Genetica delle Popolazioni: monogenica, multifattoriale ed emocromatosi ereditaria

Genetica delle Popolazioni

Genetica medica, Lezione 9, 09/04/2024 Prof. Michele Rubini GENETICA DELLE POPOLAZIONI Finora abbiamo trattato essenzialmente argomenti di genetica monogenica (classica) che si basa sullo studio delle famiglie. Purtroppo, non esiste solo la genetica classica, anzi questa interessa una porzione minore della casistica medica: immaginate una popolazione estesa, che di fatto è composta da tante famiglie, nella quale si possono fare studi genetici ma è possibile anche analizzarle in una visione più complessiva, ovvero quella di popolazione. Ecco perché si parla di genetica della popolazione. La popolazione è un insieme di soggetti viventi in un dato territorio, considerate nel loro complesso e nell'estensione numerica. Questo tipo di approccio serve soprattutto per studiare le patologie complesse, ovvero multifattoriali: sono situazioni in cui ci sono più geni coinvolti, fattori di suscettibilità genetica e fattori ambientali. Le patologie multifattoriali costituiscono la maggior parte delle patologie e lo studio delle popolazioni è particolarmente rilevante per: la diagnosi clinica, la consulenza genetica e il calcolo accurato dei rischi.

Struttura genetica della popolazione

Questo è un esempio di popolazione molto limitata (120 soggetti) Per descrivere la popolazione dal punto di vista genetico utilizziamo due elementi che sono:

1. le Frequenze genotipiche
2. le Frequenze alleliche (o geniche)

È importante ricordare che quello che esiste di noi è il genotipo (composto tipicamente da due alleli, uno di origine paterna e uno di origine materna). Parlare di alleli ci è utile a livello strumentale.

Emocromatosi ereditaria

È una delle patologie ereditarie più comuni in assoluto (circa 1 persona su 200 ne è affetta) ed è una patologia da sovraccarico di ferro che va a danneggiare in primis il fegato. Dal punto di vista genetico il tipo 1 (il 90% dei casi appartiene a questo tipo, è il modello preponderante) è una condizione autosomica recessiva legata a un gene HFE, anche se ci sono altri geni coinvolti quindi non si tratta di una malattia monogenica in quanto non è legata a un singolo gene. È importante sottolineare che non si tratta sempre di una condizione autosomica recessiva ma può avere anche un tipo di trasmissione autosomica dominante, come nel tipo 4. 1Tipicamente colpisce più e prima i maschi che le femmine, poiché queste in età fertile perdono una quantità di HFE ferro mediante il ciclo mestruale. Dunque, nelle femmine questo tipo di patologia compare ATG TGA 3 principalmente in età post meno pausale. 5 RES R33CM 148-169del H63D $65C RB68 203delT R71X 478delC ₩169 A176V R2240 C282Y C2875 Q283P 277 delC 093R 11057 IVS3 + 1G>T IVS5 + 1 G>A p.Cys282Tyr c.845G>A (rs1800562) pz HH >60% omozigoti per p.Cys282Tyr 5-7% eterozigoti composti p.Cys282Tyr /p.His64Asp

Sintomi e complicazioni dell'emocromatosi

Sintomi: stanchezza, perdita di peso, dolori articolari, disfunzione erettile Complicazioni: cirrosi epatica, cancro epatico, diabete, artrite e disfunzioni tiroidee

Diagnosi e trattamenti dell'emocromatosi

Diagnosi: principalmente attraverso il test di saturazione della transferrina, in particolare si guarda quanto questo trasportatore del ferro è saturato di ferro (se >45% si è affetti dalla patologia). Esiste anche un altro test per identificare questa patologia che riguarda la rilevazione della ferritina; questo però è meno efficiente in quanto un'elevata quantità di ferritina può essere associata anche ad altre patologie. Per approfondire la diagnosi è necessaria una biopsia epatica o una risonanza; mentre di rilevante importanza è il test genetico per il gene HFE, in grado di rilevare oltre il 90% dei casi. Trattamenti: fortunatamente questa patologia può, tramite i trattamenti, arrivare anche a un miglioramento clinico importante. La tecnica più efficace è quella del salasso che consiste appunto nella rimozione di sangue e quindi di un'importante quantità di ferro. Ci sono anche delle terapie chelanti ma sono meno efficaci.

Gene HFE e mutazioni

Dall'immagine è possibile osservare la struttura del gene HFE costituito da una serie di esoni intervallati da introni. Una delle mutazioni più frequenti risulta essere la C282Y (cioè Cys282Tyr), a carico dell'esone 4. Tipicamente questa mutazione si trova in omozigosi oppure in eterozigosi composta (dove è associata ad un'altra mutazione, tipo la His64Asp). Il professore specifica che finora si è riferito a C282Y con il termine "mutazione", ma sarebbe più corretto utilizzare il termine "polimorfismo": dal punto di vista biologico, mutazione è una variante genetica nella quale l'allele minore ha una frequenza non superiore all'1% (frequenza allelica). In caso la frequenza allelica sia superiore all'1%, come in questo caso, si parla di polimorfismo o variante comune. 2

Calcolo delle frequenze genotipiche, alleliche e fenotipiche

Generazione P 1.67% affetti 22.5% portatori sani 12.9% freq allele 282Tyr Generazione F1 1.67% affetti In condizioni ideali la malattia si ripresenterà ad ogni generazione con a stessa frequenza 22.5% portatori sani 12.9% freq allele 282Tyr Immaginiamo che su 120 individui, 2 soffrano di emocromatosi ereditaria. Questi saranno omozigoti per l'allele minore p.Cys282Tyr. In questa popolazione ci sono anche tanti altri soggetti che non sanno di essere eterozigoti, e non lo sapranno mai finché non avranno figli affetti da emocromatosi o effettueranno un test genetico (sono portatori sani). Il resto della popolazione, sarà invece omozigote Cys/Cys, quindi individui sani. Quindi avremo: HFE:p.Cys282Tyr Tyr/Tyr HFE:p.Cys282Tyr Cys/Tyr · 2 omozigoti recessivi Tyr/Tyr · 27 eterozigoti Cys/Tyr · 91 omozigoti wild type Cys/Cys

Frequenze genotipiche

1. Calcolando le singole frequenze genotipiche otterremo: · Tyr/Tyr = 2/120 -> 0.0167. · Cys/Tyr =27/120 -> 0.2250; · Cys/Cys =91/120 ->0.7583; N.B. la somma delle singole frequenze genotipiche sarà sempre uguale a 1

Frequenze alleliche

2. Con le frequenze genotipiche riusciamo facilmente a calcolare le frequenze alleliche: se vogliamo contare il numero degli alleli varianti, troveremo che sono uguali a 2 volte il numero degli omozigoti Tyr/Tyr + il numero degli eterozigoti Cys/Tyr: Freq. Tyr = [2 x (n. Tyr/Tyr) + n. Cys/Tyr] / 2 x totale popolazione = [2x2+27]/2x120 = 0.1292 Se invece vogliamo calcolare la frequenza allelica per l'allele wild type, il procedimento è molto simile: infatti, la frequenza dell'allele Cys è uguale a 2 volte il numero degli omozigoti Cys/Cys + il numero degli eterozigoti Cys/Tyr Freq. Cys = [2 x (n.Cys/Cys) + n.Cys/Tyr] /2 x totale popolazione =[2×91+27]/2x120=0.8708 La somma delle frequenze alleliche dev'essere anch'essa uguale a 1, ovvero il totale della popolazione.

Frequenze fenotipiche

3. Per quanto riguarda le frequenze fenotipiche invece: 3Freq. sani = Freq. Cys/Cys + Cys/Tyr = 0.9833 Freq. malati = Freq. Tyr/Tyr = 0.0167

Legge di Hardy-Weinberg

Questa legge afferma che in condizioni ideali, le frequenze alleliche, genotipiche e fenotipiche si conservano inalterate nel corso delle generazioni. Le condizioni ideali alla base di questa legge sono le seguenti:

1. Assortimento casuale >non c'è preferenzialità negli accoppiamenti
2. Assenza di migrazione->la popolazione si mantiene esente da flussi esterni
3. Assenza di selezione->tutti gli individui hanno la stessa fitness, cioè la stessa capacità di riprodursi
4. Assenza di deriva->la popolazione mantiene una dimensione sufficientemente grande
5. Assenza di mutazione >le varianti alleliche non mutano mai

Viene da sé che queste condizioni ideali non sono mai verificabili; nonostante ciò, questa legge è considerata valida nella pratica genetica. In condizioni ideali, nella generazione successiva, secondo la legge sopracitata, gli individui della popolazione presenteranno le stesse frequenze genotipiche, alleliche e fenotipiche.

Equilibrio di Hardy-Weinberg

Queste frequenze genotipiche si rapportano tra loro secondo questa semplice equazione, che non è altro che un binomio di secondo grado: p+q = 1 In particolare: p corrisponde all'allele maggiore (ovvero al wild type), mentre q corrisponde all'allele minore (Tyr282). Quindi, se conosciamo la frequenza degli omozigoti mutanti possiamo determinare le frequenze degli altri due: possiamo calcolare il numero di portatori sani senza effettuare (p + q)2 = p2 + 2pq +q2 = 1 un'indagine nella popolazione. Una popolazione che si mantiene p = freq. Allele maggiore q = freq. Allele minore in equilibrio secondo la definizione di HW è una popolazione nella quale le frequenze genotipiche rispecchiano lo sviluppo del p2 = freq. Omozigoti per l'allele maggiore 2pq = freq. Eterozigoti q2 = Omozigoti per l'allele minore binomio dimostrato sopra e mantengono le stesse frequenze fenotipiche ("p" e "q"). Le frequenze genotipiche si mantengono inalterate nel corso delle generazioni, allo stesso modo anche le frequenze fenotipiche; tutto ciò accade solo se siamo in condizioni ideali.

Assortimento casuale di gameti e unione di individui

4Per quanto riguarda l'assortimento casuale ci si può riferire o all'assortimento casuale di gameti (la panmissia) o all'unione casuale di individui (se si parla di esseri umani). In condizioni di unione casuale dei gameti A a P p2 pq q pq q2 - 25% omozigoti recessivi (aa) con una frequenza q2 - 25% omozigoti wild type (AA) con una frequenza p2 - 50% eterozigoti (Aa) con una frequenza di 2pq Nella seconda generazione il risultato sarà sempre lo stesso. Generazione P Freq Cys/Cys = 0.7583 Freq Cys/Tyr = 0.2250 Freq Tyr/Tyr = 0.0167 Freq Cys = 0.8708 Freq Tyr = 0.1292 Se invece prendiamo in considerazione il nostro caso, dove cisteina e tirosina costituiscono i due alleli, vedremo che: - la progenie omozigote recessiva sarà 12,92% x 12,92% ottenendo un totale di 1,67%; - la progenie eterozigote sarà 12,92% x 0,87% =11,25% Analizzando le generazioni successive è possibile notare che le frequenze genotipiche e alleliche si mantengono inalterate di generazione in generazione. È da tenere presente però che questo modello è irreale per quanto riguarda l'essere umano: nel caso dell'emocromatosi potrebbero Cys/Cys x Tyr/Tyr (p2 x q2) + (q2 x p2) = 2p2q2 Cys/Tyr x Cys/Tyr 2pq × 2pq = 4p2q2 incontrarsi due individui eterozigoti senza sapere di essere portatori Cys/Tyr x Tyr/Tyr (2pq x q2) + (q2 × 2pq) = 4pq3 sani oppure un individuo omozigote wild type si incontra con un Tyr/Tyr x Tyr/Tyr q2 x q2 = q4 soggetto predisposto a sviluppare la malattia (eterozigote). Quindi possiamo avere vari tipi di accoppiamento dal punto di vista genotipico. Generazione P Mating type freq freq Cys/Cys x Cys/Cys p4 0.5751 Cys/Cys x Cys/Tyr 4p3q 0.3412 Cys/Cys x Tyr/Tyr 2p2q2 0.0253 Cys/Tyr x Cys/Tyr 4p2q2 0.0506 Cys/Tyr x Tyr/Tyr 4pq3 0.0075 Tyr/Tyr x Tyr/Tyr q4 0.00027 (p+q)4 1 - Unione casuale di individui Mating type freq Cys/Cys x Cys/Cys p2 x p2 = p4 Cys/Cys x Cys/Tyr (p2 × 2pq) + (2pq x p2) = 4p3q Generazione F2 0.8708 Cys p 0.7583 0.1125 0.1292 Tyr q 0.1125 0.0167 Freq Cys/Cys = 0.7583 Generazione F1 Freq Cys/Tyr = 0.2250 Freq Tyr/Tyr = 0.0167 Freq Cys = 0.8708 Freq Tyr = 0.1292 0.129 Cys Tyr Ognuno di questi accoppiamenti (definiti mating type) dal punto di vista genotipico ha una sua frequenza specifica, cioè una diversa probabilità di verificarsi. Ad esempio: 5 In condizioni di unione casuale di gameti quello che ne risulta è: