imprinting genomico10

Patologie dadifetti

dell’imprinting

Patologie dadifetti

dell’imprinting

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

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 DELLA ALTERAZIONE STABILE DELLA POTENZIALE ESPRESSIONE GENICAPOTENZIALE ESPRESSIONE GENICA

……………………… ……………………… quando avviene ?quando avviene ?

CONTROLLO EPIGENETICO DELL’ESPRESSIONE

GENETICAMANTENIMENTO DELL’ESPRESSIONE

DIFFERENZIALE DI GENI NEI DIVERSI TESSUTI

METILAZIONE DEL DNA METILAZIONE DEL DNA

ACETILAZIONE DEGLI ISTONI ACETILAZIONE DEGLI ISTONI

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

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”.

La metilazione del DNA è un processo biochimico mediante il La metilazione del DNA è un processo biochimico mediante il quale l’enzima DNA-metiltransferasi (DNMT) aggiunge un quale l’enzima DNA-metiltransferasi (DNMT) aggiunge un gruppo metilico alle citosine, (se seguite da una guanina) gruppo metilico alle citosine, (se seguite da una guanina) trasformandola in 5-metilcitosinatrasformandola in 5-metilcitosina

H3CN

N

ON

DNMTDNMT

METILAZIONE 1 2

34

5

6

N

N

N O

citosina5-metilcitosina

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)

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 essere MeCP2 è stata la prima di queste proteine ad essere

caratterizzata caratterizzata

Meccanismi epigenetici alterati sono coinvolti nello sviluppo di Meccanismi 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 cambiamenti Il disturbo neurologico più studiato per quanto riguarda i cambiamenti

epigenetici è epigenetici è

la sindrome di Rettla sindrome di Rett

i pazienti con la sindrome di Rett hanno difetti dello sviluppo i pazienti con la sindrome di Rett hanno difetti dello sviluppo

neurologico associati a mutazioni in MeCP2, che codifica per la neurologico 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

Quali regioni sono bersaglio della metilazione?Quali regioni sono bersaglio della metilazione?

CpG CpG 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 geni Nell’uomo circa la metà dei geni (geni house-keeping e geni con pattern d’espressione tessuto-specifica) ha CpG islands. ha CpG islands.

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

“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

Patterns di metilazione del DNA nella normalità e in patologia

Neuroni e glia normaliAlterazioni della metilaz DNA

in disordini neurologiciIpermetilazione 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).

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’acetilazione Alterazioni della metilazione del DNA e modificazioni dell’acetilazione

degli istoni, possono essere coinvolte nelle malattie degli istoni, possono essere coinvolte nelle malattie

neurodegenerative come il morbo di Alzheimer, morbo di Parkinson neurodegenerative 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.

Cos’è l’imprinting?

IMPRINTING GENOMICOIMPRINTING GENOMICOE’ 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

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 paternoAllele paterno silente

il carattere viene espresso quando ereditato dal padre

l’allele materno e’ silenteImprinting materno

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)

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?

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 propagazione Determinazione e propagazione dell’imprintingdell’imprinting

Imprinting e patologiaImprinting e patologia

• Perdita dell’allele non soggetto ad imprinting: assenza di proteina

• Perdita dell’imprinting (LOI, loss ofimprinting): livello di proteinaraddoppiato rispetto al normale

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)

Sindrome di Prader-WilliSindrome di Prader-Willi

Incidenza: 1/12.000-1/15.000

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 IpogonadismoRitardo mentale medio-moderato Iperfagia/ossessione per il ciboAnomalia cromosomica o

molecolare della regione 15q11-q13

del 15(q11-q13)

MAT PAT

Visibile con FISH (o con esame citogenetico ad alta risoluzione)

Sindrome di AngelmanSindrome di Angelman

Incidenza: 1/15.000-1/30.000

Sindrome di Angelman:Caratteristiche Cliniche CostantiGrave ritardo di sviluppo

psicomotorioAssenza, completa o pressoché

completa, del linguaggioAndatura atassica e/o

movimenti tremuliAnomalie comportamentali:

riso non motivato<< carattere ipereccitabile, con

tendenza ad agitare le mani deficit di attenzione atteggiamento

apparentemente felice iperattività motoria

Sindrome di Angelman:Caratteristiche Cliniche Frequenti (>80%)

Microcefalia prima dei 2 anniConvulsioni in genere <3 anniPattern EEG anormale, con

ampie onde lente, la cui comparsa è facilitata dalla chiusura degli occhi

PERDITA DELL’IMPRINTING

1) Alterazioni di metilazione :eccesso o riduzione

2) Presenza di 2 copie dello stesso allele (DISOMIA UNIPARENTERALE)

Delezione 15q11-q13: 70%

Soggetto normale

AS PWS

La FISH con una sonda specifica del centromero del 15 ed una dellaregione 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

PERDITA DELL’IMPRINTING

1) Alterazioni di metilazione :eccesso o riduzione

2) Presenza di 2 copie dello stesso allele (DISOMIA UNIPARENTERALE)

Delezione 15q11-q13: 70%

Pat UPD:2% Mat UPD:25%

Soggetto normale

AS PWS

46 cromos

24 cromos22 cromos

22 cromat 22 cromat 24 cromat 24 cromat

Non disgiunz. alla MI

Uovo con nullisomia per il cromosoma 15

45 cromosomi:monosomia 15

duplicaz. selettiva 15:46 cromosomi conUPD 15 paterno

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

15 der(15) 22 der(22)15 der(22) 22 22

AS

PWS PWS

The Lancet, 338:638 (1991)

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

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

Struttura della regione

15q11

Cromosoma 15

crom. 15 paterno Xcrom. 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%

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 trasmettitoremadre trasmettitrice s. di Angelman se trasmesso

allele mutatopadre trasmettitore nessuna conseguenza

wt pat. inatt.mut. mat. inatt.

wt mat. att.mut. pat. inatt.

wt mat. att.wt pat. inatt.












crom. 15 maternoX

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%

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 La maggior parte dei casi sono sporadici ma una piccolo numero sono familiari con trasmissione AD piccolo numero sono familiari con trasmissione AD Coinvolgimento della deregolazione dell’imprinting Coinvolgimento della deregolazione dell’imprinting

genomico nella regione 11p15genomico nella regione 11p15Presenta disordini clinici eterogeneiPresenta disordini clinici eterogenei


caratteristiche cliniche

MacroglossiaDifetti della parete addominaleVisceromegalia(macrosomia)

Gigantismo natale e postataleAnomalie 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

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


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)

DOMINIO 1

Rosso: geni ad Rosso: geni ad espressione espressione maternamaterna

Blu: geni ad Blu: geni ad espressione paternaespressione paterna

H19 codifica un trascritto polII non tradotto

GF fetale–espressione paterna

Al 3’ del gene Al 3’ del gene H19 H19 un set di un set di enhancers enhancers

IGF2 e H19IGF2 e H19 competono per competono per tali enhancers tali enhancers

DMR1 (2 kb a monte DMR1 (2 kb a monte di di H19H19):):

Regola l’espressione Regola l’espressione di di IGF2IGF2 e e H19H19

causata dall’aumentato livello causata dall’aumentato livello d’espressione del gene IGF2d’espressione del gene IGF2

•Duplicazione del cromosoma Duplicazione del cromosoma paterno 11p15paterno 11p15

•Disomia uniparentale paternaDisomia uniparentale paterna

•Alterazione della metilazioneAlterazione della metilazione

BWS

Dominio 26 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


•Regola negativamente la proliferazione cellulare

•Mutazioni CDKN1C causano BWS e sono spesso associate con l’eredita autosomica dominante della sindrome

SLC22A1LSLC22A1L


•Trasportatore di cationi

•Mutazioni del gene associata tumore al seno

SLC22A1LSLC22A1L


•Trasportatore di cationi

•Mutazioni del gene associata tumore al seno

KCNQ1KCNQ1


•6 traslocazoni note sono associate con la BWS

•L’introne 10 contiene un DMR2

KCNQ1KCNQ1


•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

Alterazioni genetiche associate a BWS Alterazioni genetiche associate a BWS ::

1.1. DMR2 non metilato con conseguente perdita di DMR2 non metilato con conseguente perdita di imprintig del KCNQ1OTI nel 50% dei casiimprintig del KCNQ1OTI nel 50% dei casi

2.2. Disomia uniparentale paterna dell’11p15 nel 10-20% Disomia uniparentale paterna dell’11p15 nel 10-20% dei casidei casi

3.3. Perdita di imprintig del gene IGF2 sull’allele materno Perdita di imprintig del gene IGF2 sull’allele materno 25-50 % dei casi25-50 % dei casi

imprinting genomico10

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