Informazione genetica e malattie ereditarie: mutazioni e patologie genetiche

Informazione genetica e variabilità

L'informazione genetica viene modificata a ogni generazione da molti processi, i quali sono responsabili della variabilità genetica, vantaggiosa per la sopravvivenza. Ogni gene può presentarsi in due versioni chiamate alleli. Gli organismi possono essere:

• Omozigoti, se i due alleli di un gene sono identici;
• Eterozigoti, se i due alleli sono diversi.

Nella specie umana, solo una piccola parte delle varianti del materiale genetico si traduce in malattia. Le altre varianti rappresentano i polimorfismi genetici, ovvero differenze genetiche normali tra individui.

Malattie genetiche e anomalie del patrimonio

Le malattie genetiche sono causate da una o più anomalie del patrimonio genetico. Queste possono essere:

• Mutazioni geniche, ovvero alterazioni nella sequenza del DNA;
• Alterazioni cromosomiche, che coinvolgono struttura o numero dei cromosomi.

Le malattie genetiche si distinguono in:

• Ereditarie, se causate da anomalie presenti nei genitori e trasmesse alle generazioni successive;
• Congenite, se presenti fin dalla nascita, anche se non necessariamente ereditarie.

Tipi di mutazioni genetiche

Le modificazioni del materiale genetico possono avvenire in diversi modi:

• Mutazioni geniche: colpiscono la struttura di un singolo gene e sono responsabili di malattie monofattoriali(mutazione di un solo gene) o multifattoriali (coinvolgono più geni e fattori ambientali).
• Alterazioni cromosomiche: possono riguardare la struttura (es. delezioni, duplicazioni, traslocazioni) o il numero dei cromosomi (es. trisomie).
• Mutazioni somatiche: si verificano nelle cellule somatiche e non sono ereditarie, ma possono comunque causare malattie congenite.

Cause delle mutazioni

Le mutazioni possono essere:

• Spontanee: causate da errori nella duplicazione del DNA o da fattori chimici interni alla cellula;
• Indotte: provocate da mutageni, agenti chimici o fisici esterni che danneggiano il DNA.

Livelli della genetica

La genetica si articola su tre livelli principali:

1. Genetica classica: studia la trasmissione ereditaria delle malattie nelle famiglie;
2. Genetica molecolare: individua geni difettosi per diagnosi precoci e prevenzione;
3. Citogenetica: analizza i cromosomi per identificare anomalie strutturali o numeriche.

Struttura dei cromosomi

I cromosomi sono costituiti da cromatina (DNA + proteine). Durante l'interfase, la cromatina è dispersa, mentre durante mitosi e meiosi si condensa in cromosomi visibili.

Due tipi di cromatina:

• Eucromatina: meno condensata, geneticamente attiva;
• Eterocromatina: più condensata, geneticamente inattiva.

Nella metafase, i cromosomi si presentano formati da due cromatidi fratelli geneticamente identici, uniti nel centromero, che è il punto d'attacco delle fibre del fuso mitotico.

Il centromero divide ogni cromatidio in:

• Braccio p (petit): corto;
• Braccio q: lungo.

Errori nella funzione del centromero possono causare errori nella separazione dei cromosomi durante la mitosi o la meiosi.

Alle estremità dei cromatidi ci sono i telomeri, sequenze ripetute di nucleotidi che proteggono il DNA e garantiscono una corretta replicazione. Alcuni cromosomi presentano anche satelliti e costrizioni secondarie, sedi del DNA ribosomiale.

Cariotipo e bandeggi cromosomici

Il cariotipo è l'insieme dei cromosomi di una cellula, ordinati per grandezza e posizione del centromero. I cromosomi umani sono 46 (22 coppie autosomiche e 1 coppia di cromosomi sessuali).

In base alla posizione del centromero, i cromosomi si distinguono in:

• Metacentrici: centromero al centro;
• Submetacentrici: centromero leggermente decentrato;
• Acrocentrici: centromero vicino a un'estremità.

I bandeggi permettono l'identificazione dei cromosomi e delle anomalie:

• Bandeggio Q: con colorante fluorescente (e.g. quinacrina), evidenzia regioni ricche di A/T;
• Bandeggio G: con colorante Giemsa, bande scure = regioni povere di geni;
• Bandeggio R: inverso del G, con bande scure ricche di G/C.

Consulenza genetica

La consulenza genetica offre supporto a individui e famiglie con malattie genetiche, aiutandoli a prendere decisioni consapevoli. Si distingue in:

• Preconcezionale: per coppie a rischio, prima del concepimento;
• Prenatale: durante la gravidanza, per individuare anomalie genetiche;
• Postnatale: dopo la nascita, per diagnosi, terapie e rischio di ricorrenza.

Ipercolesterolemia familiare (FH)

L'ipercolesterolemia familiare è una malattia genetica ereditaria causata da mutazioni nei geni LDLR, APOB e PCSK9, che regolano il metabolismo del colesterolo LDL ("colesterolo cattivo").

Forme di ipercolesterolemia familiare

• Eterozigote: una copia mutata del gene, forma meno grave;
• Omozigote: due copie mutate, forma rara ma grave.

Conseguenze dell'ipercolesterolemia familiare

• Elevato rischio di aterosclerosi, infarto e ictus.
• Diagnosi tramite anamnesi, esami clinici e test genetici.
• Trattamento: dieta povera di grassi, statine, e nei casi gravi, LDL-aferesi.

Analisi cromosomica

Per l'analisi dei cromosomi si usano:

• Tessuti prenatali: amniociti, villi coriali, cellule del sangue fetale;
• Tessuti postnatali: linfociti da sangue periferico (preferiti per la facilità di prelievo).

I globuli rossi, privi di nucleo, non possono essere usati per l'analisi cromosomica.

Protocollo per ottenere cromosomi metafasici da linfociti

1. Prelievo del sangue;
2. Coltura cellulare con mitogeni (stimolano la mitosi);
3. Incubazione a 37°℃ per 72 ore;
4. Aggiunta di colchina per bloccare le cellule in metafase;
5. Trattamento ipotonico con KCl per gonfiare le cellule;
6. Fissaggio con metanolo e acido acetico;
7. Preparazione del vetrino e colorazione;
8. Osservazione al microscopio e fotografia per ricostruzione del cariotipo.

Malattie autosomiche recessive

Le malattie autosomiche recessive sono causate da geni recessivi. Per manifestarsi, è necessario che un individuo erediti due copie del gene mutato (una da ciascun genitore),quindi sia omozigote recessivo. Gli eterozigoti, invece, sono portatori sani: non presentano sintomi, ma possono trasmettere il gene mutato ai figli.

Molte malattie monofattoriali ereditarie seguono la modalità autosomica recessiva e possono avere gravità variabile. Tra queste, si annoverano:

Fenilchetonuria (PKU)

La fenilchetonuria è una malattia metabolica ereditaria causata dalla mancanza dell'enzima epatico fenilalanina-idrossilasi (PAH), che trasforma la fenilalanina in tirosina. La forma più comune è dovuta a una mutazione del gene PAH sul cromosoma 12 ed è trasmessa con modalità autosomica recessiva.

La tirosina è un precursore di ormoni come:

• Tiroxina (ormone tiroideo),
• Catecolamine (adrenalina, noradrenalina),
• Melanina (pigmento della pelle e dei capelli).

In assenza dell'enzima, la fenilalanina e i suoi derivati si accumulano nel sangue, raggiungendo livelli tossici, e possono compromettere lo sviluppo psicomotorio, provocando ritardo mentale.

Sintomi clinici della fenilchetonuria

• Ipotonia o ipertonia muscolare,
• Tremori, convulsioni,
• Alterazioni della pigmentazione (pelle e capelli chiari),
• Alterazioni biochimiche specifiche.

Diagnosi della fenilchetonuria

• Screening neonatale obbligatorio;
• Analisi del sangue nei primi giorni di vita.

Terapia della fenilchetonuria

• Dieta a basso contenuto di fenilalanina per tutta la vita;
• Garantisce uno sviluppo normale se iniziata precocemente.

Fibrosi cistica

La fibrosi cistica è una malattia autosomica recessiva che si manifesta nei primi anni di vita. È dovuta a una mutazione del gene CFTR sul cromosoma 7, che codifica una proteina che regola il trasporto di ioni cloro attraverso le membrane cellulari.

Questa mutazione causa:

• Secrezioni molto dense nei polmoni, pancreas, fegato;
• Ostruzione bronchiale, infezioni respiratorie frequenti;
• Malassorbimento intestinale, ritardo nella crescita;
• Cirrosi epatica, sterilità nei maschi.

Diagnosi della fibrosi cistica

• Test del sudore (alta concentrazione di cloruri),
• Analisi del DNA per confermare la mutazione.

Terapia della fibrosi cistica

• Antibiotici, fisioterapia respiratoria, enzimi pancreatici;
• Nei casi gravi, trapianto polmonare;
• Screening neonatale incluso nei programmi sanitari;
• Terapia genica sperimentale: vettori virali e CRISPR.

Anemie ereditarie e emoglobinopatie

L'emoglobina è la proteina contenuta nei globuli rossi, formata da:

• Due catene alfa (geni HBA1 e HBA2 sul cromosoma 16),
• Due catene beta (gene HBB sul cromosoma 11).

Contiene gruppi eme con ione ferro Fe2+ che lega l'ossigeno. Trasporta anche anidride carbonica (CO2), eliminata in tre forme: disciolta nel plasma, legata all'emoglobina, o trasformata in bicarbonato.

Anemia falciforme

Malattia ereditaria causata da una mutazione puntiforme del gene HBB: l'acido glutammico è sostituito dalla valinanella catena beta. Questa sostituzione rende i globuli rossi rigidi e a forma di falce, facilmente distrutti (emolisi) e con ridotta capacità di trasporto.

Conseguenze dell'anemia falciforme

• Crisi dolorose, febbre, ischemie, danni a cuore, reni, milza e cervello;
• Omozigoti = malattia manifesta;
• Eterozigoti = portatori sani, resistenti alla malaria.

Diffusione dell'anemia falciforme

• Alta tra individui di origine africana e afroamericana.

Diagnosi dell'anemia falciforme

• Elettroforesi dell'emoglobina;
• Esami del sangue;
• Diagnosi prenatale.

Terapia dell'anemia falciforme

• Trasfusioni,
• Acido folico,
• Trapianto di midollo,
• Terapia genica (CRISPR in sperimentazione).

Talassemie

Le talassemie sono malattie ereditarie caratterizzate da anemia cronica dovuta a una sintesi ridotta o assente delle catene globiniche dell'emoglobina.

Alfa-talassemie

• Geni coinvolti: HBA1 e HBA2;
• 1 gene mutato: portatore silente, asintomatico;
• 2 geni mutati: alfa-talassemia minor, anemia lieve;
• 3 geni mutati: emoglobinopatia H, anemia moderata, splenomegalia;
• 4 geni mutati: alfa-talassemia major (idrope fetale), letale in utero o poco dopo la nascita.

Beta-talassemie

• Gene coinvolto: HBB sul cromosoma 11;
• Beta-talassemia minor: portatore sano o sintomi lievi;
• Beta-talassemia intermedia: anemia moderata, occasionali trasfusioni;
• Beta-talassemia major (Morbo di Cooley): anemia grave, richiede trasfusioni regolari.

Conseguenze delle talassemie

• Iperattività del midollo osseo,
• Ingrossamento di fegato e milza,
• Sovraccarico di ferro.

Diagnosi delle talassemie

• Esami emocromocitometrici,
• Elettroforesi dell'emoglobina,
• Diagnosi prenatale,
• Consulenza genetica (screening pre-matrimoniale nei paesi a rischio).

Terapie per le talassemie

• Trasfusioni regolari + terapia ferrochelante;