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Patologia MolecolarePatologia MolecolarePatologia MolecolarePatologia Molecolare
Patologia molecolare
Cerca di spiegare perché un dato cambiamento
genetico dia luogo ad un particolare fenotipo clinico
Patologia molecolare
Ci richiede di elaborare l'effetto di una mutazione sulla Ci richiede di elaborare l'effetto di una mutazione sulla
quantità o sulla funzione del prodotto genicoquantità o sulla funzione del prodotto genico
di spiegare perché il cambiamento è o non è patogeno di spiegare perché il cambiamento è o non è patogeno
per ogni particolare tipo cellulare, tessuto o per ogni particolare tipo cellulare, tessuto o
stadio di sviluppostadio di sviluppo
DELEZIONI da 1 nt a più megabasi INSERZIONI MUTAZIONI DINAMICHE (unità ripetute in tandem che
cambiano dimensione quando trasmesse alla prole) SLITTAMENTI DEL MODULO DI LETTURA SOSTITUZIONI DI SINGOLE BASI:
MUTAZIONI SINONIME (SILENTI) MUTAZIONI MISSENSO: nel prodotto genico sostituzioni
di un aa con un altro MUTAZIONI NONSENSE: sostituiscono codone di un aa
con codone di stop MUTAZIONE NEI SITI DI SPLICING
Tipi di alterazioni sul DNA
MUTAZIONI NEI SITI DI SPLICING:
Creano o distruggono segnali di splicing tra esoni e introni.
Si verificano generalmente nei dinucleotidi essenzialmente
invarianti GT e AG, localizzati all’inizio di un introne (sito
donatore di splicing) o alla sua fine (sito accettore
di splicing)
MUTAZIONI CHE ALTERANO LO MUTAZIONI CHE ALTERANO LO SPLICINGSPLICING
Se la mutazione colpisce una sequenza consenso
dello splicing, il processo di eliminazione degli
introni non può avvenire normalmente
mRNAmRNA
GT AG GT AG
SPLICINGSPLICING
INCIDENZA DELLE DIVERSE MUTAZIONI NEL GENOMA UMANO INCIDENZA DELLE DIVERSE MUTAZIONI NEL GENOMA UMANO
Classi di mutazioni
Tipi di Mutazioni Incidenza
Sostituzioni di una base Tutti i tipi
Tipo di mutazione relativamente comune nel DNA codificante, ma anche in regioni comuni non codificanti del DNA
Transizioni e transversioni Inaspettatamente, le transizioni sono più comuni delle transversioni, in particolare nel DNA mitocondriale
Sostituzioni sinonime e non-sinonime
Sostituzioni Sinonime sono notevolmente più comuni rispetto alle non-sinonime nel DNA codificante; sostituzioni conservative sono più comuni di quelle non-conservative
Eventi come conversioni geniche (sostituzioni di diverse basi)
Rari, tranne in alcuni loci ripetute in tandem o in cluster
Inserzioni Di uno o pochi nucleotidi Comune nel DNA non codificante, ma rare nel DNA codificante in cui essi producono frameshift
Espansione di triplette Rara, ma può contribuire a diverse patologie, in particolare disturbi neurologici
Altre larghe inserzioni Rare; occasionalmente possono ottenere duplicazioni in tandem su larga scala, e anche inserimenti di elementi trasposibili
Delezioni Di uno o pochi nucleotidi Comuni nel DNA non codificanti, ma rare nel DNA codificante in cui producono frameshift
Larghe delezioni Rare, ma spesso si verificano in regioni contenenti ripetizioni in tandem o tra ripetizioni intervallate
Anomalie cromosomiche Numeriche e di struttura
Rare come mutazioni costituzionali, ma che spesso possono essere patogene. Molto più comuni, come le mutazioni somatiche, nelle cellule tumorali
NOMENCLATURA PER DESCRIVERE L'EFFETTO DI UN ALLELE MUTATO
Allele Nullo o amorfoAllele Nullo o amorfo: un allele che non produce alcun
prodotto
IpomorfoIpomorfo: un allele che produce un ridotto quantità
o attività di prodotto
IpermorfoIpermorfo: un allele che produce un aumento di quantità
o attività di prodotto
NeomorfoNeomorfo: un allele con una nuova attività o prodotto
AntimorfoAntimorfo: un allele la cui attività o prodotto antagonizza
l'attività del prodotto normale.
MUTAZIONE CAMBIAMENTO FENOTIPICO
La mutazione di un gene potrebbe causare un cambiamento fenotipico in due modi:
Il prodotto potrebbe essere ridotto o non avere funzione (mutazioni loss of function - amorfo o ipomorfo);
Il prodotto potrebbe agire positivamente in modo anomalo (mutazioni gain of function - ipermorfo o neomorfo)
Loss of function mutationLoss of function mutationLoss of function mutationLoss of function mutation
Avvengono quando mutazioni
puntiformi in un gene producono
gli stessi cambiamenti patologici
di una delezione
Loss of function mutations
Loss of function mutation
Nella maggio parte dei casi fenotipi recessiviNella maggio parte dei casi fenotipi recessivi
La maggior parte dei difetti congeniti del metabolismo sono recessivi
Per alcuni prodotti genici il 50% del livello non è
sufficiente per la funzione normale, e
l’aploinsufficienzaaploinsufficienza produce un fenotipo anomalo, che
viene quindi ereditato in maniera dominante
A volte un polipeptide mutato non-funzionante interferisce
con la funzione dell’allele normale in un soggetto eterozigote, dando un effetto dominante negativo (allele
antimorfo)
Loss of function mutation
Per alcuni prodotti genici il 50% del livello non è
sufficiente per la funzione normale, e
l’aploinsufficienzaaploinsufficienza produce un fenotipo anomalo,
che viene quindi ereditato in maniera dominante
Mutationi loss of function nel gene PAX3 (Waardenburg s.)
SINDROME DI WAARDENBURGSINDROME DI WAARDENBURG
Ciuffo di capelli bianchi o capelli brizzolati in età precoce, intorno ai 12 anni.
Aumentato spazio tra gli angoli interni degli occhi (telecanto). Sopracciglia unite Attaccatura dei capelli frontale molto bassa
4 tipi di WS 4 tipi di WS associazione con altre anomalieassociazione con altre anomalie
WS IWS IWS II non è presente telecantoWS II non è presente telecantoWS III sono presenti malformazioni agli arti WS III sono presenti malformazioni agli arti WS IV è presente megacolon (malattia di Hirschsprung)WS IV è presente megacolon (malattia di Hirschsprung)
• SORDITÀSORDITÀ neurosensoriale (o deficit uditivo di vario livello) bilaterale
• ALTERAZIONIALTERAZIONI nella pigmentazione, sia dei capelli (albinismo parziale, in genere piebaldismo) che della pelle,
• ANOMALIEANOMALIE nello sviluppo dei tessuti derivati dalla cresta neurale
• LATERALIZZAZIONE del canto mediale
Una delle caratteristiche più comuni è il diverso colore degli occhi (eterocromiaeterocromia), di solito uno marrone e l'altro blu.Il suo nome deriva da Peter Johannes Waardenburg, un oculista tedesco che per primo notò sintomi di ipoacusia in persone con occhi di colore differente.
SindromeSindrome GeneGene EreditarietàEreditarietà
WS IWS I PAX3 PAX3 (fattore di trascrizione)(fattore di trascrizione) ADAD
2q352q35
WS IIWS II MITF MITF (fattore di trascrizione) (fattore di trascrizione) AD AD3p14.1-p12.33p14.1-p12.3
WS IIIWS III PAX3PAX3 (fattore di trascrizione) (fattore di trascrizione) AD AD 2q352q35
WS IVWS IV EDNRB EDNRB (recettore endotelina) (recettore endotelina) AR AR13q2213q22
EDN3 EDN3 (endotelina)(endotelina) AR AR20q13.2-q13.320q13.2-q13.3
SOX10SOX10 (fattore di trascrizione) (fattore di trascrizione) AD AD22q1322q13
Mutationi in PAX3 (locus cromosomico 2q35) causa WSI and WSIII
Mutazioni causative in PAX3 includono sostituzioni aminoacidiche, frameshifts, mutazioni di splicing, and in alcuni pazienti delezioni complete della sequenza PAX3.
Tutte producono lo stesso risultato clinico: la perdita di funzione di PAX3
Only relatively few genes show haploinsufficiency
Phenotypes probably caused by haploinsufficiency
Condition MIM no. Gene
Alagille syndrome 118450 JAG1
Multiple exostoses 133700 EXT1
Tomaculous neuropathy 162500 PMP22
Tricho-rhino-phalangeal syndrome 190350 TRPS1
Supravalvular aortic stenosis 185500 ELN
A volte, se il prodotto genico è necessario in grandi quantità, la capacità totale di sintesi della cellula, anche a livelli massimi di trascrizione, può essere insufficiente se
una sola copia del gene è presente
Perché relativamente pochi geni sono sensibili al dosaggio?
Esempio: elastina
Nei soggetti eterozigoti per una delezione o mutazione con perdita di funzione di elastina, per la maggior parte il tessuto elastico (cute, polmoni, vasi sanguigni) lavora normalmente, ma spesso l'aorta, un tessuto molto elastico, mostra un certo grado di restringimento appena sopra la cuore (stenosi aortica sopravalvolare), che può richiedere un intervento chirurgico
Change Example Delete:
(i) the entire gene Most a-thalassemia mutations
(ii) part of the gene 60% of Duchenne muscular dystrophy
Insert a sequence into the gene Insertion of LINE-1 repetitive sequence into F8C gene in hemophilia A
Disrupt the gene structure:
(i) by a translocation X-autosome translocations in women with Duchenne muscular dystrophy
(ii) by an inversion Inversion in F8C gene
Prevent the promoter working:
(i) by mutation b-Globin -29A G mutation
(ii) by methylation Fragile-X full mutation (FMR1)
Destabilize the mRNA:
(i) by a polyadenylation site mutation a-globin AATAAA AATAGA mutation
(ii) by nonsense-mediated RNA decay Fibrillin mutations (FBN1)
Prevent correct splicing:
(i) by inactivating donor splice site PAX3 451 + 1G T mutation
(ii) by inactivating acceptor splice site PAX3 452-2A G mutation
(iii) by activating a cryptic splice site b-Globin intron 1 -110G A mutation
Introduce a frameshift in translation PAX3 874 875insG mutation
Convert a codon into a stop codon PAX3 Q254X mutation
Replace an essential aminoacid PAX3 R271C mutation
Prevent post-transcriptional processing Cleavage-resistant collagen N-terminal propeptide in Ehlers Danlos VII syndrome
Prevent correct cellular localization of product F508del mutation in cystic fibrosis
Modi di ridurre o abolire la funzione di un prodotto genico
EMOGLOBINOPATIETre gruppi principali
1. Talassemie causate da inadeguate quantità di catene α o β
Gli alleli sono classificati in quelli che non producono (a0, β0)
e quelli che producono meno quantità di proteina (a+, β+)
TalassemieTalassemie
La perdita di geni -globinici porta a forme di -talassemia di differente severità
normale
a2-talassemia (portatore silente)
a1-talassemia (anemia non significativa)
Hb H disease (anemia da lieve a severa)
Idrope fetale (morte fetale o in epoca neonatale)
The main β -thalassemia mutations in different countries
Population Mutation Frequency (%) Clinical effect
Sardinia Codon 39 (C>T) 95.7 β0
Codon 6 (delA) 2.1 β0
Codon 76 (del C) 0.7 β0
Intron 1 110 (G>A) 0.5 β+
Intron 2 745 (C>G) 0.4 β+
Greece Intron 1 110 (G>A) 43.7 β+
Codon 39 (C>T) 17.4 β0
Intron 1-1 (G>A) 13.6 β0
Intron 1 6 (T>C) 7.4 β+
Intron 2 745 (C>G) 7.1 β+
China Codon 41/42 (delTCTT) 38.6 β0
Intron 2 654 (C>T) 15.7 β0
Codon 71/72 (insA) 12.4 β0
-28 (A>G) 11.6 β+
Codon 17 (A>T) 10.5 β0
Pakistan Codon 8/9 (insG) 28.9 β0
Intron 1 5 (G>C) 26.4 β+
619-bp deletion 23.3 β+
Intron 1-1 (G>T) 8.2 β0
Codon 41/42 ( delTCTT) 7.9 β0
US black African -29 (A>G) 60.3 β+
-88 (C>T) 21.4 β+
Codon 24 (T>A) -7.9 β+
Codon 6 ( delA) 0.8 β0
Change Example Delete:
(i) the entire gene Most a-thalassemia mutations
(ii) part of the gene 60% of Duchenne muscular dystrophy
Insert a sequence into the gene Insertion of LINE-1 repetitive sequence into F8C gene in hemophilia A
Disrupt the gene structure:
(i) by a translocation X-autosome translocations in women with Duchenne muscular dystrophy
(ii) by an inversion Inversion in F8C gene
Prevent the promoter working:
(i) by mutation b-Globin -29A G mutation
(ii) by methylation Fragile-X full mutation (FMR1)
Destabilize the mRNA:
(i) by a polyadenylation site mutation a-globin AATAAA AATAGA mutation
(ii) by nonsense-mediated RNA decay Fibrillin mutations (FBN1)
Prevent correct splicing:
(i) by inactivating donor splice site PAX3 451 + 1G T mutation
(ii) by inactivating acceptor splice site PAX3 452-2A G mutation
(iii) by activating a cryptic splice site b-Globin intron 1 -110G A mutation
Introduce a frameshift in translation PAX3 874 875insG mutation
Convert a codon into a stop codon PAX3 Q254X mutation
Replace an essential aminoacid PAX3 R271C mutation
Prevent post-transcriptional processing Cleavage-resistant collagen N-terminal propeptide in Ehlers Danlos VII syndrome
Prevent correct cellular localization of product F508del mutation in cystic fibrosis
Modi di ridurre o abolire la funzione di un prodotto genico
Distrofia Muscolare di Duchenne
E’ una forma di distrofia muscolare trasmessa come carattere legato all’X che determina degenerazione progressiva delle fibre muscolari
E’ dovuta all’assenza di una proteina detta Distrofina
L’assenza di questa proteina determina una serie di eventi che portano a degenerazione del tessuto muscolare, che viene sostituito da tessuto fibroso e adiposo.
Conseguenza clinica: progressiva perdita di forza muscolare con conseguente progressiva perdita delle abilità motorie
Deletions in the dystrophin (DMD) gene
Delezioni nel gene della distrofina (DMD)
Dimensione della
delezione
Frameshif produce la distrofia
muscolare di Duchenne letale, in
cui non viene prodotta distrofina
Nonframeshif causa la forma
più lieve di Becker, in cui la
distrofina è presente, ma
anomala
MUTAZIONI CHE CAMBIANO LA MUTAZIONI CHE CAMBIANO LA FASE DI LETTURA FASE DI LETTURA (FRAMESHIFT)(FRAMESHIFT)
Qualunque inserzione o delezione di un
numero di basi che non sia multiplo di 3
in un esone comporta necessariamente
una modifica della fase di lettura. Tale
situazione esita, prima o poi, nella
comparsa di un codone nonsenso
prematuro.
Se l’alterazione ha luogo all’estremità 3’
della sequenza codificante, questa può
anche essere allungata fino ad un codone
nonsenso neoformato nella regione 3’
non codificante del messaggero.
MUTAZIONI CHE ALTERANO LO MUTAZIONI CHE ALTERANO LO SPLICINGSPLICING
Se la mutazione colpisce una sequenza consenso
dello splicing, il processo di eliminazione degli
introni non può avvenire normalmente
mRNAmRNA
GT AG GT AG
SPLICINGSPLICING
SDSD
SASA
In generale, l’esone localizzato a
monte di un sito donatore mutato,
o a valle di un sito
accettore mutato, viene eliminato.
SDSD
SASA
RITENZIONE RITENZIONE DI UN DI UN
INTRONEINTRONE
CT GT AG
SPLICE DONOR
CRIPTICO
SDSD SASA
ATTIVAZIONE ATTIVAZIONE DI UN SITO DI UN SITO CRIPTICO DI CRIPTICO DI
SPLICINGSPLICING
Loss of function mutation
A volte un polipeptide mutato non-funzionante
interferisce
con la funzione dell’allele normale in un soggetto
eterozigote, dando un effetto dominante negativo (allele
antimorfo)
Mutazioni di proteine che funzionano come dimeri o multimeri a volte producono effetti dominanti
negativi
Un effetto dominante negativodominante negativo si verifica quando un polipeptide mutante non solo perde la propria funzione, ma interferisce in un eterozigote anche con il prodotto dell’allele normale
Mutazioni dominanti negative causano effetti più gravi rispetto a delezioni o mutazioni non-senso nello stesso gene. Le proteine strutturali che contribuiscono a strutture multimeriche sono vulnerabili agli effetti dominanti negativi
Esempio: Collageni
Struttura del collageno
Unità costitutiva è il tropocollageno ( 300 kDa):
formato dall’unione di 3 catene polipeptidiche
avvolte in una tripla elica destrorsa molto stretta
(elica del collagene) di 300 x 1.5 nm.
Struttura primaria generale di una singola
catena (c.a 103 residui): Gly-X-Y330 circa 100 residui
X sono Pro/Lys e 100 residui Y sono 4-OH-Pro/5-OH-
Lys
Struttura secondaria di una singola catena: elica
sinistrorsa (struttura ordinata né né ) stabilizzata
da ponti H; 3 residui per giro
Il collagene di tipo I è un
eterotrimero, composto da
due catene alpha1 e una
catena alpha2, ciascuna
caratterizzata dalla
ripetizione della tripletta (Gly-
X-Y)338, dove X è spesso
prolina e Y idrossiprolina. Il
ripiegamento ottimale delle
catene a formare un’elica
richiede che il terzo
aminoacido nella tripletta sia
glicina, dal momento che la
piccola dimensione della sua
catena laterale può adattarsi
ad occupare l’interno della
tripla elica senza generare
distorsioni.
Y
Y
3 eliche sinistrorse sono avvolte una sull’altra a formare
un’elica destrorsa (avvolta in senso orario), l’unità di
tropocollageno, stabilizzata da legami deboli (ponti H) e
anche covalenti molto resistente alla trazione, ma non
elastica La polimerizzazione
spontanea (extracellulare!)
delle unità di tropocollageno
forma le fibrille collagene.
Periodicità allineamento
genera striature di 64 nm.
Segue struttura…
tipo Geni e formula peptidica distribuzione
I Col 1A1; Col1A2 21 + 12
Pelle, tendini, osso, tessuto cicatriziale
II Col 2A1 31 Cartilagine articolare, vitreo
III Col3A1 31 Tessuto di granulazione, pelle, muscolo (insieme al tipo I)
IV Col4A1; Col4A2 21 + 12
Non fibrillare
Membrane basali; cristallino
V Col 5A1; Col5A2 21 + 12
Non fibrillare
Tessuto interstiziale (insieme al tipo I)
Tipi di collageno (almeno 12 tipi)
Collageni fibrillariCollageni fibrillari, le principali proteine
strutturali del tessuto connettivo, sono
costruite in triple eliche di catene
polipeptidiche, a volte omotrimeri, a volte
eterotrimeri, che vengono assemblati
reticolati strettamente imballati a formare
fibrille rigide
Riepilogo della
sintesi del collageno
Un polipeptide che forma complessi con catene
normali, ma poi distruggendo la tripla elica può ridurre
la produzione del collagene funzionali ben al di sotto
del 50%
Mutazioni in questi geni producono
solitamente l'osteogenesi imperfetta
(OI)
Osteogenesi imperfetta
Deformità ossee, deficit accrescimento, fratture multiple spontanee, sordità, dentinogenesi difettosa.
Mutazioni in questi geni producono solitamente
l'osteogenesi imperfetta (OI)
Mutazioni frameshift e nonsense producono OI di tipo 1OI di tipo 1,
la forma più lieve,
mentre sostituzioni aminoacidiche nelle unità ripetute Gly-XY
si osservano nei tipi più gravi di OI: II, III e IV.
Mild OI:
frameshifts and
nonsense
mutations
Severe OI:amino acid
substitutions in the Gly-X-Y
repeated
osteogenesi imperfettaosteogenesi imperfetta
Skipping dell'esone 6 (di COL1A1 o COL1A2) ha un
effetto molto diverso
Viene perduto il sito per la scissione del propeptide
N-terminale e il collagene anomalo prodotto provoca
la sindrome di Ehlers Danlos tipo VII
(lassità della pelle e delle articolazioni)
Ehlers-Danlos syndrome
Clinical Forms of Ehlers- Danlos Syndrome
Type Form Distinguishing Features
I Gravis Classic features
II Mitis Classic features, milder expression
III Hypermobile Marked joint laxity, minimal skin changes
IV Vascular Severe life-threatening vascular and GI tract ruptures
V X-linked Similar to type II; varies by mode of inheritance
VI Ocular/scoliosis Significant eye problems including retinal tears
VII Arthrochalasis Marked joint hyperlaxity multiplex with congenital dislocations
VIII Periodontal Classic features; dental problems
IX Unassigned
X Dysfibronectinemic Petechiae and platelet aggregation disorder
Un altro esempio di strutture multimeriche che sono
soggette a effetto dominante negativoeffetto dominante negativo: canali ionici canali ionici
delle membrane cellulari delle membrane cellulari
Mutazioni del canale del K, la subunità KvLQT1 sono stati identificati come responsabili di entrambe le patologie: Romano-Ward (RW) e Jervell e Lange-Nielsen (JLN) sindromi del QT lungo
Mutazioni Loss of function (2)L'effetto fenotipico dipende dal livello di prodotto del gene residuo
Molte sostituzioni di amminoacidi hanno poco o nessun effetto, mentre alcune mutazioni aboliscono totalmente la funzione Una mutazione può essere presente in una o entrambe le copie di un gene
Quando entrambi le omologhi sono colpiti, possono essere
influenzati in maniera disuguale - le persone con condizioni
autosomiche recessive sono spesso eterozigoti compostieterozigoti composti, con due
differenti mutazioni
Se entrambe le mutazioni causano la perdita di funzione, ma in
misura diversa, l'allele meno grave detterà il livello di funzione
residuale
Quattro possibili relazioni tra il livello della funzione genica residua e il fenotipo clinico
A. Condizione recessiva semplice
Persone eterozigoti per una mutazione del gene che abolisce
totalmente la funzione sono fenotipicamente normali,
a condizione che il loro allele residuo
non sia molto difettoso
Questa semplice situazione è rara
Se una riduzione del 50% del prodotto del gene provoca
sintomi, una riduzione più grave avrà probabilmente
effetti più gravi
B. Condizione dominante causata da aploinsuffcienza
C. Una condizione recessiva con gravità graduata
Examples:
• mutants in the X-linked hypoxanthine guanine
phosphoribosyl
transferase (HPRT) gene
MALATTIA DI LESCH-NYHAN
sindrome da deficit di ipoxantina guanina fosforibosiltransferasi
Il deficit ereditario di ipoxantina-guanina fosforibosiltransferasi (HPRT),
causa, a seconda della quota di attività enzimatica residua,tre sindromi cliniche
sovrapponibili
Forma classica di malattia di Lesch-Nyhan: mancanza pressochè totale dell’enzima con
iperproduzione di acido urico ed il caratteristico fenotipo neurocomportamentale
(atteggiamenti impulsivi ed autoaggressivi)
Varianti della malattia di Lesch-Nyhan: Attività enzimatica residua (tra 1,5 e 8%) con
iperuricemia, alterazioni neurologiche, no alterazioni comportamentali
Iperuricemia HPRT-correlata: più del’8% di attività enzimatica con iperuricemia,
no alterazioni neurologiche e comportamentali
Consequences of decreasing function of hypoxanthine guanine phosphoribosyl transferase (HPRT)
HPRT activity (% of normal) Phenotype
>60 Normal
8 60 Neurologically normal; hyperuricemia (gout)
1.6 8 Neurological problem (choreoathetosis)
1.4 1.6 Lesch-Nyhan syndrome (choreoathetosis, self-mutilation) but intelligence normal
<1.4 Classical Lesch-Nyhan syndrome (choreoathetosis, self-mutilation and mental retardation)
La grande maggioranza dei pazienti presenta, tra i 3 e i 12 mesi di età,
ritardo motorio, più spesso ipotonia o difficoltà a raggiungere le normali
tappe di sviluppo motorio
Altri pazienti sono identificati per la comparsa di movimenti
involontari o di aumento del tono muscolare.
Una minoranza di pazienti può presentare complicanze legate alla
iperproduzione di acido urico
Una piccola parte del labbro inferiore è stata deturpata per il continuo mordere
La parte distale di diverse dita sono ridotte per automutilazione
GROWTH : Height Short stature Other Growth retardation
ABDOMEN : Gastrointestinal Vomiting
GENITOURINARY : External genitalia, male
Testicular atrophy Kidneys
Nephrolithiasis
SKELETAL : Feet Gout
SKIN, NAILS, HAIR : Uric acid tophi
NEUROLOGIC :
Central nervous system
Motor delay
Hypotonia
Self-injurious behavior, median onset age 2 years
Extrapyramidal signs
Choreoathetosis
Dystonia
Basal ganglia dysfunction
Spasticity, hyperreflexia
Opisthotonus
Dysarthria
Dysphagia
Mental retardation (IQ 45-75)
HEMATOLOGY : Anemia
Megaloblastic anemia
LABORATORY ABNORMALITIES : Hyperuricemia
Hyperuricosuria
Il deficit di ipoxantina-guanina fosforibosiltransferasi (HPRT) è ereditato come
condizione recessiva legata all’X
il gene è stato mappato a livello di Xq26-q27
L’intero gene è stato clonato e sequenziato e sono state identificate più di
200 mutazioni responsabili della malattia
Modificazione epigeneticaepigenetica può abolire la funzione del gene, anche senza un cambiamento nella
sequenza del DNA
Loss of function
Modifiche ereditabili che non dipendono da variazioni di una sequenza di DNA sono chiamati epigenetiche epigenetiche
Es: la metilazione del DNA è un
meccanismo epigenetico che
svolge un ruolo importante nel
controllo dei geni nei mammiferi,
che agisce come un metodo
generale di mantenere la
repressione della trascrizione.
Cambiamenti nella configurazione della cromatina
imprinting
Geni Imprinted sono un esempio particolarmente interessante di modificazioni epigenetiche
La loro espressione è controllata da patterns di metilazione, che variano secondo l'origine parentale del geneQuando sia il meccanismo di malfunzionamento dell’imprinting o l'origine parentale non è come previsto, la perdita di funzione patogenetica o l’inappropriata espressione può verificarsi in geni
intatti.Diverse malattie umane coinvolgono geni imprinted (Prader-Willi
and Angelman syndromes)
Metilazione del DNA
Sindrome dell’ X Fragile
Cariotipo maschile con sito fragile Xq27.3
Il gene che causa la condizione si trova alla fine del cromosoma X e mostra come un sito "fragile"- sembra come se la punta
del cromosoma è rotto, ma non del tutto separato.
Questo sito fragile dà il suo nome alla sindrome
La sindrome dell’X fragile è causata da un gene in Xq27.3
FRAXA phenotype
5-545-54
55-20055-200
>200 >200
Nella sindrome X-Fragile, il gene FMR1 viene silenziato
dalla metilazione, anche se in questo caso la metilazione
è innescata da un cambiamento locale della sequenza del
DNA, l'espansione di una ripetizione trinucleotidel'espansione di una ripetizione trinucleotide
Quando il numero di sequenze ripetute raggiunge il
numero di 200-600, le citosine si
metileranno, portando al silenziamento del gene FMR1
Metilazione del DNA
Le malattie da espansione di triplette sono dovute ad
una espansione anomala di una sequenza ripetuta
(frecce rosse) di DNA
Malattie da espansione di triplette
Errori di appaiamento per scivolamento durante la replicazione del DNA causano inserzioni o delezioni
Replicazione normale
Uno scivolamento all'indietro causa
l'inserzione di una tripletta
Uno scivolamento in avanticausa la delezione di una
tripletta
Generalità delle malattie da espansione di triplette
• Mutazioni dinamiche
Spesso associate al fenomeno dell’ anticipazione =
comparsa piu’ precoce e spesso aggravamento dei
sintomi in generazioni successive di una stessa famiglia
(es. DM
distrofia miotonica)
Espansione preferenziale nelle trasmissioni materne
(FRAXA, distrofia miotonica) o parterne (corea di
Huntington)
Tendenza al rapporto lineare fra numero di repeats e
gravita’ del quadro clinico, in genere disordini
neurologici
Mutazioni Gain of function
Mutazioni Gain of function
Meccanismo delle mutazioni gain of function mutations
Malfunzionamento Gene Malattia Overespressione PMP22 Malattia di Charcot-Marie-
Tooth Recettore permanentemente 'on' GNAS1 Malattia di McCune-Albright Acquisto nuovo substrato PI (Pittsburgh
allele) Deficit α1-Antitripsina
Canale ionico inappropriamente aperto
SCN4A Paramiotonia congenita
Multimeri strutturalmente anomali
COL2A1 Osteogenesi imperfecta
Aggregazione proteica HD Malattia di Huntington Gene chimerico BCR-ABL Leucemia mieloide cronica
Un paziente omozigote per
la duplicazione
della malattia è molto grave
Delezione o
mutazione loss of
function del gene
PMP22 è osservato
nei pazienti con
neuropatia
tomaculare
Alcuni pazienti hanno solo due copie del
gene PMP22, ma una sola copia porta una mutazione attivante.
L'acquisizione di una nuova funzione è rara nelle malattie ereditarie, ma comune nel cancro
Mutazioni Gain of function
Il meccanismo che genera comunemente nuovi geni
funzionali è un riarrangiamento cromosomico che unisce
moduli funzionali di due geni diversi
Molti riarrangiamenti cromosomici acquisiti
tumore-specifici producono geni chimerici con nuova attività
che portano alla proliferazione cellulare incontrollata
Geni chimerici prodotti da riarrangiamenti cromosomici tumouri- specifici
Tumor Rearrangement Chimeric gene Nature of chimeric product
CML t(9;22)(q34;q11) BCR-ABL Tyrosine kinase
Ewing sarcoma t(11;22)(q24;q12) EWS-FLI1 Transcription factor
Ewing sarcoma (variant) t(21;22)(q22;q12) EWS-ERG Transcription factor
Malignant melanoma of soft parts
t(12;22)(q13;q12) EWS-ATF1 Transcription factor
Desmoplastic small round cell tumor
t(11;22)(p13;q12) EWS-WT1 Transcription factor
Liposarcoma t(12;16)(q13;p11) FUS-CHOP Transcription factor
AML t(16;21)(p11;q22) FUS-ERG Transcription factor
Papillary thyroid carcinoma inv(1)(q21;q31) NTRK1-TPM3(TRK oncogene)
Tyrosine kinase
Pre-B cell ALL t(1;19)(q23;p13.3) E2A-PBX1 Transcription factor
ALL t(X;11)(q13;q23) MLL-AFX1 Transcription factor
ALL T(4;11)(q21;q23) MLL-AF4 Transcription factor
ALL t(9;11)(q21;q23) MLL-AF9 Transcription factor
ALL t(11;19)(q23;p13) MLL-ENL Transcription factor
Acute promyelocytic leukemia
t(15;17)(q22;q12) PML-RARA Transcription factor+retinoic acid receptor
Alveolar rhabdomyosarcoma
t(2;13)(q35;q14) PAX3-FKHR Transcription factor
Over-espressione potrebbe essere patogenetica
Over-espressione generale di alcuni geni è comune nelle
cellule tumorali.
I meccanismi con cui le mutazioni genetiche somatiche
producono over-espressione comprendono ripetizione
completa del gene o trasposizione di un gene
normalmente espresso a basso livello in un ambiente in
cui
la cromatina è altamente attiva
La natura modulare di malattie genetiche
Vi è ora una buona prova (analisi bioinformatiche) che
malattie genetiche umane possano essere raggruppate
sulla base delle loro somiglianze fenotipiche e che tale
raggruppamento rappresenti le reali relazioni biologiche
dei geni coinvolti
Si potrebbe usare tale somiglianza fenotipica per
prevedere e quindi testare il contributo di geni
apparentemente non collegati allo stesso modulo
funzionale
RELAZIONI TRA GENI E FENOTIPI
Molte sindromi possono essere causate
da mutazioni nel gene stesso, e un
singolo disordine può essere causato da
mutazioni in geni diversi
Diversi alleli di geni differenti in diversi
individui si integrano in modo diverso tra loro
per creare diversi fenotipi
La natura modulare di malattie genetiche
Questa è la base della diversità umana della diversità umana
fenotipicafenotipica e un fattore importante che
contribuisce al fatto che non esistono due
individui identici
Geni fortemente correlati potrebbero
comportare, se mutati, identici o simili
fenotipi, causando potenzialmente il
fenomeno delle famiglie di sindromifamiglie di sindromi
RELAZIONI TRA GENI E FENOTIPI
Miopia Distacco di retina Sordità Palatoschisi Artropatia
La sindrome di Marshall e la displasia
oto-spondilo-oto-megaepifisaria
hanno simili caratteristiche facciali e
scheletriche come quelle della
sindrome di Stickler, ma differiscono
per altre caratteristiche come la
sordità o la cecità
All three genes, COL2A1, COL11A2 and COL11A1
encode fibrillar collagens that associate to form a single
trimeric collagen-11 protein molecule.
COL2A1 may be tested first in individuals with ocular findings including
type 1 congenital vitreous anomaly and milder hearing loss
COL11A2 may be tested for in individuals with craniofacial and joint
manifestations and hearing loss, but lacking ocular findings
COL11A1 may be tested first in individuals with typical ocular findings
including type 2 congenital vitreous anomaly and significant hearing loss
Other phenotypes associated with mutations in COL2A1
Achondrogenesis type II (AD)Absence of ossification in the vertebral column, sacrum, and pubic bonesMarked shortening of the limbs and trunk, with a prominent abdomen and hydropic appearance Death in utero or in the early neonatal period
Hypochondrogenesis Mild variant of achondrogenesis
Spondyloepiphyseal dysplasia congenita (SED congenita-AD) Skeletal changes similar to those seen in Stickler syndrome, but more severe short stature Flat facial profile, myopia, and vitreoretinal degeneration
Other phenotypes associated with mutations in COL2A1 (2)
Spondyloepimetaphyseal dysplasia (SEMD) Strudwick type (AD) Severe short stature with severe pectus carinatum and scoliosis, cleft palate, and retinal detachment Irregular sclerotic changes ("dappled") in the metaphyses of the long bones (alternating zones of osteosclerosis and osteopenia)
Kneist dysplasia (AD) Disproportionate short stature, flat facial profile, myopia and vitreoretinal degeneration with cleft palate Kyphoscoliosis Variety of radiographic changes
Spondyloperipheral dysplasia Short stature, radiographic changes with a spondyloepiphyseal dysplasia Brachydactyly E
Other phenotypes associated with mutations in COL2A1 (3)
Early-onset arthropathy
Rhegmatogenous retinal detachment (ARDD) Pathologic myopia and vitreoretinal degeneration
Examples of genes responsible for more than one disease
Gene Location Diseases Symbol
PAX3 2q35 Waardenburg syndrome type 1 WS1
Alveolar rhabdomyosarcoma RMS2
CFTR 7p31.2 Cystic fibrosis CF
Bilateral absence of vas deferens
RET 10q11.2 Multiple endocrine neoplasia type 2A MEN2A
Multiple endocrine neoplasia type 2B MEN2B
Medullary thyroid carcinoma FMTC
Hirschsprung disease HSCR
PMP22 17p11.2 Charcot-Marie-Tooth neuropathy type 1A CMT1A
Tomaculous neuropathy HNPP
SCN4A 17q23.1-q25.3 Paramyotonia congenita PMC
Hyperkalemic periodic paralysis HYPP
Acetazolamide-responsive myotonia congenita
PRNP 20p12-pter Creutzfeldt-Jakob disease CJD
Familial fatal insomnia FFI
GNAS1 20q13.2 Albright hereditary osteodystrophy AHO
McCune-Albright syndrome PFD
AR Xcen-q22 Testicular feminization syndrome TFM
Kennedy disease SBMA
Achondroplasia
ÞAll achondroplastics have one of two mutations in the fibroblast growth
factor receptor gene FGFR3, both of which cause the same amino acid
change, G380R G380R
ÞOther mutations in the same gene produce other syndromes
ÞFor unknown reasons, the mutation rate for G380R is extraordinarily high,
so that achondroplasia is one of the commoner genetic abnormalities,
despite requiring a very specific DNA sequence change
MUTATIONS IN FIBROBLAST GROWTH FACTOR RECEPTOR 3
(FGFR3)
Diseases associated with the fibroblast growth factor receptor 3 gene
Achondroplasia
Hypochondroplasia
Thanatophoric dysplasia, types I and II
Crouzon syndrome with acanthosis nigricans
Muenke syndrome
Bladder cancer
Colorectal cancer, somatic
Cervical cancer, somatic
El Nino de Vallecas Museo del Prado, Madrid Velázquez
L'acondroplasia è la più comune causa di nanismo nell'uomo
con una prevalenza 1/25 000 nati vivi
Caratterizzata da un mancato
sviluppo armonico della cartilagine
di accrescimento delle ossa lunghe
degli arti con quindi
gravi disturbi della crescita
Clinical features :
•Short stature •Rhizomelic (proximal) shortening of the arms and legs with redundant skin folds on limbs •Limitation of elbow extension •Trident configuration of the hands •Genu varum (bow legs) •Thoracolumbar gibbus in infancy •Exaggerated lumbar lordosis, which develops when walking begins •Large head with frontal bossing •Midface hypoplasia
The radiologic findings of achondroplasia in children include : •Narrowing of the interpediculate distance of the caudal spine •Notch-like sacroiliac groove •Circumflex or chevron seat on the metaphysis
Molecular Genetic Testing Used in Achondroplasia
Test Method Mutations Detected Mutation Detection
Rate
G1138A substitution in FGFR3
~98% Mutation analysis G1138C substitution in
FGFR3 ~1%
The penetrance of the gene is 100%, meaning that all individuals who have a single copy of the altered FGFR3 have achondroplasia.
Achondroplasia is the most common form of inherited disproportionate short stature.
It occurs in one in 15,000 to one in 40,000 live births.
Obesity is a major problem in achondroplasia. Excessive weight gain is manifest in
early childhood.
Until a height of about 75 cm is reached, the mean weight-to-height ratio for
children with average stature and children with achondroplasia is virtually identical
Above a height of 75 cm, the weight-to-height ratio for patients with
achondroplasia exceeds that of the general population.
In adults, obesity can aggravate the morbidity
associated with lumbar stenosis and contribute to nonspecific joint problems and
possibly to early mortality from cardiovascular complications.
Differential Diagnosis
Hypochondroplasia
Skeletal dysplasia characterized by short stature with disproportionately
short arms and legs.
The skeletal features are very similar to achondroplasia but usually
tend to be milder.
Medical complications common to achondroplasia (e.g., spinal stenosis,
tibial bowing, obstructive apnea) occur less frequently in hypochondroplasia
but deficits in mental capacity and/or function may be more prevalent.
Physical features
The most common clinical features of hypochondroplasia include: •Short stature (adult height 128 - 165 cm; 2-3 SD below the mean in children) •Stocky build •Shortening of the proximal (rhizomelia) or middle (mesomelia) segments of the extremities •Limitation of elbow extension •Broad, short hands and feet (brachydactyly) •Generalized, mild joint laxity •Large head (macrocephaly) with relatively normal facies
Less common but significant clinical features include: •Scoliosis •Bow legs (genu varum) (usually mild) •Lumbar lordosis with prominent abdomen •Mild to moderate mental retardation •Learning disabilities •Adult onset osteoarthritis
Molecular Genetic Testing Used in Hypochondroplasia
Test Method Mutations Detected Mutation
Detection Rate
N540K (C1620A) 49%
N540K (C1620G) 21%
Other FGFR3 mutations <2%
Mutation analysis 1
Other FGFR3 mutations 2%
Sequence analysis of select exons
Mutations in FGFR3 exons 10, 13, and 15
80% 2 1. Based on testing of 188 individuals affected with hypochondroplasia 2. As reported by laboratories in the GeneTests Laboratory Directory (September 2002)
•Normal gene product:
The FGFR3 è un recettore tirosino chinasico ed è un membro della
famiglia dei recettori di crescita dei fibroblasti. FGFR3 è localizzato a
livello del braccio corto del cromosoma 4, in posizione 4p16.3, è lungo
16.5 kb ed è costituito da 19 esoni. Mutazioni a suo carico sono
generalmente associate a specifici fenotipi, anche se alcune alterazioni
mostrano una notevole variabilità di espressione.
I fattori di crescita dei fibroblasti (Fibroblast Growth Factors; FGF)
costituiscono una famiglia di 9 polipeptidi ad attività mitotica, che
inducono diverse risposte cellulari in numerosi sistemi biologici
This family comprende 4 genei nei mammiferi (FGFRs 1-4) con
una struttera altanmente conservata.
I bambini con displasia tanatofora
hanno un fenotipo simile a quello
degli omozigoti acondroplasici, con
grave nanismo rizomelico, importante
ipoplasia medio-facciale, e coste
cortissime per cui il torace è molto
stretto. Generalmente è presente
idrocefalo, evidenziabile già in epoca
prenatale. L’idrocefalo può essere
associato a fusione precoce delle
suture coronali e lambdoidee,
producendo una caratteristica
deformità del cranio chiamata “cranio
a trifoglio”.
Thanatophoric dysplasia
Sulla base degli aspetti clinici e molecolari ne sono stati
distinti due tipi (DTI e DTII). DTI si caratterizza per la
presenza di micromelia, grave curvatura del femore e
meno frequentemente cranio a trifoglio, mentre nelle
forme di DTII è sempre presente micromelia, non è
generalmente presente curvatura del femore, e si
associa cranio a trifoglio.
la DTI mostra eterogeneità allelica, mentre tutti i casi finora descritti di TDII sono causati dalla mutazione K560E
localizzata nel dominio tirosin-chinasico.
FGFR3 è il solo gene responsabile
Molecular Genetic Testing Used in Thanatophoric Dysplasia
Mutation Detection Rate 1
Test Method Mutations Detected
Thanatophoric Dysplasia Type
I
Thanatophoric Dysplasia Type
II
Three most common mutations
2 ~90%
Targeted mutation analysis
K650E >99%
Gene sequencing FGFR3
sequence alteration 99% >99%
1. These sensitivities were determined through a survey of US labs listed in GeneTests 2. R248C, Y373C, and S249C
PenetranceThe penetrance of mutations in the FGFR3 gene is 100%.
PrevalenceThanatophoric dysplasia occurs in approximately 1/20,000 to 1/50,000 births
I 4 tipi di recettori FGFR (FGFR1, FGFR2, FGFR3 e FGFR4)
hanno una struttura comune caratterizzata dalla presenza di
un dominio di legame extracellulare che contiene 3 anse (loops)
simili a quelli presenti nelle immunoglobuline, di un dominio
transmembranoso, e di un dominio catalitico
tirosin-chinasico intracitoplasmatico.
La prima e la seconda ansa immunoglobulino-simili sono separate
da una regione acida
Crouzon syndrome with acanthosis nigricans
•Intellect: Normal •Craniofacial: Significant proptosis, external strabismus, mandibular prognathism, craniosynostosis•Extremities: Normal (although radiographic metacarpal-phalangeal profile may reveal shortening •Cutaneous: The 5% of individuals with Crouzon syndrome who have acanthosis nigricans are said to have Crouzon syndrome with acanthosis nigricans. Acanthosis nigricans can be present in the neonatal period or appear later.
oxycephaly
the mutation in the transmembrane region of FGFR3 was detected in this
syndrome
acanthosis nigricans
FGFR3FGFR3
S - S S - S S - S
CROUZON CON A.N.Ala(391)GluD. transmembranario
IPOCONDROPLASIALys(540)Leu 70%TK1
TDLys(650)Met TK2
TDArg(258)Cys IgII-IgIIIinterloop
ACONDROPLASIA1138 G A 1138 G CGly (380)Arg D. transmembranoso
Muenke syndrome
Some individuals with a disease-causing mutation have no clinical problems
and are identified only on clinical, radiographic, or molecular genetic
evaluation after the birth of an affected child.
•Intellect: Normal
•Craniofacial: Variable— may see uni- or bilateral coronal
craniosynostosis, or only megalencephaly; mild-significant midface
hypoplasia; ocular hypertelorism
•Extremities: Variable— carpal-tarsal fusion is diagnostic when present
but is not present in every case; brachydactyly, carpal bone
malsegregation, coned epiphyses may occur.
Characterized by the premature closure of certain bones of the skull (coronal synostosis), which affects the shape of the head and face.
The primary feature of this disease is prematurely fused skull bones along the coronal suture, the growth line which goes over the head from ear to ear.
People with Muenke syndrome may also have mild abnormalities of the hands or feet, and hearing loss has been observed in some cases.
Muenke syndrome
Six to seven percent of people with the gene mutation associated with Muenke syndrome have no closure of the sutures or other signs or symptoms of syndrome
17 months 33 years
Journal of Medical Genetics 2002;39:764-766
Journal of Medical Genetics 2002;39:764-766
Bladder cancer
Colorectal cancer, somatic
Cervical cancer, somatic
Patologia molecolare delle anomalie cromosomiche
Sindromi da microdelezioni autosomiche causate dall’aploinsufficienza di più geni
Sindrome di Wiliams facies tipica, ritardo di crescita, ipercalcemia, stenosi sopravalvolare aortica, modesto ritardo mentale,socievolezza, capacità musicali, incapacità nel riconoscere e manipolare le forme delezione in cr 7 di 1-2 Mb di DNA, che comprendono l’elastina
Sindromi da delezione di geni contigui del cromosoma Xnei maschi microdelezioni cr X producono sindrome da delezione di geni contigui; più estese sono le delezioni, maggiore è il numero di geni rimossi e più numerose sono le malattie incluse nella sindrome
Esempio di sindrome
da geni contigui
Y
X
Gene SHOX (statura)
Soggetti con aploinsufficienza per SHOX (inclusi i soggetti 45,X)
hanno bassa statura (inferiore al 3° percentile) e,
discondrosteosi di Leri-Weill con, eventualmente,
la deformità di Madelung
ICHTHYOSIS, X-LINKED (STS)Hypertrophic ichthyosis, esp. scalp, ears, neck and flexures Dark adherent skin scales
Onset by age six months
KALLMANN syndrome, X-LINKED (KAL1)Hypogonadotropic hypogonadism and anosmia. KAL1, encodes a protein, anosmin, that plays a key role in the migration of GnRH neurons and Olfactory nerves to the hypothalamus.
CHONDRODYSPLASIA PUNCTATA 1, X-LINKED (ARSE)
Aberrant bone mineralization, Underdevelopment of nasal cartilage, Epiphyseal stippling, Distal phalangeal hypoplasia
MENTAL RETARDATION, X-LINKED NONSPECIFIC
Xp22 nullisomy: associated phenotypes
