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
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Corso integrato di Genetica e Biologia Molecolare GENETICA
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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
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.
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
Hartl. Genetica Umana, Zanichelli 1986
(senza frazionamento di dose)
Curtoni et al, Manuale di Genetica, UTET 1991
Esposizione prenatale alle esplosioni atomiche
8-15 settimane: divisione e migrazione delle
cellule nervose nella corteccia cerebrale
Effetti dell’incidente nucleare di Chernobyl
(Aprile 1986)
Deaminanti
Analoghi delle basi
Alchilanti
Intercalanti
Hartl, Genetica Umana, Zanichelli 1996
Alcuni mutageni chimici
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
his-
Revertenti
his
Test di Ames per tre tinture di capelli
Test di mutagenesi di Ames
NEJM 330:907, 1994
Il costo umano dell’uso del tabacco
Più di 5 milioni di morti/anno: la prima causa mondiale di morte prematura prevenibile
Mutazioni puntiformi
Guttmacher e Collins, NEJM 2002
Sinonima o silente
Sostituzione conservativa
Sostituzione non conservativa
Terminazione
Scivolamento del modulo di lettura
Mutazioni per sostituzione di base
transizioni , transversioni
Mutazione di sostituzione di AA o Missenso:
betas-globina in falcemia o drepanocitosi
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
Transversione GAG>GTG (p.6 Glu>Val)
Mutazione di terminazione o Nonsenso:
HBB p.Gln39X in beta°-talassemia
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
Transizione CAG>TAG
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
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
6G
5G
c.35delG gene connessina 26 (GJB2)
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
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
Degradazione dell’mRNA da mutazione
nonsenso o Nonsense Mediated Decay (NMD)
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
Read-Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
“Regola della cornice di lettura”
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
Read e Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
Scambio reciproco: sono prodotti geni di fusione senza ins/del
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
Connor e Ferguson-Smith, Essential Medical Genetics, Blackwell 1993
Scambio non reciproco
Geni CYP21 e C4 del complemento duplicati nella regione HLA. 21A: