ALTERAZIONI DEL DNA REPAIR

Prof. Elisa Petrangeli

Gli effetti delle alterazioni del DNA dipendono dal tipo di cellula in cui si

verificano• Nelle cellule germinali: - malattie genetiche• Nelle cellule somatiche proliferanti - malattie malformative (durante lo sviluppo) - tumori• Nelle cellule somatiche non proliferanti (differenziate) - contributo a degenerazione ed invecchiamento - alterato ricambio dei componenti cellulari

Gli effetti delle alterazioni del DNA dipendono dalle sequenze e dal tipo di

gene interessati• Sequenze promoter, enhancer, silencer: - alterata regolazione dell’espressione, funzione

impropria.• Sequenze ripetitive: - perdita o guadagno di funzione dei geni associati

alla sequenza - aumento o diminuzione della stabilità dei

cromosomi• Geni codificanti: - inattivazione - guadagno o perdita di funzione - funzione impropria - alterazione dello splicing

i

Codice genetico e triplette

Gli effetti delle alterazioni del DNA dipendono dal tipo di mutazioneMutazioni sinonime Non sostituiscono l’aa

Mutazioni mis-sense Sostituiscono l’aaMutazioni non-sense Sostituiscono l’aa con stop

Mutazioni frame-shift Slittamento del codice

Mutazioni mis-sense Sostituiscono l’aa

M

L

F

EQA

Le sostituzioni nucletidiche si definiscono:

Transizioni : pirimidina-pirimidina o purina-purina Trasversioni : pirimidina-purina o purina-pirimidina

A causa della degenerazione del codice genetico circa due terzi delle sostituzioni è silente.

Mutazioni non-sense sostituiscono l’aa con stop

M

L

S stop

K

P

Mutazioni frame-shift Slittamento del codice

M

LR

S

stop

L

gtaagta//agtaactttttttttttaag gtaattatt//tacatagEx. 5Ex. 4 Ex. 611(t)

gtaagta//agtaacttttttttt--aag gtaattatt//tacatagEx. 5Ex. 4 Ex. 69-10 (t)

471 tttggttttagtaagtttccatgggtgaactatcaagatggcaacctcaa101 F G F S K F P W V N Y Q D G N L N

521 catttcaattccagtgtttagtattcatggcaatcatgacgatcccacag118 I S I P V F S I H G N H D D P T G

571 gggcagatgcactttgtgccttggacattttaagttgt//135 A D A L C A L D I L S C

471 tttggttttagtaagcagatgcactttgtgccttggacattttaagttgt101 F G F S K Q M H F V P W T F *

normale

mutato

Mutazioni dei siti di splicing•circa il 15% delle mutazioni puntiformi che determinano patologie ereditarie nell’uomo•Nella maggior parte sono mutazioni nelle seq consensus (gt/ag).•Sono esempi la fibrosi cistica, la distrofia di Duchenne, la Fenilchetonuria

mutazione del gene MRE11, nel cancro del colon!!

Altri tipi di mutazioni geniche

Mutazioni del promotore Variazioni quantitative La sostituzione G-A in posizione -75 della ApoA1 rende il promotore circa 2 volte più efficiente con effetto su una doppia produzione di HDL

Mutazioni dinamiche Triplette ed espansione siti fragiliAnticipazione, penetranza incompletaEspressività variabile

Patologie da mutazioni geniche

CAG nel gene

Atassia spino-cerebellare 1

Malattia neurodegenerativa aut. dominante Atassina 1

Corea di Huntigton

Malattia neurodegenerativa aut. dominante Huntingtonina CAG nel gene

Distrofia miotonica

Distrofia muscolare e miotonia autosomica miotonina CTG nel 3’UTR

S. Martin-Bell Ritardo mentale grave. X-linked

FMR1 CGG nel 5’UTR

Patologie da alterata riparazione del DNA

• Gruppo di malattie ereditarie autosomiche recessive, caratterizzate da un’elevata incidenza di alterazioni cromosomiche;

• Danno ad un sistema o apparato e/o accellerato e precoce invecchiamento;

• Aumento di suscettibilità alle neoplasie;

DOUBLE-STRANDED BREAKSExogenous•Ionizing radiations•Chemicals

Endogenous•Free radicals•Single-stranded breaks in DNA replication•Collapsed replication forks

Specialized•Somatic hypermutation•Meiosis

Cell cycle control

Incorrect

Cell Death•Apoptosis

•Replicative Death

Repair

GENOMIC INSTABILITY CARCINOGENESISModified by:van Gent D., et al., Nature REV GENETICS, 2001

X-raysOxigen radicals

Alkylating agentsReplication errors

UV-lightPolycyclic aromatic

hydrocarbons

X-raysAntitumor agents

(cis-Pt, MMC)

UracilAbasic site

8-OxoguanineSingle-starnd break

A-G MismatchT-C Mismatch

UG

G

GA

TC

TT

TGGC

(6-4)PPBulky adduct

CPD

Interstrand cross-linkDouble-strand break

BER

MMR NERRecombinational

Repair

HNPCCXeroderma Pigmetosum,

Cockayne Syndrome,Trichothiodystrophy

Ataxia-TeleangiectasiaA-T-like Desease

Nijmegen Syndrome

DNA REPAIR DAMAGE and HUMAN PATHOLOGY

NAME PHENOTYPE ENZYME OR PROCESS AFFECTED

MSH2, 3, 6, MLH1, PMS2 colon cancer mismatch repair

Xeroderma pigmentosum (XP) groups AG

skin cancer, cellular UV sensitivity, neurological abnormalities

nucleotide excision-repair

XP variant cellular UV sensitivity translesion synthesis by DNA polymerase

Ataxia-telangiectasia (AT) leukemia, lymphoma, cellular -ray sensitivity, genome instability

ATM protein, a protein kinase activated by double-strand breaks

BRCA-2 breast and ovarian cancer repair by homologous recombination

Werner syndrome premature aging, cancer at several sites, genome instability

accessory 3-exonuclease and DNA helicase

Bloom syndrome cancer at several sites, stunted growth, genome instability

accessory DNA helicase for replication

Fanconi anemia groups A-G congenital abnormalities, leukemia, genome instability

DNA interstrand cross-link repair

46 BR patient hypersensitivity to DNA-damaging agents, genome instability

Table 5-2. Inherited Syndromes with Defects in DNA Repair

L'anemia di Fanconi (FA).1• Caratterizzata da • pancitopenia, anemia progressiva da aplasia midollare, malformazioni

multiple;• suscettibilità allo sviluppo della leucemia mieloide acuta (AML);

• instabilità cromosomica, clinicamente eterogenea, • ipersensibilità agli agenti che producono legami interfilamento nel

DNA;

• trasmissione autosomica recessiva: una persona affetta eredita da ciascun genitore una copia alterata (mutata) del gene;

• descritta in ogni gruppo etnico;• incidenza è stata stimata 1/350.000 nati.

L'anemia di Fanconi.2• I difetti congeniti comprendono:• le malformazioni scheletriche, l'iperpigmentazione

cutanea, i difetti cardiaci, renali e urogenitali. • si presenta soprattutto in età scolare • andamento progressivo, con esito solitamente fatale, in

gran parte a causa di fenomeni emorragici. • Una quota importante dei pazienti (circa il 10%) contrae

leucemie non linfocitiche o tumori solidi, rarissimi in età pediatrica.

• I segni ematologici secondari al difetto del midollo osseo (trombocitopenia, pancitopenia ingravescente) si manifestano generalmente attorno ai 7 anni, ma in alcuni casi più precocemente e, raramente, dopo i 40 anni.

L'anemia di Fanconi.3• La diagnosi parte dall'osservazione clinica (anomalie ematologiche e

malformazioni). • Esecuzione del test diagnostico – citogenetico: misura l'instabilità

cromosomica (tendenza delle cellule Fanconi a manifestare fratture dei cromosomi), in presenza di diepossibutano (DEB).

• L'innalzato rischio di leucemie e altre neoplasie tra i pazienti Fanconi permette di considerare questa malattia come un modello umano di cancerogenesi.

• Identificazione di "gruppi di complementazione", Sono stati individuati 8 gruppi (FANCA-FANCH), ad ognuno dei quali corrisponde un gene. Ad oggi, sono stati clonati 6 geni per la FA, ma il meccanismo patogenetico della malattia non è ancora chiaro.

• Le terapie oggi disponibili consistono in trapianto di midollo osseo e trasfusioni.

Complementation groups of Fanconi anemia Subtype FA patients, Chromosome location Protein products (estimated %) (kD) A 65% 16q24.3 163 B Rare 13q12–13 380 (BRCA2) C 15% 9q22.3 63 D1 Rare 13q12–13 380 (BRCA2) D2 Rare 3p25.3 155,162 E Rare 6p21–22 60 F Rare 11p15 42 G 10% 9p13 68 (XRCC9)

Schematic depiction of the Fanconi anemia DNA repair pathway.

DNA damage activates the complex of Fanconi anemia−associated proteins FANCA, FANCB, FANCE, FANCF, FANCG and FANCL1. FANCL5 is a ubiquitin ligase that probably causes the ubiquitination of FANCD2. This protein, together with another Fanconi anemia−associated protein, BRCA2 and RAD51, is involved in the repair of DNA damage

Sindrome di Werner.1Rara malattia autosomica recessiva che provoca invecchiamento

precoce e suscettibilità alle neoplasie, caratterizzata da:• modificazioni sclerodermiche della cute, • cataratta, • calcificazioni sottocutanee, • atrofia muscolare, • tendenza a sviluppare diabete mellito,• aspetto invecchiato del viso, • alopecia, • elevata incidenza di neoplasie;

• età media di morte per tutte le cause è di 47 anni.

Sindrome di Werner.2SEGNI RISCONTRATI NELLA MAGGIOR PARTE DEI PAZIENTI

CatarattaLa cataratta è presente nel 94-100% dei soggetti; di solito compare nella terza decade, generalmente bilaterale.Patologia cutaneaNella seconda decade di vita, la maggior parte dei soggetti ha una cute dall’aspetto simil-sclerodermico agli arti superiori e inferiori; caviglie e piedi sono particolarmente colpiti. La cute è tesa, lucente, e sottile a causa dell’atrofia dermica e della perdita di tessuto connettivo, muscolare, e adiposo sottocutaneo sottostanti. Può verificarsi ipercheratosi, spesso causa di ulcere dei piedi e delle caviglie. Altre alterazioni cutanee sono: iperpigmentazione diffusa, aree di ipopigmentazione, telangiectasia (36%), deformità delle unghie (42). La bassa statura è caratteristica (86-100%), con altezza media di 157 cm e 146 cm per i maschi e le femmine rispettivamente. L’arresto di crescita si verifica durante la prima adolescenza (tra i 10 e i 20 anni) e sembra essere il risultato dell’assenza dello scatto di crescita puberaleIngrigimento e perdita di capelliEccesso di acido ialuronico nelle urine

Sindrome di Werner.3• SEGNI RISCONTRATI NEI PAZIENTI

Ipogonadismo66-96% dei soggetti studiati.

• Osteoporosi e calcificazioni dei tessuti mollipercentuale variabile tra il 33 e il 41% aveva perdita evidente di massa ossea.

• Diabete mellitonel 44-70% dei soggetti. In uno studio riguardante la tolleranza al carico orale di glucosio, il 55% dei soggetti è stato classificato affetto da diabete mellito e un altro 22% da alterata tolleranza al glucosio. A digiuno i livelli di glucosio sono elevati solo in un gruppo di pazienti con test di tolleranza al glucosio alterati, ad indicare che, nella sindrome il diabete è lieve; sintomi quali poliuria, polidipsia, prurito, calo ponderale sono di riscontro poco comune. Le complicanze tipiche del diabete, quali nefropatia, retinopatia, neuropatia, non sono state riportate nei soggetti con la sindrome. Dal momento che certi pazienti non hanno alcuna tendenza a sviluppare diabete, altri fattori, diversi dalle mutazioni nel gene WRN, sono responsabili della comparsa di diabete in questi soggetti.Vasculopatia responsabile del 15% dei decessi. Il 70-90% dei pazienti presenta ipercolesterolemia e ipertrigliceridemia.

• Sistema nervoso centralestudi più recenti hanno evidenziato che attorno ai 40 anni, il 40% presenta atrofia cerebrale, visibile alla TAC o alla RM: una demenza senile lieve è stata riscontrata nel 21% dei pazienti studiati.

Sindrome di Werner.4NEOPLASIE

I soggetti con sindrome di Werner hanno un rischio maggiore di sviluppare carcinomi e sarcomi; le neoplasie rappresentano la principale causa di morte (80%).

• Si verificano con maggior frequenza neoplasie non-epiteliali; • il rapporto neoplasie epiteliali-neoplasie non-epiteliali è di 1:1

contro 1:10 nella popolazione generale. • Le neoplasie più comuni sono sarcomi dei tessuti molli,

osteosarcomi, melanomi, carcinomi della tiroide. • Nei pazienti sono poco rappresentate alcune forme comuni di

neoplasie epiteliali, soprattutto il cancro della prostata, che nella popolazione generale è frequente fra i maschi anziani.

Sindrome di Werner.5• Disordine autosomico recessivo caratterizzato da esordio

precoce di manifestazioni correlate ad instabilità genomica, aumentato rischio di cancro ed invecchiamento precoce.

• La caratterizzazione biochimica ha evidenziato il coinvolgimento di una proteina di Werner con attività elicasiproteina di Werner con attività elicasi ed esonucleasi associata ad ATPasi ed esonucleasi associata ad ATPasi

Test Method Mutations Detected Mutation Detection Rate

Sequence analysis WRN mutations ~90%

Sindrome di Werner.6: eziologia• Il gene implicato della sindrome di Werner (WRN),

localizzato sul cromosoma 8p12, codifica per una proteina di 1432 aminoacidi, WRNp, che presenta un’omologia con la super-famiglia delle elicasi DExH box DNA e RNA.

• Sindrome da instabilità genetica: percentuale elevata di traslocazioni cromosomiche e mutazioni e tasso elevato di mutazioni nelle cellule somatiche.

• Fenotipo mutato, per perdita di WRNp: difetto del sistema di riparazione del DNA, difetto nell’iniziazione della replicazione, difetto di altri aspetti del metabolismo del DNA che richiedono lo svolgimento del DNA.

Sindrome di Werner.7: mutazioni di WRN

• Sono state identificate mutazioni nel gene WRN in tutti i soggetti con sindrome di Werner studiati.

• Sono state identificate 19 diverse mutazioni. Tutte le mutazioni, (puntiformi, inserzioni o delezioni) portano alla formazione di una proteina tronca; nessuna mutazione missense è stata fino ad ora identificata.

• Le proteine tronche WRN risultanti dalle varie mutazioni variano in lunghezza da 176 a 1304 aminoacidi, alcune contengono il dominio elicasi, mentre altre sono costituite soltanto dall’estremità N-terminale della proteina. Non è provato che la gravità della malattia correli con il tipo di mutazione osservata.

• Gli eterozigoti (allele normale/mutazione WS) non sembrano avere nessuna caratteristica della sindrome, alcuni vivono anche fino a 90 anni.

Sindrome di Werner

Alterazioni di DNA elicasi• Famiglia di RecQ

Geni della famiglia di RecQ codificano per elicasi, enzimi che “srotolano” il DNA così da permettere replicazione, trascrizione e riparazione del DNA.

• Le elicasi sono essenziali per la vita cellulare e per il mantenimento della stabilità genomica.

• 5 elicasi umane RecQ: RECQL, WRN, BLM, RECQL4, e RECQL5.

• Mutazioni in WRN e RECQ4 causano la Sindrome di Werner e di Rothmund-Thomson.

• Queste patologie, come anche la Sindrome di Bloom (mutazione di BLM), causano una predisposizione a sviluppare forme di cancro (Karow, 2000).

Sindrome di Bloom.1Rara malattia autosomica recessiva ad

esordio infantile precoce, caratterizzata da:

• teleangectasie, • eritema teleangectasico facciale, • fotosensibilità, • ipoevolutismo, immunodeficienza ed • aumentata suscettibilità a neoplasie.

Causata dalla mutazione del gene BLM, con gene locus 15q26.1. La proteina codificata ha un’attività elicasi e funziona nel mantenimento della stabilità genomica.

• Where is the BLM gene located?• Cytogenetic Location: 15q26.1• Molecular Location on chromosome 15: base pairs 89,061,605

to 89,159,601

• The BLM gene is located on the long (q) arm of chromosome 15 at position 26.1.

• More precisely, the BLM gene is located from base pair 89,061,605 to base pair 89,159,601 on chromosome 15.

Gene BLM nella S di Bloom• Mutazione omozigote del gene BLM, che codifica per un DNA

elicasi 3'-5', un membro della famiglia RecQ. • La proteina BLM svolge un ruolo nel mantenimento della stabilità

genomica durante la replicazione, la ricombinazione e la riparazione del DNA.

• La frequenza della BS nella popolazione non è nota: estrema rarità della malattia.

• Tra gli ebrei Askenazi la frequenza della BS è di circa 1/48.000. Questo è dovuto ad un effetto fondatore, in quanto 1% degli ebrei Askenazi è eterozigote per la mutazione BLMAsh.

• Non è disponibile una terapia risolutiva per la BS. Tuttavia, la presa in carico dei pazienti con BS deve essere accurata, per assicurare la diagnosi precoce di cancro

Sindrome di Bloom (BS).2: clinica

• Caratterizzata da instabilità genetica marcata, compresa elevata frequenza di scambi tra cromatidi fratelli,

• Segni clinici costanti: ritardo proporzionato della crescita pre e postnatale e predisposizione ai tumori.

• Altri segni clinici: dolicocefalia, eritema telangectasico facciale foto-sensibile, le chiazze cutanee iper e ipopigmentate ed immunodeficienza medio-grave, con infezioni ricorrenti alle vie respiratorie e all'intestino;

• Diagnosi di BS: aumento di circa 10 volte negli scambi tra cromatidi fratelli (SCEs) nelle cellule dei pazienti, rispetto alle cellule normali.

• La diagnosi clinica è confermata dall'analisi citogenetica che dimostra una caratteristica instabilità cromosomica.

Xeroderma pigmentoso (XP), Cockayne sindrome

Xeroderma pigmentoso (XP),1 Cockayne syindrome (CS) e xeroderma pigmentosum-Cockayne syndrome (XP-CS) sono rari disordini ereditari autosomico-recessivi, caratterizzati da estrema senibilità alla luce del sole.

Determinata da una inadeguata funzione di riparazione dei danni indotti dagli UV per alterazione del nucleotide excision repair (NER).

Difetti comuni in XP and CS che sono clinicamente distinte.

Cockayne sindrome (CS)

Disordine genetico strettamente relato allo XP.

CS è associata con fotosensibilità ma non necessariamente cancro della pelle.

Sintomatologia: grave ritardo della crescita, retinopatia, cataratta, facies caratteristica.

Aspetto prematuramente vecchieggiante.

Xeroderma pigmentoso.1• Malattia ereditaria , autosomica recessiva, caratterizzata da:

estrema fotosensibilità che determina severi e precoci danni a livello della cute e degli occhi.

• Incidenza 1:250.000 in Europa e USA, 1:40.000 in Giappone;

• Nel bambino affetto da XP una esposizione pur breve ai raggi solari determina ustioni cutanee con lenta risoluzione,

• gli effetti delle esposizioni sono cumulativi nel tempo.

• Manifestazioni cutanee: chiazze pigmentate, secchezza cutanea, lesioni atrofiche, cheratosi, bolle, che portano alla comparsa, anche prima dei dieci anni di età, di tumori cutanei. La cute, normale alla nascita, presenta le prime alterazioni dopo i sei mesi di vita.

Xeroderma pigmentoso.2: FENOTIPO E CLINICA

MANIFESTAZIONI CUTANEE: Fotosensibilità severa del sole (poikilodermia): lesioni cutanee precoci sulle zone

esposte. Occhi: in circa l'80% dei pazienti si osserva cataratta bilaterale, congiuntivite,

cheratite, opacità corneali, fino alla cecità, comparsa di tumori benigni e rischio aumentato di tumori maligni oculari.

Vesciche e bolle alla minima esposizione alle radiazioni ultraviolette. Nel bambino affetto da XP una breve esposizione ai raggi solari determina ustioni cutanee con lenta risoluzione; gli effetti delle esposizioni sono cumulativi nel tempo.

Ustioni o infiammazioni epidermiche (chiazze eritematose), insistenti scottature che possono durare per molte settimane.

Sviluppo di molte lentiggini (freckling) o di macchie scure ed irregolari sulla pelle nei primi anni di vita.

Pelle asciutta, senile, retrazioni cutanee, (invecchiamento prematuro di pelle, labbra, occhi, bocca e lingua).

Cheratosi attiniche (discolorazione). Lesioni atrofiche cutanee con numerose cicatrici che generano un danno estetico. Pelle sottile, debole e fragile. Teleangiectasie.

Xeroderma pigmentoso.3: neoplasie

• Lesioni tumorali, determinate da un difetto del meccanismo di riparazione del DNA, si sviluppano sul viso e sulle parti del corpo esposte al sole, inclusi occhi, labbra e punta della lingua.

• I tre tumori cutanei più comuni (epitelioma basocellulare, spinocellulare e melanoma) sono tutti presenti nello XP.

• più rari sono i sarcomi. Meno del 40% dei pazienti sopravvive dopo i venti anni di età;

• soggetti con forma attenuata della malattia possono superare l'età media, La prevalenza per altri tumori solidi (pricipalmente tumori cerebrali) è 10-20 volte quella della popolazione generale.

Xeroderma pigmentoso.4: disturbi neurologici.

• Il 14- 40% dei pazienti presenta disturbi neurologici di gravità estremamente variabile (sindrome piramidale, neuropatia periferica);

• I disturbi neurologici più frequenti sono: • Sordità,• Microcefalia,• Atassia cerebellare,• Spasticità,• Corea• Ritardo mentale

Xeroderma pigmentoso.5: eziologia

• Alterato meccanismo di riparazione del DNA. Alterato meccanismo di riparazione del DNA. • Il difetto base dello XP è da ricercare nel sistema di

escissione-riparazione del nucleotide, NERNER, che determina una alterata riparazione del DNA danneggiato dai raggi ultravioletti.

• Nel soggetto colpito da XP le cellule (fibroblasti, linfociti, ecc...) non riescono a riparare le lesioni provocate dai raggi ultravioletti.

• Esistono otto tipi di Xeroderma Pigmentosum: ogni tipo è caratterizzato da una alterazione di differenti geni del sistema di riparazione del DNA (mutazioni dei geni XPA, ERCC3 (XPB), XPC, ERCC2 (XPD), DDB2 (XPE), ERCC4 (XPF), ERCC5 , e POLH).

Xeroderma pigmentoso.6: test UDS del sistema NER

• Il sistema NER può essere visualizzato e valutato al microscopio tramite il Il sistema NER può essere visualizzato e valutato al microscopio tramite il test di sintesi non prevista di DNA (UDS). test di sintesi non prevista di DNA (UDS).

• Analisi di complementazione tramite fusione cellulare hanno permesso Analisi di complementazione tramite fusione cellulare hanno permesso un’ulteriore classificazione genetica dello XP. un’ulteriore classificazione genetica dello XP.

• 7 differenti gruppi di complementazione, che rappresentano sette diversi 7 differenti gruppi di complementazione, che rappresentano sette diversi geni difettivi del sistema NER nello XP: XP-A, -B, -C, -D, -E, -F, e -G. geni difettivi del sistema NER nello XP: XP-A, -B, -C, -D, -E, -F, e -G.

• Inoltre un'altra classe di pazienti XP (XP variante) sembra essere difettoso Inoltre un'altra classe di pazienti XP (XP variante) sembra essere difettoso in un prodotto genico che nelle cellule normali permette la replicazione in un prodotto genico che nelle cellule normali permette la replicazione semiconservativa di tratti della catena di DNA danneggiati (riparazione semiconservativa di tratti della catena di DNA danneggiati (riparazione postreplicativa). (C. Scriver et al., The Metabolic and Molecular Bases of postreplicativa). (C. Scriver et al., The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease, Seventh Edition).Inherited Disease, Seventh Edition).

• I geni per diversi tipi di XP sono stati clonati, e la loro attività include il I geni per diversi tipi di XP sono stati clonati, e la loro attività include il legame di fotoprodotti, l’elicasi e la endonucleasi. (De Vita, Hellman, legame di fotoprodotti, l’elicasi e la endonucleasi. (De Vita, Hellman, Rosenberg. Cancer, 6th Edition)Rosenberg. Cancer, 6th Edition)

Molecular Genetics of Xeroderma Pigmentosum

Group Locus Name

Gene Symbol

Chromosomal Locus Protein Name

A XPA XPA 9q22.3 DNA-repair protein complementing XP-A cells

B XPB ERCC3 2q21 TFIIH basal transcription

factor complex helicase XPB subunit

C XPC XPC 3p25 DNA-repair protein complementing XP-C cells

D XPD ERCC2 19q13.2-q13.3 TFIIH basal transcription factor complex helicase

subunit

E XPE DDB2 11p12-p11 DNA damage binding protein 2

F XPF ERCC4 16p13.3-p13.13 DNA repair endonuclease XPF

G XPG ERCC5 13q33 DNA-repair protein complementing XP-G cells

XP variant POLH 6p21.1-p12 DNA polymerase theta

Atassia-Telangectasia.1• Talvolta chiamata sindrome di Luis-Bar, è stata descritta per la prima

volta da Sylaba e Henner nel 1926, assai prima della descrizione di Luis-Bar nel 1941.

• Caratterizzata da: atassia cerebellare progressiva, che inizia dagli 1 ai 4 aa di età, telangectasie della congiuntiva, frequenti infezioni, immunodeficienza ed un aumentato rischio per lo sviluppo di tumori maligni, in particolare leucemie e linfomi.

• I pazienti con A-T sono oltremodo sensibili alle radiazioni ionizzanti.

• Ereditarietà autosomica recessiva (mutazione del gene ATM).• Gli eterozigoti possono presentare un’aumentata possibilità di

sviluppare cancro.

Atassia-Telangectasia.2

• .

Model of differential effects of ATM and ATR mutation in neuronal vs dividing somatic cells.

In neurons, ATM/ATR loss-of-function manifests as cell death and neurodegeneration.

In normally dividing cells such as epithelial cells, the same mutations can result in the accumulation of additional mutations with each successive generation, eventually resulting in cancer...

Abbreviations: ATM, ataxia-telangiectasia mutated; ATR, ataxia telangiectasia and Rad3 related; BRCA1, breast cancer 1; NBS1, nijmegen breakage syndrome 1 (nibrin); Rad17, RAD17 homolog. Yellow circles labeled with P denotes phosphorylation

Atassia-Telangectasia.3Segni clinici

• AT tende a differenziarsi leggermente da famiglia a famiglia negli ultimi stadi.

• Le caratteristiche principali includono: (a) atassia progressiva del tronco e dell’andatura con esordio dal primo fino al terzo anno di età; (b) alterazioni progressive del linguaggio; (c) aprassia oculomotoria; (d) teleangectasia oculocutanea; (e) aumento dell’alfa fetoproteina serica; (f) infezioni frequenti, per immunodeficienza umorale e cellulare; (g) predisposizione alle neoplasie, generalmente leucemia o linfoma; (h) ipersensibilità alle radiazioni ionizzanti (sono quindi controindicate le dosi convenzionali di radioterapia per la cura del cancro); (i) traslocazioni reciproche che coinvolgono quasi esclusivamente i cromosomi 7 e 14.

• Altre caratteristiche includono l’invecchiamento precoce e anomalie endocrine.

Atassia-Telangectasia.4 Lesioni

A livello del sistema nervoso centrale sono presenti:• gravi degenerazioni nella corteccia cerebellare; • perdita delle fibre mielinizzate nelle colonne posteriori, nei tratti spino-

cerebellari e nei nervi periferici; • alterazioni degenerative nelle radici posteriori e nelle cellule dei gangli del

sistema simpatico; • perdita di cellule a livello delle corna anteriori del midollo spinale. • In alcuni casi sono state riscontrate anomalie vascolari, • Vi può essere anche una perdita di cellule pigmentate nella substantia nigra

e nel locus ceruleus ed inclusioni citoplasmatiche (corpi di Lewy) nelle altre cellule (Agamanolis e Greenstein). Inclusioni intranucleari e strane formazioni nucleari sono state registrate nelle cellule satellite (amficiti) dei neuroni gangliari delle radici dorsali (Strich). (Adams et al. Principles of Neurology. 2001)

Atassia-Telangectasia.5Neuropatologia

• Caratteristica principale e maggiormente disabilitante dell’atassia teleangectasia è l’atassia progressiva cerebellare.

• Poco dopo che il bambino ha iniziato a camminare, comincia a muoversi barcollando. Entro i 10 anni d’età, essi sono generalmente costretti all’uso della sedia a rotelle. L’atassia comincia a livello del tronco, ma nel giro di alcuni anni coinvolge la coordinazione periferica.

• I riflessi tendinei profondi sono diminuiti o assenti nei pazienti meno giovani mentre i riflessi plantari sono aumentati o assenti.

• Il linguaggio impacciato e l’aprassia oculomotoria vengono notate precocemente.

• La scrittura viene interessata entro i 7-8 anni d’età. • Gli spasmi mioclonici ed i tremori intenzionali sono presenti in circa il 25%

dei casi. Spesso viene lamentata ipersecrezione salivare.

Atassia-Telangectasia.6 Altre caratteristiche.

• La potenza muscolare è normale all’inizio, ma diminuisce con il non utilizzo, soprattutto a livello delle gambe.

• La forza delle braccia rimane generalmente inalterata. Le contratture delle dita delle mani e dei piedi sono comuni nei pazienti più anziani, ma possono essere evitate tramite precisi esercizi.

• I pazienti con atassia teleangectasia possiedono normali capacità intellettive, sebbene la lentezza delle risposte renda difficile la valutazione tramite il test del QI rispetto al tempo.

• Molti pazienti hanno completato le scuole superiori con ottime valutazioni; alcuni hanno completato il college o l’università.

• Certi pazienti sembrano avere un ritardo mentale minimo; la maggior parte possiede buone capacità mnemoniche.

Atassia-Telangectasia.7 Teleangectasie

• La presenza di teleangectasia aiuta nella diagnosi. • Localizzate nella congiuntiva, sulle orecchie, sopra il ponte del naso, nelle

fosse antecubitali e dietro le ginocchia, talvolta su tutto il corpo. • Non compare prima dei 4-6 anni di vita • Boder suppose che le teleangectasie comparissero in seguito

all’esposizione ai raggi ultravioletti, tuttavia ciò non spiegherebbe la loro comparsa nelle zone dietro le ginocchia di alcuni pazienti.

• Circa il 5% dei pazienti con atassia teleangectasia non sviluppano mai importanti teleangectasie e risultano essere i pazienti con sintomi più lievi. Quasi in tutti i soggetti affetti vengono riscontrate chiazze caffè-latte. (C. Scriver et al., The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease, Eighth Edition)

Atassia-Telangectasia.8 Radiosensibilità e tumori

• Le cellule dei pazienti e dei portatori eterozigoti, presentano una aumentata sensibilità alle radiazioni ionizzanti, una deficitaria riparazione del DNA e frequenti anomalie cromosomiche. (Nelson, Textbook of Pediatrics, XVI Edition).

• Predisposizione allo sviluppo di neoplasie Nel corso della loro vita, il 38% dei pazienti omozigoti con atassia teleangectasia sviluppa una neoplasia.

• Circa l’85% di queste neoplasie sono leucemie o linfomi. Nei pazienti più giovani, la leucemia linfocitica acuta è di origine T-cellulare, sebbene sia stata osservata anche quella di origine pre-B.

• Le cellule leucemiche spesso contengono una traslocazione e/o una inversione che coinvolge il complesso per il gene della catena alfa del recettore delle cellule T, localizzato nel cromosoma 14q 11-12

Atassia-Telangectasia.9 Rischio tumori

• Poiché i pazienti con atassia teleangectasia tendono oggi a vivere più a lungo, vengono osservate anche neoplasie non linfoidi.

• Diversi pazienti hanno sviluppato cancro mammario e melanoma, alcuni il cancro gastrico e ovarico.

• Anche nei soggetti eterozigoti per atassia teleangectasia sembra esistere una predisposizione allo sviluppo di neoplasie.

• E’ stata riportata una incidenza maggiore di cancro mammario nelle donne eterozigoti per atassia teleangectasia degli Stati Uniti, Regno Unito e Norvegia.

• Le neoplasie più frequentemente riscontrate negli eterozigoti per l’atassia teleangectasia sono: il cancro mammario, tracheobronchiale, polmonare, gastrico, prostatico, il melanoma ed il cancro della cistifellea.

Atassia-Telangectasia.10 Eziologia

• L’atassia teleangectasia, come lo xeroderma pigmentoso e la sindrome di Cocayne, viene attribuita ad una alterazione del sistema di riparazione del DNA. (Adams et al. Principles of Neurology. 2001).

• Il gene mutato responsabile di questo difetto (ATM) è stato mappato nel braccio lungo del cromosoma 11 (11q22-23) ed è stato clonato.

• Il prodotto di questo gene è una protein-chinasi DNA dipendente localizzata per lo più nel nucleo.

• Essa è coinvolta nella trasduzione del segnale mitogenico, della ricombinazione meiotica e nel controllo del ciclo cellulare. (Nelson, Textbook of Pediatrics, XVI Edition)

Atassia-Telangectasia.11:gene ATM• A-T è un disordine complesso che comprende sindromi da

difetto dei processi di riparazione del DNA, immunodeficienza, disordini neurologici, sindrome da instabilità cromosomica, abnorme radiosensitività, predisposizione a sviluppare cancro.

• La proteina ATM controlla il ciclo cellulare e svolge un ruolo importante nella protezione del genoma.

• ATM regola l’attività di geni “tumor suppressor” come TP53 e BRCA1, importanti nella predisposizione in alcuni tipi di cancro.

• ATM svolge un ruolo importante nello sviluppo del sistema nervoso, per quel che riguarda il differenziamento delle cellule staminali, e per l’eliminazione delle cellule post-mitotiche danneggiate.

Atassia-Telangectasia.12

Atassia-Telangectasia.13: proteina ATM

• ATM appartiene ad una famiglia di proteine (di cui fanno parte anche DNA-Pk e mTOR), conservata dal lievito all’uomo, che regola i punti di controllo del ciclo cellulare (CHECKPOINTS) ed è coinvolta nella riparazione e ricombinazione del DNA.

• I pazienti con A.T. presentano anomalie nelle risposte alle radiazioni ionizzanti, alterazioni dei checkpoints ed incremento delle rotture cromosomiche e dei telomeri.

ATM è una proteina di 350kDa che:• contiene un dominio a cerniera di leucine;• ha un dominio chinasico C- terminale omologo al dominio catalitico di

PI3K;• ha una subunità catalitica p110 simile a DNA-PKα;• è localizzata soprattutto nel nucleo, ma è stata ritrovata anche in

vescicole citoplasmatiche.

Funzione della proteina ATM• ATM è regolatore dei checkpoints del ciclo cellulare. • Le radiazioni ionizzanti attivano ATM che fosforila p53, ( la frequenza di

fosforilazione diminuisce in pazienti con deficit di ATM ).• p53- attivato induce p21 (conosciuto anche come WAF1 o CIP1 ), che a

sua volta inibisce la cic.E e la cdk2, importanti per la progressione del ciclo cellulare da G1 a S.

• Anche in fase S il ciclo si blocca in seguito a danni al DNA. Si è visto che le cellule mancanti di ATM hanno difficoltà ad arrestare la sintesi del DNA dopo l’esposizione a radiazioni ionizzanti.

• ATM, in questa fase, vede come potenziale substrato, identificato in vitro, la proteina p95, detta anche NBS1.

• Un altro componente di complesso è BRCA1, che partecipa al pathway di segnalazione.

• Un’altra possibile via prevede l’attivazione di CHK2 da parte di ATM .• Anche l'arresto in G2 può avvenire attraverso due vie, in cui ruoli

primari sono coperti da ATM,

ATM

• La proteina ATM si associa con il DNA, con particolare affinità per le estremità terminali, suggerendo che potrebbe agire come sensore primario di rottura del doppio filamento di DNA.

• In presenza di danno al DNA, ATM è in grado di fosforilare una varietà di proteine target e di attivare diverse cascate di segnali

Proteina ATM

Azione di ATMIn risposta alla rottura del doppio filamento di DNA, ATM interagisce con molte proteine con il risultato di indurre l’arresto del ciclo cellulare, aumentare la riparazione del DNA ed inibire l’apoptosi.