Corso di Laurea in Chimica e Tecnologie Farmaceutiche Insegnamento di Patologia Generale e Terminologia Medica Dr. Marco Cei e Dr. Alberto Genovesi Ebert UO Medicina 1 - Cardiologia e UTIC Azienda USL 6 di Livorno Le basi delle malattie genetiche AGENDA le pietre miliari della genetica definizioni geni e mutazioni malattie cromosomiche esercizi esempi 3 4 5 6 7 8 9 le “finestre” tradizionali sulle malattie genetiche - malattie mendeliane (es. favismo) - malattie cromosomiche (es. sindrome di Down) - familiarità (ipertensione, diabete, cardiopatie, cancro, allergie, malattie mentali) 10 alcune definizioni - genetica: studio di uno o pochi geni e dei suoi effetti fenotipici - genomica: studio di tutti i geni presenti nel genoma e delle loro interazioni - epigenetica: studio dei cambiamenti ereditabili nell’espressione genica, non imputabili ad alterazioni nella sequenza del DNA - proteomica: studio di tutte le proteine espresse in una cellula o in un tessuto 11 alcune definizioni - ereditario: deriva dai genitori, viene trasmesso alla prole attraverso la linea germinale - familiare: cluster di presentazioni cliniche non necessariamente ereditarie - familiarità: sinonimo di predisposizione - congenito: sinonimo di connatale NB: alcune malattie congenite non sono ereditarie, non tutte le malattie genetiche sono congenite 12 alcune applicazioni attuali della genetica - infezioni da microrganismi difficili da coltivare (micobatteri, virus, funghi, parassiti) - infezioni virali prima della sieroconversione - diagnosi e terapia del cancro - malattia residua minima - agenti terapeutici da DNA ricombinante - agenti terapeutici modificati ad hoc - farmacogenetica 13 basi concettuali: il genoma umano - consiste di 23-25.000 geni (la senape 26.000) - gene = unità funzionale che codifica per un mRNA comunemente, ma non sempre, tradotto in una proteina - i geni rappresentano il 10-15% del DNA umano - in media due individui condividono oltre il 99.5% delle sequenze di DNA - lo 0.5% del DNA corrisponde a 15 milioni di coppie di basi 14 basi concettuali: il genoma umano - nel DNA ci sono regioni ripetitive e non ripetitive il cui significato è ancora oscuro - un singolo gene può dar luogo a più spliced mRNA (100.000+ proteine) - Esoni ed introni - le proteine vanno incontro a complesse modificazioni post-traslazionali 15 basi concettuali: mitosi e meiosi - 22 autosomi + XY - cellule diploidi e aploidi - crossover 16 classificazione delle malattie genetiche umane - malattie cromosomiche - malattie correlate a mutazioni di singoli geni ad ampio effetto - malattie multigeniche complesse 17 tipi di riarrangiamento cromosomico 18 19 mosaicismi: 45,X/46,XX - 45,X/47, XXX - 45,X/46,XY 20 mosaicismo - presenza di 2 o più linee cellulari genticamente distinte nei tessuti di un individuo - è il risultato di una mutazione può occorrere durante lo sviluppo embrionale, fetale extrauterino - mosaicismo cromosomico: la sindrome di Turner - mosaicismo somatico: macchie caffé e latte 21 22 unequal crossing-over duplicazione di PMP22: malattia di Charcot-Marie-Tooth tipo IA PMP22: peripheral myelin protein 22 gene delezione di PMP22: hereditary liability to pressure palsy 23 24 25 26 epigenetica ed epigenomica 27 mutazioni - 1 qualunque variazione nella sequenza nucleotidica primaria del DNA, indipendentemente dalle sue conseguenze funzionali ● conservative e non conservative ● letali - deleterie - inespresse - vantaggiose ● se occorrono nella linea germinativa sono trasmissibili ● possono occorrere anche nell’embriogenesi o nelle cellule somatiche 28 frequenza di mutazione maggiore probabilità nella linea germinativa che in quella somatica ● la popolazione degli oociti è determinata precocemente nello sviluppo > necessita di circa 20 divisioni ● la spermatogenesi necessita di 30 divisioni a partire dalla pubertà, e di 20 all’anno successivamente ● fino a 1 su 10 spermatozoi può essere portatore di mutazioni deleterie ● es: s. di Marfan, neurofibromatosi 29 mutazioni - 2 possono coinvolgere: ● l’intero genoma (es. triploidia) ● interi cromosomi o larghe porzioni ● interi geni, parti di essi, geni contigui ● sequenze codificanti o non codificanti ● puntiformi transizioni (purina-purina o pirimidina-pirimidina) transversioni (purina-pirimidina o viceversa) 30 mutazioni - 3 ● ● ● ● provocano o predispongono ad una malattia non sono presenti nella popolazione sana hanno alta penetranza sono innumerevoli 31 32 polimorfismi variazioni nelle sequenze genetiche che hanno una prevalenza superiore all’1% ● possono non alterare il fenotipo a causa della natura degenerata del codice genetico (polimorfismo sinonimo) ● più spesso provocano alterazioni nella stabilità dell’mRNA, della sua traduzione o della sequenza aminoacidica (polimorfismo non-sinonimo) 33 34 microarrays 35 esempi di mutazioni puntiformi 36 37 conseguenze delle malattie monogeniche ● difetti enzimatici ● difetti dei sistemi recettoriali di membrana e dei sistemi di trasporto ● alterazioni di struttura, funzione o quantità di proteine non enzimatiche ● alterate reazioni ai farmaci 38 schema esemplificativo di una via metabolica 39 simbologia e modelli di trasmissione genetica 40 malattie autosomiche dominanti ● almeno uno dei genitori, in genere, è malato ● le caratteristiche cliniche sono dettate dalla penetranza e dalla espressività ● l’espressione clinica dipende anche dal livello diagnostico impiegato per evidenziarla ● in molti casi l’età di esordio clinico è ritardata fino all’età adulta ● più frequentemente comportano una perdita di funzione ● più raramente provocano un aumento di funzione 41 malattie autosomiche recessive ● ● ● ● genitori di solito non interessati frequente penetranza completa esordio spesso in età precoce negli eterozigoti solitamente - ma non sempre - il 50% di funzione assicurata dal cromosoma non mutato garantisce la asintomaticità 42 malattie legate al sesso ● sono trasmesse dal cromosoma X ● quasi tutte sono recessive ● il maschio affetto non trasmette la malattia ai figli, mentre tutte le figlie sono portatrici ● la femmina eterozigote di solito non esprime il fenotipo pieno a causa dell’inattivazione casuale del cromosoma X 43 malattie mitocondriali ● trasmissione “matrilineare” ● il DNA mitocondriale non ricombina ● una regione non codificante (D-loop) è altamente polimorfica ● utile per studi di migrazione, evoluzione e forensi ● ampio spettro clinico soprattutto di miocardiopatie ed encefalopatie 44 esercizi http://www.far.unito.it/ albero genealogico di ipercolesterolemia familiare qual’è la modalità di trasmissione? 46 il fenotipo mutato è dominante o recessivo? 47 Se due persone, ognuna delle quali ha un genitore albino, si sposano, che percentuale di figli della coppia saranno albini? 48 Se due persone, ognuna delle quali ha un genitore albino, si sposano, che percentuale di figli della coppia saranno albini? 49 Nell’uomo il gruppo sanguigno nel sistema AB0 è determinato da tre alleli: A, B e 0. Quali sono dominanti e quali recessivi? 50 in un reparto di maternità vengono confusi quattro bambini. I loro gruppi e quelli dei genitori sono: bambini Andrea, 0 Filippo, A Barbara, B Davide, AB genitori 1. 2. 3. 4. AB x 0 Ax0 A x AB 0x0 51 esempi alleli PI 1. 2. 3. 4. 5. 6. MM MS MZ SS SZ ZZ patogenesi del deficit di alfa-1-antitripsina 53 patogenesi dell’ipercolesterolemia familiare 54 patogenesi dell’anemia falciforme 55 Hypothetical Mechanisms of Clinical Subphenotypes of Sickle Cell Disease. Gladwin MT, Vichinsky E. N Engl J Med 2008;359:2254-2265. The Vicious Cycle of the Acute Chest Syndrome. Gladwin MT, Vichinsky E. N Engl J Med 2008;359:2254-2265. Mechanisms of action of hydroxyurea. Rosse W F et al. Hematology 2000;2000:2-17 ©2000 by American Society of Hematology 58 farmacogenetica del warfarin 59 Gong IY, Tirona RG, Schwarz UI, et al. Prospective evaluation of a pharmacogenetics-guided warfarin loading and maintenance dose regimen for initiation of therapy. Blood 2011;118(11):3163-3171 60