Le mutazioni 4 - uniba.it · Perché un aumento nel numero di sequenze ripetute causa una...
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By NA Le mutazioni 4 Lezione 13
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Le mutazioni 4
Lezione 13
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MUTAZIONI DINAMICHE
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MEMENTO
La cosidetta patologia molecolare ha come fine quello di spiegare se e come un particolare allele sia collegabile ad un fenotipo clinico, quindi ci si domanda: la mutazione che effetto ha sulla quantita', qualita', funzione del prodotto? cosi' si tenta di spiegare perche' sia o meno patogenetica
ormai vi saranno chiare le difficolta' che si incontrano e la portata della sfida per comprendere il funzionamento del genoma umano: le malattie genetiche sono il risultato di un complesso network di interazioni, ma costituiscono il fulcro per lo studio delle funzioni.
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Insorgenza tardiva&
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espansione di triplette: tipo di mutazioneindividuata nel 1990
premutazione : stato che aumenta il rischio di trasmettereil fenotipo patologico. Il rischio non e’ piu’ quantizzabile in termini probabilistici
Anticipazione
L
M
L
&
alcuni fenotipi a trasmissione autosomica dominante diventano piu’ gravi nelle generazioni successive perche?
Corea di Hunghinton, X fragile, Distrofia Miotonica
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Schema di mutazioni dinamiche
5’UTR esone introne esone introne esone 3’UTR
Normale
Premutazione
Mutazione completa,range di mutazione
Esone ORFNormale
Premutazione
Mutazione completa,range di mutazione
CGGCGGCGG
526
CGGCGGCGGCGG
20060
CGGCGGCGGCGGCGG
1000
280
GAAGAAGAAGAA
22
GAAGAAGAAGAAGAA
GAAGAAGAA 7
900
200
CTGCTGCTGCTG
CTGCTGCTGCTGCTG
CTGCTGCTG
50
373
3000
X-fragile Atassia diFriedrich
Distrofiamiotonica
CAGCAGCAG
10
CAG 35
CAGCAGCAGCAGCAG
121
36
CGGCGGCGG
7
CGG 25
CGGCGGCGG
75
49
Corea di Huntington Atassia spinocerebellare 1
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Mutazioni dinamiche – effetto fondatoreDal momento che le ripetizioni del range di normalità NON aumentano di numero dopo replicazione, da dove sono nati gli alleli instabili?
EFFETTO FONDATORE: Eccezionalmente, in uno o pochi individui, si sono verificati degli errori nella trascrizione, producendo degli alleli con un numero di ripetizioni aumentato, che sono stati ereditati nelle successive generazioni, producendo un di alleli instabili presenti oggi nella popolazione
Per molte delle mutazioni dinamiche l effetto fondatore è stato dimostrato
Questo effetto fondatore si riconosce anche nell assenza o maggior frequenza di alcune di queste patologie in certe aree geografiche
pool
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Mutazioni dinamiche meccanismo dell instabilità
strutture alternative
trascrizionemeccanismi di riparazione
tendenza all incremento numerico delle ripetizioni
contrazioni di ripetizioni
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Perché oltre una certa lunghezza compare il fenomeno dell instabilità?
La presenza di un aumentato numero di ripetizioni provoca, nel DNA, la formazione di , assenti quando il numero di ripetizioni è nel range di normalità
Queste strutture causano problemi sia nei processi di (della polimerasi), sia probabilmente nei del DNA
La conseguenza ultima è la dopo replicazione (sia mitotica che meiotica!)
Per lo stesso principio, sono possibili anche le , ma per la maggior parte delle patologie le espansioni sono favorite
slippage
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Mutazioni dinamiche strutture alternative del DNA
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Mutazioni dinamiche espansioni e contrazioni
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Mutazioni dinamiche principi generali delle mutazioni dinamiche
INSTABILITÀ MITOTICA:
mosaicismo tissutale
INSTABILITÀ MEIOTICA:
anticipazione
TRASMISSIONE PATERNA O MATERNA
determina la presenza di espansioni di grandezze differenti all interno dello stesso tessuto e tra tessuti differenti. Produce dunque un
determina la trasmissione alle generazioni successive di una espansione di diversa ampiezza. E alla base del meccanismo dell
: in alcune patologie, si possono avere espansioni o contrazioni del numero di ripetizioni a seconda che l allele mutato sia trasmesso dal padre o dalla madre
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Mutazioni dinamicheLocalizzazione delle espansioni
Esistono differenti meccanismi molecolari alla base delle diverse patologie
Perché un aumento nel numero di sequenze ripetute causa una patologia?
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Mutazioni dinamiche Classificazione molecolare
• Poliglutamine (Corea di Huntington, malattia di Kennedy, SCAs)
• Polialanine (Oloprosencefalia, sinpolidattilia, hand-foot-genital syndrome)
• Promotore (Epilessia progressiva mioclonica)• 5 -UTR (Sindrome dell X-fragile, SCA12)• Introne (Atassia di Friedrich, Distrofia miotonica di tipo 2)• 3 -UTR (Distrofia miotonica di tipo 1, SCA8)
Espansioni in porzioni codificanti (esoniche) del gene:
Espansioni in porzioni non codificanti del gene:
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Mutazioni dinamiche – Sindrome dell X fragile
Come si spiega il paradosso di Sherman?La sindrome dell X-fragile è stata la prima patologia da espansione di triplette riconosciuta (1991).Il gene responsabile è FMR1 che mappa sul cromosoma Xq27.3La tripletta responsabile è CGG, situata nella porzione 5 -UTRL espansione di questa tripletta è causa del 99% dei casi di FRAXA
< 44 repeats45-54 repeats
: 55-200 repeats> 200 repeats
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Valori normali:Gray zone:Premutazione Mutazione:
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Mutazioni dinamiche – Sindrome dell X fragileSoluzione del paradosso di Sherman:Nel passaggio da una generazione all altra, soprattutto per trasmissione materna, il numero di triplette tende ad aumentare > normalmente, i maschi figli di portatrici avranno un numero di triplette più elevato rispetto alle madri
Se l aumento resta nell ambito della premutazione, i maschi che ricevono l allele premutato lo trasmetteranno mediamente invariato alle figlieLe loro figlie avranno quindi un numero maggiore di ripetizioni rispetto alle nonne >aumentato rischio di salto oltre le 200 ripetizioni = aumentato rischio di figli con ritardo mentale rispetto alle nonne (effetto di posizione nell albero genealogico)Oggi possiamo quantificare meglio il rischio di avere un figlio con ritardo mentale :
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ØØ
ØØ
Ø
Oltre le 200 ripetizioni: affettiInferiore a 200 ripetizioni : clinicamente sani
Triplette inferiori a 55: rischio pari a 0Triplette superiori a 100: rischio pari al 100%Valori intermedi: il rischio cresce esponenzialmente
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Il gene e’ composto di 17 esoni ed e’ lungo 38 Kb.All’interno del primo esone al 5’UTR e’ presente una serie di CGG.Nella popolazione questa regione e’ polimorfica: varia da 7 a 52 ripetizioni: l’allele piu’ comune e’ quello di 30 (effetto fondatore).
Quando il numero delle triplette supera 230 l’intera regione viene ipermetilata aggiungendo un gruppometilico a C su entrambe le eliche
il promotore del gene viene inattivato e FRM1 diviene silentee la cromatina non riesce a condensare correttamente
Mutazioni dinamiche – Sindrome dell X fragile perche
Come nella distrofia miotonica, l espansione è localizzata in una porzione del gene non tradotta Diversamente da questa e una patologia da
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’silenziamento genico
M
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Mutazioni dinamiche – Sindrome dell X fragile riassumendo
*La tripletta CGG si trova vicina al promotore del gene FMR1 in una zona ricca di
*Un espansione oltre i 200 repeats causa il richiamo di specifiche proteine che le del promotore del gene FMR1>
*La proteina FMRP è importante nello sviluppo neuronale e dei dendriti. Se il gene è silenziato > *Nei maschi, non si avrà alcun prodotto proteico (emizigoti) > affetti*Nelle femmine, il prodotto presente dipende da quale cromosoma X è inattivato > affette se è maggiormente inattivo il cromosoma X normale, altrimenti sane ( )*Ecco perché la frequenza delle femmine affette è minore
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CpG islands
metilano citosine MODIFICA EPIGENETICA
APLOINSUFFICIENZA
mosaicismo di metilazione
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Mutazioni dinamiche – Sindrome dell X fragile riassumendo
di mutazione patologica: è definita come , corrisponde all allele con oltre 200 Casi particolari (rari):
(normale/premutato; premutato/full mutato; normale/mutato) >
(alleli con > 200 triplette metilati e non metilati) >
1% dei pazienti non presenta espansione di triplette : mutazioni puntiformi, delezione del gene
Perché i maschi affetti non hanno figlie affette?I maschi con full mutation hanno negli spermatozoi per la selezione degli spermatozoi durante lo sviluppo embrionaleDi conseguenza, le figlie di maschi affetti saranno solo premutate e mai full mutate
’
’Ridefininizione
triplette metilate
Mosaicismo di lunghezza fenotipo variabile
Mosaicismo di metilazione fenotipo variabile
solo premutazioni
full mutation
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Mutazioni dinamiche – FMR1 related disorders
* Il 20% delle donne con premutazione presenta (POF, esaurimento follicolare precoce)*Circa il 20% degli uomini con premutazione presenta
(FXTAS), mentre è rarissima tra le donne
Il gene FMR1 presenta quindi
NON sono patologie da aploinsufficienza : sono probabilmente patologie RNA -mediate:Gli alleli premutati non solo non sono silenziati, ma presentano anche un aumentata trascrizione, per compensare il difetto di traduzione degli alleli espansi ? accumulo di RNA
FMR1-related disorders
Fragile X ataxia/Tremor Syndrome
ETEROGENEITÀ ALLELICA
Premature Ovarian Failure
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Mutazioni dinamiche – Corea di Huntington –meccanismi 1
Meccanismo patogenetico principale:
L eccesso di glutamine nella sequenza aminoacidica impedisce il giusto ripiegamento (folding) della proteina stessa
La proteina viene degradata ma i frammenti con le poliglutamine si aggregano
Si formano accumuli all interno dei nuclei dei neuroni con ed effetto citotossico ? apoptosi e
degenerazione neuronale
Accanto a questo, ci sono altri meccanismi che contribuiscono a determinare il fenotipo (danno mitocondriale, alterazione della trascrizione di altri geni, alterazione del trasporto assonale)
tossicità da poliglutamine
guadagno di funzione
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Mutazioni dinamiche – Corea di Huntington – meccanismi 2
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Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica 1 –classificazione molecolare
Gene responsabile: l espansione riguarda la tripletta da CTG e si trova nella regione 3 UTR del gene DMPK che mappa sul cromosoma 19q13.3
Classificazione molecolare:•5-36 repeats: alleli normali•50-150 repeats: classe E1•150 -1000 repeats: classe E2•1000 - >4000 repeats: classe E3
La forma congenita si manifesta in genere per espansioni di classe E3, trasmesse per
Le espansioni trasmesse dal padre tendono ad essere più stabili (presenza sia di espansioni, sia assenza di variazione, sia rare contrazioni )
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via materna.
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Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica 1 -pedigree
Il gene DMPK
Nei pazienti (CTG)n è espanso
Distrofia miotonicaquesto non e sufficiente per dire che quel gene e il
responsabile della malattia: bisogna individuare anche affetti con mutazioni puntiformi.
Nel caso di FMR1 ci sono affetti senza espansione con mutazioni puntiformi che impediscono l espressione.
si ritiene che il gene identificato sia il principale, ma non si e ancora compreso perche l espansione provochi la patologia. Forse altera l espressione dei geni adiacenti. Esistono modelli murini che sembrerebbero validare questa ipotesi.
Ma allora bisogna ritenere DM una sindrome da geni contigui
M
M
M
M
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Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica 2 Miopatia miotonica prossimale (PROMM), simile e
spesso indistinguibile a livello clinico dalla DM1
La sua frequenza non è chiara (1/50.000 circa)
Le differenze maggiori con la DM1 riguardano• Presenza di una clinica globalmente più lieve• Possibile presenza di crampi e algie, mai presenti
nella DM1• Colpisce prima i muscoli prossimali• Non è mai presente una forma congenita con
ritardo mentale
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Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica 2 La patologia è determinata da un espansione di un tetranucleotide CCTG, presente nel primo introne del gene ZNF9, che mappa in posizione 3q21.3
Alleli normali: 11 -26 repeatsAlleli mutati: 75 -11.000 repeats (media: 5.000 repeats)
Nonostante il grandissimo numero di ripetizioni, non è possibile effettuare una correlazione genotipo -fenotipo
La penetranza è completa e l espressività è variabile
DM1 e DM2 sono un esempio di cioè mutazioni in geni differenti possono produrre lo stesso fenotipo
Entrambe le patologie sono dotate di grandissimo
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ETEROGENEITÀ GENETICA,
mosaicismo somatico
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Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica –Patologia ad RNA
Perché una mutazione in una regione
non codificante
provoca una patologia?
Patologia dell RNA’
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Mutazioni dinamiche – Distrofia Miotonica –Patogenesi
Il gene DMPK è trascritto in mRNA che deve essere traslocato dal nucleo al citoplasma per essere processato
Se è presente l espansione, questa sarà trascritta in RNA (CUG). In seguito allo splicing dell mRNA,
Questi aggregati interferiscono con altre proteine nucleari >
In particolare, gli aggregati ( foci ) di RNA sequestrano una classe di proteine (MBNL1) e spiazzano una seconda famiglia di proteine (CELF). Questi due tipi di proteine sono necessari per un corretto assemblaggio dello spliceosoma
L effetto finale è l alterazione dello splicing di altri geni, con conseguente alterazione funzionale di diversi (effetto in )
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“ ”“ ”
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il messaggero contenente la ripetizione CUG forma degli aggregati resistenti alla distruzione che rimangono intrappolati nel nucleo
guadagno di funzione
pathways trans
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