Transcript lezione 19

Osteogenesi imperfetta
La variabilità genetica umana e le sue conseguenze
Capitolo 13
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Differenze esistenti tra le sequenze genomiche di DNA nei diversi individui della specie umana
Ora che è disponibile la sequenza del genoma umano di alcuni individui, è possibile osservare
che queste sequenze differiscono tra loro in mille modi
La maggior parte delle differenze NON sembra avere alcun effetto
VARIAZIONI NEUTRE
Variazioni che influenzano il fenotipo generando la normale gamma di varianti che riguardano
le caratteristiche che rendono ciascun individuo UNICO
Es. struttura corporea, metabolismo, pigmentazione
VARIAZIONI PATOGENICHE
Tra le varianti, alcune possono essere responsabili di una malattia o far si che il portatore sia
suscettibile a una malattia che un individuo può o meno contrarre a seconda dell’influenza di
altri geni, dello stile di vita, dell’ambiente o semplicemente per caso
Dott.ssa Giorgia Chiatante
VARIAZIONI
Cambiamento di un singolo gene
Cambiamenti su PICCOLA scala
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Cambiamento di alcuni o molti geni
Cambiamenti su LARGA scala
VARIAZIONI
Quando si confrontano le sequenze genomiche di diversi individui, la maggior parte dei
nucleotidi risultano identici in tutti i soggetti (in termini generali parliamo di genoma umano)
Tuttavia, si possono osservare occasionalmente cambiamenti a livello di ogni nucleotide (rari)
Circa 1/300 nucleotidi è POLIMORFICO, cioè presente nella popolazione in più di una forma
POLIMORFISMI
- Genetisti molecolari: una variante è polimorfica se è presente nella popolazione con una
frequenza superiore ad una soglia arbitraria che generalmente è pari a 0,01 (1%).
Es. polimorfismo: 2 alleli C e A con una frequenza di 0.93 e 0.07 rispettivamente
Se la frequenza di un allele è inferiore all’1% allora si considera variante rara
- Genetisti clinici: spesso usano il termine polimorfismo per indicare una variante non
patogenica, a prescindere dalla sua frequenza.
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POLIMORFISMI
•  SNP (polimorfismo di singolo nucleotide)
•  Indel (polimorfismi dovuti a delezioni o inserzioni di uno o più nucleotidi non ripetuti)
•  Sequenze intersperse (SINE, LINE): alcune inserzioni sono polimorfiche nel genoma
umano in quanto presenti in alcuni cromosomi ma assenti in altre copie dello stesso
cromosoma
•  Ripetizioni in tandem: le sequenze ripetute in tandem sono polimorfiche perché tra
individui cambia il numero di unità ripetute
•  Microsatelliti: unità che si ripete è di 2-4 nucleotidi
•  Minisatelliti: unità che si ripete è di 10-50 nucleotidi
•  Satelliti: unità che si ripete è >50 nucleotidi (es. α-satellite: 171 bp)
•  Varianti su larga scala del numero di copie di sequenze ripetute in tandem
•  Variazione della dimensione della regione eterocromatica presenti nel centromero dei
cromosomi 1, 9 e 16 e del braccio lungo del cromosoma Y
•  Dimensione e morfologia del braccio corto dei cromosomi acrocentrici
•  Siti fragili (segmenti di cromatina non superavvolta)
•  Varianti su larga scala del numero di copie di DNA non ripetitivo (CNV)
Dott.ssa Giorgia Chiatante
CNV (copy number variant):
Fino a poco fa si riteneva che la delezione o l’inserzione di un lungo tratto di DNA non
ripetitivo fosse causa di patologie, tuttavia l’avvento di nuove tecniche ha permesso di
scandagliare il tutto il genoma alla ricerca di tratti mancanti o soprannumerari
  Nel genoma delle persone normali e apparentemente sane si possono ritrovare molte varianti
anche di grandi dimensioni
Es. nel 2006 Redon e i suoi collaboratori hanno identificato 1447 regioni contenenti un numero
variabile di copie di sequenze con una lunghezza di almeno 1000 bp (12% del genoma umano,
anche se attualmente è stata ridotta) e comprendevano numerosi geni noti.
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Il DNA di individui sani ha un elevato numero di variazioni di sequenza, la maggior parte delle
quali sono innocue (non sono noti effetti sul fenotipo)
La maggior parte delle variazioni che ha effetti sul fenotipo fa parte delle normali variazioni che
ci caratterizzano come individui
Una speciale interesse rivestono le variazioni patogeniche, cioè quelle varianti che causano loro
stesse le malattie o che ci rendono più suscettibili ad una determinata malattia
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Come capire se un cambiamento della sequenza del DNA è patogenico?
A.  Dal momento che negli individui affetti sono presenti numerose variazioni così come
succede nelle persone sane, l’unico modo per capire se il cambiamento è patogenico è
effettuare un test funzionale
 Per molti prodotti genici non sono disponibili test di laboratorio che verifichino tutti
gli aspetti della funzione genica in vivo.
B.  In mancanza di saggi funzionali risolutivi, possiamo dedurre se la variazione è patogenica
analizzando la natura del cambiamento:
Dove si realizza il cambiamento?
•  nella sequenza codificante
•  nelle sequenze che fiancheggiano la giunzione introne-esone (siti di splicing)
•  nella sequenza del promotore immediatamente a monte del gene
•  nelle sequenze regolatrici
C.  Un approccio alternativo è basato sulla ricerca di precedenti:
•  ricerca su dbSNP (banca dati delle rare varianti patogeniche)
•  ricerca su Decipher (banca dati delle variazioni patogeniche su larga scala)
D.  Analizzare le sequenze dei geni correlati (paraloghi e ortologhi)
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Variazioni di un singolo nucleotide
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Mutazioni MISSENSO
Mutazioni NONSENSO
Mutazioni FRAMESHIFT
Mutazioni SILENTI
Mutazioni DI SPLICING
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Variazione di un singolo nucleotide: sequenza codificante / sequenza regolatrice
Mutazioni MISSENSO
La sostituzione all’interno della sequenza codificante NON altera la proteina codificata 
degenerazione del codice genetico
Quando un cambiamento di codone dà origine a un cambiamento di aminoacido (cambiamento
non sinonimo), gli effetti dipendono in parte dalle differenze chimiche esistenti tra il vecchio
aminoacido e quello nuovo
•  Es. 4 classi di aminoacidi (acidi, basici, non carichi polari, carichi apolari)
Sostituzione conservativa ha un effetto minore sulla struttura della proteina
•  Es. aggiunta di una cisteina altera la capacità della proteina di formare ponti disolfuro
Aminoacidi cruciali per il corretto funzionamento di una proteina (presenti nel sito attivo di un
enzima) o per il mantenimento della struttura proteica
PREDIZIONE EFFETTI DI MUTAZIONE:
•  Conoscendo la struttura tridimensionale della proteina è possibile simulare le sostituzioni
•  Utili indicazioni si possono ottenere qualora sia disponibile la sequenza di proteine correlate
(umane o di altri organismi)
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Variazione di un singolo nucleotide: sequenza codificante / sequenza regolatrice
Mutazioni MISSENSO
Es. Proteine globulari (aminoacidi polari all’esterno, apolari all’interno)
La mutazione che causa l’anemia falciforme è patogena in quanto determina la sostituzione di
un amminoacido polare con un amminoacido apolare all’esterno della molecola della globina
 le molecole tendono ad aggregarsi e questo comporta la distorsione dei globuli rossi
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Variazione di un singolo nucleotide: sequenza codificante / sequenza regolatrice
Mutazioni NONSENSO
3 dei 64 codoni che costituiscono il codice genetico sono codoni di terminazione
Quando i ribosomi incontrano un codone di stop si distaccano e l’mRNA e il polipeptide
nascente viene rilasciato
Tuttavia i geni mutati che contengo un codone di sto prematuro raramente portano alla
produzione della proteina tronca che ci aspetterebbe  l’effetto della mutazione nonsenso è
quello di impedire del tutto l’espressione del gene coinvolto
Meccanismo di degradazione mediata da codoni nonsenso (NMD)
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Meccanismo di degradazione mediata da codoni nonsenso (NMD)
L’mRNA che ha subito uno splicing tiene traccia della posizione degli introni (blocchi rossi),
poi il ribosoma scorrendo rimuove tutti i blocchi rossi.
Se c’è un codone di stop prematuro il ribosoma si stacca prima di aver raggiunto tutti i siti di
giunzione. I blocchi persistono: è il segnale per avviare degradazione di questo mRNA
Non sempre questo meccanismo di degradazione è completamente efficiente
Capita a volte che una certa quantità di proteina tronca venga comunque prodotta
RICORDA:
Le proteine tronche sono potenzialmente più patogeniche della loro semplice mancanza
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Variazione di un singolo nucleotide: sequenza codificante / sequenza regolatrice
Mutazioni FRAMESHIFT
Il modulo di lettura della traduzione è determinato dal codone di inizio AUG: ogni
cambiamento a valle di questo codone che aggiunga o rimuova un numero non intero di codoni
(cioè un numero di nucleotidi che non sia tre o multiplo di tre) provocano uno scivolamento del
modulo di lettura
Lo scivolamento della lettura di un filamento può generare la comparsa di un codone di stop
 Meccanismo di degradazione mediata da codoni nonsenso (NMD)
L’inserzione della lettera in rosso ne altera completamente il significato
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Variazione di un singolo nucleotide: sequenza codificante / sequenza regolatrice
Mutazioni SILENTI
I cambiamenti sinonimi sono quelle sostituzioni nucleotidiche che convertono un codone che
codifica un particolare aminoacido in un altro che codifica anch’esso lo stesso aminoacido
In linea teorica non dovrebbe esserci nessun effetto fenotipico ma a volte delle variazioni sono
riscontrabili a livello proteico
Es.
Mutazioni silenti possono non essere completamente neutre, come nel caso del gene MDR1 che
codifica per la glicoproteina P, responsabile del trasporto di molti farmaci.
Una mutazione silente nell’esone 26 del gene (CT) porta alla produzione di una proteina che
ha una sequenza aminoacidica immutata (Isoleucina vs Isoleucina) ma che si ripiega in maniera
leggermente differente e ha un diverso profilo di attivazione
PERCHÉ ?
Il codone mutato utilizza un tRNA alternativo che scarseggia nella cellula e questo
determinerebbe un cambiamento nella cinetica della traduzione
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Variazione di un singolo nucleotide
Mutazioni DI SPLICING
Sono un insieme di quattro tipi di mutazioni che coinvolgono sequenze importanti per lo
splicing del pre-mRNA. Una prima tipologia coinvolge il sito donatore di splicing (GT) o il sito
accettore (di norma AG)
A.  La sostituzione GA causa il
mancato riconoscimento della
giunzione da parte dello
spliceosoma e impedisce il
processamento di quel sito
B.  Il cambiamento di un singolo
nucleotide (CT) all’interno
dell’introne 19 attiva un sito di
splicing criptico
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Variazioni di un singolo nucleotide
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Mutazioni MISSENSO
Mutazioni NONSENSO
Mutazioni FRAMESHIFT
Mutazioni SILENTI
Mutazioni DI SPLICING
Variazioni di più nucleotidi
•  Mutazioni DINAMICHE
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Variazione di un più nucleotidi: sequenza codificante / sequenza regolatrice
Mutazioni DINAMICHE
Quando gli STRP (microsatelliti, ripetizioni brevi in tandem) superano una certa dimensione
diventano altamente instabili
Le malattie causate da ripetizioni nucleotidiche che si espandono in maniera instabile sono per
molti aspetti eterogenee in quanto presentano unità ripetute di differenti dimensioni,
caratterizzate da diversi gradi di espansione, con localizzazione diverse rispetto al gene colpito
Es. Corea di Huntington: (CAG)n nella sequenza codificante  iperespansione di glutammina
Es. Distrofia miotonica di tipo 1: (CTG)n nel 3’ UTR porta alla formazione di un mRNA che è
in grado di sequestrare le proteine nucleari necessarie per il corretto splicing di numerosi
trascritti primari di molti geni non correlati tra loro
Una caratteristica distintiva delle malattie causate da ripetizioni in dinamiche è l’anticipazione:
nel corso delle generazioni, a causa di successive espansioni della ripetizione, l'età di insorgenza
della malattia si abbassa e la gravità stessa della malattia aumenta
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Variazioni di un singolo nucleotide
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Mutazioni MISSENSO
Mutazioni NONSENSO
Mutazioni FRAMESHIFT
Mutazioni SILENTI
Mutazioni DI SPLICING
Variazioni di più nucleotidi
•  Mutazioni DINAMICHE
Variazioni che alterano il dosaggio di uno o più geni
•  Microdelezioni
•  Microduplicazioni
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Variazioni che alterano il dosaggio di uno o più geni (microdelezioni / microduplicazioni)
Il potenziale patogenico è dovuto ad un alterato dosaggio genico ma solo pochi geni sono
effettivamente sensibili all’alterazione del dosaggio genico.
Es. i caratteri distintivi della sindrome di Down sono dovuti principalmente all’errato dosaggio
di due geni, DSCR1 e DSCR1A
DELEZIONI vs DUPLICAZIONI
Un notevole numero di geni mostra effetti fenotipici apprezzabili quando presente in dose
dimezzata rispetto al normale, piuttosto che quando è presente in dose 1.5 volte superiore
COME SI ORIGINANO?
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Variazioni che alterano il dosaggio di uno o più geni (microdelezioni / microdplicazioni)
Il potenziale patogenico è dovuto ad un alterato dosaggio genico ma solo pochi geni sono
effettivamente sensibili all’alterazione del dosaggio genico.
•  Sindromi dovute a singoli geni
Tutti gli effetti fenotipici sono dovuti alla delezione (a volte alla duplicazione) di un
singolo gene
•  Sindromi dovute a geni adiacenti
Si osservano principalmente in maschi con la delezione a carico della regione X
•  Sindromi da aneuploidia segmentale
Sono un caso speciale di una sindrome dovuta a geni adiacenti che si presenta in
maniera ricorrente con un fenotipo ben caratterizzato
Es. microdel  Hereditary neuropathy with liability to pressure palsies syndrome (HNPP)
microdup  Charcot–Marie–Tooth type 1A (CMT1A)
Dott.ssa Giorgia Chiatante
EFFETTI DELLE VARIAZIONI
In patologia molecolare non conta tanto la sequenza dell’allele mutato quanto l’effetto che essa
può avere. La mutazione produce una perdita o un acquisto di funzione?
•  mutazioni per perdita di funzione: il prodotto genico ha perso/ridotto la propria funzione
•  mutazioni per acquisto di funzione: il prodotto genico fa qualcosa di anormale in più
Alcune patologie NON possono essere facilmente classificate come perdita o acquisizione di
funzione
Es. Un canale ionico che rimane sempre aperto ha perso la capacità di chiudersi o ha acquisito
la capacità di aprirsi in maniera corretta?
Il tipo di ereditarietà ci fornisce una prima indicazione circa la patologia molecolare che sta alla
base di una mutazione
Dott.ssa Giorgia Chiatante
EREDITARIETA’
Acquisizione di funzione
La presenza di un allele normale non
dovrebbe essere in grado di impedire
all’allele mutato di comportarsi in
maniera anomala
Perdita di funzione
Nella maggior parte dei casi avere una
determinata quantità di prodotto
genico non è fondamentale
La funzione alterata dovrebbe essere
visibile negli individui eterozigoti
Avere metà dose normale del
prodotto genico è ben tollerato
Produce fenotipo dominante
Produce fenotipo recessivo*
Dott.ssa Giorgia Chiatante
*Due eccezioni:
1.  Aploinsufficienza
2.  Effetto dominanza negativa
Nel caso in cui un fenotipo clinico sia causato da una perdita di funzione di un gene, è atteso
che qualsiasi cambiamento che porti all’inattivazione dello stesso prodotto genico mostri lo
stesso quadro clinico
Al contrario, l’acquisizione di funzione è un fenomeno abbastanza specifico in cui
probabilmente solo uno specifico cambiamento all’interno del gene può portare all’acquisizione
di una nuova funzione
ETEROGENEITA’ ALLELICA
Acquisizione di funzione
Perdita di funzione
Patologie associate SEMPRE con lo
stesso tipo di mutazione
Patologie causate da mutazioni di
diverso tipo all’interno del gene
Es. Corea di Huntington
Es. sindrome della X fragile
Dott.ssa Giorgia Chiatante
1. Perdita di funzione: APLOINSUFFICIENZA
La maggior parte dei prodotti genici NON è sensibile a variazioni di quantità del prodotto
genico stesso
  Gran parte delle mutazioni per perdita di funzione determina fenotipi recessivi, il che
significa che un individuo possiede una sola copia funzionante del gene ed è fenotipicamente
normale
In alcuni casi, tuttavia, un livello pari al 50% di quello normale NON è sufficiente per svolgere
una funzione normale e, di conseguenza, persone eterozigoti per una mutazione per perdita di
funzione mostrano un fenotipo che viene ereditato come carattere dominante
Es. Sindrome di Waardenburg
(perdita dell’udito e anomalie nella pigmentazione)
Le mutazioni nel gene PAX3 che causano questa
patologia sono svariate ma producono tutte lo
stesso risultato clinico  perdita di funzione
Tuttavia questa sindrome è dominante ed è
considerata una aploinsifficienza
Dott.ssa Giorgia Chiatante
2. Perdita di funzione: DOMINANZA NEGATIVA
Gli effetti della dominanza negativa forniscono un’altra spiegazione di come alcune mutazioni
per perdita di funzione possano portare a un fenotipo dominante.
Un individuo che presenta una mutazione X in un gene ha ancora il 50% del livello normale
della funzione del gene, dato che ha ancora un allele normale perfettamente funzionante
  Ho dominanza negativa se il prodotto dell’allele mutato non solo non è funzionale ma
interferisce con la funzione svolta dall’allele normale
Il meccanismo di degradazione mediata da codoni nonsenso (NMD) si è probabilmente evoluto
come strumento di protezione per i possibili effetti della dominanza negativa delle proteine
tronche
Sono particolarmente suscettibili agli effetti della dominanza negativa soprattutto le proteine
che fanno parte di strutture multimeriche
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Gly-X-Y  le mutazioni che determinano la sostituzione della glicina hanno solitamente
un effetto dominante negativo perché interferiscono con il ripiegamento della tripla elica
OI severa:
Riduzione della quantità delle
catene funzionanti ben al di
sotto del 50%
OI moderata:
La malattia è meno grave in
quanto la semplice mancanza
da parte del collagene ha effetti
meno deleteri della presenza di
catene alterate
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Acquisizione di funzione: INVERSIONI E TRASLOCAZIONI Difficilmente una mutazione è in grado di fornire al prodotto genico una funzione radicalmente
nuova  l’unico meccanismo tramite il quale si possa acquisire una nuova è quello attraverso il
quale si forma un gene chimerico
•  Traslocazione cromosomica
•  Inversione
Gene chimerico: prodotto della fusione degli esoni appartenenti a due geni differenti
I geni chimerici si osservano soprattutto nei tumori
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Varianti geniche e suscettibilità
Negli ultimi due anni sono state dimostrate numerose associazioni fra l’elevato/ridotto numero
di copie per un certo gene e la suscettibilità̀ ad una specifica malattia
Ad esempio il numero di copie di geni per le chemochine, delle proteine che attivano la
funzione immunitaria, è molto variabile nella popolazione.
Variabilità del numero di geni per la chemochina CCL3L1
Questa chemochina è il ligando più potente per il recettore CCR5, che a sua volta funge anche
da co-recettore for l’HIV. Quando CCR5 è legato a CCL3L1, il virus non può entrare.
È intuitivo che persone che producano numerose chemochine CCL3L1 sono protette
dall’infezione da HIV  Variabilità del numero di geni per CCL3L1 nelle diverse popolazioni,
gli africani fra 5 e 7 copie, gli europei fra 1 e 3
Referenza:
The Influence of CCL3L1 Gene-Containing Segmental Duplications on HIV-1/AIDS
Susceptibility, 2005, Science; IF: 31.477
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Correlazione Genotipo-fenotipo
A causa della complessità delle interazioni genetiche è molto difficile trovare una correlazione
genotipo-fenotipo
I più grandi successi riportati fino ad oggi sono la comprensione del cancro e delle
emoglobinopatie
PROBLEMI:
I cambiamenti nella sequenza del DNA possono provocare perdite di funzione di diversa gravità
•  Mutazione può avere effetto nullo
•  Mutazione può eliminare completamente la funzione del gene
•  Una mutazione può essere presente in una o più copie del gene
 Spesso gli individui con malattie autosomiche recessive sono eterozigoti composti cioè
hanno mutazioni diverse nei due alleli e, se le due mutazioni causano una perdita di funzione di
diversa entità, l’allele meno severo determina il livello residuo di funzione genica
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Perdita di funzione  malattia recessiva
Perdita di funzione  aploinsufficienza
Perdita di funzione  malattia recessiva
ma la sua gravità dipende dal livello di
funzionalità genica residua
Caso in cui le conseguenze cliniche sono
diverse a seconda del livello residuo di
funzione genica
Dott.ssa Giorgia Chiatante
Conclusioni
•  Abbiamo descritto i molteplici modi per cui il genoma di due individui può differire
•  La maggior parte di queste differenze è dovuta a cambiamenti di singoli nucleotidi (SNPs),
alla presenza di sequenze variabili ripetute in tandem e a variazioni su lunga scala di
sequenze ad elevato numero di copie
•  Lo studio della variabilità genetica offre un enorme vantaggio ai fini della comprensione
della struttura della popolazione umana e delle relazioni esistenti tra le varie popolazioni
•  Alcune varianti, però, sono patogeniche e spesso sono molto difficili da studiare
 occorre considerare la variazione nel DNA e il fenotipo patologico
DIFFICOLTA’:
1.  Stabilire se la variante genica è o meno patogenica
2.  Prevedere i sintomi clinici della malattia analizzando il cambiamento del DNA
Dott.ssa Giorgia Chiatante