CARATTERISTICHE mtDNA

1
UN GENE
UNA MALATTIA

• ETEROGENEITÀ GENETICA

• TEST DI COMPLEMENTAZIONE

• SORDITÀ

• SERIE ALLELICHE

• BECKER - DUCHENNE

• INSENSITIVITÀ AGLI ANDROGENI - MALATTIA DI
  KENNEDY

AR androgen receptor

• PENETRANZA INCOMPLETA

• ESPRESSIVITÀ VARIABILE

• INSORGENZA TARDIVA

• ANTICIPAZIONE

2
Sordità
aa
aa
?
100 aa
3
Sordità
aa BB
AA bb
?
100 AaBb
4
Genetic Heterogeneity

• The classical concept of Genetic Heterogeneity
  implies that the same condition can be caused by
  mutations in different genes.

Locus Heterogeneity
5
L esempio delle sordità 11000 nati presenta
sordità In circa 50 di questi pazienti la
sordità è dovuta a mutazioni in un gene 2/3
presentano una modalità di trasmissione
autosomica recessiva 1/3 presentano una modalità
di trasmissione autosomica dominante 1-2 sono
X-Linked Esistono forme sindromiche, tuttavia la
maggior parte delle sordità a trasmissione
autosomica recessiva sono non sindromiche Ampia
eterogeneità genetica gt40 loci per le forme
recessive gt40 loci per le forme
dominanti diversi loci per le forme
X-Linked Recenti acquisizioni 67 delle sordità
AR non sindromiche sono dovute al locus DFNB1 in
13q11-q12 nelle popolazioni dell area
mediterranea La delezione di una G 35(delG) all
interno di una sequenza contenente 5 G nel gene
codificante per la Connessina 26 è stata
identificata nell 80 dei pazienti con sordità
al locus DFNB1
6
Allelic Heterogeneity

• Allelic mutations within a single gene resulting
  in a similar phenotype

7
Clinical Heterogeneity

• Different mutations in the same gene causing
  different phenotypes

Allelic Series
8
Examples of Phenotypic Diversity Based on Allelic
Series (I)
Disease Gene Location
Disease Elliptocytosis (130600)
SPTA1 1q21 Pyropoikilocytosis (266140)

spherocytosis, recessive
(270970) Hemorrhagic diathesis
due F5 1q23 Thrombotic diathesis due to to factor
V deficiency deficiency of
cofactor for activated (AR) (227400) protein C
(AD) (188055) Achondroplasia (100800)
FGFR3 4p16.3 Hypochondroplasia (14600) Hurler
syndrome (607014) IDUA 4p16.3 Scheie syndrome
(607016) Cystic fibrosis (219700)
CFTR 7p31.2 Bilateral absence of vas

deferens (277180) Myotonia congenita, CLCN1 7q3
5 Myotonia congenita, dominant (160800) recessiv
e (255700) Wolman disease,
LIPA 10q24-q25 Cholesteryl ester infantile form
(278000)
storage disease (278000) Sickle cell
anemia HBB 11p11.5 Erythrocytosis
due to Hb Osler (141900.0243)

(141900.0211) Amyloid nephropathy (107680)
APOA1 11q23 Hypertriglyceridemia (107680)
9
Example of Phenotypic Diversity Based on Allelic
Series (II)
Disease Gene Location
Disease Stickler syndrome, COL2A1 12q13.11- Kni
est dysplasia achondrogenesis- type I
(108300) -q13.1 hypochondrogenesis, type II
SED Charcot-Marie-Tooth PMP22 17p11.2 Neuropathy
with pressure palsies neurophaty, type IA
(118220) Dejerine-Sottas disease
(145900) Hyperkalemic periodic SCN4A 17q23.1- Par
amyotonia congenita (168300) paralysis
(170500) -q25.3 Creutzfeldt-Jacob
disease PRNP 20pter-p12 Familial fatal insomnia
(600072) (123400) Malignant hyperthermia RYR1 19
q13.1 Central core disease (117000) susceptibility
-1 (145600) Pseudohypoparathyroidism, GNAS1 20q
13.2 McCune-Albright polyostotic type IA
(103580) fibrous dysplasia (174800) Duchenne
muscular DMD Xp21.2 Becker muscular dystrophy
(310376) dystrophy (310200) cardiomyopathy,
X-linked (302045) Norrie disease
(310600) NDP Xq11.4 Vitreoretinopathy, X-linked
(305390) Kennedy disease (313200)
AR Xcen-q22 Androgen insensitivity
(300068) Hydrocephalus due to L1CAM Xq28 MASA
syndrome (303350) aqueductal stenosis (307000)
10
(No Transcript)
11

• Allelic series, genetic heterogeneity and
  Hirschsprung disease

12
Complex Genetic Disorders the model of
Hirschsprung disease (HSCR)
HSCR ,or congenital megacolon, is characterized
by the absence of parasymphathetic intrinsic
ganglion cells in the submucosal and myenteric
plexuses of the hindgut. INCIDENCE 1 in about
5000 live births. CLINICAL FEATURES severe
constipation with abdominal distension, growth
failure and intestinal obstruction.
MOLECULAR/CELLULAR CAUSE premature arrest of
the cranio-caudal migration of neural crest
derived cell lineages toward the anal end of the
rectum during gestation.
13
Congenital Megacolon (Hirschsprung disease)
Variable Expressivity
14
(No Transcript)
15
RET (REarranged during Transfection)
RET as a tyrosine kinase receptor
ligand (GDNF, neurturin...) binding induces
-dimerization and autophosphorylation -interact
ion of signalling effectors -ras and MAPK
pathway activation RET in oncogenesis and
Hirschsprung disease
mutations of RET are associated
with -MEN 2A or 2B (medullary thyroid
carcinoma) -Hirschsprung disease (absence of
parasympathetic intrinsic ganglion
cells- neurocristopathy)
cadherin-like domains
Cystein-rich domain
2 kinase domains
IC domain (417 aa)
16
RET mutations associated with HSCR (red),
MEN2A-FMTC (green) and MEN2B (yellow)
missense or nonsense mutation
deletion
insertion
splice mutation
the same mutation associated with both MEN2A or
FMTC and HSCR
21
1
2
3
4
6
7
12
14
17
19
5
8
9
10
13
15
16
18
20
11
promoter
c-RET protein
1114 aa isoform
extra-cellular domain
TMD
Tyrosine Kinase domain
Signal
(636-657)
(726-999)
peptide (1-28)
17
Bolk et al., Nature Genetics. 3189-93, 2002.
18
GENES INVOLVED IN HSCR DISEASE
ECE1
PRE PRO EDN
EDN3
H2N
GFRa1
GFRa2
GFRa3
GFRa4
COOH
RET
RET
RET
EDNRB
SOX10
ZFHX1B
KIAA1279
19

• MOWAT-WILSON SYNDROME (MIM 235730 )
• MICROCEPHALY, MENTAL RETARDATION, AND DISTINCT
  FACIAL FEATURES, WITH OR WITHOUT HIRSCHSPRUNG
  DISEASE
• HIRSCHSPRUNG DISEASE-MENTAL RETARDATION SYNDROME
• Gene map locus 2q22
• Mowat-Wilson syndrome is caused by mutation in
  the ZEB2 (ZFHX1B) gene (605802) which is a widely
  expressed transcriptional repressor involved in
  the TGF-b pathway

20
The two major facial features are represented by
medial flared eyebrows and uplifted earlobes
21

• Genetic heterogeneity is often complicated by
  reduced penetrance and/or variable clinical
  expression.

22
Holoprosencephaly (HPE)
HPE is the most common developmental abnormality
of the forebrain and it is characterized by
incomplete separation of the forebrain (from
complete continuity of the two cerebral
hemispheres, to partial separation, to only
slight continuity) It occurs in about 116000
live births Genetically and phenotipically
heterogeneous Variable clinical expression
e.g. additional facial anomalies range from
cyclopia (single midline eye), nasal anomalies,
cleft lip and palate to hypotelorism (closely
spaced eyes), microcephaly, single central
maxillary incisor.
23
(No Transcript)
24
(No Transcript)
25
(No Transcript)
26
(No Transcript)
27
ESPRESSIVITÀ VARIABILE

• Correlata con la penetranza incompleta cè
  lespressività variabile, che è presente
  soprattutto in condizioni dominanti.
• Differenti membri della stessa famiglia mostrano
  spettri fenotipici differenti della stessa
  malattia.
• Le cause sono comuni a quelle responsabili della
  penetranza incompleta linfluenza di altri geni
  o di fattori ambientali possono influire sullo
  sviluppo dei sintomi di una malattia.
• Penetranza Incompleta ed Espressività Variabile
  possono occasionalmente essere osservate in
  difetti genetici ad ereditarietà recessiva
• Alterazione in eterozigosi AD
• Alterazione in omozigosi AR
• È più variabile perché coinvolge il
  bilanciamento delleffetto di due alleli.

28
PENETRANZA INCOMPLETA

• Penetranza incompleta è una frequente
  complicazione di un carattere dominante.
• La penetranza di un carattere, per un determinato
  fenotipo, è definita come la probabilità che una
  persona che presenta lalterazione a livello
  genotipico manifesterà il carattere.
• Un carattere con penetranza completa (100) deve
  manifestarsi in tutte le persone eterozigoti per
  quel carattere.
• Un indice di penetranza incompleta è il salto di
  generazione per certi caratteri quando si
  costruisce un albero genealogico.
• È facile spiegare la penetranza incompleta se
  pensiamo ad un locus genetico non isolato ma in
  un contesto differente da persona a persona
  (background genetico), sotto linfluenza di geni
  che possono modificare il fenotipo (GENI
  MODIFICATORI).

29
Genes involved in Holoprosencephaly
SHH (Sonic hedgehog) 3,7 sporadic cases 18
familial cases ZIC2 5 sporadic and familial
cases SIX3 1 sporadic and familial
cases TGIF 1 sporadic and familial
cases PATCHED1 TDGF1 SHH signaling Nodal
/TGF-b pathway GLI2 FAST1
30
(No Transcript)
31
(No Transcript)
32
(No Transcript)
33
(No Transcript)
34

• The determination of identical or similar
  phenotypes by different genetic mechanisms is an
  emerging problem in Medical Genetics.

For some disorders, the degree of genetic
heterogeneity is such that more than 100 genes
can be responsible for the same phenotype.
35
Microphthalmia 6 loci
Retinal degeneration 211 loci
Anterior chamber 11 loci
Myopia 5 loci
RP 151 loci
Non-RP 60 loci
Cornea 10 loci
RP syndromes 41 loci
Usher 10 loci
BBS 12 loci
Cataract 18 loci
Coloboma 11 loci
Optic atrophy 15 loci
Glaucoma 8 loci
36
As an example, Retinitis Pigmentosa (RP) is a
heterogeneous group of inherited disorders
characterized by progressive visual loss, night
blindness, and pigmentary deposition in the
retina.
The retina shows a characteristic bony
spicule-shaped disruption of pigmentation
37
(No Transcript)
38

• The extensive genetic heterogeneity in RP is
  complicated by additional patterns of inheritance
  described in nonsyndromic or syndromic RP.

39
Bardet-Biedl Sindrome

• retinal dystrophy
• polydactyly
• mental retardation
• obesity
• hypogonadism
• renal anomalies

40
So far 12 different genes have been identified as
responsible for this autosomal recessive disorder
and the presence of a third mutated allele
(triallelic inheritance), could suggest a
modifier of penetrance.
41

• BBS syndromes Gene Location
• Type 1 (BBS1) BBS1 (209901) 11q13
• Type 2 (BBS2) BBS2 (606151) 16q21
• Type 3 (BBS3) ARL6 (608845) 3p13-p12.
• Type 4 (BBS4) BBS4 (600374) 15q22.3-q23
• Type 5 (BBS5) BBS5 (603650) 2q31
• Type 6 (BBS6) MKKS (604896) 20p12
• Type 7 (BBS7) BBS7 (607590) 4q27
• Type 8 (BBS8) TTC8 (608132) 14q32.11

42
(No Transcript)
43
(No Transcript)
44
(No Transcript)
45
(No Transcript)
46
(No Transcript)
47

• Genetic heterogeneity is also present in several
  syndromes that present dysmorphic features
  (Noonan Syndrome, CHARGE, Sotos Syndrome, FG
  Syndrome, etc.)

48
Noonan Syndrome (NS)

• Mutations in PTPN11, KRAS and SOS1 genes cause
  approximately 60 of NS cases
• Recently, mutations in RAF1 have been reported in
  about 3 of all affected NS individuals
• Nevertheless, in a large portion of NS patients
  the genetic defect remains to be identified

49
CHARGE SYNDROME

• CHARGE syndrome is characterized by association
  of coloboma, heart anomaly, choanal atresia,
  retardation, genital and ear anomalies
• Patients with CHARGE syndrome have mutations
  involving the chromodomain helicase DNA-binding
  protein-7 (CHD7). The phenotype can also be
  caused by mutation in the semaphorin-3E gene
  (SEMA3E).
• Nevertheless, in a portion of CHARGE patients the
  genetic defect remains to be identified

50
FG Syndrome (FGS1) Opitz-Kaveggia syndrome

• Opitz-Kaveggia syndrome is due to mutations in
  the MED12 gene
• The designation Opitz-Kaveggia syndrome should be
  reserved for those cases with mutation in the
  MED12 gene. In part this is justified by the fact
  that a MED12 mutation was found in the family
  originally reported by Opitz and Kaveggia (1974)
• Several loci for the FG syndrome have been mapped
  to the X chromosome
• FGS2 (300321) to Xq28,
• FGS3 (300406) to Xp22.3,
• FGS4 (300422) to Xp11.4-p11.3
• FGS5 (300581) to Xq22.3

51

• Genetic heterogeneity is also a feature of some
  neurodegenerative disorders, such as
  Spinocerebellar Ataxia (SCA) or Hereditary
  Spastic Paraplegia (HSP).

52
(No Transcript)
53
(No Transcript)
54
MALATTIE AD INSORGENZA TARDIVA

• Un caso particolarmente importante di penetranza
  ridotta è rappresentato dalle malattie ad
  insorgenza tardiva.
• Le malattie genetiche non necessariamente devono
  essere congenite.
• Quelle congenite sono quelle che si presentano
  alla nascita.
• In alcune malattie, sebbene lalterazione
  genetica sia presente fin dalla nascita, il
  quadro clinico può manifestarsi nelletà adulta.
• Il ritardo nellinsorgenza può essere dovuto a

• lento accumulo di sostanze nocive
• morte rallentata di certi tessuti
• incapacità di riparare certe forme di danno
  ambientale
• geni oncosoppressori
• cause sconosciute

55
A

• probabilità di un individuo che ha il gene
  malattia di sviluppare i sintomi ad una certa
  età.
• rischio di un individuo figlio di un affetto di
  portare il gene malattia ad una determinata età.

B
56
ANTICIPAZIONE

• Lanticipazione è un caso particolare di
  espressività variabile.
• Lanticipazione descrive la tendenza da parte di
  alcune malattie genetiche a trasmissione
  autosomica dominante di divenire più gravi nelle
  generazioni successive.
• Lanticipazione può essere mascherata da
  variazioni casuali della severità.
• In molti casi può essere riferita ad errori della
  diagnosi.
• Il fenomeno dellanticipazione è stato spiegato
  con linstabilità di certi trinucleotidi repeat
  che possono espandersi in certe malattie (X -
  Fragile, Distrofia Miotonica, Malattia di
  Hungtington).
• La severità e letà di insorgenza in queste
  malattie correla con la lunghezza del repeat e
  questa tende ad espandersi attraverso le
  generazioni.

57
(No Transcript)
58
LA HUNTINGTINA

• Il gene codifica per una proteina di 330 kD la
  Huntingtina
• Sequenza trinucleotidica CAG ripetuta nella
  porzione codificante del gene
• Numero ripetizioni
• soggetti normali 9-32
• soggetti con HD 37-80

59
Correlazione n ripetizioni CAG / età esordio

• Esordio giovanile 60-80 triplette
• Esordio tardivo 40-50 triplette