Patologie genomiche

Patologie genomiche
Rappresentano disordini genetici che sono riconosciuti essere dovuti a riarrangiamenti del DNA
coinvolgenti regioni genomiche “instabili”. I riarrangiamenti possono essere sia ricorrenti che
non ricorrenti.
Si presentano generalmente come casi sporadici anche se esistono casi familiari.
I riarrangiamenti solitamente sono rappresentati da duplicazioni o delezioni, alcune volte
da inversioni, e sono definiti ricorrenti quando i bkp cadono sempre nella stessa regione e
danno quindi duplicazioni, delezioni o inversioni sempre della stessa grandezza.
Solitamente in questi disordini il fenotipo clinico è la conseguenza:
• di un dosaggio non corretto di uno o più geni localizzati nel frammento
genomico coinvolto nella delezione o duplicazione e sensibili al dosaggio;
• oppure della rottura di un singolo gene con perdita della sua normale
funzione.

Meccanismi molecolari associati a disordini genomici sono diversi:

Cosa rende instabile
determinate regioni
caratterizzate da
riarrangiamenti ricorrenti?
L’instabilità è dovuta alla
presenza di motivi di
sequenza denominati
Duplicazioni segmentali (DS)
o LCR (ripetizioni a basso
numero di copie)

Duplicazioni segmentali
Nuova classe di DNA ripetuto identificato nel genoma umano, costituito da grossi
segmenti genomici con elevata omologia di sequenza. E’ costituito da grosse e quasi
identiche copie di DNA genomico la cui lunghezza varia da 1 a 200-400 Kb, con una
identità di sequenza che varia dal 90% al 100 %. La caratterizzazione e
localizzazione tramite FISH di cloni BAC che coprono l’intero genoma e l’analisi in
silico del genoma sequenziato, ha permesso di confermare che il 5% del genoma
umano è duplicato.
Sono separate solitamente da sequenze uniche con lunghezza >1Mb.
La distribuzione di questi segmenti tra i cromosomi umani non è uniforme
Possono essere suddivisi in due classi, dupliconi inter- e intra-cromosomici. La classe
intercromosomica è duplicata su cromosomi non omologhi e molti membri di questa classe
sono localizzati a livello delle regioni subtelomeriche e pericentromeriche. Le duplicazioni
segmentali intracromosomiche, chiamate anche sequenze ripetute a basso numero di
copie (LCR: low copy repeats) regione- o cromosoma-specifiche, sono tipicamente
riscontrate in un singolo cromosoma o in una singola banda cromosomica.

Science vol 297 2002

La stragrande maggioranza delle DS sono distribuite in circa 450
regioni diverse (blocchi di duplicazione).
Una caratteristica comune delle duplicazioni segmentali intra – e
intercromosomiche è la loro complessa organizzazione a mosaico
dove segmenti duplicati (chiamati dupliconi) sono giustapposti in
prossimità di altri dupliconi con i quali non condividono nessuna
omologia di sequenza.
Studi evoluzionistici suggeriscono che le DS sembrano essere originati, attraverso
trasposizioni duplicative di piccole porzioni di materiale cromosomico, che spesso
risultano contenere un numero di segmenti altamente ripetuti, geni, frammenti di
geni, pseudogeni, sequenze retrovirali endogene o altre sequenze paraloghe.
Alternativamente possono contenere una serie di geni, nel qual caso rappresentano
un cluster di geni ripetuti.

Le duplicazioni segmentali mediano riarrangiamenti ricorrenti
L’alto grado di omologia, l’estensione, l’orientamento e la distanza reciproca tra due o
più DS fa si che queste sequenze siano un “terreno fertile” per eventi di
ricombinazione omologa non allelica (NAHR).
Le alterazioni citogenetiche mediate da DS includono delezioni, duplicazioni,
inversioni, traslocazioni, la formazione di piccoli cromosomi marcatori o altri
riarrangiamenti più complessi.

Le duplicazioni segmentali mediano riarrangiamenti ricorrenti

In base alla grandezza del segmento genomico coinvolto ed il potenziale
numero di geni “sensibili al dosaggio” localizzati nel segmento riarrangiato,
delezione e/o duplicazioni possono risultare o in una patologia mendeliana
o in una sindrome da geni contigui o disordini cromosomici.
Genomic
disorder
Size of DNA
rearragement
Mendelian traits
Contiguous gene syndrome
10 0 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9
Human genome
Chromosomes rearrangement
TRENDS in Genetics
Rearrangement sizes in genomic disorders
bp

La nefronoftisi familiare giovanile di tipo 1 (insufficienza renale cronica) , è
un esempio di malattia AR, causata da una mutazione o delezione del
gene NPHP1 localizzato in 2p13. Nell’80% dei casi questa malattia è
associata a una delezione di circa 300 Kb di una regione fiancheggiata
da due grossi blocchi (330 Kb) ripetuti in orientamento invertito.
All’interno e adiacente ad essi sono presenti ripetizioni dirette (45 Kb) che
costituiscono l’hot spot per eventi di ricombinazione omologa non
allelica. L’inversione, non patogenica, che coinvolge tali sequenze
ripetute ed invertite è stata identificata nell’1.3% e 21% di individui sani,
in omozigosi e eterozigosi rispettivamente, dimostrando la
propensione al riarrangiamento della regione.

RAI1

PMP22
HNPP
CMT1A
17p11.2
Riarrangiamenti ricorrenti
RAI 1
24 Kb
170 KB
(mariner like 557 bp)
omologia >98% , 50% bkps in KER gene cluste 12 kb
4 Mb
Hot spot- bkps cadono preferenzialmente in limitate regioni
dup(17)(p11.2p11.2)
SMS 4-5 %
16%
SMS 70-80%

RAI1

Patologie genomiche in 15q11-13

BP1 BP2 BP3
BP4 BP5
~5 Mb
~5,6 Mb
rari
ricorrenti
UCSC, hg 18
Chr15:19,869,940-33,049,287

Il cromosoma 15 rappresenta un altro esempio di cromosoma ricco di sequenze duplicate.
Recentemente sono stati individuati più di 8 complessi segmenti di sequenze ripetute
“disperse” nella regione 15q11-q13, altri in 15q24 e 15q26. Questi LCRs sono implicati nella
sindrome di PWS/AS determinate dalla delezione della stessa regione “imprinted” 15q11.2q13
rispettivamente di origine paterna o materna. Gli LCRs coinvolti nei punti di rottura della
delezione comune PWS/AS sono quasi sempre alla base di duplicazioni/triplicazioni della
stessa regione e cromosomi marcatori invdup(15).

Delezioni (DGS/VCFS)
Duplicazioni
Delezioni
Riarrangiamenti in 22q11
3 Mb
1,5 Mb
LCR22-2 LCR22-3a LCR22-4
Le delezioni di 1,5 e 3 Mb avvengono mediante NAHR, che spiega non solo la
ricorrenza del riarrangiamento ma anche l’alta prevalenza di eventi de novo

90%
7%
9% Dimensioni variabili
La delezione avviene con la stessa frequenza in entrambi gli
alleli, e la regione non è sottoposta ad imprinting
1:4000

Tra i segni clinici della sindrome da del22q(11.) abbiamo:
• Malformazioni cardiovascolare (anomalie conotroncali cuore)
• Anomalie del palato
• Dismorfismi facciali caratteristici
• Difficoltà nella apprendimento
• Problemi comportamentali , in alcuni adulti si manifestano
problemi psichiatrici (schizofrenia, disordini bipolari)
• Immunodeficienza (ridotta o assenza ghiandola timica)
• Ipocalcemia
• Anomalie urogenitali
La maggior parte caratterizzati da variabilità espressività e penetranza

segni clinici della VCFS/DGS
Sullivan 2007
Dismorfismi facciali
Immunodeficienza 77%
• Linfopenia T-cell 67%
• Ritardata produzione IgG 10%
• Aplasia timica con assenza di T cell 0.5%

Generalmente Il rischio di ricorrenza di un secondo figlio
affetto da patologia genomica è uguale a quello della
popolazione generale e non varia nelle diverse
popolazioni.
Inversioni polimorfiche possono predisporre a futuri
riarrangiamenti ?
Diverse inversioni polimorfiche, che non hanno alcun
effetto fenotipico, sono state identificate in genitori di
pazienti che presentano la stessa regione deleta

PWS|AS: il 4/6 (67 %) delle madri di
pazienti AS con delezione di classe II
(BP2/3) e il 4/44 (9%) nella popolazione
generale presenta una inversione in
eterozigosi della stessa regione deleta nei
pazienti AS con delezione di classe II
(BP2/3)
Sotos: microdelezione in 5q35, la maggior parte dei padri sono
portatori di una inversione
WBS: inversioni paracentriche sono state riscontrate in eterozigosi nel 33% dei genitori .

“CNV: Copy Numer variant”
Attraverso la messa a punto di piattaforme per array-CGH e arraygenotyping
e attraverso il confronto delle sequenze genomiche di due
diversi individui mediante, l’analisi in silico, sono stati individuati
numerosi polimorfismi presenti nel genoma umano rappresentati da:
• duplicazioni e/o delezioni di frammenti di DNA di grandezza che
varia da alcune Kb fino a centinaia di Kb, e da inversioni.
Queste varianti sono diffuse in tutto il genoma e circa il 25% sono
associate a duplicazioni segmentali, non sembrano essere confinate a
popolazioni specifiche.
Prima dell’utilizzo di questa tecnica, tranne rare eccezioni, delezioni o duplicazioni correlano
con un fenotipo patologico

600 Mb, circa il 20% del genoma umano è
annotato come CNV
(Cooper et al 2007)
Nature 437/20 2005

Perché è importante lo studio e l’individuazione delle varianti strutturali
del genoma?
È opinione comune che molti di questi nuovi polimorfismi potrebbero
contribuire alla variabilità fenotipica tra individui non solo….
Queste differenze potrebbero essere la causa di
• suscettibilità a determinate malattie complesse (cardiovascolari,
neurosviluppo, neurocomportamentali, cancro, obesità o autoimmunità)
• Diversa risposta a farmaci o a stimoli ambientali
• Diversa risposta immune
• Diversa adattabilità
• Diversa risposta agli stimoli ambientali

Alcune varianti (CNV) hanno caratteristiche e frequenze diverse nelle
differenti popolazioni, il che potrebbe spiegare la maggiore o minore
suscettibilità ad alcune patologie riscontrate in particolari aree o gruppi
etnici

duplicazioni segmentali in 17q12 coinvolgono 2 geni codificanti
per chemochine, CCL3L1 e CCL4L1, variando il numero di
copie individuali (CNVs)
Fattore di suscettibilità individuale al virus HIV?
CCR5 recettore virus HIV
CCL3L1 antagonista CCR5

Studio caso-controllo
Analisi di 4308 individui HIV-1
positivi e negativi, provenienti
da gruppi con origini
geografiche diverse.
Numero medio di copie di CCL3L1:
Afro-americani 4
Europei 2
Ispanici 3
Numero di copie inferiore
p

Basse dosi di CCL3L1 sono
associate ad un più alto dosaggio
virale (E) e ad una conseguente
maggior perdita di cellule T (F).
Il numero di copie di CCL3L1, è predittivo della
suscettibilità all’insorgenza dell’HIV ed ha
anche un valore prognostico sulla decorrenza
della malattia.

Nature 437, 20 October 2005

... Our results indicate that humans are commonly
affected by somatic mosaicism for stochastic CNVs,
which occur in a substantial fraction of cells.

Somatic mosaicism mutation
Frank, PNAS in press (2010)

Am J Hum Genet 82:763-771, 2008
...Any differences in the genetic makeup between twins derived from
the same zygote represent an irrefutable example of somatic
mosaicism.
CNVs exist within pairs in both groups. CNV analysis in phenotypically
discordant monozygotic twins may provide a powerful tool for
identifying disease-predisposition loci. Our results also imply that
caution should be exercised when interpreting disease causality of de
novo CNVs found in patients based on analysis of a single tissue in
routine disease-related DNA diagnostics.

C’è una linea di demarcazione tra un riarrangiamento “patogenetico” e
uno polimorfico?

Nature 461:726-728 (2009)