 europei e 20
africani per CNVs: frequenza >5%
Possibile associazione con malattie come Autismo,
Schizofrenia, Attention Deficit Hyperactivity
Disorder (ADHD)
Conrad DF et al Nature 2009
CNVs in Autismo
Trovate 277 CNVs, delle quali 13 ricorrenti, in 427 pazienti.
ACRD: Autism Chromosome Rearrangement Database
(Marshall CR et al. 2008)
La ricerca delle CNV fa parte ormai della valutazione
diagnostica iniziale di malattie dello spettro autistico ed altre
malattie con ritardo mentale e dello sviluppo
Crossing-over fra sequenze alleliche
Scambio reciproco: sono prodotti geni di fusione senza ins/del
Read e Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
Crossing-over fra sequenze non alleliche
A: crossing
over diseguale
(UEC)
B: scambio
diseguale fra
cromatidi fratelli
(UESCE)
Sono prodotte inserzioni e delezioni
Read e Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
Crossing-over diseguale in emoglobinopatie
Cr. 11p15.5
Emoglobine Lepore
Harris, Genetica Biochimica Umana, Zanichelli 1972
C-o diseguale in geni per la visione dei colori
Xq 28: 1 copia gene pigmento rosso e 1-3 copie verde
Connor e Ferguson-Smith Essential Medical Genetics Blackwell 1993
Dosaggio genico in CMT1A e HNPP
Il gene PMP22 (cr.17) codifica per il componente principale della mielina.
Ripetizioni a basso numero di copie (REP) fiancheggiano il gene.
CMT1A: Polineuropatia demielinizzante di Charcot-Marie-Tooth tipo 1A
HNPP: Neuropatia ereditaria con paralisi da pressione
Lupski JR, “Genomic disorders ten years on” 2009
FISH per il gene PMP22 in CMT1A e HNPP
Fluorescent In Situ Hybridization con sonda (rosso)
per la regione 17p11.2 contenente il gene PMP22 e
con sonda (verde) di riferimento per il cromosoma 17.
a) duplicazione del gene in CMT1A; b) delezione del
gene in uno dei due cromosomi 17 in HNPP
Neri e Genuardi, Genetica umana e medica, Elsevier Masson 2010
Conversione genica
Scambio non reciproco
Connor e Ferguson-Smith, Essential Medical Genetics, Blackwell 1993
Ricombinazione gene CYP21
Geni CYP21 e C4 del complemento duplicati nella regione HLA. 21A:
pseudogene. 21B: gene espresso steroido-21-idrossilasi. Mutazioni 21B:
iperplasia surrenale congenita con diminuita produzione di cortisolo. Tre
forme: con perdita di sali (inattivazione genica), semplice virilizzante
(attività enzimatica ridotta a circa il 2%), o non classica attenuata con inizio
tardivo solo nelle femmine (attività enzimatica ridotta a circa 10%-75%)
Microconversione nel gene CYP21
Strachan e Read, Genetica Umana Molecolare, UTET 2000
Inversione
Lewin B, Il Gene, Zanichelli 1985
Inversione gene F8 ed emofilia
Rettangoli rossi: sequenza nell’introne 22 e due copie invertite a monte
del gene. Nella meiosi maschile non c’è partner: si può formare un’ansa
con due copie appaiate con lo stesso orientamento. La ricombinazione
produce una inversione cromosomica di circa 500 kb che interrompe il
gene. Il 40% dei casi gravi di emofilia A è provocato da inversione
Trasposizione
I trasposoni sono stati scoperti da Barbara McClintock
nel mais negli anni ’40. Premio Nobel nel 1983
Trasposizione replicativa
Es: il retrotrasposone L1 si può inserire nei
geni F-VIII o DMD: inattivazione inserzionale
Variazioni in gemelli MZ da retrotrasposizione
con inserzione di L1
Gemelli geneticamente identici al concepimento, ma alla nascita i loro
cervelli sono diversi a causa di nuove inserzioni L1 che avvengono
durante lo sviluppo del sistema nervoso centrale nel feto. In relazione ai
geni bersaglio ed ai neuroni colpiti dalle inserzioni, i gemelli possono
essere diversi nella funzione o disfunzione cerebrale
Martin SL, “Developmental biology: Jumping-gene roulette”, Nature 2009