Imprinting genomico10

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Imprinting genomico10

  1. 1. Patologie da difetti dell’imprinting Patologie da difetti dell’imprinting
  2. 2. Per epigenetica si intende qualsiasi attività di regolazione dei geni tramite processi chimici che non comportano cambiamenti nella sequenza del DNA ma possono indurre fenotipi diversi nell’individuo o nella progenie Queste modificazioni fanno si che diminuisca il grado di accessibilità del DNA per i fattori di trascrizione alterando l’attività di tale gene. EPIGENETICA
  3. 3.  Avviene durante lo sviluppo e la proliferazione cellulare, senza alterare la sequenza genica sulla quale interviene.  Ruolo importante dimostrato in:  Biologia del cancro;  Infezioni virali;  Tecnologie transgeniche;  Imprinting ALTERAZIONE STABILE DELLAALTERAZIONE STABILE DELLA POTENZIALE ESPRESSIONE GENICAPOTENZIALE ESPRESSIONE GENICA ……………………………………………… quando avviene ?quando avviene ?
  4. 4. CONTROLLO EPIGENETICO DELL’ESPRESSIONE GENETICA MANTENIMENTO DELL’ESPRESSIONE DIFFERENZIALE DI GENI NEI DIVERSI TESSUTI METILAZIONE DEL DNAMETILAZIONE DEL DNA ACETILAZIONE DEGLI ISTONIACETILAZIONE DEGLI ISTONI
  5. 5. METILAZIONE.  È uno degli eventi epigenetici più frequenti nel genoma dei mammiferi.  Modificazione chimica covalente EREDITABILE ma REVERSIBILE.  Consiste nell’aggiunta di un gruppo metile (-CH3) al carbonio in 5’ dell’anello di una CITOSINA.  Nei vertebrati la metilazione interessa esclusivamente la CITOSINA
  6. 6. METILAZIONE.  Il genoma umano non è metilato uniformemente; contiene regioni non metilate interposte ad altre metilate.  La maggior parte della metilazione in C avviene nel contesto della sequenze 5’-CG-3’ dette “CpG island”.
  7. 7. La metilazione del DNA è un processo biochimico mediante il qualeLa metilazione del DNA è un processo biochimico mediante il quale l’enzima DNA-metiltransferasi (DNMT) aggiunge un gruppol’enzima DNA-metiltransferasi (DNMT) aggiunge un gruppo metilico alle citosine, (se seguite da una guanina)metilico alle citosine, (se seguite da una guanina) trasformandolatrasformandola in 5-metilcitosinain 5-metilcitosina H3C N N ON DNMTDNMT METILAZIONE1 2 3 4 5 6 N N N O citosina 5-metilcitosina
  8. 8. Gli enzimi che effettuano la metilazione del DNA sono DNA metiltransferasi (DNMTs) che catalizzano il trasferimento di un gruppo metilico da una S-adenosil-L-metionina alla citosina. Nei mammiferi, la famiglia della DNMT comprende cinque proteine:  DNMT1  DNMT2  DNMT3A  DNMT3B  DNMT3L (DNMT3-like) 
  9. 9. Le proteine che riconoscono le metilcitosine sono MBDMBD (metil-CpG binding domain): nei mammiferi, si tratta di  MeCP2  MBD1  MBD2  MBD3  MBD4 MeCP2 è stata la prima di queste proteine ad essereMeCP2 è stata la prima di queste proteine ad essere caratterizzatacaratterizzata
  10. 10. Meccanismi epigenetici alterati sono coinvolti nello sviluppo diMeccanismi epigenetici alterati sono coinvolti nello sviluppo di molte malattie, compreso il cancro.molte malattie, compreso il cancro. Il disturbo neurologico più studiato per quanto riguarda i cambiamentiIl disturbo neurologico più studiato per quanto riguarda i cambiamenti epigenetici èepigenetici è la sindrome di Rettla sindrome di Rett i pazienti con la sindrome di Rett hanno difetti dello sviluppoi pazienti con la sindrome di Rett hanno difetti dello sviluppo neurologico associati a mutazioni in MeCP2, che codifica per laneurologico associati a mutazioni in MeCP2, che codifica per la proteina 2 legante metil-CpG, che si lega quindi al DNA metilatoproteina 2 legante metil-CpG, che si lega quindi al DNA metilato
  11. 11. Quali regioni sono bersaglio della metilazione?Quali regioni sono bersaglio della metilazione? CpGCpG islandsislands ••Piccole regioni IPERMETILATEPiccole regioni IPERMETILATE del DNA di 0.5-5 kb ca.del DNA di 0.5-5 kb ca. ••Si ritrovano in media ogni 100 kb.Si ritrovano in media ogni 100 kb. ••Nell’uomo circa la metà dei geniNell’uomo circa la metà dei geni (geni house-keeping e geni con pattern d’espressione tessuto-specifica) ha CpG islands.ha CpG islands.
  12. 12. Geni che vengono attivamente trascritti e tradotti ad un livello relativamente elevato. Generalmente, essi codificano per proteine ed enzimi fondamentali per la vita della cellula, e che pertanto devono essere sempre presenti. Geni house-keepingGeni house-keeping
  13. 13. “CpG islands”  L’aumento della metilazione nella regione promotore di un gene porta ad una ridotta espressione, mentre la metilazione nella regione trascritta ha un effetto variabile
  14. 14. Patterns di metilazione del DNA nella normalità e in patologia Neuroni e glia normali Alterazioni della metilaz DNA in disordini neurologici Ipermetilazione densa in quelle regioni associate con silenziamento trascrizionale (A) FXN (coinvolto nell’atassia di Friedreich) (B) PADl2 (coinvolto potentenzialmente nella sclerosi multipla) (C) S100A2 (coinvolto potentenzialmente nella malattia di Alzheimer) (D) TNFα (coinvolto potentenzialmente nella malattia di Parkinson).
  15. 15. Molti disordini associati a ritardo mentale sono si associano ad alterazioni di geni coinvolti nei meccanismi epigenetici: - sindrome alfa talassemia/ritardo mentale X-linked (ATRX) - sindrome di Rubinstein-Taybi - sindrome di Coffin-Lowry Alterazioni della metilazione del DNA e modificazioni dell’acetilazioneAlterazioni della metilazione del DNA e modificazioni dell’acetilazione degli istoni, possono essere coinvolte nelle malattiedegli istoni, possono essere coinvolte nelle malattie neurodegenerative come il morbo di Alzheimer, morbo di Parkinsonneurodegenerative come il morbo di Alzheimer, morbo di Parkinson e la malattia di Huntington, e in altri disturbi neurologicie la malattia di Huntington, e in altri disturbi neurologici come la sclerosi multipla, l'epilessia e la sclerosi laterale amiotrofica.come la sclerosi multipla, l'epilessia e la sclerosi laterale amiotrofica.
  16. 16. Cos’è l’imprinting?
  17. 17. IMPRINTING GENOMICOIMPRINTING GENOMICO E’ un meccanismo epigenetico di regolazione trascrizionale attraverso il quale alcuni geni vengono espressi o meno a seconda della loro originealcuni geni vengono espressi o meno a seconda della loro origine parentaleparentale L’esistenza dell’imprinting genomico suggerisce invece che il genoma materno e quello paterno non sono funzionalmente equivalentinon sono funzionalmente equivalenti, ma hanno un ruolo supplementare e non sostituibile nel determinare un corretto sviluppo embrionale
  18. 18. Modified by J Med Genet 29:853-857, 1992 In questo albero, la patologia è sempre trasmessa per via materna e non in modo mendeliano Imprinting paterno Allele paterno silente
  19. 19. il carattere viene espresso quando ereditato dal padre l’allele materno e’ silenteImprinting materno
  20. 20. Alcuni geni sottoposti ad imprinting  Chr1 (p73);  Chr5 (U2AFBPL);  Chr6 (MAS1; M6P/IGF2R..);  Chr7 (GAMMA2-COP..);  Chr11 (H19;IGF2;INS..);  Chr13 (HTR2A);  Chr14 (MEG3/GTL2);  Chr15 (GABRA5;GABRB3;NDN;PAR1;PAR5;SNRPN;UBE3A)  Chr18 (IMPACT);  Chr19 (PEG3);  Chr20 (GNAS1;NEURONATIN)  ChrX (XIST)
  21. 21. Non e’ un cambiamento permanente del DNA Deve essere abolito prima di trasmettere il genoma Deve essere ripristinato coerentemente al sesso dell’individuo che trasmette Su questa nuova “etichettatura” agiscono i meccanismi di regolazione genica secondo i pattern previsti per cellule, tessuti..... Come e quando?
  22. 22. L’imprinting deve essere cancellabile nella linea germinale per consentire la determinazione del pattern di imprinting del sesso opposto L’imprinting deve essere mantenuto durante la divisione delle cellule somatiche Determinazione e propagazioneDeterminazione e propagazione dell’imprintingdell’imprinting
  23. 23. Imprinting e patologiaImprinting e patologia • Perdita dell’allele non soggetto ad imprinting: assenza di proteina • Perdita dell’imprinting (LOI, loss of imprinting): livello di proteina raddoppiato rispetto al normale
  24. 24. Alcuni geni sottoposti ad imprinting  Chr1 (p73);  Chr5 (U2AFBPL);  Chr6 (MAS1; M6P/IGF2R..);  Chr7 (GAMMA2-COP..);  Chr11 (H19;IGF2;INS..);  Chr13 (HTR2A);  Chr14 (MEG3/GTL2);  Chr15 (GABRA5;GABRB3;NDN;PAR1;PAR5;SNRPN;UBE3A)  Chr18 (IMPACT);  Chr19 (PEG3);  Chr20 (GNAS1;NEURONATIN)  ChrX (XIST)
  25. 25. Sindrome di Prader-WilliSindrome di Prader-Willi Incidenza: 1/12.000-1/15.000
  26. 26. Sindrome di Prader-Willi: Criteri Diagnostici Maggiori Ipotonia centrale infantile con suzione scarsa, tendente a migliorare nel tempo Difficoltà di alimentazione e scarso accrescimento Aumento eccessivo di peso dopo 1 a. e prima di 6 a. Anomalie facciali:  costrizione bitemporale  occhi a mandorla  bocca piccola con labbro superiore sottile e angoli rivolti in basso Ipogonadismo Ritardo mentale medio-moderato Iperfagia/ossessione per il cibo Anomalia cromosomica o molecolare della regione 15q11-q13
  27. 27. del 15(q11-q13) MAT PAT Visibile con FISH (o con esame citogenetico ad alta risoluzione)
  28. 28. Sindrome di AngelmanSindrome di Angelman Incidenza: 1/15.000-1/30.000
  29. 29. Sindrome di Angelman: Caratteristiche Cliniche Costanti Grave ritardo di sviluppo psicomotorio Assenza, completa o pressoché completa, del linguaggio Andatura atassica e/o movimenti tremuli Anomalie comportamentali:  riso non motivato<<  carattere ipereccitabile, con tendenza ad agitare le mani  deficit di attenzione  atteggiamento apparentemente felice  iperattività motoria
  30. 30. Sindrome di Angelman: Caratteristiche Cliniche Frequenti (>80%) Microcefalia prima dei 2 anni Convulsioni in genere <3 anni Pattern EEG anormale, con ampie onde lente, la cui comparsa è facilitata dalla chiusura degli occhi
  31. 31. PERDITA DELL’IMPRINTING 1) Alterazioni di metilazione :eccesso o riduzione 2) Presenza di 2 copie dello stesso allele (DISOMIA UNIPARENTERALE)
  32. 32. Delezione 15q11-q13: 70% Soggetto normale AS PWS
  33. 33. La FISH con una sonda specifica del centromero del 15 ed una della regione PWS/AS identifica una delezione eterozigote (paterna in PWS e materna in AS)alla regione critica nel 70% dei casi Nei rimanenti casi il cariotipo è, in genere, normale
  34. 34. PERDITA DELL’IMPRINTING 1) Alterazioni di metilazione :eccesso o riduzione 2) Presenza di 2 copie dello stesso allele (DISOMIA UNIPARENTERALE)
  35. 35. Delezione 15q11-q13: 70% Pat UPD:2% Mat UPD:25% Soggetto normale AS PWS
  36. 36. 46 cromos 24 cromos22 cromos 22 cromat 22 cromat 24 cromat 24 cromat Non disgiunz. alla MI
  37. 37. Uovo con nullisomia per il cromosoma 15 45 cromosomi: monosomia 15 duplicaz. selettiva 15: 46 cromosomi con UPD 15 paterno
  38. 38. Le sindromi di Angelmann e di Prader-WilliLe sindromi di Angelmann e di Prader-Willi sono esempi di patologie dovute all’imprinting genomicosono esempi di patologie dovute all’imprinting genomico
  39. 39. 15 der(15) 22 der(22) 15 der(22) 22 22 AS PWS PWS The Lancet, 338:638 (1991)
  40. 40. La stessa traslocazione sbilanciata t(15;22)(q12;q11) è associata a due fenotipi diversi (sindrome di Angelman o sindrome di Prader-Willi) a seconda che sia ereditata dalla madre anziché dal padre
  41. 41. IMPRINTING GENOMICO: MECCANISMO MOLECOLARE Metilazione genica, a livello delle sequenze CpG → blocco della trascrizione I geni delle regioni soggette ad imprinting sono particolarmente ricchi di isole CpG cg cg cg cg cg ccggcgcg cg cg cg cg ccggcg regione PWS nel cromosoma 15 paternoregione PWS nel cromosoma 15 paterno cg cg cg cg cg ccggcg CH3 CH3 CH3 CH3CH3CH3CH3 regione PWS nel cromosoma 15 maternoregione PWS nel cromosoma 15 materno
  42. 42. Struttura della regione 15q11 Cromosoma 15
  43. 43. crom. 15 paterno X crom. 15 materno 1. Microdelezione regione PWS cromosoma 15 paterno: 70% Evento sporadico, rischio di ricorrenza trascurabile crom. 15 materno crom. 15 materno 2. Disomia uniparentale materna o riarrangiamenti cromosoma 15: 25% Correlata con età materna Evento sporadico, rischio di ricorrenza trascurabile Rischio di ricorrenza 50% se padre portatore di microdelezione IC crom. 15 paterno crom. 15 materno 3. Difetti del Centro dell’Imprinting cromosoma paterno: <5%
  44. 44. Alcuni casi di sindrome di Angelman sono familiari! Mutazioni puntiformi inattivanti (“loss of function”) del gene UBE3A UBE3A è contenuto nella regione AS ed è soggetto ad imprinting paterno Prodotto proteico: ubiquitin-ligasi → enzima che lega proteine destinate alla degradazione all’ubiquitina Forma autosomica dominante, con espressione dipendente dal sesso del genitore trasmettitore madre trasmettitrice → s. di Angelman se trasmesso allele mutato padre trasmettitore → nessuna conseguenza
  45. 45. wt pat. inatt. mut. mat. inatt. wt mat. att. mut. pat. inatt. wt mat. att. wt pat. inatt. wt mat. att. mut. pat. inatt. wt mat. att. mut. pat. inatt. wt mat. att. mut. pat. inatt. wt mat. att. wt pat. inatt. wt pat. inatt. mut. mat. inatt. wt mat. att. mut. pat. inatt. wt mat. att. wt pat. inatt. wt mat. att. mut. pat. inatt. wt mat. att. wt pat. inatt. wt mat. att. wt pat. inatt. wt pat. inatt. mut. mat. inatt.
  46. 46. crom. 15 materno X crom. 15 paterno 1. Microdelezione regione AS cromosoma 15 materno: 70% UBE3A crom. 15 paterno crom. 15 paterno 2. Disomia uniparentale paterna cromosoma 15: 2-3% UBE3A UBE3A crom. 15 materno crom. 15 materno 3. Difetti Centro dell’Imprinting cromosoma 15 materno: 3-5% UBE3A UBE3A crom. 15 materno crom. 15 paterno 4. Mutazione puntiforme UBE3A cromosoma materno: 5-7% UBE3A UBE3A 5. Altri meccanismi (sconosciuti): 12-18%
  47. 47. La sindrome di Beckwith–Wiedemann 1: 14.500 nati vivi La Sindrome di Beckwith-Wiedemann è una sindrome da iperaccrescimento Dimostrato il linkage con 11p15 e l’alterazione dell’imprinting genomico di geni presenti in questa regione La maggior parte dei casi sono sporadici ma una piccoloLa maggior parte dei casi sono sporadici ma una piccolo numero sono familiari con trasmissione ADnumero sono familiari con trasmissione AD Coinvolgimento della deregolazione dell’imprinting genomicoCoinvolgimento della deregolazione dell’imprinting genomico nella regione 11p15nella regione 11p15 Presenta disordini clinici eterogeneiPresenta disordini clinici eterogenei
  48. 48. La sindrome di Beckwith–Wiedemann caratteristiche cliniche Macroglossia Difetti della parete addominale Visceromegalia(macrosomia) Gigantismo natale e postatale Anomalie alle orecchie (fossette, pieghe ecc) Ipoglicemia neonatale Citomegalia e cisti della corteccia surrenale Nefromegalia e anomalie strutturali del rene Emiperplasia (crescita asimmetrica di una o più regioni del corpo) Dismorfismi facciali Palatoschisi Occipite prominente
  49. 49. Perdita di udito (conduttiva o neurosensoriale) Tonsille e adenoidi di dimensioni  notevoli Scoliosi (dovuta all’asimmetria) Tumore di Wilms Epatoblastoma Neuroblastoma Nefroblastoma Tumori delle ghiandole surrenali Tumore del pancreas La sindrome di Beckwith–Wiedemann
  50. 50. GENI “ IMPRINTED”-BWS •Il cluster di geni “imprinted”nella regione 11p15 contiene almeno 12 geni in due distinti domini regolati in cis da due imprinting centers (DMRs)
  51. 51. DOMINIO 1 Rosso: geni adRosso: geni ad espressione maternaespressione materna Blu: geni ad espressioneBlu: geni ad espressione paternapaterna H19 codifica un trascritto polII non tradotto GF fetale–espressione paterna Al 3’ del geneAl 3’ del gene H19H19 un set diun set di enhancersenhancers IGF2 e H19IGF2 e H19 competono percompetono per tali enhancerstali enhancers DMR1 (2 kb a monte diDMR1 (2 kb a monte di H19H19):): Regola l’espressione diRegola l’espressione di IGF2IGF2 ee H19H19 causata dall’aumentato livellocausata dall’aumentato livello d’espressione del gene IGF2d’espressione del gene IGF2 •Duplicazione del cromosoma paternoDuplicazione del cromosoma paterno 11p1511p15 •Disomia uniparentale paternaDisomia uniparentale paterna •Alterazione della metilazioneAlterazione della metilazione BWS
  52. 52. Dominio 2 6 geni imprinted : CDKN1C,TSSC3, SLC22A1L, KCNQ1,TSSC4,PHEMX CDKN1CCDKN1C •Espressione materna •Regola negativamente la proliferazione cellulare •Mutazioni CDKN1C causano BWS e sono spesso associate con l’eredita autosomica dominante della sindrome CDKN1CCDKN1C •Espressione materna •Regola negativamente la proliferazione cellulare •Mutazioni CDKN1C causano BWS e sono spesso associate con l’eredita autosomica dominante della sindrome SLC22A1LSLC22A1L •Espressione materna •Trasportatore di cationi •Mutazioni del gene associata tumore al seno SLC22A1LSLC22A1L •Espressione materna •Trasportatore di cationi •Mutazioni del gene associata tumore al seno KCNQ1KCNQ1 •Espressione materna •6 traslocazoni note sono associate con la BWS •L’introne 10 contiene un DMR2 KCNQ1KCNQ1 •Espressione materna •6 traslocazoni note sono associate con la BWS •L’introne 10 contiene un DMR2 CH3 DMR2 PAT MAT KCNQ1OTIKCNQ1OTI: trascritto antisenso che regola negativamente l’espressione dei geni paterni
  53. 53. Alterazioni genetiche associate a BWS :Alterazioni genetiche associate a BWS : 1.1. DMR2 non metilato con conseguente perdita di imprintigDMR2 non metilato con conseguente perdita di imprintig del KCNQ1OTI nel 50% dei casidel KCNQ1OTI nel 50% dei casi 2.2. Disomia uniparentale paterna dell’11p15 nel 10-20% dei casiDisomia uniparentale paterna dell’11p15 nel 10-20% dei casi 3.3. Perdita di imprintig del gene IGF2 sull’allele materno 25-50Perdita di imprintig del gene IGF2 sull’allele materno 25-50 % dei casi% dei casi

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