1

Mutazioni cromosomiche

• strutturali • numeriche

•  delezione •  duplicazione

•  inversione

•  traslocazione (reciproca e non reciproca)

•  trasposizione

Esistono 2 tipi di variazioni nel numero dei cromosomi •  eteroploidia a. poliploidia ➛ 3n, 4n,5n ……… b. aploidia ➛ n

•  aneuploidia a. iperdiploidia ➛ 2n + 1 o più cromosomi (Es. polisomia) b. ipodiplodia ➛ 2n - 1 o più cromosomi (Es. monosomia, nullisomia)

Delezione: Parte del cromosoma (e quindi delle basi del DNA) viene perduta. Tutti i geni contenuti nella parte interessata dalla delezione vanno perduti. Una delezione in omozigosi è (quasi) sempre letale; in eterozigosi può causare uno squilibrio genetico.

Possono derivare da: errori nella duplicazione; imperfetta ricombinazione meiotica; esposizione a raggi X o altri agenti che rompono lo scheletro del DNA

È possibile caratterizzare una delezione con una sonda di DNA (ibridazione in situ)

I marcatori presenti nell’ansa vengono ereditati come unità singola perché non possono ricombinare mai (frequenza di ricombin. = 0)

Esistono 5 tipi principali di mutazione della struttura dei cromosomi

Appaiamento in meiosi

2

Duplicazione: Aumento del numero di copie di una regione cromosomica. I geni contenuti nella parte interessata sono duplicati. Perciò la cellula contiene tre o più copie di ciascun gene. In qualche caso ciò può danneggiare la cellula in quanto i sistemi di regolazione possono essere alterati

Possono derivare da: rotture cromosomiche; riparazione errata; errori nella duplicazione; crossing over ineguale; esposizione a raggi X o altri agenti che rompono lo scheletro del DNA

C

B

3

Inversione: In seguito ad una rottura, una parte del cromosoma viene riunita in posizione invertita. A parte i geni che si possono trovare nel punto di rottura, non ci sono gravi conseguenze per la cellula. Tuttavia non può avvenire crossing over in questa regione in quanto essa non si appaia con quella del cromosoma omologo

Centr ➛

➛

Centr

4

Conseguenze di una inversione PERIcentrica durante la gametogenesi

Profase I Crossing over

Anafase I

Rott

ura

casu

ale

de

l pon

te d

icen

tric

o

Perdita dell’acentrico

Anafase II

Prodotti completi

Prodotti deleti

Conseguenze di una inversione PARAcentrica durante la gametogenesi

Profase I Crossing over

Gamente normale: tutti i geni presenti

Gamete invertito: tutti i geni presenti

Gameti ricombinanti: con delezioni/duplicazioni

Completamento di entrambe le divisioni meiotiche

5

Traslocazione: In seguito ad una rottura, una parte del cromosoma si stacca e viene inserito in un cromosoma diverso (non omologo). Le traslocazione possono rendere complicato l’appaiamento dei cromosomi durante la meiosi

Traslocazione intracromosomica

Traslocazione intercromosomica non reciproca

Traslocazione intercromosomica reciproca

Si distinguono in: ✏ Intracromosomiche ✏ Intercromosomiche:

-  Non Reciproche ➛ scambio ineguale tra cromosomi non omologhi -  Reciproche ➛ parti di due cromosomi non omologhi si scambiano di posto reciprocamente (traslocazione bilanciata)

6

Traslocazione bilanciata 46,XX,t(3;9)(q22;q34)

7

Anafase 1 Tre possibili alternative

Piastra metafasica

Alternata: nel 50%dei casi i centromeri alternati vanno ai poli opposti

gameti

vitali

Adiacente1: nel 50% dei casi centromeri adiacenti non omologhi vanno ai poli opposti

delezioni/duplicazioni

Adiacente2: rara i centromeri adiacenti omologhi vanno allo stesso polo (non disgiunzione dei centromeri omologhi)

rari-non vitali

Conseguenze di una traslocazione reciproca nella gametogenesi (semisterilità e pseudo-linkage)

8

Risultati di una traslocazione reciproca nella gametogenesi

9

Derivano da rotture vicino ai centromeri di due cromosomi acrocentrici. Danno origine a un grande cromosoma sub o metacentrico e un cromosoma più piccolo

45,XX,t(13;14)

Traslocazioni Robertsoniane

Gruppo D e G ➛ Braccio p: vi sono localizzati i NORs Gruppo D Gruppo G

10

Origine delle traslocazioni

Sumner AT., Chromosomes: Organization and Function. Blackwell Publishing Company, 2003

Segregation of a trivalent at meiosis to give balanced or unbalanced products

11

Meiosi in portatori di una traslocazione robertsoniana

Sumner AT., Chromosomes: Organization and Function. Blackwell Publishing Company, 2003

gametes

zygotes

Trisomy for chromosome 21

(Down’s syndrome)

Monosomy for chromosome 21

(lethal)

Fertilization Trisomy 21 resulting from Robertsonian translocation in a patient The parent have a Robertsonian translocation involving the two no 21 chromosomes [rob (21;21)]. At meiosis this must segregate to produce gametes containing either none or two no 21 chromosomes. On fertilization by a normal gamete, either a monosomic zygote (lethal) or a trisomic zygote (Down’s syndrome) is produced.

12

Meiosi in portatori di una traslocazione bilanciata Fig 2.22Results of meiosis in a carrier of a balanced reciprocal translocation.

Other modes of segregation are also possible, for example 3:1 segregation. The relative frequency of each possible gamete is not readily predicted. The risk of a carrier having a child with each of the possible outcomes depends on its frequency in the gametes and also on the likelihood of a conceptus with that abnormality developing to term.

13

Trasposizione: spostamento di piccoli segmenti di DNA - entità conosciute come trasposoni - da una posizione all’altra del genoma.

Gli elementi trasponibili possono causare mutazioni inserendosi all’interno di un gene

crossing-over ineguale tra elementi trasponibili: i TE possono causare riordinamenti cromosomici

Due trasposoni possono formare un grande trasposone composto e causare lo spostamento di geni che si trovano in mezzo

14

trisomia del cromosoma 1

tetrasomia del cromosoma 2

monosomia del cromosoma 1

diploide

2n = 4

Aneuploidia: Perdita o acquisizione di uno o più cromosomi che porta ad avere un numero di cromosomi che non è esattamente un multiplo del numero aploide (n)

2n + 1 = 5) (2n + 2 = 6) 2n - 1 = 3

15

L’aneuploidia è il risultato della non-disgiunzione meiotica: - durante la prima divisione meiotica: i due omologhi anziché separarsi, migrano entrambi nella stessa cellula figlia, due dei gameti aploidi che si formano conterranno un cromosoma in meno, mentre gli altri due conterranno un cromosoma in più.

Dopo la fecondazione un tipo di zigote avrà 1 solo cromosoma dei due, l’altro 3 cromosomi omologhi.

I gameti n+1 contengono entrambi i cromosomi omologhi della coppia che non ha disgiunto (cromosomi diversi)

➶ ➶

n+1 n-1

\ /

n-1 n+1

Meiosi 1 (2n)

Monosomia (2n-1)

Trisomia (2n+1)

Meiosi 2

gameti

A- -a

A- -a

A- -a

A- -a

16

Meiosi 1 (2n)

Monosomia (2n-1)

Trisomia (2n+1)

Meiosi 2

Diploide (2n)

gameti

non-disgiunzione durante la seconda divisione meiotica: solo due dei gameti aploidi che si formano saranno aneuploidi.

I gameti n+1 contengono entrambi gli ex cromatidi, non-disgiunti, materni o paterni

➶ ➶

\ /

n-1 n+1

Dopo la fecondazione un tipo di zigote avrà 1 solo cromosoma dei due, l’altro 3 cromosomi omologhi. Gli altri due zigoti saranno diploidi

A- -a

a-

a- a-

-A

a- a-

17

Per quel che riguarda gli autosomi, nella specie umana nessuna monosomia di un autosoma permette lo sviluppo dell’embrione

L’unico tipo di trisomia autosomica compatibile con la sopravvivenza è quella del cromosoma 21 (il più piccolo ?). Altre trisomie a carico di cromosomi piccoli (18, 13) comportano mortalità precoce (entro un anno)

La trisomia del 21 determina la sindrome di Down

18

La sindrome di Down

È di gran lunga la malattia genetica più frequente nell’uomo (uno ogni 700 nati)

Le persone affette dalla SD“libera”, hanno 47 cromosomi e nonostante il cromosoma 21 sia quello con meno geni, la sua trisomia altera notevolmente il fenotipo

•  Tratti caratteristici del volto •  Bassa statura •  Difetti cardiaci •  Ritardo mentale •  Senescenza precoce •  Predisposizione alla leucemia e alla malattia di

Alzheimer

L’età media era inferiore ai 30 anni, ora è in aumento.

Alcuni dei geni che predispongono a queste patologie sono stati localizzati sul cromosoma 21

19

Eterozigote per una traslocazione robertsoniana 14q21q

La sindrome di Down si può originare da una traslocazione (non è necessario che il cromosoma 21 sia presente

isolatamente in triplice copia per generare il fenotipo Down)

20

diploide (2n= 4)

triploide (2n= 6)

tetraploide (2n= 8)

Poliploidia: acquisizione di uno o più assetti cromosomici aploidi (n) che porta ad avere un numero di cromosomi che è esattamente un multiplo del numero aploide

Triploidia: tre genomi completi per nucleo

Origine: 1.  per fusione di un gamete diploide non ridotto, con un gamete aploide, 2.  in seguito a doppia fecondazione (polispermia), 3.  nell’uomo, in cui la meiosi II, (nelle ♀), viene completata dopo la fecondazione,

anche per mancata emissione del globulo polare II

La triploidia è comune nelle piante, rara negli animali. Esempi di specie animali sono Drosophila, salamandre. Nell’uomo si ritrova solo negli aborti spontanei

21

Mutazioni nel numero dei cromosomi sessuali

La non-disgiunzione dei cromosomi sessuali umani provoca varie malattie da aneuploidia. Nonostante il cromosoma X sia tra i più grandi sembra che l’aneuploidia degli eterocromosomi causi un minor perturbamento dell’equilibrio genetico

XXY: fenotipicamente maschi con testicoli più piccoli del normale. Sterili e a volte con caratteri sessuali femminili.

XYY: Indistinguibili dai maschi XY. Tendono ad avere altezza maggiore e caratteri maschili più sviluppati

XXX: fenotipo non molto diverso da quello delle normali femmine XX ma hanno fertilità ridotta

XO: fenotipicamente femmine tuttavia gli organi sessuali non maturano alla pubertà e i caratteri sessuali secondari non si sviluppano.

22

Simboli in uso nella descrizione del cariotipo x il segno di moltiplicazione x è usato per indicare il numero di copie di un cromosoma anomalo.

Esempio: 46,XY,dup(5)(p14)x2 indica che i due cromosomi n.5

presentano una duplicazione della banda p14.

Esempio: 47,XY,t(10;14)(p11.2;q12),del(22)(q12.3)x2, + 17 indica una traslocazione 10;14, entrambi i cromosomi n.22 hanno delezione q12.3, ed un cromosoma 17 è soprannumerario.

23

Abbreviazioni e simbologia nella compilazione del cariotipo Terminologia per indicare i cromosomi e le loro parti

1-22 numerazione progressiva delle coppie di autosomi A-G lettere che indicano i 7 gruppi in cui i 22 autosomi sono distribuiti cen centromero chr cromosoma cht cromatide h eterocromatina costitutiva, regione eteromorfica mat origine materna pat origine paterna p braccio corto pter fine del braccio corto q braccio lungo qter fine del braccio lungo s satellite sct costrizione secondaria stk stalk. ter terminale v (var) regione variabile

24

25

a b a t(a;b) b

Delezione

26

27

Aneuploidie dei cromosomi del sesso

47, XXY

Sumner AT., Chromosomes: Organization and Function. Blackwell Publishing Company, 2003

Karyotype Syndrome Frequency Fertility Other features Occurrence in other species

45,X Turner’s 1-2% of conceptions 1 in 5000 females at birth

Sterile 99% die before birth; remainder live normal lives (? mosaic). Short stature. Normal intelligence. Characteristic anatomical abnormalities

Mouse, cat, pig, horse, rhesus, monkey, sheep, black rat

47,XXX ‘Super female’ 1 in 1000 females

Usually normal (infertile in horse)

Sometimes retarded mental development

horse

47,XXY Klinefelter’s 1 in 750 males

Sterile Tall. Slightly reduced intelligence. Gynaecomastia in a minority.

Mouse. Chinese hamster. cat, dog, sheep, ox, pig

47,XYY 1 in 1000 males

Often fertile Tall. Generally normal. Mouse

Table 17.2 Sex chromosome aneuploidies in humans and other mammals

References: Chandley (1984); Zinn et al., (1993);see www.angis.su.oz.au for reference to further examples in mammals and other vertebrates.

28

Aneuploidie dei cromosomi del sesso

47, XXY 45, X0

29

Trisomie autosomiche

Sumner AT., Chromosomes: Organization and Function. Blackwell Publishing Company, 2003

Lander et al 2001, Nature vol. 409, p. 860; Venter et al, 2001, Science, vol. 291, p. 1304.

Cromosomi metafasici umani con l’indicazione, per ognuno di essi, della quantità di DNA, del numero di geni stimato e dell’approssimativa densità genica.

dati del 2001

➛

31

Sindrome di Patau 47, XX +13Sindrome di Down 47, XY +21

Sindrome di Edwards 47, XY +18

32

Delezioni di piccole regioni cromosomiche

Sumner AT., Chromosomes: Organization and Function. Blackwell Publishing Company, 2003

➛ 15q11-q13 Prader-Willi or Angelman

33

Delezioni /mutazioni cromosomiche

La sindrome di Prader-Willi è dovuta ad anomalie a carico di geni presenti in una particolare regione del braccio lungo del cromosoma 15 (15q11-q13) ereditato dal padre.

Questa regione cromosomica è soggetta a un particolare fenomeno genetico chiamato imprinting genomico parentale, per cui sono attivi solo i geni presenti nella regione ereditata da uno dei genitori (in questo caso specifico il padre) ma non dall'altro (in questo caso la madre).

Poiché i geni materni sono “spenti”, in caso di anomalie della regione di origine paterna si manifesta la malattia. La maggioranza dei casi è sporadica, mentre i casi familiari sono molto rari.

La Sindrome di Angelman, una sindrome genetica, descritta la prima volta nel 1965 dal pediatra inglese Harry Angelman, è causata anch’essa dall’assenza di una porzione del cromosoma 15 (15q11-q13).

Ma la malattia si osserva solo negli individui in cui la mancanza riguarda il cromosoma 15 di origine materna.

A causa dell’imprinting genomico parentale, infatti, i geni contenuti in questa porzione del cromosoma 15 sono attivi e trascritti solo nel cromosoma materno, e

sono "spenti "in quello paterno per cui: dato che i geni paterni sono “spenti”, A in caso di anomalie della regione di origine materna si manifesta la malattia.

La maggioranza dei casi è sporadica, mentre i casi familiari sono molto rari.

34

Principali malattie da imprinting

Chromosome breakage syndromes

Sumner AT., Chromosomes: Organization and Function. Blackwell Publishing Company, 2003