MALATTIE GENOMICHE:
MECCANISMI MOLECOLARI E
CONSEGUENZE FENOTIPICHE
Dott.ssa Francesca Amati
Sezione di Genetica
Dip. Biopatologia e Diagnostica per Immagini
Università Tor Vergata Roma
Malattie genomiche
(Genomic disorders)
Questa definizione è stata coniata da
Lupski (Trends Genet, 1998) per
descrivere la perdita o l’acquisto di una
specifica regione cromosomica che si
associa tipicamente ad una sindrome
genetica.
Malattie genomiche (genomic
disorders)



un gruppo di malattie genetiche umane
causate da riarrangiamenti del genoma
questi riarrangiamenti coinvolgono
segmenti di DNA di dimensioni variabili da
poche Kb a parecchie Mb
All’interno di questi segmenti si trovano
geni dosaggio-sensibili
Meccanismi molecolari
Tutte le malattie genomiche sono causate da
un comune meccanismo molecolare:
- ricombinazione omologa non-allelica (NAHR)
tra regioni ripetute (segmental duplications o
low-copy repeats LCRs) fiancheggianti un
segmento genomico unico.
- più raramente la causa è una giunzione terminale non
omologa (NHEJ)
Meccanismi molecolari
(Non-allelic homologous recombination )
Shaw, C. J. et al. Hum. Mol. Genet. 2004
(Non-homologous end-joining )
Modelli di ricombinazione intercromosomica (1)
Modello di ricombinazione intercromosomica (2)
LCR (low copy repeats) o
duplicazioni segmentali


Sono regioni di DNA caratterizzate da
sequenze ripetute (sequenze esoniche,
pseudogeni, ecc)
Le sequenze ripetute all’interno di ogni
LCR possono avere uno stesso
orientamento (LCR dirette) oppure un
orientamento invertito (LCR inverse)
Malattie genomiche: meccanismi
molecolari
Le regioni cromosomiche coinvolte nei
riarrangiamenti hanno delle
caratteristiche comuni che influenzano
la ricombinazione (NAHR).
-
-
Infatti la ricombinazione tra LCR dirette
causa delezioni o duplicazioni
La ricombinazione tra LCR inverse causa
inversioni
LCR



Tutte le LCR che sono coinvolte nella patogenesi delle
malattie genomiche condividono una notevola
identità della sequenza nucleotidica (95-98%)
Inoltre studi molecolari dettagliati dimostrano che i
breakpoint di ricombinazione sono posizionati in tratti
delle LCR che hanno assoluta identità di sequenza
nucleotidica
Sono generate da duplicazioni segmentali del
genoma trasposizione di un frammento genomico
da una posizione ad un’altra
LCR

LCR costituiscono circa il 5% di tutto il
genoma umano (dati dal Progetto
Genoma)
E’ probabile che nel futuro si identifichino
altre associazioni tra malattie umane e
riarrangiamenti genomici
Evoluzione del genoma dei
mammiferi

Vari studi dimostrano che nei
mammiferi inferiori (es: topo) non sono
presenti LCRs
Le LCRs umane si sono evolute recentemente,
e in particolare, dopo la speciazione dei primati
Duplicazioni segmentali nel
genoma umano
Chromosome
Intrachromosomal
(%)
Interchromosomal
(%)
ALL (%)
15
3
6.9
6.9
16
4.5
2.0
5.8
22
6.1
2.6
7.5
Y
12.1
16
27.4
Malattie genomiche
-
I riarrangiamenti genomici associati alle
malattie genomiche sono:
Delezioni
Duplicazioni
Inversioni
Malattie genomiche
Le malattie genomiche sono relativamente
frequenti:
~1x10 -4
NB
Frequenza di mutazioni de novo per
caratteri autosomici dominanti è ~1x10
-3
Malattie genomiche

Le malattie genomiche sono causate da
riarrangiamenti di segmenti cromosomici che
hanno delle caratteristiche “architettoniche”
specifiche → quindi non esistono delle
differenze tra le varie popolazioni
Come invece è stato osservato per alcune
malattie monogeniche come l’anemia
falciforme o la fibrosi cistica
Malattie genomiche


Malattie genomiche sono caratterizzate da un’ampia
serie di fenotipi clinici
Questi fenotipi sono causati dalla aploinsufficienza
di uno o più geni contenuti all’interno delle regioni
riarrangiate
Duplicazioni segmentali coinvolte nella patogenesi di
malattie genomiche
Duplicazioni segmentali che causano le malattie
genomiche
Genomic Disorder
Charcot-Marie Tooth disease type 1A
(CMTIA)
Hereditary Neuropathy with Pressure
Palsies (HNPP)
Smith Magenis Syndrome (SMS)
Duplication 17p11.2
Neurofibromatosis-1 (NF-1)
Prader-Willi Syndrome (PWS)
Angelman Syndrome (AS)
Inverted duplication 15 [inv dup(15)]
Williams-Beuren Syndrome (WBS)
Digeorge and Velocardiofacial
Syndromes (DGS/VCFS)
Cat eye Syndrome (CES)
X-linked Ichthyosis
Hemophilia A
Hunter syndrome
Spinal Muscular Atrophy
OR-associated 8p rearrangements
AZFa Microdeletion
AZfc Microdeletion
Rearrangement
Interstitial Duplication
Location
17p12
Repeat Size (% identity)
24 kb (98.7%)
Deletion
17p12
24 kb (98.7%)
Deletion
Interstitial Duplication
Deletion
Deletion
Deletion
Supernumerary Marker
Chromosome
Deletion
Deletion
17p11.2
17p11.2
17q11.2
15q11-q13
15q11-q13
15q11-q13
~250 kb (98%)
~250 kb (98%)
85 kb
>500 kb
>500 kb
>500 kb
7q11.23
22q11.2
~350 kb (98%)
50-450 kb (97-98%)
Supernumerary Marker
Chromosome
Deletion
Inversion
Inversion/Deletion
Deletion
Inversions,
deletion.duplications
Deletion
Deletion
22q11.2
300-450 kb (97-98%)
Xp22
Xq28
Xq28
5q13.2
8p23
20 kb
9.5 kb (99.9%)
20 kb (>90%)
500 kb
~400 kb (95-97%)
Yq11.2
Yq11.2
~10 kb
~230 kb (99.9%)
Tecniche di analisi dei
riarrangiamenti cromosomici




Tecniche di citogenetica classica permettono la visualizzazione di
anomalie segmentali che coinvolgono da 2-10 Mb di DNA duplicato o
deleto.
L’introduzione della citogenetica molecolare (FISH) ha permesso di
riconoscere su cromosomi in metafase e su nuclei in interfase
microdelezioni e/o microduplicazioni (1-3 Mb).
La più recente tecnica dell’array CGH è già ampiamente usata per
analisi di riarrangaimenti cromosomici in tumori solidi, ritardi
mentali, riarrangaimenti subtelomerici, e anomalie cromosomiche
costituzionali.
La tecnica MLPA (multiple ligation-dependent probe amplification)
permette la quantificazione relativa di differenti segmenti di DNA
genomico (fino a 45 contemporaneamente) basandosi su una
singola reazione di PCR quantitativa.
Multiplex ligation-dependent
probe amplification (MLPA)
FISH (Fluorescence
In Situ Hybridization)
Ibridazione
in situ fluorescente
(FISH)
 sonde locus-specifiche
 sonde painting
 sonde alfoidi
Sonde locus-specifiche
Sonde alfoidi
Sonde paintig
SINDROME DI DIGEORGE
aCGH
GENES, CHROMOSOMES & CANCER 20:399–407 (1997)
(array-based Comparative
Genomic Hybridization)
(Modificato da Davies et al., 2005)
AnalisididiaCGH
aCGH
Analisi
Immagini ottenute da analisi con software BluFuse for Microarrays 3.3 (5164) (BluGnome Ltd, Cambridge)