Tom Strachan Anneke
Lucassen
Genetica & Genomica nelle scienze mediche
Seconda edizione
A cura di Rossella Tupler
BIOLOGIA
INDICE GENERALE
Prefazione XV
Capitolo 1
Principi
fondamentali: DNA, cromosomi e cellule
1.1 Struttura e funzione degli acidi nucleici 1
Concetti generali: materiale genetico, genomi e geni 1
La chimica alla base degli acidi nucleici 2
FOCUS 1.1
Estremità 5′ e 3′ e asimmetria nei filamenti degli acidi nucleici 3
Appaiamento di basi e doppia elica 3
FOCUS 1.2
Prevalenza degli appaiamenti delle basi, complementarità di sequenza e modalità di notazione della sequenza degli acidi nucleici 4
Replicazione del DNA e DNA polimerasi 5
Geni, trascrizione e dogma centrale della biologia molecolare 6
1. 2 Struttura e funzione dei cromosomi 7
Perché abbiamo bisogno di cromosomi altamente strutturati e come sono organizzati 7
La funzione del cromosoma: origini di replicazione, centromeri e telomeri 8 I centromeri 8 Le origini di replicazione 9 I telomeri 9
1. 3 DNA e cromosomi nella divisione cellulare e nel ciclo cellulare 9
Le differenze nel numero di copie di DNA all’interno di cellule diverse 9 Il numero di copie del DNA mitocondriale 10
Ciclo cellulare e segregazione dei cromosomi duplicati e delle molecole di DNA 10
I cambiamenti nel numero di cromosomi cellulari e nel contenuto di DNA 11
Replicazione e segregazione del DNA mitocondriale 12
La mitosi: la forma più comune di divisione cellulare 12
La meiosi: una divisione cellulare riduttiva specializzata che dà origine agli spermatozoi e agli oociti 13
Capitolo 2
Principi fondamentali: geni, espressione genica e organizzazione del genoma umano
2.1 Struttura ed espressione dei geni codificanti proteine 18
L’organizzazione del gene: esoni e introni 19
Lo splicing dell’RNA: ricucire le informazioni genetiche contenute negli esoni 19
L’importanza evolutiva dello splicing dell’RNA 20
La traduzione: decodificare l’RNA messaggero per produrre un polipeptide 21 Il processo della traduzione 21
FOCUS 2.1 Cornici di lettura per la traduzione e separazione delle sequenze codificanti da parte degli introni 23
L’RNA transfer come RNA adattatore 24
Regioni non tradotte ed estremità 5′ e 3′ dell’mRNA maturo 24
Dal polipeptide di nuova sintesi alla proteina
2. 2 Geni per RNA ed RNA non codificanti
Gli RNA che agiscono come regolatori specifici: da rare eccezioni a opinione corrente
2. 3 Analisi dettagliata del nostro genoma e suo significato
Il Progetto Genoma Umano: un’analisi dettagliata del genoma nucleare
FOCUS 2.3 Una panoramica su eucromatina ed eterocromatina
Ciò che la sequenza non ci ha chiarito e l’obiettivo di identificare tutte le sequenze funzionali del genoma umano
2.4 Completamento del genoma umano e P rogetto Pangenoma Umano
16
L’appaiamento dei cromosomi omologhi paterno e materno (sinapsi) 14 La ricombinazione 15 Perché ogni nostro gamete è unico 15 ■ Sommario ■ DomanDe ■ BiBliografia
2.4 Breve panoramica di alcune risorse elettroniche per analizzare la sequenza e i prodotti genici del genoma umano 37
Nomenclatura dei geni e portale HGNC 37
Le banche dati contenenti sequenze nucleotidiche e proteiche 38
La ricerca di sequenze nucleotidiche e proteiche correlate 39
I collegamenti a banche dati cliniche
2. 5 Organizzazione ed evoluzione del genoma umano
Una breve panoramica dei meccanismi evolutivi che hanno modellato il nostro genoma 40
Quanto del nostro genoma è importante dal punto di vista funzionale? 41
Conservazione delle sequenze dovuta alla selezione e stima della pressione funzionale 41
Il genoma mitocondriale: un utilizzo efficiente ma con autonomia limitata 42
La distribuzione dei geni nel genoma umano 42
Le dimensioni del DNA ripetuto nel genoma umano 44 L’organizzazione delle famiglie geniche
L’importanza della duplicazione genica e del DNA codificante ripetuto
Il dosaggio genico
Le nuove varianti genetiche
Il DNA non codificante altamente ripetuto nel genoma umano 49
Le ripetizioni derivate da trasposoni nel genoma umano 49
Il significato evolutivo delle ripetizioni trasponibili 51
■ Sommario ■ DomanDe ■ BiBliografia per approfonDire 51
Capitolo 3
Principi delle tecnologie per lo studio del DNA
3.1 Amplificazione del DNA attraverso il clonaggio 55
L’amplificazione di un DNA di interesse all’interno di cellule batteriche
La necessità di vettori di DNA
La separazione fisica dei cloni
La necessità di nucleasi di restrizione
Librerie di DNA, utilizzo e limiti del clonaggio del DNA
FOCUS 3.1 Le endonucleasi di restrizione: da guardiani batterici a strumenti genetici 58
3. 2 Amplificazione del DNA mediante la reazione a catena della polimerasi (PCR) 59
Le basi della reazione a catena della polimerasi (PCR) 59
3. 3 Principi dell’ibridazione degli acidi nucleici 61
La formazione di eteroduplex artificiali 62 I saggi di ibridazione: l’utilizzo di acidi nucleici noti per individuare sequenze correlate in una popolazione di acidi nucleici in esame 63
L’utilizzo di parametri di ibridazione ad alta e bassa stringenza 64 I due tipi di saggi di ibridazione 64
L’ibridazione su microarray: un’ibridazione in parallelo su larga scala a sonde fissate su supporto 66 FOCUS 3.2
3.4 Principi del sequenziamento del DNA 67
Il sequenziamento del DNA con il metodo dei dideossinucleotidi 69
Il sequenziamento massivo in parallelo del DNA (sequenziamento di nuova generazione) 70
FOCUS 3.3 Elettroforesi su gel ed elettroforesi capillare per la separazione degli acidi nucleici in base alle dimensioni
Capitolo 4
Principi della variabilità genetica
4.1 Origini della variabilità delle sequenze e meccanismi di riparazione del DNA 76
La variabilità genetica deriva da errori endogeni nella funzione dei cromosomi e del DNA 76
errori nella replicazione del DNA 76
Segregazione cromosomica ed errori di ricombinazione 77
Diverse fonti endogene ed esogene possono danneggiare il DNA alterandone la struttura chimica 77
Il danno chimico al DNA da fonti endogene e ambientali 78
L’ampio spettro dei meccanismi di riparazione del danno al DNA 79
La riparazione del danno al DNA o della sequenza alterata su un singolo filamento 79
La riparazione delle lesioni che colpiscono entrambi i filamenti del DNA 80
Mancato rilevamento di un danno del DNA, tolleranza al danno del DNA e sintesi translesione 80
Le malattie che originano da difetti nella risposta al danno del DNA o nei meccanismi di riparazione 82
4. 2 Genomica delle popolazioni e dimensione della variabilità genetica umana 83
Varianti del DNA, polimorfismi e genomica delle popolazioni umane 84
Varianti strutturali e varianti di piccole dimensioni a confronto 85
FOCUS 4.1 Il sequenziamento del genoma individuale e di popolazione 85
Le varianti su piccola scala: varianti a singolo nucleotide e piccole inserzioni e delezioni 86
Inserzioni e delezioni di piccole dimensioni 86
Microsatelliti e altri polimorfismi dovuti al numero variabile di sequenze ripetute in tandem 87
Varianti strutturali e varianti a basso numero di copie 88
Facciamo il punto sulla variabilità genetica umana 89
4. 3 Variabilità genetica funzionale e polimorfismi delle proteine 90
La maggior parte della variabilità genetica ha un effetto neutro sul fenotipo, ma una piccola parte è dannosa 91
Nella specie umana agiscono diversi tipi di selezione naturale darwiniana 91
La selezione positiva in risposta a microrganismi patogeni 92
Gli adattamenti ad ambienti alterati 92
FOCUS 4.2 La forte selezione positiva più recente può causare una sweep selettiva con soppressione locale della variabilità genetica 94
La generazione della diversità delle proteine attraverso la duplicazione genica: l’esempio dei geni per i recettori olfattivi 96
4.4 Straordinaria variabilità genetica del sistema immunitario 96
La spiccata variabilità genetica nelle quattro classi di proteine del sistema immunitario 96
La variabilità genetica post-zigotica (somatica) casuale e mirata 98
I meccanismi somatici che consentono la produzione cellula-specifica delle immunoglobuline e dei recettori dei linfociti T 98
La diversità combinatoria attraverso la ricombinazione somatica 98
La restrizione dell’MHC
Il polimorfismo dell’MHC
L’importanza del sistema HLA in medicina
Trapianto e analisi di istocompatibilità
Le associazioni HLA-malattia
Capitolo 5
Malattie monogeniche: trasmissione ereditaria, variabilità fenotipica e frequenze alleliche
5.1 Introduzione: terminologia, risorse informatiche e alberi genealogici 109
Terminologia di base e risorse informatiche sulle malattie monogeniche 109
FOCUS 5.1 Le risorse informatiche sulle malattie monogeniche umane e sui geni coinvolti 110
Studio della storia familiare della malattia e alberi genealogici 110
5. 2 Concetti basilari dei modelli di trasmissione ereditaria mendeliana e del DNA mitocondriale
111
La trasmissione ereditaria autosomica dominante 111
La trasmissione ereditaria autosomica recessiva 112
La consanguineità 112
FOCUS 5.2 Consanguineità e grado di correlazione genetica tra parenti stretti 113
I fenotipi correlati alla malattia nei portatori 114
Trasmissione ereditaria legata all’X e inattivazione del cromosoma X 114
L’inattivazione del cromosoma X 114
La trasmissione ereditaria recessiva legata all’X 115
La trasmissione ereditaria dominante legata all’X 116
Ricombinazione X-Y e omologia X-Y 116
La trasmissione ereditaria pseudoautosomica 118
La trasmissione ereditaria legata all’Y 118
La trasmissione ereditaria matrilineare delle malattie del DNA mitocondriale 119
Eteroplasmia variabile e variabilità clinica 119
5. 3 Incertezza, eterogeneità ed espressione variabile dei fenotipi mendeliani 120
Le difficoltà nel definire le modalità di trasmissione ereditaria con piccoli alberi genealogici 120
Mutazioni post-zigotiche e mosaicismo 122
L’eterogeneità nella corrispondenza fra fenotipi e geni e mutazioni sottostanti 122
L’eterogeneità del locus 122
FOCUS 5.3 Mutazioni post-zigotiche (somatiche) e perché tutti noi siamo mosaici genetici 123
L’eterogeneità allelica e fenotipica 124 Non penetranza e penetranza legata all’età 125
L’età di insorgenza variabile nelle malattie a esordio tardivo 125
L’imprinting 127
L’anticipazione 127
5.4 Frequenze alleliche nelle popolazioni 128
Frequenze alleliche e legge di Hardy-Weinberg 128
La legge di Hardy-Weinberg 129 Applicazioni e limiti della legge di Hardy-Weinberg 129
L’accoppiamento non casuale 130
FOCUS 5.4 L’utilizzo della legge di Hardy-Weinberg per calcolare i rischi dei portatori nelle malattie autosomiche recessive 130
Le modalità con cui cambiano le frequenze alleliche nelle popolazioni 131
Collo di bottiglia in una popolazione ed effetto del fondatore 131
Mutazione verso selezione nella determinazione delle frequenze alleliche 133
Il vantaggio degli eterozigoti: quando la selezione naturale favorisce i portatori di malattie recessive 134
Come distinguere il vantaggio dell’eterozigote dall’effetto del fondatore 135
■ Sommario ■ DomanDe ■ BiBliografia per approfonDire 136
Capitolo 6
Principi della regolazione genica e dell’epigenetica
I due tipi fondamentali di regolazione genica 138
Gli effetti che agiscono in cis e in trans nella regolazione genica 138
6.1 Regolazione genetica dell’espressione genica 140
I promotori: i principali interruttori on-off nei geni 140
Modulazione della trascrizione e regolazione tessuto-specifica 141
I regolatori in cis come modificatori dell’espressione genica basale 141
I regolatori in cis come elementi di confine 142
Legame e specificità dei fattori di trascrizione 142
La specificità dei fattori di trascrizione 143
La regolazione genetica durante la maturazione dell’RNA: lo splicing e l’editing dell’RNA 143
regolazione dello
dell’RNA
dell’RNA
La regolazione della traduzione mediante proteine regolatrici che agiscono in trans 145
Il silenziamento genico post-trascrizionale mediante microRNA 146
Reprimere i repressori: gli RNA endogeni concorrenti sequestrano i miRNA 146
6. 2 Modifica della cromatina e fattori epigenetici nella regolazione genica 148
Una panoramica delle basi molecolari dei meccanismi epigenetici 148
L’ereditabilità dei tratti epigenetici 148
La stabilità dei tratti epigenetici 149
Come i cambiamenti nella struttura della cromatina producono un’espressione genica alterata 149
La necessità di writer, eraser e reader della cromatina 150
Modifica e sostituzione degli istoni nei nucleosomi
La sostituzione degli istoni
150
152
L’effetto degli istoni modificati e delle varianti istoniche sulla struttura della cromatina 152
La funzione della metilazione del DNA nelle cellule di mammifero
154
La metilazione del DNA: meccanismi, ereditabilità e funzioni globali durante le prime fasi dello sviluppo e nella gametogenesi 154
FOCUS 6.1 Isole CpG e modalità di metilazione del DNA nel genoma e nei geni
Il meccanismo di metilazione del DNA
La metilazione del DNA nelle prime fasi dello sviluppo e nella gametogenesi
I lunghi RNA non codificanti nella regolazione epigenetica dei mammiferi
La regolazione in cis e in trans
L’imprinting genomico: l’espressione differenziale degli alleli ereditati per via materna e paterna
155
155
156
157
158
159
Estensione e importanza dell’imprinting genomico 160
L’imprinting sesso-specifico stabilito mediante la metilazione differenziale 162
L’inattivazione del cromosoma X: la compensazione delle differenze nel dosaggio genico tra i sessi 163
Conteggio dei cromosomi X e scelte di inattivazione 163
RNA XIST e inizio dell’inattivazione dell’X 164
Sfuggire all’inattivazione dell’X 165
6. 3 Anomalie della regolazione epigenetica nelle malattie mendeliane e nella disomia uniparentale 165
I principi della disregolazione epigenetica 165
Le malattie della cromatina dovute a mutazioni nei geni modificatori della cromatina 166
Caso di studio: la sindrome di Rett 167
Le malattie che derivano dalla disregolazione dell’eterocromatina 167
Il silenziamento genico inappropriato 168 La riduzione dell’eterocromatina 169
Caso di studio: la distrofia muscolare facio-scapolo-omerale 170
Disomia uniparentale e malattie correlate all’imprinting 170
La regolazione genica anomala nei loci soggetti a imprinting 171
Il cluster dei geni soggetti a imprinting in posizione 11p15.5 171
Il cluster dei geni soggetti a imprinting in posizione 15q11-12 173
Caso di studio: la sindrome di Angelman 174
Imprinting e riproduzione assistita 175 ■ Sommario ■ DomanDe ■ BiBliografia per approfonDire 175
Capitolo 7
Variabilità genetica nel DNA e nei cromosomi come causa di malattie
7.1 Panoramica sulle modalità con cui la variabilità genetica porta alla malattia 179
L’importanza delle sequenze ripetute nell’innescare un meccanismo patogenetico 180
7. 2 Sostituzioni nucleotidiche patogenetiche e piccole inserzioni e delezioni 181
Le sostituzioni patogenetiche di un singolo nucleotide nelle sequenze codificanti 181
Le frequenze relative delle sostituzioni sinonime e di quelle che cambiano l’amminoacido 182
Le sostituzioni conservative: rimpiazzare un amminoacido con un altro simile 183
Le sostituzioni non conservative: gli effetti su polipeptidi/proteine 184
Le mutazioni che producono codoni di stop prematuro 184
FOCUS 7.1 Il decadimento mediato da un nonsenso come meccanismo di sorveglianza dell’mRNA 185
Le mutazioni di splicing patogenetiche 186
Origine e frequenza delle mutazioni puntiformi patogenetiche 187
I tassi di mutazione nel genoma umano 188 Il carico patogenetico complessivo 188
Gli effetti dell’età e del sesso dei genitori sui tassi di mutazione nelle cellule germinali 188
Malattie dovute all’effetto dell’età paterna e selezione egoista degli spermatogoni 189
Osservazione e classificazione delle mutazioni puntiformi che provocano le malattie 190
Le mutazioni puntiformi nel DNA codificante 190
Le mutazioni puntiformi nei geni per RNA e in altro
DNA non codificante 191
Le banche dati delle mutazioni patogenetiche umane 191
7. 3 Patogenesi dovuta alla variazione del numero di copie di brevi sequenze ripetute in tandem 192
Le due principali classi di varianti patogenetiche nel numero di copie di brevi sequenze ripetute in tandem 192
L’espansione patogenetica del numero di brevi sequenze ripetute in tandem senza alterazione della cornice di lettura 193
Le mutazioni dinamiche che provocano malattie a causa dell’espansione instabile di brevi sequenze ripetute in tandem 194
Il problema della traduzione non-AUG nelle sequenze ripetute 195
Caso di studio: la distrofia miotonica di tipo I 196
L’espansione instabile di brevi sequenze ripetute in tandem può causare malattie in modi diversi 197
Le manifestazioni della malattia nei portatori della pre-mutazione nella sindrome dell’X fragile 197
7.4
Patogenesi indotta da lunghe sequenze ripetute in tandem e sequenze ripetute disperse nel genoma
198
Gli scambi patogenetici tra ripetizioni si verificano sia nel DNA nucleare sia nell’mtDNA 198
Ricombinazione omologa non allelica e trasposizione 199
Gli scambi patogenetici di sequenze fra cromatidi a livello delle sequenze ripetute in tandem erroneamente appaiate 199
Il deficit di 21-idrossilasi: una malattia causata da scambi di sequenze fra un gene e uno pseudogene 200
Le malattie che derivano dagli scambi di sequenze fra elementi ripetuti distanti nel DNA nucleare 202
Microdelezioni e microduplicazioni cromosomiche 202
La ricombinazione intracromatidica fra sequenze ripetute invertite 202
7. 5 Anomalie cromosomiche 204
FOCUS 7.2 Bandeggio dei cromosomi umani e relativa classificazione 205
Le anomalie cromosomiche strutturali 206
Microdelezioni e microduplicazioni 206
Duplicazioni, delezioni e inversioni di ampie dimensioni 206
Le traslocazioni cromosomiche 207
Gli isocromosomi 209
Le anomalie cromosomiche che comportano l’acquisto o la perdita di interi cromosomi 209
La poliploidia 209
L’aneuploidia 210
Gli effetti dell’età materna nella sindrome di Down 211
La mixoploidia: mosaicismo e chimerismo 211
7.6 Basi molecolari delle malattie mitocondriali 212
Le malattie mitocondriali dovute a mutazioni nell’mtDNA mostrano un’ereditarietà materna e percentuali variabili dei genotipi mutati 213
Le due principali classi di varianti patogenetiche dell’mtDNA: grandi delezioni e mutazioni puntiformi 214
La connessione tra le grandi delezioni dell’mtDNA e le brevi sequenze ripetute 215
Le malattie mitocondriali derivanti da mutazioni puntiformi nell’mtDNA 216
Caso di studio: la sindrome di Leigh 216
7.7 Effetti delle varianti patogenetiche nel DNA nucleare sul fenotipo 217
Le mutazioni che alterano il funzionamento di un singolo gene: perdita di funzione e acquisto di funzione 218
Le mutazioni con perdita di funzione 218
Le mutazioni con acquisto di funzione 218
L’effetto delle varianti patogenetiche dipende da come interagiscono i prodotti allelici: una revisione dei concetti di dominanza e recessività 220
Le mutazioni con perdita di funzione rispetto a quelle con acquisto di funzione nelle malattie dominanti e recessive 220 FOCUS 7.3 Geni sensibili al dosaggio e aploinsufficienza 221
La sorprendente perdita di funzione prodotta dagli effetti dominanti-negativi negli eterozigoti 222
Le mutazioni con acquisto di funzione e con perdita di funzione nello stesso gene possono produrre fenotipi differenti 223
La disregolazione di molti geni che deriva dalle aneuploidie e dalle mutazioni puntiformi nei geni regolatori
224
Le aneuploidie di interi cromosomi 224
Le aneuploidie segmentali
225
7.8 Basi molecolari delle patologie correlate alla struttura delle proteine 225
I meccanismi patogenetici che derivano dall’errato ripiegamento proteico
La regolazione del ripiegamento proteico
I ripiegamenti proteici aberranti che provocano malattie
I diversi meccanismi con cui l’aggregazione delle proteine può provocare una malattia
L’anemia falciforme: le fibre proteiche dannose
Il deficit di α1-antitripsina: corpi inclusi e morte della cellula
226
226
226
226
227
228
La produzione di proteine mutate attraverso stampi di proteine aberranti 228
7.9 Correlazioni fra genotipo e fenotipo e complessità delle malattie monogeniche
229
La difficoltà nell’ottenere correlazioni affidabili fra genotipo e fenotipo 229
Malattie da prioni e malattie neurodegenerative simil-prioniche: la diffusione degli aggregati proteici tra gli organismi e le cellule
Le spiegazioni particolari per le scarse correlazioni fra genotipo e fenotipo
Geni modificatori e fattori ambientali: spiegazioni comuni per le scarse correlazioni fra genotipo e fenotipo
I geni modificatori: l’esempio della ß-talassemia
I fattori ambientali che influenzano il fenotipo delle malattie genetiche
Un profilo clinico di malattia: la fenilchetonuria come errore congenito del metabolismo, patologia multifattoriale ed embriofetopatia
230
232
232
232
233
235
■ Sommario ■ DomanDe ■ BiBliografia per approfonDire 236
Capitolo 8
Identificazione dei geni malattia e suscettibilità genetica alle malattie complesse
8.1 Identificazione dei geni nelle malattie monogeniche 240
Una panoramica storica dell’identificazione dei geni nelle malattie monogeniche 240
Il confronto tra il clonaggio posizionale e gli approcci posizionali del gene candidato 241
Il passaggio finale: lo screening delle mutazioni 242
L’analisi di linkage per mappare i geni delle malattie monogeniche in regioni subcromosomiche definite 242
Le mappe genetiche umane 242
I principi del linkage genetico 243
Le frequenze della ricombinazione meiotica umana 245
Le analisi classiche di linkage su scala genomica 246
FOCUS 8.1 Lod score e prova statistica del linkage 247
La mappatura per autozigosi in famiglie estese di consanguinei 248
Anomalie cromosomiche e altre mutazioni di ampie dimensioni come vie per identificare i geni che causano malattie 248
Il sequenziamento dell’esoma: non preoccupiamoci di trovare una posizione per i geni delle malattie! 249
8. 2 Strategie per la mappatura e l’identificazione della suscettibilità genetica alle malattie complesse 252
La natura poligenica e multifattoriale delle malattie genetiche comuni 252
Le due diverse modalità di visualizzare i meccanismi di ereditarietà 252
La divisione non del tutto netta tra malattie monogeniche e multifattoriali 253
La complessità nella predizione del rischio di malattia 253
FOCUS 8.2 Teoria poligenica e concetto di soglia di suscettibilità per spiegare i caratteri dicotomici 254
Le difficoltà relative alla mancanza di penetranza e alla classificazione del fenotipo nelle malattie complesse 256
Classificazione dei fenotipi e fenocopie 256
La stima dell’ereditabilità: il contributo fornito dai fattori genetici alla varianza delle malattie complesse
Gli studi sulle famiglie
Gli studi sui gemelli
Gli studi sull’adozione
Il successo molto limitato delle analisi di linkage nell’identificazione di geni alla base delle malattie genetiche complesse 260
Le analisi parametriche di linkage nei sottogruppi mendeliani
Analisi di coppie di fratelli/sorelle affetti e altre analisi non parametriche di linkage
L’identificazione dei geni per la suscettibilità alla malattia
Principi dell’associazione allelica e importanza dell’associazione tra HLA e malattia
La natura dell’associazione allelica
Analisi di associazione del gene candidato, studi caso-controllo e odds ratio
FOCUS 8.3 Le associazioni dei geni HLA con le patologie autoimmuni
Il linkage disequilibrium come base delle associazioni alleliche
La condivisione di segmenti cromosomici ancestrali
Come si realizzano gli studi GWA
Soglie statistiche e visualizzazione dei dati
FOCUS 8.4 Blocchi di aplotipi e progetto HapMap
La necessità di phasing e imputazione
La gestione di una struttura del campione confondente
L’importanza degli studi molto grandi e ben progettati e delle metanalisi
Il passaggio da una regione subcromosomica candidata all’identificazione di varianti genetiche causali in malattie complesse può essere impegnativo
Verso l’identificazione di varianti causali e loci di suscettibilità alla malattia
Limiti degli studi GWA e problema dell’ereditabilità mancante
Il problema dell’ereditabilità mancante
I limiti degli studi GWA
Studi su scala genomica alternativi e ruolo delle varianti rare e delle varianti del numero di copie nelle malattie complesse
L’importanza delle varianti rare nelle malattie complesse
Le varianti del numero di copie associate a malattie complesse
Valutazione e predizione del rischio per le malattie genetiche comuni e sviluppo di punteggi di rischio poligenico
I punteggi di rischio poligenico
FOCUS 8.5 Valutazione e predizione del rischio di malattia
260
261
262
264
264
265
266
268
268
270
270
271
272
274
274
257
257
258
258
La variabilità nel contributo genetico alle malattie 259
275
275
276
276
277
278
278
279
280
280
281
8.3 Aspetti dell’architettura genetica delle malattie complesse e contributo di fattori ambientali ed epigenetici 282
Le comuni malattie neurodegenerative: da malattie monogeniche a poligeniche
283
L’utilizzo della genomica per fare luce sulla patogenesi della malattia infiammatoria intestinale (IBD) 284
La connessione tra i sottogruppi monogenici e le malattie sporadiche 285
APOE-ε4, la variante di rischio più significativa nella malattia di Alzheimer 286
Varianti rare e fattori di suscettibilità comuni nella malattia di Alzheimer 287
L’importanza delle vie di segnalazione del sistema immunitario nelle malattie genetiche comuni 289
Importanza dei fattori protettivi e come un fattore di suscettibilità per una malattia complessa possa essere un fattore protettivo per un’altra malattia 290
Le interazioni gene-ambiente nelle malattie complesse 291
Una pletora di fattori ambientali 292
Gli studi prospettici di coorte 292
L’epigenetica nelle malattie complesse e nell’invecchiamento: significato e strategie sperimentali 293
FOCUS 8.6 Aplogruppi del DNA mitocondriale e varianti del DNA mitocondriale nelle malattie comuni 294
Le ricerche sperimentali 294
I cambiamenti epigenetici durante l’invecchiamento 296
I cambiamenti epigenetici nei gemelli monozigoti 296
Le origini embrionali della salute e della malattia nell’età adulta 296
Gli effetti epigenetici transgenerazionali 297
■ Sommario ■ DomanDe ■ BiBliografia per approfonDire 298
Capitolo 9
Approcci genetici al trattamento delle malattie
9.1 Panoramica del trattamento delle malattie genetiche e del trattamento genetico delle malattie 303
Tre diverse strategie ad ampio raggio per trattare le malattie genetiche 303
La terapia additiva per le carenze genetiche 303
L’applicabilità della terapia additiva molecolare 305
Il trattamento di malattie che determinano effetti nocivi 305
Il trattamento attraverso la modifica della suscettibilità alle malattie 306
Le opzioni di trattamento molto diverse per diversi errori congeniti del metabolismo 306
Due ampie classi fenotipiche 306
La terapia additiva
Terapia o prevenzione degli effetti nocivi di alti livelli di metaboliti
Le fortune alterne nei trattamenti
Il trattamento genetico delle malattie può essere condotto a molti livelli diversi
9. 2 Contributi genetici nel trattamento delle malattie con farmaci a piccola molecola e proteine terapeutiche
I farmaci a piccola molecola
I nuovi approcci
Una panoramica di come le differenze genetiche influiscano sul metabolismo e sulle prestazioni dei farmaci a piccola molecola
I diversi stadi in cui le varianti genetiche influenzano il metabolismo di un farmaco
Le reazioni di fase I e II nel metabolismo di un farmaco
Le differenze fenotipiche derivanti dalla variabilità genetica nel metabolismo del farmaco
La variabilità genetica negli enzimi della famiglia del citocromo P450 nella fase I del metabolismo dei farmaci
Varianti genetiche nell’enzima CYP2D6 e loro conseguenze
307
307
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316
Le varianti genetiche in altri enzimi della famiglia del citocromo P450 316
Le varianti genetiche negli enzimi che operano nella fase II del metabolismo dei farmaci 318
Un’alterata risposta ai farmaci dovuta a varianti genetiche nei bersagli farmacologici 319
Quando i farmaci prescritti possono essere pericolosi e talvolta letali in base al genotipo del paziente
Quando genotipi in loci multipli nei pazienti sono importanti per il trattamento farmacologico: l’esempio del warfarin
Le ricadute dei progressi genetici: dall’identificazione di nuovi geni malattia ai farmaci a piccola molecola
L’ipercolesterolemia familiare: i nuovi e preziosi farmaci
La fibrosi cistica: una prospettiva non facile per la terapia
La sclerosi tuberosa: da una via biologica a un farmaco promettente
Le ricadute dei progressi genomici e lo sviluppo di farmaci generici per superare il problema della scarsità di bersagli farmacologici
Lo sviluppo di farmaci biologici: proteine terapeutiche prodotte attraverso l’ingegneria genetica
320
322
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327
FOCUS
Gli anticorpi geneticamente modificati con un potenziale terapeutico migliorato 328
Gli anticorpi geneticamente modificati 328
Gli anticorpi intracellulari (intracorpi) 329
9. 3 Principi della terapia genica e cellulare 330
Due strategie generali nella terapia genica somatica 331
Il problema della somministrazione: progettare strategie ottimali e sicure per inserire costrutti genetici nelle cellule dei pazienti 332
Le caratteristiche di efficienza e di sicurezza 333
FOCUS 9.1 Una panoramica sulle cellule staminali e sulla riprogrammazione epigenetica artificiale delle cellule 334
Modalità diverse per veicolare i costrutti genetici terapeutici e vantaggi di una terapia genica ex vivo 336
La terapia genica in vivo ed ex vivo 336
I sistemi non virali per il trasferimento di costrutti genetici terapeutici 337
Il trasferimento virale di costrutti genici terapeutici: efficienza relativamente alta ma problemi legati alla sicurezza 338
I vettori virali utilizzati nella terapia genica 338
L’importanza dei modelli di malattia per valutare terapie potenziali nell’essere umano 339
FOCUS 9.2 Due metodi comuni per realizzare modelli di malattia nei topi 340
I casi in cui i modelli di malattia di roditori possono risultare inadeguati 342
9.4 Terapia genica delle malattie ereditarie: applicazioni pratiche e prospettive future 342
I numerosi successi della terapia genica additiva ex vivo mirata alle cellule staminali ematopoietiche 342
I problemi di sicurezza nell’integrazione gammaretrovirale 344
La terapia genica in vivo: approcci, ostacoli e recenti successi 345
Il trasferimento genico mediante vettori adenovirali e vettori virali adenoassociati 345
La suscettibilità delle malattie alla cura mediante terapia genica in vivo 345
Due primi esempi di successo della terapia genica in vivo 346
Una panoramica delle terapie con RNA e oligonucleotidi 346
La terapia mediante modulazione dello splicing per la distrofia muscolare di Duchenne e l’atrofia muscolare spinale 348
Le terapie con interferenza a RNA 350
L’utilizzo dell’RNAi per silenziare l’allele mutato 351
Le prospettive terapeutiche future utilizzando l’editing genico mediato da CRISPR-Cas 352
CRISPR-Cas: le origini 352
L’utilizzo di CRISPR-Cas per un editing genomico a scopo terapeutico
Applicazioni terapeutiche delle cellule staminali e riprogrammazione cellulare
Le fonti di cellule per la terapia cellulare
353
355
356
Gli ostacoli da superare nella terapia cellulare 356
Un caso particolare: impedire la trasmissione di gravi malattie del DNA mitocondriale attraverso la sostituzione dei mitocondri 358
Capitolo 10
Genetica e genomica del cancro
10.1 Caratteristiche fondamentali ed evoluzione del cancro
Le caratteristiche che definiscono la crescita cellulare incontrollata e il cancro
Perché i tumori sono diversi dalle altre malattie: la contesa tra la selezione naturale che opera a livello della cellula e a livello dell’organismo
L’equilibrio tra la proliferazione e la morte cellulare
Perché non soccombiamo tutti al cancro?
Le cellule tumorali acquisiscono diverse caratteristiche biologiche distintive nel corso della loro evoluzione
FOCUS 10.1 Accorciamento dei telomeri e pressione selettiva sulle cellule tumorali affinché diventino immortali attivando l’espressione della telomerasi
Inizio e natura a più stadi dell’evoluzione del cancro e motivo per cui la maggior parte dei tumori umani si sviluppa nell’arco di molti decenni
Espansione clonale e mutazioni driver successive
363
363
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368
368
371
371 Il cancro si sviluppa accelerando le mutazioni in due modi principali
L’età di insorgenza del cancro è generalmente tardiva
Cancri nell’infanzia e cancri che derivano da cellule embrionali
L’eterogeneità intratumorale scaturisce dall’infiltrazione cellulare, dall’evoluzione clonale e dal differenziamento delle cellule staminali tumorali
372
372
373
373
10. 2 Oncogeni e geni oncosoppressori 375
Le due classi fondamentali di geni del cancro 375
FOCUS 10.2 Il cancro come malattia delle cellule staminali 376
Oncogeni virali e ruolo naturale degli oncogeni cellulari 377
Come i normali proto-oncogeni cellulari sono attivati per diventare geni del cancro 378
L’attivazione attraverso l’amplificazione genica 379
L’attivazione di un oncogene indotta da una traslocazione 379
Le mutazioni con acquisto di funzione 380
I geni oncosoppressori: normali funzioni, ipotesi dei due colpi e perdita di eterozigosi dei marcatori associati 382
Cancri familiari e ipotesi dei due colpi 383
La perdita di eterozigosi 384
I ruoli chiave dei geni oncosoppressori gatekeeper nel bloccare la transizione G1/S nel ciclo cellulare 385
Il ruolo aggiuntivo di p53 nell’attivazione di diverse vie dell’apoptosi per garantire la distruzione delle cellule maligne 386
Coinvolgimento degli oncosoppressori nei rari cancri familiari e geni oncosoppressori non classici 387
Gli oncosoppressori non classici 388
FOCUS 10.3 Un ruolo centrale nel cancro per il gene
TP53 che produce la proteina p53, un oncosoppressore non classico 389
Il significato dei miRNA e dei lunghi RNA non codificanti nel cancro 390
10. 3 Instabilità genomica e disregolazione epigenetica nel cancro 390
Una panoramica dell’instabilità del genoma e dell’epigenoma nel cancro 390
I differenti tipi di instabilità cromosomica nel cancro 391
Cromotripsi e cromoplessia 393
Telomeri e instabilità dei cromosomi 393
L’inadeguatezza del sistema di riparazione dei mismatch provoca errori di replicazione non riparati e instabilità globale del DNA 394
Il meccanismo di riparazione dei mismatch 394
Le conseguenze della presenza di un meccanismo di riparazione dei mismatch difettoso 395
Caso di studio: la sindrome di Lynch 396
La classificazione dei diversi geni della suscettibilità al cancro in base alla funzione epigenetica, alla disregolazione epigenetica e all’interazione epigenoma-genoma 397
La classificazione dei geni del cancro in base alla funzione epigenetica 397
Profili di metilazione del DNA nelle cellule tumorali e loro effetti sull’espressione genica 397
Interazioni genoma-epigenoma e avvio epigenetico della tumorigenesi 398
10.4 Nuove conoscenze dagli
studi del cancro su scala genomica 399
Il sequenziamento del genoma ha rivelato una straordinaria diversità mutazionale nei tumori e nuove conoscenze sull’evoluzione del cancro 400
Il numero delle mutazioni 400
Processi mutazionali ed evoluzione del cancro 401
L’eterogeneità inter- e intra-tumorale 402
Definizione del panorama delle mutazioni
driver nel cancro e istituzione di un inventario completo dei geni di suscettibilità al cancro 403
Geni del cancro e distribuzione delle mutazioni
driver
I nuovi geni di suscettibilità al cancro
404
404
I geni tumorali non classici legano il metabolismo all’epigenoma 405
Il tracciamento della storia mutazionale dei tumori: solo una delle diverse applicazioni della genomica e della trascrittomica delle singole cellule nel cancro
405
Il sequenziamento dell’RNA su scala genomica permette di comprendere il legame tra i genomi tumorali e la biologia del cancro e facilita la classificazione dei tumori 406
La necessità di focalizzarsi su vie biologiche importanti per l’evoluzione delle cellule tumorali
La trascrittomica nelle singole cellule
10. 5 Sviluppi della genetica per la terapia del cancro
408
408
409
Trattamenti o prevenzione? 410
Le terapie antitumorali mirate sono dirette contro le proteine chiave delle cellule tumorali coinvolte nell’oncogenesi o nell’elusione dell’immunosorveglianza 410
Le terapie mirate usando farmaci a piccola molecola 410
Le terapie mirate usando gli anticorpi monoclonali 411
Terapia con cellule CAR-T e uso di linfociti T geneticamente modificati nel trattamento del cancro
412
Basi molecolari della ricomparsa dei tumori ed evoluzione della farmacoresistenza nei tumori 413
Le basi della ricomparsa dei tumori 413
L’evoluzione della farmacoresistenza 414
Le biopsie liquide nel cancro: verso la pratica clinica 414
La speranza nelle terapie farmacologiche combinate 415
Capitolo 11
Test genetici e genomici nella pratica clinica
Aspetti pratici ed etici
11.1 Panoramica sui test genetici 420
Differenti fonti di materiali e differenti livelli dei test genetici 420
Test genetici predittivi e screening genetici 422
I test genetici diretti e indiretti 422
Come possiamo valutare i test genetici 423
11. 2 Test genetici per le anomalie cromosomiche e le varianti strutturali patogenetiche 424
Lo screening delle aneuploidie fetali con il metodo della PCR quantitativa fluorescente 426
Le aneuploidie autosomiche 426
Le aneuploidie dei cromosomi sessuali 426
Lo screening non invasivo delle aneuploidie fetali 427
La ricerca di varianti del numero di copie di grandi dimensioni usando l’analisi cromosomica basata sui microarray di SNP 427
L’analisi cromosomica con array di SNP per identificare eterodisomia/isodisomia in un caso di sindrome di Prader-Willi 429
Rilevamento e ricerca delle fusioni geniche oncogeniche usando, rispettivamente, FISH e sequenziamento mirato dell’RNA 430 FISH sui cromosomi e sue applicazioni 430
Il sequenziamento mirato dell’RNA dei trascritti di un gene di fusione 431
Il rilevamento di delezioni e duplicazioni patogenetiche di medie e piccole dimensioni in loci definiti si ottiene spesso utilizzando i metodi MLPA o ddPCR 432
Il test di amplificazione multipla con sonde dipendenti dalla ligazione (MLPA) 433
La PCR digitale a goccia (ddPCR) 434
Due percorsi molto diversi verso lo screening universale dell’intero genoma alla ricerca di varianti strutturali: il sequenziamento dell’intero genoma e la mappatura ottica del genoma 435
11. 3 Test genetici e genomici per le mutazioni puntiformi patogenetiche e test per la metilazione del DNA 436
FOCUS 11.1 Il sequenziamento massivo in parallelo (di nuova generazione) dell’intero genoma 437
Diversi metodi consentono una rapida genotipizzazione di mutazioni puntiformi specifiche 438
I vantaggi della genotipizzazione multipla 441
La genotipizzazione multipla usando la spettrometria di massa 442
La ricerca delle mutazioni: dai geni e pannelli di geni al sequenziamento dell’intero esoma e dell’intero genoma 442
Il sequenziamento dell’intero esoma e dell’intero genoma 442
I pannelli di geni virtuali
443
L’interpretazione e la convalida delle varianti di sequenza possono essere supportate da un’ampia varietà di risorse disponibili online 443
FOCUS 11.2 Il sequenziamento mirato del DNA per la ricerca di mutazioni
444
Referti clinici e nomenclatura delle varianti di sequenza 446
Standard e linee guida per l’interpretazione delle varianti di sequenza 446
FOCUS 11.3 La nomenclatura delle varianti di sequenza 447
Le risorse in silico per descrivere e interpretare le varianti della sequenza 449
Risultati accidentali e varianti di significato clinico incerto
Il rilevamento dei profili di metilazione del DNA aberranti associati alle malattie
Il sequenziamento con il metodo del bisolfito
450
450
450 MLPA sensibile alla metilazione (MS-MLPA)
451
11.4 Test genetici e genomici: organizzazione dei servizi e applicazioni pratiche 452
La trasformazione dei servizi genetici in servizi di medicina genomica 453
FOCUS 11.4 Iniziative nazionali per la medicina genomica e sviluppo dei servizi di medicina genomica di base
454
Una panoramica dei test genetici diagnostici e presintomatici o predittivi 454 I test a cascata 456
Sindrome di Lynch e cancro familiare alla mammella (BRCA1/BRCA2/PALB2): rischi e screening tumorali
I test genetici predittivi in età pediatrica
I test genetici presintomatici per malattie il cui decorso non può essere modificato dall’intervento medico
457
458
458
Le diverse modalità di diagnosi delle condizioni genetiche nel periodo prenatale 459
Consultazioni genetiche e consulenza genetica 460
I test genetici preimpianto sono condotti per prevenire la trasmissione di un difetto genetico usando la fecondazione in vitro 462
Test prenatale non invasivo (NIPT) e analisi dell’intero genoma del feto 463
Le innovazioni tecnologiche 464
Una panoramica dei diversi tipi di screening genetico 465
Lo screening in gravidanza per le anomalie fetali 466
Lo screening neonatale offre la possibilità di un intervento medico precoce 467
Vantaggi e svantaggi dello screening neonatale 468
Lo screening neonatale con sequenziamento dell’intero genoma (WGS) 468
I diversi tipi di screening dei portatori per le condizioni autosomiche recessive 469
L’esempio dello screening della β-talassemia 469
L’esempio dello screening della malattia di Tay-Sachs 470
Lo screening preconcezionale delle coppie portatrici 470
Le nuove tecnologie genomiche sono sfruttate nella diagnostica del cancro 471
I diversi biomarcatori del cancro 471
I test multipli utilizzando il sequenziamento mirato del DNA 472
I test non invasivi per il cancro utilizzano le biopsie liquide 472
L’aggiramento dei servizi sanitari: l’ascesa dei test genetici diretti al consumatore (DTC) 472
La genetica fai da te (DIY) 474
I limiti dei test genetici DTC 474
Gli svantaggi della maggiore sensibilità ottenuta attraverso il sequenziamento del genoma intero: l’aumento dell’incertezza sul significato delle varianti 475
11.5 Questioni etiche, legali e sociali nei test genetici 476
Le informazioni genetiche come informazioni familiari 476
Caso di studio: consenso e dovere di assistenza ai familiari 477
I problemi del consenso nei test genetici 478
Una diversa lente di consenso per i test genomici? 480
La capacità di generare dati genetici sta superando la capacità di fornire
un’interpretazione clinica 481
Scoperta di nuovi geni malattia e cambiamento dei concetti di diagnosi 482
Le complicazioni nella diagnosi delle malattie mitocondriali 483
Le complicazioni derivanti dalle informazioni accidentali, aggiuntive, secondarie o inaspettate 484
Caso di studio: i test genetici di scarso valore predittivo in assenza di un chiaro fenotipo clinico 485
I problemi di consenso nei test in età pediatrica 486
Caso di studio: l’attribuzione erronea di una parentela genetica come esempio di scoperta accidentale 487
Le questioni etiche e sociali nella diagnosi e nei test prenatali 487
La diagnosi genetica preimpianto (DGP) 488
Il sequenziamento del genoma dei neonati 488
I problemi etici e sociali legati ad alcuni trattamenti emergenti per le malattie genetiche 489
La disparità nella disponibilità dei trattamenti 490
L’etica del trattamento delle malattie dell’mtDNA mediante donazione mitocondriale 491
L’etica delle modifiche geniche nella linea germinale per la terapia genica e il miglioramento genetico 491
La terapia genica germinale (nucleare) 492
Il miglioramento genetico e i “bambini di design” 493
■ Sommario ■ DomanDe ■ BiBliografia per approfonDire 493
LE RISORSE DIGITALI
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• consultare le Risposte alle domande di fine capitolo;
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PREFAZIONE
Uno dei motivi per cui è stata scritta la prima edizione di Genetica&Genomica nelle Scienze biomediche è il presupposto che le analisi genomiche potessero trasformare la medicina. Con il metodo di sequenziamento di Sanger, il Progetto Genoma Umano ha impiegato circa 13 anni per fornire una sequenza genomica quasi completa nel 2003. I successivi sviluppi tecnologici, quali le tecnologie di microarray a livello genomico e poi il sequenziamento massivo e in parallelo del DNA, hanno rivoluzionato i sistemi di analisi, permettendo di ottenere dati sui genomi in poche ore, non in anni. La prefazione alla prima edizione di questo libro conteneva anche la domanda: «A breve vivremo in società in cui il sequenziamento del genoma della cittadinanza diventerà la norma?». Ebbene, quel giorno sembra molto più vicino, ora che milioni di persone hanno sequenziato il proprio genoma, e si dibatte già sulla possibilità di sequenziare il genoma neonatale. Le tecniche rivoluzionarie del sequenziamento del genoma hanno trovato le prime importanti applicazioni nella genetica medica, poi nell’ematologia e quindi nell’oncologia, ma ora vengono applicate sempre più spesso anche in altre discipline mediche. Negli ultimi anni, alcuni Paesi hanno avviato diverse iniziative nazionali di medicina genomica e, in particolare, nel 2020, l’NHS britannico è stato il primo servizio sanitario nazionale a offrire il sequenziamento dell’intero genoma come parte delle cure di routine. In questo libro cerchiamo di riassumere le conoscenze alla base della genetica e della genomica, e di strutturarle sotto forma di principi, invece che cercare di compartimentare le informazioni in capitoli monotematici su epigenetica, genetica evolutiva, immunogenetica, farmacogenetica e così via. Per aiutare a orientarsi in argomenti trasversali a più capitoli, forniamo una mappa dei contenuti sotto forma di tabella, stampata nella pagina interna alla copertina, dove si possono trovare approfondimenti su temi generali trattati in più capitoli.
La basi Si inizia con tre capitoli introduttivi che forniscono le informazioni propedeutiche alla comprensione della genetica. I Capitoli 1 e 2 trattano i principi fondamentali del DNA, dei cromosomi, del ciclo cellulare, dell’organizzazione del genoma umano e dell’espressione genica. Il Capitolo 3 introduce le basi teoriche dei tre approcci genetici molecolari fondamentali per manipolare il DNA: amplificazione del DNA (mediante clonaggio o PCR), ibridazione degli acidi nucleici e sequenziamento del DNA. Le loro applicazioni, invece, sono trattate nei capitoli successivi, inserite in contesti reali che ne spiegano direttamente la rilevanza.
Il cuore della disciplina I tre capitoli successivi forniscono i fondamenti della genetica medica. Il Capitolo 4 fornisce un’ampia panoramica sui principi generali della variabilità genetica, sui meccanismi di riparazione del DNA e su alcuni dettagli delle varianti funzionali (il contributo della variabilità genetica alle malattie, invece, è trattato successivamente, soprattutto nei Capitoli 7, 8 e 10). Il Capitolo 5 analizza il modo in cui i geni sono trasmessi nelle famiglie e come si distribuiscono le frequenze alleliche nelle popolazioni. Il Capitolo 6 parte dai principi di base dell’espressione genica illustrati nel Capitolo 2 per spiegare in che modo un ampio numero di proteine e RNA non codificanti regola i geni, e illustra il ruolo centrale delle sequenze regolatrici nel DNA e nell’RNA. In questo capitolo, inoltre, si affrontano i principi alla base delle modifiche alla cromatina e della regolazione epigenetica, e si spiega in che modo le strutture cromatiniche aberranti siano responsabili di molte patologie monogeniche.
L’applicazione clinica Il resto del libro è in gran parte dedicato alle applicazioni cliniche. Nel Capitolo 7 si spiega come nascono le anomalie cromosomiche e le loro conseguenze, e come le mutazioni e i cambiamenti su larga scala del DNA possano causare direttamente le malattie. Nel Capitolo 8, si esamina come vengono identificati i geni alla base di malattie monogeniche e come vengono identificate le varianti genetiche che conferiscono suscettibilità a malattie complesse. Quindi si illustrano i modi in cui le varianti genetiche, la disregolazione epigenetica e i fattori ambientali contribuiscono in modo importante alle malattie complesse. Il Capitolo 9 tratta brevemente l’ampia gamma di approcci per il trattamento delle malattie genetiche, prima di esaminare in dettaglio come gli approcci genetici sono utilizzati direttamente e indirettamente nel trattamento delle malattie. Anche in questo capitolo si esamina come la variazione genetica influisce sulla risposta al trattamento farmacologico. Il Capitolo 10 tratta genetica e genomica del cancro e spiega come i tumori nascano da una combinazione di varianti genetiche anomale e disregolazione epigenetica. Infine, il Capitolo 11 offre un’ampia panoramica delle applicazioni diagnostiche (e le interessanti applicazioni offerte dalle nuove tecnologie genome-wide), oltre ad affrontare alcune considerazioni etiche sulla diagnosi e su alcune nuove terapie.
Recentemente sono stati compiuti importanti progressi nell’applicazione di tecnologie genetiche e genomiche per la comprensione della patogenesi, per lo sviluppo di nuovi metodi di analisi genetica (compresi quelli
non invasivi) e per la messa a punto di nuovi trattamenti. Ci sono stati miglioramenti rilevanti anche per quanto riguarda gli approcci farmacogenomici, gli interventi prenatali e quelli preconcezionali per evitare gravi malattie genetiche. Ora non siamo più vincolati dal vecchio approccio che prevedeva di iniziare dal fenotipo per poi identificare il genotipo e quindi cercare un genotipo di conferma, ma possiamo invertire il processo per predire i fenotipi nel corso della vita a partire dallo studio del genotipo. Le sfide però rimangono. Prevedere i fenotipi nell’arco della vita a partire dal genotipo, per esempio, è raramente un’operazione con risultati chiari; quanto più testiamo senza specifiche indicazioni mediche, meno probabilità abbiamo di predire le malattie in modo accurato. Inoltre, mentre l’acquisizione di dati genetici e genomici non è più l’elemento che limita la velocità di analisi, l’interpretazione dei dati è diventata una sfida enorme data la complessità intrinseca di interpretare i 4-5 milioni di varianti presenti nel genoma di una persona e le loro implicazioni per la salute.
L’idea che la medicina genomica possa essere posta al centro dell’assistenza sanitaria può essere attraente, ma si può prevedere che, in prima istanza, la sua utilità si limiterà alle malattie rare e ad alcuni tumori facilmente studiabili. Le malattie genetiche complesse sono un’altra questione. Gli studi di associazione a livello genomico hanno indubbiamente avuto successo, soprattutto nel migliorare la comprensione delle vie molecolari coinvolte in un’ampia gamma di malattie genetiche complesse, ma hanno i loro limiti. Sempre più spesso l’attenzione è stata dedicata alla ricerca di varianti rare attraverso il sequenziamento genomico (con successi considerevoli per alcune condizioni, come la schizofrenia) e allo studio delle varianti del numero di copie. Per valutare adeguatamente la complessità delle malattie genetiche comuni sarà necessario ottenere maggiori informazioni anche da altri approcci, indagando su geni modificatori, fattori ambientali e così via, con il ricorso a dati di fenotipizzazione provenienti da grandi banche genetiche di popolazione. La natura familiare di molte informazioni genetiche pone inoltre delle sfide a molti servizi sanitari moderni per i quali non esistono soluzioni chiare. La riservatezza in medicina rimane importante, tuttavia la condivisione di informazioni su ereditarietà familiari può essere molto utile per il progresso medico, analogamente all’importanza che hanno avuto certe informazioni per le persone esposte al contagio da COVID-19. Gli aspetti di sostenibilità della conservazione di dati di massa a lungo termine non sono ancora stati studiati in modo approfondito e la mancanza di diversità di popolazione nella maggior parte degli archivi genomici del mondo, e quindi la nostra comprensione della variabilità genomica, necessita di un’attenzione urgente.
Abbiamo cercato di trasmettere l’entusiasmo della ricerca genetica e genomica, la sua rapida evoluzione e le sue applicazioni cliniche, spiegando al contempo come sono stati raggiunti i progressi. Intrecciando gli aspetti etici, legali e sociali connessi a questi sviluppi in tutto il testo, speriamo di aver fornito una lente realistica attraverso la quale vedere i promettenti sviluppi della genetica e della genomica. La strada da percorrere è ancora lunga, soprattutto per quanto riguarda la comprensione delle malattie complesse e lo sviluppo di trattamenti efficaci per molte patologie. Tuttavia, alcuni recenti e importanti progressi terapeutici e i nuovi sviluppi tecnologici, come i perfezionamenti di editing del genoma mediante CRISPR-Cas, hanno suscitato un innegabile senso di eccitazione e ottimismo. Quanto ci sposteremo dall’approccio che prevede un unico trattamento comune per una specifica malattia verso un’era di medicina personalizzata e di precisione? Come minimo, potremmo aspettarci un’era di medicina stratificata in cui, a seconda delle varianti genetiche presenti in persone con una specifica malattia, verranno intraprese azioni mediche diverse.
Accesso alla letteratura Viviamo in un’epoca digitale e, di conseguenza, abbiamo cercato di fornire indicazioni per accedere alle informazioni di approfondimento in formato elettronico. Al fine di facilitare il reperimento dei contenuti, per i riferimenti citati nella sezione Bibliografia per approfondire, forniamo i numeri di identificazione PubMed (PMID) dei singoli articoli (si veda anche PMID nel Glossario). Vorremmo cogliere l’occasione per ringraziare l’NCBI ( National Center for Biotechnology Information) degli Stati Uniti per l’inestimabile banca dati PubMed, disponibile gratuitamente all’indirizzo: www.ncbi.nlm.nih.gov/ pubmed. Le persone interessate a nuovi articoli di ricerca emersi dopo la pubblicazione di questo libro, o che desiderino approfondire alcuni argomenti specifici, possono consultare anche le banche dati di citazioni della letteratura come Google Scholar (scholar. google.com), liberamente disponibile. Per informazioni di base sui disordini monogenici, forniamo in molti casi i numeri di riferimento per accedere alla banca dati OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man, www.omim.org). Per i disordini più studiati, si consigliano i singoli capitoli della serie GeneReviews dell’Università di Washington. Sono disponibili in formato elettronico presso il Bookshelf dell’NCBI all’interno della banca dati PubMed. Per comodità, abbiamo riportato l’identificativo PubMed (PMID) dei singoli articoli della serie GeneReviews. Si noti che tutti gli articoli di questa serie sono accessibili tramite PubMed mediante l’identificativo PMID 20301295, dove è presente un elenco alfabetico di tutti i disordini trattati. Tom Strachan e Anneke Lucassen
Malattie monogeniche: trasmissione ereditaria, variabilità fenotipica e frequenze alleliche
CONTENUTI
5.1 Introduzione: terminologia, risorse informatiche e alberi genealogici 109
5.2 Concetti basilari dei modelli di trasmissione ereditaria mendeliana e del DNA mitocondriale 111
5.3 Incertezza, eterogeneità ed espressione variabile dei fenotipi mendeliani 120
5.4 Frequenze alleliche nelle popolazioni 128
Sommario 136
Domande 136
Bibliografia per approfondire 137
Igeni sono unità funzionali di DNA che generano prodotti necessari alle cellule: in ultima istanza la catena polipeptidica di una proteina o un RNA funzionale non codificante. Tuttavia, in questo capitolo considereremo i geni prevalentemente come entità astratte e li analizzeremo nel contesto delle malattie monogeniche: malattie nelle quali il contributo genetico è determinato principalmente da un singolo locus genico.
Nel loro complesso le malattie monogeniche sono rilevanti, anche se sono rare considerate singolarmente. La conoscenza delle malattie monogeniche fornisce anche un quadro di riferimento che aiuta a comprendere la più complessa suscettibilità genetica alla base di malattie comuni di cui ci occuperemo negli ultimi capitoli.
Prima di tutto descriveremo i modelli di trasmissione ereditaria delle malattie monogeniche e forniremo le conoscenze di base per stimare il rischio di avere una malattia a seconda del modello di trasmissione ereditaria (illustreremo calcoli più accurati del rischio di malattia nel contesto della consulenza genetica nel Capitolo 11).
Analizzeremo anche in che modo i geni influenzino le nostre caratteristiche osservabili. Il termine fenotipo si può generalmente usare per descrivere le caratteristiche osservabili di una persona, di un organo o di una cellula. Va considerato che le genetiste e i genetisti usano il termine fenotipo anche in senso più stretto per descrivere solamente quelle manifestazioni specifiche che sorgono in risposta a espressioni differenziali di un solo gene o di un numero ristretto di geni. Queste manifestazioni possono essere dannose ed è possibile quindi parlare di fenotipo della malattia.
Quando le manifestazioni osservabili non sono associate a una malattia, ci riferiamo normalmente a un carattere o a un tratto, per esempio gli occhi azzurri o il gruppo sanguigno 0.
Possiamo misurare e annotare tutti gli aspetti di un fenotipo, come le caratteristiche anatomiche e morfologiche, il comportamento o le funzioni cognitive. Si possono usare procedure di laboratorio sofisticate per realizzare indagini più approfondite a livello fisiologico, cellulare e molecolare.
La variabilità genetica, cioè l’insieme dei cambiamenti nella sequenza delle basi del nostro DNA, svolge un’influenza di primaria importanza sul fenotipo (si pensi a quanto i gemelli identici siano in effetti straordinariamente simili). Ma non è l’unica causa che agisce sul fenotipo: vi contribuiscono anche i fattori ambientali, così come gli effetti epigenetici (i quali, a differenza dei meccanismi genetici, sono indipendenti dalla sequenza delle basi del DNA); inoltre, fattori stocastici possono apportare il loro contributo.
Come vedremo, il legame tra la variabilità genetica e il fenotipo può risultare notevolmente complesso: persino nelle malattie monogeniche il fenotipo spesso è variabile nei membri affetti di una famiglia.
Si noti che qui non approfondiremo i meccanismi molecolari alla base delle malattie monogeniche; di questo ci occuperemo nei prossimi capitoli, soprattutto nel Capitolo 7.
Al termine del capitolo daremo uno sguardo generale ai fattori che influenzano le frequenze alleliche nelle popolazioni e in seguito ci concentreremo sulle frequenze degli alleli responsabili delle malattie (che sono importanti nella pratica per calcolare il rischio di malattia per alcuni tipi di malattie monogeniche). Spiegheremo anche perché alcune malattie monogeniche sono comuni, mentre altre sono rare.
5.1 Introduzione: terminologia, risorse informatiche e alberi genealogici
Terminologia di base e risorse informatiche sulle malattie monogeniche
Un singolo gene, o una sequenza, nel nostro DNA nucleare ha un’unica localizzazione cromosomica che definisce la sua posizione, cioè il suo locus (plurale loci). Possiamo per esempio far riferimento al locus del gruppo sanguigno AB0 o al locus D3S1563 (che si riferisce alla sequenza di un marcatore polimorfico del DNA localizzata sul cromosoma 3).
Nella genetica umana un allele indica la singola copia di un gene o di un’altra sequenza di DNA che è collocata in un locus su un singolo cromosoma. Poiché il nostro DNA nucleare è diploide, normalmente abbiamo due alleli per ogni locus cromosomico, uno sul cromosoma ereditato dalla madre (allele materno) e uno su quello ereditato dal padre (allele paterno). Il termine genotipo descrive la combinazione di alleli che una persona possiede in un singolo locus (o in un certo numero di loci). Se in un singolo locus i due alleli sono uguali, una persona è detta omozigote per quel locus. Se gli alleli sono diversi, anche per un solo nucleotide, si dice che quella persona è eterozigote per quel locus.
Anche se siamo sostanzialmente diploidi, i maschi hanno due tipi di cromosomi sessuali, X e Y, che sono molto diversi, sia per struttura sia per contenuto genico. Come conseguenza la maggior parte delle sequenze di DNA del cromosoma X non ha un equivalente diretto (un allele) nel cromosoma Y e viceversa. Perciò i maschi sono emizigoti per questi loci (perché normalmente hanno un solo allele); le femmine generalmente hanno due alleli per ciascun locus sul cromosoma X.
Ogni carattere genetico nella specie umana di solito dipende dall’espressione di un gran numero di geni e di fattori ambientali. Tuttavia, per alcuni tratti, un certo genotipo in un singolo locus è il principale fattore determinante, essendo condizione necessaria e sufficiente per esprimere quel carattere in circostanze normali. Questi tipi di caratteri sono spesso definiti mendeliani, ma ciò implica il coinvolgimento di un locus cromosomico; un termine più accurato è invece monogenici (che tiene conto sia dei loci cromosomici sia dei loci localizzati sul DNA mitocondriale). Benché nel complesso siano importanti, le malattie monogeniche sono rare e le malattie genetiche comuni dipendono da loci genetici multipli.
Quando una malattia monogenica (o un tratto) nella specie umana è determinata da un gene nucleare, la malattia (o il tratto) è detta dominante se si manifesta nell’eterozigote (che è portatore di un allele normale e un allele mutato) oppure recessiva se ciò non accade. A volte due differenti fenotipi dovuti a mutazioni a livello del locus di un singolo gene possono comparire simultaneamente nell’eterozigote e sono perciò detti codominanti. Per esempio, il gruppo sanguigno AB è il risultato dell’espressione codominante dei fenotipi dei gruppi sanguigni A e B che sono determinati da alleli differenti a livello del locus del gruppo sanguigno AB0. Come descritto più avanti, la trasmissione ereditaria del DNA mitocondriale è piuttosto diversa con importanti implicazioni per i fenotipi associati.
Varie risorse informatiche forniscono dati sui caratteri e sulle malattie monogeniche (Focus 5.1). GeneReviews® presenta una sintesi eccellente per molte delle malattie monogeniche più comuni che sono accessibili tramite il sistema PubMed per la ricerca elettronica della letteratura biomedica. Perciò forniremo spesso l’identificatore a otto cifre di PubMed (PMID) per indicare articoli significativi in GeneReviews relativi alle malattie monogeniche. Anche il database Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) è esauriente e per alcune malattie forniremo i numeri OMIM a sei cifre.
Figura 5.3 ▶ Un albero genealogico che mostra la trasmissione ereditaria autosomica recessiva. (A) Albero genealogico rappresentativo di una malattia autosomica recessiva comune. I genitori del bambino e della bambina malati nella generazione IV sono portatori, con un allele normale (N) e un allele mutato (M). Se non sono noti per essere parenti, possono avere alleli mutati con mutazioni differenti (rappresentati da una lettera M rosa o rossa) e i figli affetti sarebbero eterozigoti composti. Dal solo albero genealogico non potremmo sapere chi era il portatore degli alleli mutati nelle generazioni I e II. Per ogni figlio successivo di III-2 e di III-3, il rischio di essere malato è di 1 su 4, indipendentemente dal sesso (ogni genitore ha il 50% di probabilità di trasmettere l’allele mutato, mentre la probabilità di ereditare entrambi gli alleli è 1/2 × 1/2 = 1/4). (B) Coinvolgimento della consanguineità. In questo caso vediamo che III-2 e III-3 sono cugini primi. Si potrebbe supporre che siano entrambi portatori, con un allele normale (N) e uno mutato (M). Potremmo dedurre che II-2 e II-4 abbiano ereditato lo stesso allele mutato (M rossa) da un genitore (I-1 o I-2). Ciò significa che III-2 e III-3 hanno lo stesso allele mutato e i loro figli affetti erediteranno due alleli mutati identici e saranno omozigoti veri. La probabilità che il loro quarto figlio sia affetto (il punto di domanda) è 1/4, indipendentemente dal sesso.
tazione sul prodotto genico, i soggetti omozigoti malati possono mostrare lo stesso fenotipo degli eterozigoti malati, ma di solito mostrano un fenotipo più grave rispetto agli eterozigoti malati, come viene riferito per patologie quali l’acondroplasia (PMID 20301331) e la sindrome di Waardenburg di tipo I (PMID 20301703), oppure la malattia si manifesta in età più precoce, come nel caso dell’ipercolesterolemia familiare (OMIM 143890).
Negli organismi modello si opera spesso una distinzione fra i diversi fenotipi osservati negli omozigoti malati e negli eterozigoti malati (che vengono rispettivamente chiamati fenotipi dominanti e semidominanti, per esempio nei topi). Nella genetica umana, tuttavia, facciamo riferimento ai fenotipi dominanti per gli eterozigoti malati semplicemente perché gli omozigoti malati si incontrano molto raramente.
La trasmissione ereditaria autosomica recessiva
Una persona con una malattia autosomica recessiva può essere di entrambi i sessi e di solito nasce da genitori eterozigoti che non hanno quella malattia (i genitori si possono definire portatori asintomatici dal momento che possiedono un allele mutato senza essere affetti). Gli individui affetti possiedono due alleli mutati a livello del locus responsabile della malattia, uno ereditato da ciascun genitore. Assumendo che entrambi i genitori di un bambino o una bambina malati siano portatori fenotipicamente sani, la possibilità che ogni futuro nato da questi genitori sia malato è normalmente del 25% (il rischio che un genitore trasmetta l’allele mutato è 1/2, di conseguenza il rischio che entrambi i genitori trasmettano l’allele mutato è 1/2 × 1/2 = 1/4).
Ciascuno di noi è portatore di un allele dannoso a livello di molteplici loci associati a fenotipi recessivi (il possesso di due alleli di questo tipo può provocare la malattia o persino causare la morte nel periodo prenatale). Quando una malattia autosomica recessiva è piuttosto frequente, i portatori saranno numerosi. In questo caso spesso può nascere un figlio malato da due genitori portatori di alleli mutati differenti e questo individuo, che ha due diversi alleli mutati, può essere definito eterozigote composto (Figura 5.3A).
La consanguineità
Una caratteristica comune a molte malattie recessive, particolarmente nelle condizioni rare, è che gli individui che ne sono affetti spesso possiedono due alleli mutati identici perché i genitori sono parenti stretti (coppie consanguinee). Nell’esempio della Figura 5.3B i genitori del bambino con la malattia nella quarta generazione sono cugini primi e hanno 1/8 dei loro geni in comune per discendenza genetica (il Focus 5.2 mostra in che modo si eseguano questi calcoli). Ciascuno dei due genitori, III-2 e III-3, ha sicuramente ereditato lo stesso allele mutato da un antenato comune (in questo caso il nonno o la nonna comune, I-1 o I-2).
FOCUS 5.2
Consanguineità e grado di correlazione genetica tra parenti stretti
In definitiva tutti gli esseri umani sono imparentati gli uni con gli altri, ma è con i nostri parenti stretti che condividiamo la più alta percentuale di geni. L’accoppiamento fra i membri di una famiglia strettamente imparentati fra loro (con il 50% dei geni in comune, come nel caso di genitori/figli e di fratelli/sorelle) con molta probabilità produce omozigoti per malattie recessive ed è proibito legalmente e/o socialmente scoraggiato in quasi tutte le società. Tuttavia, i matrimoni fra cugini possono essere abbastanza frequenti in alcune comunità del Medio Oriente, in alcune regioni del subcontinente indiano e in altre parti dell’Asia. Poiché i cugini condividono una parte rilevante dei loro geni, la progenie dei matrimoni fra cugini può presentare un grado alto di omozigosi con una maggiore probabilità di risultare colpita da una malattia recessiva. Poiché per un bambino il rischio di essere omozigote per un allele recessivo raro è proporzionale a quanto i genitori siano imparentati fra loro, è importante misurare la consanguineità. Quando un individuo è un discendente diretto di un altro, la proporzione dei geni che hanno in comune è (1/2) n , dove n è il numero di passaggi generazionali che li separano. Secondo questa regola, si ha: genitore-figlio 1/2 dei geni in comune; nonno-nipote (1/2)2 = 1/4 dei geni in comune; bisnonno-bisnipote (1/2)3 = 1/8 dei geni in comune.
Calcolo del coefficiente di parentela
Il coefficiente di parentela è la percentuale di alleli condivisi da due persone come conseguenza di una comune discendenza genetica da uno o più antenati comuni recenti (identificabili) (o, per dirla più semplicemente, la percentuale di geni comuni derivanti da una discendenza genetica comune). Per eseguire questo calcolo si devono prendere in considerazione le linee di discendenza genetica che collegano i due individui attraverso ogni antenato comune nella famiglia. Un singolo passaggio generazionale in una linea di discendenza riduce di 1/2 la componente genetica condi-
visa a partire da un antenato comune. Si consideri l’esempio della Figura 1. I-2 ha avuto tre figli, un maschio e una femmina che sono fratelli perché hanno anche un padre comune, I-1, e il loro fratellastro, II-5. I fratellastri, come II-3 e II-5, hanno un solo antenato in comune, di conseguenza vi è una sola linea che li collega al genitore comune. Pertanto, la linea arancione che collega II-3 a II-5 tramite la loro madre comune mostra due passaggi determinando un contributo di 1/2 × 1/2 = 1/4 di geni in comune. I-1 e I-2 sono gli antenati comuni dei fratelli della generazione II, dei cugini primi della generazione III e dei cugini secondi della generazione IV. Per calcolare il coefficiente di parentela di parenti collegati da due o più antenati comuni dobbiamo calcolare i contributi apportati da ciascuna linea di discendenza e poi sommarli. Pertanto, nel caso dei cugini primi della generazione III, la linea verde che li collega attraverso il bisnonno comune I-1 ha quattro passaggi e apporta un contributo di (1/2) 4 = 1/16; inoltre, la linea arancione che li collega attraverso la nonna comune I-2 mostra anch’essa quattro passaggi e reca un contributo di (1/2) 4 = 1/16. Sommando le due linee di discendenza abbiamo 2/16 o 1/8 di geni in comune. Una consanguineità più complessa può significare che gli individui hanno avuto quattro o più antenati comuni recenti, ma il principio è sempre lo stesso: calcolare le linee di discendenza di ogni antenato comune e sommare i vari contributi.
Il coefficiente di endogamia ( inbreeding ) è la probabilità che un omozigote abbia alleli identici su un locus come esito di una discendenza genetica comune da un antenato recente. È anche la percentuale di loci per i quali si suppone che una persona sia omozigote a causa della consanguineità parentale ed è la metà del coefficiente di parentela dei genitori. Per esempio, se i genitori sono cugini primi il coefficiente di inbreeding è 1/16. Si noti che anche alberi genealogici con livelli di consanguineità abbastanza alti producono coefficienti di inbreeding relativamente modesti.
proporzioni di geni in comune genitore-figlio: 1/2
nonno-nipote: 1/2 × 1/2 = 1/4
fratelli: 1/2 × 1/2 + 1/2 × 1/2 = 1/4 + 1/4 = 1/2
fratellastri (per esempio II-3 e II-5): 1/2 × 1/2 = 1/4
zio/zia-nipote: (1/2)3 + (1/2)3 = 1/8 + 1/8 = 1/4
cugini primi: (1/2)4 + (1/2)4 = 1/16 + 1/16 = 1/8
cugini primi di secondo generazione: (1/2)5 + (1/2)5 = 1/32 + 1/32 = 1/16
cugini secondi = (1/2)6 + (1/2)6 = 1/64 + 1/64 = 1/32
Figura 1 ▲ Le proporzioni di geni in comune fra i membri di una famiglia.
FOCUS
L’utilizzo della genomica per fare luce sulla patogenesi della malattia infiammatoria intestinale (IBD)
Le malattie infiammatorie intestinali sono caratterizzate da un’infiammazione intestinale cronica recidivante. Sono stati distinti due sottotipi principali: la malattia di Crohn, che può presentarsi in qualsiasi punto del tratto gastrointestinale e coinvolge l’intera parete intestinale, e la colite ulcerosa, limitata alla mucosa del colon e del retto. La malattia è il risultato di risposte immunitarie anomale contro organismi commensali, che costituiscono il microbiota intestinale. L’ereditabilità è elevata: le stime derivate da studi raggruppati sui gemelli sono dello 0,75 per la malattia di Crohn e 0,67 per la colite ulcerosa. Prima che venissero condotti gli studi di associazione su scala genomica, praticamente nulla si sapeva sui geni coinvolti nei processi patogenetici che portano alle IBD. Una delle pochissime indicazioni è emersa dalle analisi di linkage che alla fine hanno portato all’identificazione del gene NOD2 come un nuovo fattore di suscettibilità per la malattia di Crohn (descritto nella Figura 8.11 e nel testo relativo). Ma fin dall’inizio, gli studi GWA hanno rapidamente identificato molte associazioni con la malattia e al 2017 avevano individuato oltre 200 loci di rischio per le IBD. I geni associati lavorano in una varietà di processi biologici (Figura 1) e partecipano principalmente a vie di segnalazione condivise dai due sottotipi di malattia.
delle
giunzionale
Le scoperte degli studi GWA hanno comportato una profonda revisione della patogenesi delle IBD. L’importanza di alcune vie è risultata sorprendente. Le varianti di rischio rivelate hanno incluso, per esempio, fino a cinque geni con un ruolo nell’autofagia nella malattia di Crohn (una via di degradazione lisosomiale che naturalmente elimina organuli intracellulari usurati e aggregati proteici molto grandi). È ora noto che il macchinario dell’autofagia interagisce con molteplici vie di risposta allo stress nelle cellule, comprese quelle coinvolte nel controllo delle risposte immunitarie e dell’infiammazione.
Un’altra scoperta sorprendente, e inaspettata, è stato il ruolo importante delle vie dell’interleuchina-23 (IL23) in entrambi i sottotipi di IBD. In passato, si pensava che il danno tissutale in queste condizioni fosse principalmente mediato dalle popolazioni di linfociti T helper classici. Tuttavia, gli studi GWA hanno chiaramente coinvolto IL23 e l’attivazione dei linfociti Th17 (una sottopopolazione di linfociti T helper scoperta di recente), con conseguente produzione di IL17 e infiammazione cronica. Queste scoperte hanno promosso trial clinici che utilizzano anticorpi monoclonali diretti contro IL23, uno dei quali, l’ustekinumab, è stato recentemente approvato per il trattamento sia della malattia di Crohn sia della colite ulcerosa.
Figura 1 ▼ Geni coinvolti nelle IBD e vie di segnalazione che controllano l’immunità delle mucose. I geni di rischio per le IBD regolano una rete complessa di vie funzionali interconnesse. I geni delle IBD (in rosso) sono stati implicati in importanti funzioni biologiche che sono controllate da vie molecolari interconnesse (rettangoli colorati). Le linee che collegano i nodi riflettono la regolazione molecolare sovrapposta da parte di geni comuni. Diversi geni di rischio per le IBD regolano funzioni biologiche distinte a seconda delle loro attività cellula-specifiche. (Fonte: Graham DB & Xavier RJ [2020] Nature 578:527–539; PMID 32103191. Per gentile concessione di Nature Publishing Group).
rilevamento stato ossidativo difesa intracellulare
funzionalità
Qui consideriamo le due malattie neurodegenerative più comuni, la malattia di Alzheimer e la malattia di Parkinson, e la relazione tra i sottogruppi mendeliani e la malattia sporadica. Nella malattia di Alzheimer, i sottogruppi mendeliani sono autosomici dominanti e rari, rappresentando meno dell’1% di tutti i casi, ma sono più comuni nella malattia di Parkinson, in cui rappresentano circa il 5% di tutti i casi e comprendono forme autosomiche dominanti e autosomiche recessive. Le analisi di linkage hanno indicato i primi geni coinvolti in queste due malattie. Le analisi classiche di linkage sono state impiegate per alberi genealogici autosomici dominanti; per i casi autosomici recessivi, è stata inizialmente utilizzata la mappatura per autozigosi (omozigosi), ma successivamente sono stati impiegati gli approcci del gene candidato o di sequenziamento dell’esoma. Una lista dei loci genici implicati nell’identificazione successiva di mutazioni specifiche della malattia è fornita nella Tabella 8.10
Naturalmente, l’ereditabilità è alta nei sottogruppi mendeliani di entrambe le malattie (le varianti causali hanno un’alta penetranza). Tuttavia, nelle comuni malattie poligeniche c’è una differenza importante: si stima che la malattia di Alzheimer comune abbia un’ereditabilità piuttosto elevata, da 0,6 a 0,8, ma la malattia di Parkinson comune ha un punteggio di ereditabilità basso, intorno a 0,35-0,4, e si ritiene che i fattori ambientali giochino un ruolo importante.
La connessione tra i sottogruppi monogenici e le malattie sporadiche Oltre ai loci genici implicati a partire da sottogruppi mendeliani elencati nella Tabella 8.10, gli studi di associazione su scala genomica hanno recentemente ottenuto alcuni successi nella malattia di Alzheimer e di Parkinson. Lo studio riportato da Schwartzentruber et al. nel 2021 (PMID 33589840) descrive una metanalisi GWA della malattia di Alzheimer che ha identificato 37 loci di rischio e una grande metanalisi del Parkinson ha riportato 90 segnali GWA significativi che, tuttavia, sono quasi tutti posizionati al di fuori del DNA codificante e
Tabella 8.10 Geni alla base della malattia di Alzheimer (A.D.) e della malattia di Parkinson/parkinsonismo (PARK) nei sottogruppi mendeliani.
Loci genici (prodotti proteici)
APP (proteina precursore dell’amiloide)
PSEN1 (presenilina 1)
PSEN2 (presenilina 2)
SNCA (alfa sinucleina)
A.D. di tipo 1
A.D. di tipo 3 AD Precoce 607822
A.D. di tipo 4 AD Precoce 606889
PARK1 & PARK4*** AD Precoce/giovanile 168601/605543
PRKN (parkina) PARK2 AR Giovanile 600116
PINK1 (chinasi 1 indotta da PTEN)
PARK6 AR Precoce 605909
PARK7 (DJ1) PARK7 AR Precoce 606324
LRRK2 (chinasi 2 con dominio ricco di leucine) PARK8 AD Tardiva 607060
HTRA2 (serina peptidasi HtrA)
PLA2G6 (fosfolipasi A2 di gruppo VI)
FBXO7 (proteina 7 con F-box)
PARK13 AD Tardiva 610297
PARK14**** AR Giovanile 612953
PARK15***** AD Tardiva 260300
VPS35 (proteina vacuolare di smistamento 35) PARK17 AD Tardiva 614203
EIF4G1 (fattore di inizio della traduzione eucariotica 4G1) PARK18 AD Tardiva 614251
DNAJC6 (membro C6 della famiglia DnaJ di Hsp40) PARK19 AR Giovanile 615528
SYNJ1 (sinaptogianina 1) PARK20 AR Precoce 615530
AD, autosomica dominante. AR, autosomica recessiva. OMIM, database Online Mendelian Inheritance in Man, disponibile sul sito: www.omim.org. *Malattia familiare significa semplicemente che ci sono due o più individui affetti nella stessa famiglia.
**Insorgenza giovanile, età media <40 anni; insorgenza precoce, età media <50 anni; insorgenza tardiva, età media simile o leggermente inferiore a quella dei pazienti sporadici.
***Il gene SNCA è triplicato in eterozigosi in PARK4, ma presenta mutazioni missenso in PARK1.
****Nota anche come distonia parkinsoniana dell’età adulta.
*****Nota anche come sindrome parkinsoniana-piramidale.
SOMMARIO
⬥ L’identificazione dei geni per le malattie mendeliane inizialmente si basava sull’individuazione di una posizione subcromosomica per il gene malattia, di solito attraverso analisi di linkage a livello genomico, ma a volte cercando i punti di rottura del cromosoma associati alla malattia. I geni venivano cercati nella regione bersaglio e i candidati promettenti venivano testati per prove di mutazioni associate alla malattia.
⬥ Il linkage genetico indaga se gli alleli in due o più loci segregano insieme nelle famiglie. Due loci situati su cromosomi diversi, o molto distanti su uno stesso cromosoma, non sono associati; gli alleli in questi loci avranno una probabilità del 50% di essere ereditati insieme durante la meiosi. Gli alleli nei loci associati (vicini su un singolo cromosoma) saranno spesso coereditati come aplotipo.
⬥ Per le malattie mendeliane, si utilizzano analisi parametriche di linkage, inserendo nel programma il tipo di ereditarietà, la frequenza del gene malattia e la penetranza dei genotipi della malattia. Le analisi di linkage a livello genomico per mappare una malattia mendeliana richiedono diverse centinaia di marcatori polimorfici da tutto il genoma. Se un locus marcatore è fisicamente vicino al locus della malattia, un allele del marcatore avrà la tendenza a segregare assieme alla malattia durante la meiosi.
⬥ L’alternativa moderna per trovare i geni mendeliani coinvolge il sequenziamento dell’intero esoma (sequenziamento degli esoni dei geni codificanti proteine, della sequenza intronica immediatamente adiacente e dei geni per miRNA).
⬥ Un tratto poligenico, come l’altezza o la pressione sanguigna in età adulta, mostra una gamma continua di valori e una distribuzione normale (a forma di campana o curva gaussiana) all’interno di una popolazione. La suscettibilità genetica è dovuta ad alleli in molti loci, ognuno con un effetto debole.
⬥ Nelle malattie complesse (multifattoriali), nessun locus a singolo gene prevale come invece succede nelle patologie monogeniche. Oltre a essere poligeniche, queste malattie sono influenzate da vari fattori non genetici (ambientali).
⬥ Le varianti del DNA che causano una malattia mendeliana sono rare varianti con un effetto forte. Al contrario, molte varianti del DNA coinvolte nella patogenesi di una malattia complessa sono comuni (si verificano con un’alta frequenza) e hanno un effetto debole. Sono fattori di suscettibilità, presenti anche in individui non affetti, ma a frequenze più basse rispetto alle persone colpite.
⬥ Nelle malattie complesse, la suscettibilità alla malattia deve superare un certo valore soglia elevato affinché una persona sia affetta. Le persone affette avranno alleli ad alto rischio in molti loci di suscettibilità, e quindi i loro parenti di primo grado saranno a rischio più elevato rispetto alla popolazione generale. A seconda dei fattori ambientali, il valore della soglia di suscettibilità può cambiare e mostra spesso differenze di genere.
⬥ La varianza di un fenotipo è il quadrato della deviazione standard; l’ereditabilità è la proporzione della varianza attribuibile a fattori genetici.
⬥ Nelle malattie con una forte componente genetica, i fratelli di una persona colpita hanno un rischio molto più elevato di contrarre la malattia rispetto alla popolazione generale e i gemelli monozigoti sono molto più propensi a mostrare concordanza nello stato di malattia rispetto ai gemelli dizigoti.
⬥ L’ereditabilità non è una proprietà fissa: per qualsiasi malattia varia tra le popolazioni e può variare all’interno della stessa popolazione quando cambiano i fattori ambientali.
⬥ Tranne nei casi di rari sottogruppi mendeliani, le analisi di linkage utilizzate nelle malattie complesse sono non parametriche. Valutano solo i parenti affetti, tipicamente i fratelli/sorelle con la malattia, e cercano segmenti cromosomici che condividono più spesso di quanto ci si aspetterebbe per caso.
⬥ Gli studi di associazione sono superiori alle analisi di linkage nel trovare fattori di suscettibilità per malattie complesse. Analizzano individui affetti (casi) e controlli non correlati da una stessa popolazione per cercare associazioni statistiche tra le varianti individuali e la malattia.
⬥ Gli studi di associazione mirano a identificare alleli comuni (su brevi segmenti cromosomici) che hanno frequenze significativamente diverse nei casi e nei controlli. Le associazioni possono verificarsi perché molte persone condividono un breve segmento cromosomico ereditato da un lontano antenato comune che portava un fattore di suscettibilità.
⬥ Il progetto internazionale HapMap ha definito segmenti cromosomici ancestrali in varie popolazioni umane. I segmenti cromosomici ancestrali condivisi sono di solito molto piccoli (spesso solo poche kilobasi).
⬥ Gli studi di associazione per cercare geni candidati valutano l’associazione tra una malattia e gli alleli di un gene specifico di interesse (spesso a causa di un sospetto ruolo nella malattia).
⬥ L’associazione funziona solo su brevi distanze nel DNA, quindi negli studi di associazione su scala genomica (GWA) sono necessari marcatori densamente distribuiti (di solito almeno 500 000 marcatori SNP in tutto il genoma).
⬥ Le varianti del DNA possono conferire un aumento (fattori di suscettibilità) o una riduzione (fattori protettivi) del rischio di malattia. Un fattore di suscettibilità per una malattia complessa può talvolta costituire un fattore protettivo per una malattia diversa.
⬥ Gli studi di associazione possono rivelare blocchi di aplotipi che ospitano una variante di suscettibilità alla malattia, ma identificare la variante patogenetica può essere spesso difficile a causa del linkage disequilibrium, l’associazione non casuale tra tutte le varianti nel blocco.
⬥ Gli alleli di suscettibilità alle malattie comuni hanno un’origine antica e sono moderatamente dannosi (come le mutazioni di sequenze regolatrici e le mutazioni missenso deboli). Evitano di essere eliminate dalla selezione purificante avendo scarso effetto sui tassi riproduttivi, o conferendo contemporaneamente qualche vantaggio selettivo nel presente o nel passato.
⬥ Gli studi di associazione su scala genomica (GWA) hanno identificato con successo migliaia di marcatori SNP associati a malattie; poiché quasi tutti sono di debole effetto, hanno un utilizzo limitato nella predizione del rischio di malattia.
⬥ Le varianti del numero di copie (CNV) in genere non contribuiscono in modo significativo alla suscettibilità genetica alle malattie, ma si verificano con un’aumentata frequenza in alcuni disturbi.
⬥ Gli studi di associazione genomica sono stati di grande valore nel chiarire i processi biologici nelle malattie complesse, con prospettive per l’identificazione di nuovi bersagli farmacologici e trattamenti.
⬥ I fattori non genetici sono chiaramente molto importanti nelle malattie complesse, ma gli studi classici di caso-controllo sono limitati nella capacità di rilevare interazioni gene-ambiente. Gli studi prospettici di coorte sono più adatti a questo compito; studiano gli individui su un lungo arco temporale che inizia prima dell’insorgenza della malattia.
⬥ I fattori ambientali operano a diversi livelli per influenzare la suscettibilità alle malattie. Un meccanismo importante è la modifica delle caratteristiche epigenetiche delle cellule, che provoca un’alterazione dell’espressione genica. Si ritiene che le alterate caratteristiche epigenetiche nelle prime fasi di vita condizionino il rischio di varie malattie in età adulta, come il diabete e le malattie cardiovascolari.
DOMANDE
Le risposte sono consultabili nel sito del libro: universita.zanichelli.it/strachan-gg2e Domanda 8.1
I membri affetti dell’albero genealogico qui riportato presentano una malattia autosomica dominante e le analisi citogenetiche mediante il bandeggio cromosomico convenzionale non hanno identificato un’anomalia cromosomica associata alla malattia. Tuttavia, studi recenti condotti su altre famiglie hanno mappato il locus della malattia in una regione del braccio corto del cromosoma 17 e hanno dimostrato che quattro marcatori di microsatelliti polimorfici, P, Q, R e S, sono strettamente legati al locus di malattia non identificato (l’ordine dei marcatori dal più distale al più prossimale è: P-Q-R-S). Quando gli stessi quattro marcatori sono stati utilizzati per genotipizzare ciascun membro della famiglia, gli alleli ottenuti sono quelli elencati di seguito.
a. Se dovessimo presumere che il locus della malattia sia anch’esso nella stessa regione 17p in questa famiglia, qual è l’aplotipo della malattia che ha origine da I-2 (cioè, la sequenza di alleli ai quattro loci marcatori sul cromosoma che porta l’allele della malattia)?
b. L’aplotipo della malattia è stato conservato in tutti i membri della famiglia?
c. È probabile che la malattia in questa famiglia sia collegata alla regione 17p?
d. Se il locus della malattia fosse nella regione 17p in questa famiglia, che cosa deduci sulla posizione del locus della malattia rispetto ai loci dei marcatori?
Domanda 8.2
Gli approcci del gene candidato hanno permesso l’identificazione di geni associati a malattie umane basandosi su informazioni pregresse sulla causa di un fenotipo correlato. Fornisci un esempio di identificazione riuscita con successo di un gene associato a una malattia basandosi su conoscenze pregresse di (a) un fenotipo umano correlato; (b) un fenotipo correlato nel topo.
Domanda 8.3
Che cos’è un lod score? Nelle analisi classiche di linkage genomico, la soglia per la significatività statistica del linkage è un lod score di +3. Come è stata stabilita questa soglia?
Domanda 8.4
La tabella qui di seguito mostra la concordanza del fenotipo (in percentuale) nei gemelli monozigoti (MZ) e dizigoti (DZ) in quattro malattie genetiche ipotetiche da A a D. Quale malattia stimi abbia l’ereditabilità più alta e quale l’ereditabilità più bassa, e perché?
Malattia % concordanza in gemelli MZ % concordanza in gemelli DZ
Domanda 8.5
Le strategie per identificare i geni alla base delle malattie genetiche monogeniche si sono spesso basate sul fatto di ottenere prima una posizione subcromosomica per il gene della malattia. Elenca due approcci che sono stati adottati per identificare posizioni subcromosomiche per queste patologie.
Domanda 8.6
La prima mappa genetica umana genome-wide è stata creata adottando un metodo completamente diverso rispetto a quelli utilizzati per creare mappe genetiche in organismi modello. Qual è stata la differenza essenziale?
Domanda 8.7
Per effettuarne il sequenziamento, l’esoma desiderato viene prima catturato da un campione di DNA genomico. Come si ottiene ciò?
Domanda 8.8
Il rischio di sviluppare una malattia viene talvolta espresso come indice di rischio, λ. Che cosa si intende con questo indice? La malattia A ha un λS di 600 e la malattia B ha un λS di 6. Che tipo di malattie sono A e B?
Domanda 8.9
Illustra come l’ereditabilità di una malattia può cambiare nel tempo usando un esempio di (a) una malattia monogenica e (b) una malattia complessa.
Domanda 8.10
Qual è la differenza tra analisi di linkage parametrica e non parametrica e in quali circostanze vengono applicate allo studio delle malattie genetiche umane?
Domanda 8.11
Gli studi di linkage su scala genomica possono spesso essere condotti con solo alcune centinaia di marcatori del DNA, ma uno studio di associazione su scala genomica (GWAS) utilizza tipicamente diverse centinaia di migliaia di marcatori. Spiega perché esiste questa differenza illustrando i disegni sperimentali molto diversi di questi due metodi.
Domanda 8.12
Che cosa si intende per blocco di aplotipi e come sono organizzati nel genoma umano?
Domanda 8.13
Quale meccanismo molecolare è alla base delle associazioni HLA con le malattie autoimmuni?
Domanda 8.14
Che cosa si intende per odds ratio negli studi caso-controllo? Calcola l’odds ratio dalla tabella che segue.
Numero di casi con la malattia X Numero di controlli non affetti
Soggetti che hanno la variante genetica X 850 297
Soggetti che non hanno la variante genetica X 150
TEMA ARGOMENTO POSIZIONE
Genetica dello sviluppo
Danno e riparazione del DNA e basi della variabilità del DNA
Regolazione della metilazione durante lo sviluppo
Paragrafo 6.2
Inattivazione dell’X, imprinting e anomalie dello sviluppoParagrafi 5.2, 6.2, 6.3
Origini nello sviluppo delle malattie negli adulti
Differenziamento cellulare, cellule staminali, riprogrammazione nucleare
Danno e riparazione del DNA
Origini e dimensioni della variabilità del DNA umano
Varianti genetiche funzionali e varianti proteiche
Variabilità post-zigotica e mosaicismo
Selezione naturale e tasso di mutazione
Varianti genetiche associate a malattie
Epigenetica
Genetica evoluzionistica e di popolazione
Espressione e regolazione genica
Anomalie cromosomiche
Carico patogenetico complessivo
Test genetici e farmacogenetica
Sistema immunitario, immunogenetica e immunoterapia
Mappatura delle varianti patologiche e dei geni malattia
Paragrafo 8.3
Paragrafi 9.2, 9.3, Focus 10.2
Paragrafi 4.2, 10.3
Paragrafi 4.1, 4.3
Paragrafi 4.4, 4.5
Paragrafi 4.4, 5.3
Paragrafi 5.4, 4.1, 4.3
Paragrafi 6.2, 6.3, 7.4
Paragrafo 7.2
Varianti genetiche che causano malattie monogenicheCapitolo 7
Suscettibilità genetica a malattie complesse
Varianti genetiche nel cancro
Principi e meccanismi epigenetici
Paragrafo 8.3
Paragrafi 10.1–10.4
Paragrafo 6.2
Disregolazione epigenetica nelle malattie monogenicheParagrafo 6.3
Disregolazione epigenetica nelle malattie complesse
Paragrafo 8.3
Riprogrammazione epigenetica artificiale delle celluleParagrafo 9.3
Disregolazione epigenetica nel cancro
Evoluzione di geni e genomi
Paragrafo 10.3
Paragrafo 2.4
Selezione purificante e conservazione delle sequenzeParagrafi 2.3, 4.4, 5.4
Selezione positiva e sweep selettive
Frequenza allelica nelle popolazioni
Concetti di base sull’espressione genica
Struttura e classificazione degli amminoacidi
Il codice genetico per i DNA nucleare e mitocondriale
Paragrafi 4.4, 4.5
Paragrafo 5.4
Paragrafi 2.1, 2.2
Figura 2.2, Tabella 7.2
Figura 7.2
Espressione genica complessa e principi di regolazione genicaParagrafi 6.1, 6.2
RNA non codificanti regolatori
Concetti di base sui test genetici
Paragrafi 2.2, 6.2
Paragrafo 11.1
Bandeggio e rappresentazione standard dei cromosomi umaniFocus 7.4, Figura 2.8
Test per le anomalie cromosomiche e le varianti strutturali patogenetiche
Citogenetica del cancro
Farmacogenetica
Analisi delle mutazioni puntiformi patogenetiche e della metilazione del DNA
Paragrafo 11.2
Paragrafi 10.2, 10.3
Paragrafo 9.2
Paragrafo 11.3
Organizzazione dei test genetici e considerazioni eticheParagrafi 11.4, 11.5
Variabilità degli HLA, delle Ig e dei recettori dei linfociti T e restrizione dell’MHC
Malattie autoimmuni e infiammatorie
Associazione tra HLA e malattie
Focus 4.4, Paragrafo 4.5, Focus 8.3
Paragrafo 8.3
Paragrafi 4.4, 8.2
Anticorpi monoclonali terapeutici, immunoterapia del cancroParagrafi 9.2; 10.5
Identificazione dei geni che causano le malattie monogenicheParagrafo 8.1
Identificazione dei fattori genetici nelle malattie complesseParagrafo 8.2
Identificazione dei geni del cancro
Paragrafi 10.2, 10.3, 10.4
Titolo originale: Genetics and Genomics in Medicine, Second Edition © 2023 Taylor & Francis Group, LLC. All Rights Reserved.
Authorised translation from the English language edition published by CRC Press, a member of the Taylor & Francis Group LLC.
© 2024 Zanichelli editore S.p.A., via Irnerio 34, 40126 Bologna [29954] www.zanichelli.it
Traduzione: Sebastian Fantini (capitoli 2, 3, 6, 8, 9), Valentina Salsi (capitoli 1, 4, 5, 7), Rossella Tupler (capitoli 10, 11; glossario) Revisione: Rossella Tupler
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Redazione: Cristina Benedetti
Indice analitico: D&L Servizi editoriali, Milano
Impaginazione: Edistudio, Milano
Copertina:
– Progetto grafico: Falcinelli & Co., Roma
– Immagine di copertina: © vatrushka67/iStockphoto
Prima edizione italiana: novembre 2016
Seconda edizione italiana: novembre 2024
Ristampa: prima tiratura
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Tom Strachan, Anneke Lucassen
Genetica & Genomica
nelle scienze mediche
Seconda edizione
A cura di Rossella Tupler Inquadra e scopri i contenuti
Dal completamento della prima sequenza genomica umana nel 2003, grazie al Progetto Genoma Umano, le tecnologie di analisi del DNA hanno rivoluzionato la medicina. Genetica medica, ematologia e oncologia sono stati i primi settori a trarne vantaggio. Oggi le applicazioni spaziano in tutti gli ambiti, favorendo la comprensione della patogenesi e lo sviluppo di terapie innovative.
Genetica & Genomica nelle scienze mediche fornisce le basi teoriche e concettuali per comprendere questa rivoluzione e i suoi risvolti nella pratica medica e nella ricerca. Le nuove scoperte, come quelle su genoma, epigenetica, RNA non codificanti, sono introdotte in relazione alla loro importanza per la salute umana; le tecnologie biomolecolari e genomiche sono spiegate nel contesto delle loro applicazioni per la diagnostica e la ricerca medica. Sono, inoltre, illustrati i principi della farmacogenomica e ne vengono discusse le potenzialità nell’ambito della medicina personalizzata.
I concetti sono introdotti gradualmente, dalle basi teoriche alle applicazioni pratiche: nei primi tre capitoli sono
Tom Strachan è professore emerito di Genetica molecolare umana alla Newcastle University, a Newcastle upon Tyne, Regno Unito. È autore di Genetica molecolare umana, scritto con Andrew Read e pubblicato in Italia da Zanichelli (seconda edizione, 2021). Nel 2007 ha ricevuto, insieme a Read, lo European Society of Human Genetics Education Award, per il suo eccezionale contributo nella divulgazione della genetica umana. Anneke Lucassen è professoressa di Medicina genomica e direttrice del Centre for Personalised Medicine alla University of Oxford, Regno Unito.
raccolti i concetti di base della genetica e della genomica, essenziali per comprendere i fondamenti della genetica medica, spiegati nei tre capitoli successivi. I cinque capitoli restanti sono dedicati alle applicazioni cliniche, tra cui: lo studio del ruolo dei cambiamenti del DNA su larga scala nello sviluppo di malattie; l’analisi delle malattie monogeniche e delle varianti genetiche che predispongono a patologie complesse; il ruolo di varianti genetiche, disregolazione epigenetica e fattori ambientali nella patogenesi; i nuovi approcci per il trattamento delle malattie genetiche; genetica e genomica del cancro; le applicazioni diagnostiche, comprese le tecnologie genome-wide. I test genetici sono approfonditi anche dal punto di vista etico, oggi imprescindibile nella diagnostica medica.
All’interno dei capitoli le schede Focus e Focus clinico forniscono informazioni aggiuntive su tecnologie e applicazioni. Al termine di ogni capitolo, sono presenti Domande per riflettere su quanto appreso, le cui risposte sono disponibili nel sito del libro, insieme ai test interattivi di autovalutazione e ai video sul DNA.
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