DIAGOSTICA CITOGENETICA
Lezione 2
cariotipo
umano
dimensioni dei
cromosomi e
densità genica
Sintenia – descrive il grado di colocalizzazione di blocchi di geni (loci) tra specie diverse. Il confronto tra uomo e topo rivela un forte rimescolamento con regioni relativamente piccole di sintenia. Al contrario a livello di singoli geni, il grado di conservazione di sequenze codificanti è molto elevato.
Il confronto tra geni, soprattutto a livello delle sequenze codificanti, rivela un alto livello di conservazione tra specie, a differenza della disposizione dei geni stessi sui cromosomi.
Cromosomi sessuali
Tuttavia durante la meiosi negli individui di sesso maschile, X e Y riescono ad appaiarsi perché hanno regioni di omologia (regioni pseudoautosomiche, PAR1 e PAR2).
L’appaiamento di X e Y permette la successiva segregazione con formazione di gameti (spermatozoi) che portano l’uno o l’altro dei cromosomi sessuali.
La presenza di un numero diverso di X nelle femmine e nei
maschi genera un esigenza di compensazione della dose genica, risolta attraverso l’inattivazione del cromosoma X.
Così chiamati perché importanti per la
determinazione del sesso (nei mammiferi:
XX nelle femmine, XY nei maschi).
I cromosomi X e Y sono notevolmente diversi per dimensioni (151 contro 26 Mb) e morfologia.
INATTIVAZIONE DEL CROMOSOMA X
Si manifesta nei mammiferi attraverso il silenziamento selettivo dei geni di uno dei due cromosomi X presenti nelle cellule femminili.
E’ un meccanismo di compensazione della dose, eliminando la differenza di espressione per i geni presenti su cromosoma X tra maschi e femmine (i maschi sono emizigoti per X).
L’inattivazione del cromosoma X comporta la modifica della struttura
cromatinica del cromosoma interessato (promozione di una struttura fortemente eterocromatica e condensata).
Il cromosoma inattivo si presenta al
microscopio ottico come corpo di Barr visibile lungo l’interno dell’involucro
nucleare delle cellule femminili.
Non tutti i geni sul cromosoma X vengono inattivati. Sfuggono all’inattivazione quei geni (pseudoautosomici) che hanno un omologo funzionale sul cromosoma Y. Se non fosse così il silenziamento determinerebbe uno scompenso di dose.
Nelle fasi precoci dello sviluppo di embrioni femminili, entrambi i cromosomi X sono attivi. Quando le cellule iniziano a
differenziare da totipotenti a multipotenti (blastula) inizia a manifestarsi l’inattivazione del cromosoma X.
La scelta del cromosoma da inattivare (paterno o materno) è casuale e cambia da cellula. Una volta deciso, il cromosoma inattivato viene trasmesso alle cellule discendenti in maniera
clonale. Quindi tutte le femmine di mammifero sono dei mosaici per quanto riguarda l’inattivazione del cromosoma X.
Due programmi di inattivazione del cromosoma X
avvengono successivamente nei mammiferi placentati:
1) Nella fase che precede l’impianto dell’embrione, ad essere inattivato selettivamente è il cromosoma paterno.
2) Dopo l’impianto dell’embrione, l’inattivazione del
cromosoma X paterno viene mantenuta nei tessuti extra- embrionali (placenta). Invece, nei tessuti che daranno origine all’embrione il cromosoma X
Pviene riattivato.
Questa fase è seguita da inattivazione casuale di uno o
l’altro dei due cromosomi X (con formazione di mosaici).
Il cromosoma Y porta il gene SRY che è essenziale per il differenziamento delle gonadi in senso maschile.
In assenza di SRY, la gonade si sviluppa in un ovaio.
Il gene SRY è molto vicino alla regione PAR1.
In un evento di ricombinazione tra PAR1 del cromosoma X e Y durante la meiosi, può avvenire per errore che SRY venga trasferito sul cromosoma X. In questo caso, dopo
fecondazione si possono avere individui XX fenotipicamente
maschili (anche se sterili).
ANOMALIE CROMOSOMICHE
Tipi di anomalie cromosomiche
Numeriche Strutturali
Aneuploidie Traslocazioni:
Monosomie reciproche
Trisomie robertsoniane
Tetrasomie Delezioni
Triploidie Inserzioni
Tetraploidie Inversioni:
paracentriche pericentriche
Mixoploidia Mosaicismo Chimerismo
Alterazioni del numero dei
cromosomi
Alterazione del numero di cromosomi
Poliploidia: aumento di tutto il corredo cromosomico (non compatibile con la vita nell’uomo se costitutiva, cioè presente in tutte le cellule del corpo). Si può avere triploidia (69 cromosomi), oppure tetrapoidia (92 cromosomi). Nella specie umana si osserva spesso triploidia negli aborti spontanei.
La triploidia può essere causata da un errore nella meiosi (es.
ritenzione di un corpo polare nella formazione di un oocita, oppure generazione di uno spermatozoo diploide) o da fecondazione dell’oocita da parte di due spermatozoi (dispermia).
Alterazione del numero di cromosomi
Aneuploidia: uno o più cromosomi in eccesso o in difetto. Spesso letali o con grave fenotipo (es. trisomia 21 per la sindrome di Down).
Dovuta spesso a non disgiunzione di cromosomi omologhi durante la prima divisione meiotica. Più raramente dovuta a non disgiunzione dei cromatidi fratelli nella seconda divisione meiotica (il risultato è
comunque la disomia con produzione di gameti con 22 e 24 cromosomi). Altre trisomie compatibili con la vita ma con gravi conseguenze: trisomia del 13 e del 18.
La non disgiunzione può anche avvenire nelle prime divisioni mitotiche dell’embrione con generazione quindi di “mosaicismo”.
La non disgiunzione è spesso associata a difetti della meiosi femminile a causa della prolungata permanenza (anche decenni) degli oociti
primari nella fase precedente alla prima divisione meiotica.
Questo meccanismo è probabilmente responsabile del fattore età nella trisomia del cromosoma 21 (sindrome di Down).
Alterazione del numero di cromosomi
Le aneuploidie comprendono anche le monosomie. Tuttavia la presenza di un solo cromosoma autosomico non è in genere compatibile con la vita.
Una forma particolare di monosomia è però la sindrome di Turner (X0), in cui i soggetti hanno un solo cromosoma X.
In questo caso la monosomia ha un effetto relativamente poco severo perché normalmente con due cromosomi X uno è quasi totalmente inattivo.
In effetti, le manifestazioni patologiche dovute ad aneuploidie sono
riconducibili a scompenso della dose genica (l’espressione di alcuni geni è finemente regolata per cui avere tre dosi o una dose invece di due può avere conseguenze serie).
Le aneuploidie dei cromosomi sessuali sono più tollerate. La monosomia del cromosoma X ha spesso conseguenze di poco conto. La presenza di
cromosomi sessuali soprannumerari (es. XXX o XYY) passa spesso inosservata a livello fenotipico. L’assenza completa di cromosoma X è invece letale.
Alterazione del numero di cromosomi
Mixoploidia: linee cellulari con corredo cromosomico diverso all’interno dello stesso individuo. Mosaicismo (stesso zigote) e chimerismo (due diversi zigoti fusi insieme).
Alterazioni della struttura dei
cromosomi
ANOMALIE
CROMOSOMICHE
Delezioni, duplicazioni,
inversioni, isocromosomi
Alterazioni della struttura dei cromosomi
Derivano da rotture del DNA causate da agenti fisici o chimici che non vengono riparate correttamente o da errori che avvengono durante il processo di ricombinazione.
Possono essere bilanciate o sbilanciate.
Bilanciate: il corredo genetico è completo, senza perdita o acquisto di materiale genetico. Quindi in genere non c’è conseguenza per
l’individuo portatore di questa anomalia a meno che i punti di rottura interessino la funzione di un gene. Comunque i soggetti con
un’alterazione bilanciata sono a rischio di avere figli con un’alterazione sbilanciata.
Sbilanciate: perdita o acquisto di materiale in una regione di un cromosoma, quindi scompenso della dose genica.
Alterazioni della struttura dei cromosomi Traslocazioni
Trasferimento di materiale genetico da un cromosoma ad un altro.
Se c’è scambio di materiale tra un cromosoma e un altro senza /
perdita/acquisto di materiale si parla di traslocazione reciproca. Se i due frammenti sono acentrici (senza centromero), il prodotto sarà
stabile nelle successive mitosi. Se uno dei frammenti è dotato di
centromero si produrranno un cromosoma acentrico e uno dicentrico, entrambi instabili.
Nel caso di traslocazione reciproca, il soggetto che ne è portatore ha un fenotipo normale. I suoi figli però possono manifestare una
patologia.
due rotture su cromosomi
diversi
traslocazione bilanciata
gameti
zigoti
normale monosomia + trisomia
monosomia + trisomia
traslocazione bilanciata Alterazioni nella
progenie di individui con traslocazioni bilanciate
Alterazioni della struttura dei cromosomi
Traslocazione robertsoniana: avviene tra due dei cinque cromosomi acrocentrici (13, 14, 15, 21 e 22) che hanno un braccio corto molto piccolo, formato prevalentemente da eterocromatina e geni per RNA ribosomiale. Rotture in queste regioni seguite da traslocazione
reciproca generano un piccolo cromosoma acentrico che si perde e da un cromosoma dicentrico che è stabile perché ha i due centromeri molto vicini che funzionano come uno solo. La perdita dei geni per RNA ribosomiale non ha conseguenze perché ci sono copie multiple su vari cromosomi.
Anche in questo caso i soggetti portatori non hanno conseguenze che però si possono manifestare nella prole. Ad esempio, una
traslocazione 14q21q può portare ad individui con la sindrome di Down.
Traslocazione robertsoniana 14q22q ed effetti nella progenie
Alterazioni della struttura dei cromosomi Delezione
Consistono nella perdita di una parte di cromosoma (quindi
monosomia per quella regione). Una grossa delezione (ad esempio superiore al 2% del genoma totale aploide) è in genere incompatibile con la vita.
Inserzione
Trasferimento di una porzione di un cromosoma all’interno di un altro cromosoma. Può essere bilanciata o sbilanciata.
Inversione
Derivante da doppia rottura all’interno di un cromosoma e riparazione errata per inversione del segmento interessato. Può essere
pericentrica se interessa il centromero, paracentrica se il centromero è escluso.
1 2 A
B
1 2 A
B 1
2 B
A
2 1 A
B
A
A 1
2
B
B 1
2
inversione paracentrica
appaiamento ricombinazione
1 2 A
B
2 1 A
B
appaiamento ricombinazione
inversione pericentrica
1 2 A
B 1
2
A
A
B
B 1
2
1 2
Alterazioni nella meiosi dovute a inversioni
Alterazioni della struttura dei cromosomi Cromosomi ad anello
Si formano quando c’è doppia rottura all’estremità di un cromosoma lasciando delle estremità che vengono fuse tra di loro.
Le conseguenze possono essere serie.
I cromosomi ad anello sono spesso instabili durante la mitosi per cui si possono perdere lasciando le cellule figlie in condizioni di
monosomia per quel cromosoma.
Isocromosomi
Cromosomi aberranti formati da due bracci corti o due bracci lunghi di un particolare cromosoma. La situazione più frequente è costituita da isocromosomi costituiti da due bracci lunghi del cromosoma X (15%
dei casi di sindrome di Turner).
Effetti delle anomalie cromosomiche bilanciate (riassunto)
In generale, nell’individuo portatore di un’anomalia cromosomica bilanciata (traslocazione reciproca, traslocazione robertsoniana,
inversioni) non ci sono normalmente alterazioni del fenotipo. Tuttavia nella progenie ci possono essere problemi gravi dovuti alla
produzione di gameti con sbilanciamenti del materiale genetico.
Nelle traslocazioni infatti si possono produrre gameti che portano due copie o nessuna copia di regioni specifiche di cromosomi (quindi in grado di produrre zigoti con monosomie o trisomie di particolari geni).
Nelle inversioni, l’appaiamento durante la meiosi tra cromosoma normale e cromosoma con inversione può generare eventi di
ricombinazione errata con duplicazioni e inserzioni
