lez_17_18_Malattie da espansione_21_10_2014

Corso integrato di Genetica e Biologia Molecolare
GENETICA
a.a.2014-2015
Pier Franco Pignatti
21.10.2014
Lezioni N. 17-18
Malattie da mutazioni dinamiche
(Neri-Genuardi cap. 17)
Espansione di triplette, premutazioni, anticipazione
Le sequenze di DNA ripetuto sono spesso
coinvolte in malattie
Crossing-over diseguale
Scambio diseguale fra cromatidi fratelli
Conversione genica
Duplicazione
Delezione
Inserzione
Inversione
Espansione di ripetizioni instabili
Espansione di ripetizioni instabili
Es: FRAXA
NEJM 332:1499, 1995
Instabilità delle ripetizioni
In blu: interruzioni che
rendono gli alleli stabili
Mancano interruzioni e gli alleli
si espandono: alleli instabili
Es: SCA
Nota una eccezione alla regola: una grossa espansione di un
allele paterno interrotto in una grave forma di SCA-2 con
esordio infantile ( Kobayshi H et al, 2011)
Strachan e Read, Genetica Molecolare Umana UTET 2000
Meccanismo di espansione
CAG:Gln
Espansione massiva
Espansioni non codificanti
c9-FTD/ALS (GGGGCC)
SCA36 (GGCCTG)
Espansioni codificanti glutamina
Malattie da mutazioni dinamiche
DM2
XL
AR
AD
AD
>40 m. neurologiche, neurodegenerative, neuromuscolari
Gelehrter Collins Ginsburg Genetica Medica Masson 1999; JRGatchel & H Zoghbi 2005
Sindrome dell’X fragile (FXS)
S. di Martin-Bell (1943). La forma più comune di disabilità
intellettiva ereditaria. Una delle più frequenti cause note di disabilità
intellettiva e autismo. Affetti 1:4.000 maschi, 1:6.000 femmine.
Sito fragile Xq27.3 (FRAXA) in terreno
privo di folato (Lubs 1969). Alterazione
della replicazione del DNA
Disabilità intellettiva (XLID) sindromica
102 geni associati con XLID
Lubs HA et al. 2012
Espansione di FMR1
1991: identificazione del gene FMR1 e della
prima mutazione dinamica (cioè che si modifica
nel passaggio da una generazione all’altra)
Gelehrter Collins Ginsburg Genetica Medica Masson 1999
Il paradosso di Sherman
Si notino un trasmettitore sano e diverse femmine affette per inattivazione
sbilanciata della X. Espansione preferenziale nella linea femminile.
Paradosso di Sherman: aumento del numero di casi (aumento della
penetranza) col passare delle generazioni.
Fu YH et al. 1991 «Variation of the CGG repeat at the fragile X site
results in genetic instability: resolution of the Sherman paradox»
Funzione del gene FMR1
FMRP è una proteina che lega l’RNA e regola la
traduzione di un gruppo di mRNA dei dendriti
neuronali inibendo l’attività di altri geni
Topi con gene Fmr1 inattivato hanno perdita della
proteina FMRP e alterata maturazione della
trasmissione glutamatergica durante il periodo
critico perinatale
FMRP è necessaria per il normale procedere della
maturazione sinaptica durante lo sviluppo. La sua
assenza causa una eccessiva sintesi proteica nei
dendriti postsinaptici e una alterazione della
funzionalità sinaptica
Espansione di triplette gene FMR1
Santoro MR et al, Ann Rev Pathol Mech Dis 2012
Premutazioni FMR1
La premutazione (55-200 CGG) causa aumento di trascritti e
diminuzione di FMRP probabilmente a causa di un sequestro da
parte dell’espansione CGG di proteine che legano l’mRNA.
Può dare :
Sindrome con Tremore e Atassia associata a X fragile (FXTAS)
Malattia neurodegenerativa a inizio tardivo. La penetranza nei
maschi di più di 70 anni è >50%, mentre nelle donne è minore
Insufficenza ovarica primaria associata a X fragile (FXPOI)
in
circa il 20% delle donne portatrici della premutazione.
Menopausa precoce
Eziopatogenesi di malattie legate a
premutazioni del gene FMR1
Premutazioni del gene FMR1 possono causare un gruppo di
fenotipi del neurosviluppo (malattia da deficit di attenzione
e iperattività, disordine dello spettro autistico, malattia
convulsiva) e neurodegenerative (sindrome con tremore e
atassia associata all’X-fragile, FXTAS) con un meccanismo
completamente diverso da quello implicato in FXS e
caratterizzato da un aumento della produzione e della
tossicità dell’mRNA di FMR1
Hagerman R e P Hagerman 2013
Atassia di Friedreich (FRDA)
La sindrome atassica ereditaria più frequente nelle
popolazioni caucasoidi (3-4:100.000, AR).
Insorgenza pubertà, perdita progressiva coordinazione
muovimenti ed equilibrio
Deficit di energia: anche cardiomiopatia ipertrofica che
può condurre a morte precoce
Gene frataxina (FXN) mappato cr. 9q13
Triplette GAA nel primo introne: da 35-40 normale a
70-1000 espansioni causano silenziamento genico
con grave deficit di frataxina
Espansioni meno grandi sono correlate con un esordio
più tardivo
Frataxina
Proteina mitocondriale che mantiene omeostasi Fe
mitocondriale ed ha ruolo protettivo dal danno nucleare
FRDA: il deficit di frataxina altera la funzione
mitocondriale determinando sovraccarico di Fe,
diminuita produzione di ATP, difetto di funzionamento
di neuroni e cardiomiociti; instabilità cromosomica,
aumento della sensibilità a mutageni chimici e specie
reattive dell’ossigeno (ROS)
Tentativi terapeutici: rimozione Fe mitocondri mediante
sostanze chelanti come il deferiprone, contrasto allo
stress ossidativo con antiossidanti, aumento
dell’espressione genica con eritropoietina e inibitori
della deacetilasi istonica
Sperimentazione per aumentare l’espressione
di FXN con inibitori della deacetilasi istonica
Una possibile via di silenziamento nella atassia di Fridreich. Sono
stati compleatati studi preclinici di sicurezza e tossicità di un
composto ed è stato iniziato uno studio di fase I in pazienti FRDA
Gottesfeld JM, JR Rushe, M Pandolfo 2013
Demenza frontotemporale associata a sclerosi
laterale amiotrofica (FTD/ALS)
La causa più comune delle
forme familiari e
sporadiche delle malattie
neurodegenerative sclerosi
laterale amiotrofica (ALS)
e demenza frontotemporale
(FTD) è la espansione
anomala di una sequenza
ripetuta di 6 nucleotidi. La
sequenza GGGGCC è
localizzata in una regione
non codificante del gene
C9orf72.
La formazione di Gquadruplette. Le
molecole di DNA ed
RNA che comprendono le
ripetizioni GGGGCC
adottano una particolare
struttura secondaria che
causa una trascrizione
abortiva con l’accumulo
di trascritti accorciati.
Taylor JP 2014
Poliglutaminopatie (polyQ)
Un gruppo di patologie comprendente 9 malattie
neurodegenerative da espansione
Il tratto poliglutaminico conferisce alle proteine
un guadagno di funzione tossico che porta a
inizio tardivo della malattia e perdita
progressiva di neuroni in regioni specifiche
del SNC
Possibile contributo di modificazioni posttraduzionali della proteina
Alcune Poliglutaminopatie
NEJM 340:1974, 1999
Test genetici brevettati per SCA
Berthels N et al, EJHG 2011
Malattia di Huntington (HD)
George Huntington (1872) descrive la malattia AD caratterizzata
da disabilità motoria progressiva e deterioramento mentale.
Prevalenza 3-7:10.000
Read e Donnai, Genetica Clinica, Zanichelli 2007
La malattia di Huntington
George Huntington, 1872
La localizzazione del gene di HD
La figura mostra parte di una grande famiglia venezuelana che ha
permesso di localizzare il gene sul cromosoma 4 nel 1983. Analisi di
linkage con RFLP e il marcatore G8, situato a 3cM dal gene
Gusella et al Science 225:1320,1984
La identificazione del gene IT15
N: 11-36 triplette
HD: 40-121 triplette
Gene IT15 (Important Transcript 15, in seguito chiamato Huntingtina,
HTT) identificato nel 1993. Nel 1994 “Uno studio mondiale della
mutazione HD. La sensibilità e la specificità di misurare le ripetizioni
CAG” conclude che la lunghezza delle ripetizioni è un marcatore
sensibile e specifico della ereditarietà della mutazione
Kremer B et al, NEJM 1994
Amplificazione somatica del gene HTT
50 copie
20 copie
S: DNA da sperma. L: DNA da linfociti. Si nota una particolare
instabilità delle triplette ripetute nella meiosi maschile. Infatti si può
avere insorgenza precoce della malattia trasmessa dal padre. L’età di
esordio è inversamente correlata alla lunghezza della espansione,
anche nel tessuto cerebrale
Nature Genet 387,1993
Possibile meccanismo patogenetico poliQ
Formazione di inclusioni nucleari neuronali di aggregati proteici
non specifici tossici per i neuroni. Specificità: in HD una proteina
striato-specifica lega poliQ-Htt; in SCA fattori trascrizionali
Purkinje-specifici. La proteina espansa è tossica per i neuroni. La
morte cellulare progressiva porta alla malattia a insorgenza tardiva.
Distrofia miotonica (DM)
La figura mostra amimia e aspetto scavato del volto, ptosi,
iposviluppo muscolo mandibola e sternomastoideo. DM o Malattia di
Steinert (1909): ipotonia muscolare con miotonia (debolezza della
contrazione muscolare e difficoltà rilassamento dopo contrazione),
deperimento, anomalie della conduzione cardiaca ecc. La più
frequente fra le distrofie muscolari a ereditarietà autosomica
(1:8.000). Gene DMPK, distrofia miotonica protein chinasi.
Espansione (CTG)n al 3’UTR
Una famiglia con DM
In nero allele N (5-37 triplette); in rosso allele espanso (50-1.000
triplette). Anticipazione: l’età di esordio diminuisce con il passare delle
generazioni mentre aumenta la gravità delle manifestazioni cliniche
Gelehrter Collins Ginsburg Genetica Medica Masson 1999
Numero di triplette DMPK ed età di esordio
Triplette nella porzione 3’non tradotta del gene. Forme
cliniche: C: congenita; G: giovanile; A: adulta; SC: subclinica
(nessun segno clinico tranne elettromiogramma anomalo o
altro). Genitore che trasmette: madre; padre; ignoto. La
forma congenita è trasmessa solo per via materna. Vi è
correlaziione fra numero di triplette e gravità della malattia
Gelehrter Collins Ginsburg Genetica Medica Masson 1999
Anticipazione in DM
Read A e D Donnai, New Clinical Genetics 2° ed., Scion 2011
Gudagno di funzione dell’RNA in DM
Espansione di sequenze non tradotte: CTG (DM1) o CCTG (DM2)
AJHG 74:793, 2004
Tentativi di correzione della DM1 con
oligonucleotidi antisenso
I trascritti endonucleari espansi (CUGexp) sono
insolitamente sensibili al silenziamento antisenso
In un modello transgenico murino di DM1 la
somministrazione per via sistemica di ASO causa una
rapida degradazione dell’mRNA CUGexp nel muscolo
scheletrico
La correzione delle caratteristiche fisiologiche,
istopatologiche e trascrittomiche della malattia perdura
fino a 1 anno dopo la fine del trattamento
Wheeler TM et al, Nature 2012
Patogenesi di malattie da espansione
A: Inibizione trascrizionale (FXS), B: RNA tossico (MD1),
C: Proteina tossica (Poli-Gln)
Strachan e Read, Genetica Molecolare Umana, Zanichelli 2012
Effetti della espansione
Perdita di funzione
Guadagno di funzione