aa - Università degli Studi di Parma

Difetti congeniti del metabolismo I
Lezione 1
By NA
Un po’ di storia
1908 Garrod descrive l’alcaptonuria in alcune famiglie e formula la
definizione “difetto del metabolismo” , cioe’ l’incapacita’ di
effettuare una reazione biochimica essenziale
1911 Wilson scopre che la cecita’ ai colori e’ un carattere legato
al cromosoma X
1940 Beadle e Tatum dimostrano che la Neurospora auxotrofa
e’ incapace di produrre gli enzimi per sintetizzare i nutrienti
1944 Avery dimostra che il DNA e’ il materiale ereditario
1953 Watson e Crick descrivono la struttura del DNA
1961 Gutrie mette a punto i primi screening biochimici
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Ancora storia
1964 Niremberg decifra il codice genetico
1967 Viene mappato sul cromosoma 17 il gene della timidina chinasi
1970 Khorana sintetizza in vitro un gene
1977 Clonaggio del primo gene umano (lattogene placentare -Shine)
1978 Prima proteina(somastatina) prodotta con l’ingegneria genetica(
Itakura)
1978 Kan individua RFLP e esegue la prima diagnosi prenatale
molecolare
1985 Jeffrey mette a punto il DNA fingerprinting e Saiki la PCR
1997 Clonazione della pecora Dolly
2003 fine del sequenziamento del genoma umano
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Ricordiamo Mendel
1a legge di Mendel
I due membri di una coppia di
alleli segregano (si separano)
durante la formazione dei
gameti,in modo che meta’ di
questi porti un membro della
coppia e l’altra meta’ porti
l’altro
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Un po’ di terminologia
Genotipo: costituzione
genetica di un individuo
in relazione ad un particolare carattere
Fenotipo:manifestazione fisica del carattere
Autosomico: locus che mappa su un autosoma
Legato al sesso : locus che mappa sui cromosomi
sessuali
Omozigote: individuo in cui entrambi gli alleli sono uguali
Dominante: Carattere che si manifesta in eterozigosi
Recessivo: Carattere che si manifesta in omozigosi
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Dominanza e recessivita’
Omozigote: individuo in cui entrambi gli alleli
di un locus sono uguali
Eterozigote: individuo in cui gli alleli di un locus sono differenti
 Ricordare che omozigote ed eterozigote non sono
sinonimi di dominante e recessivo
Dominante: Carattere che si manifesta in eterozigosi
Recessivo: Carattere che si manifesta in omozigosi
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Dominanza e recessivita’
Sono concetti che si riferiscono alla modalita’ di trasmissione
Sono dovuti all’interazione del prodotto dei singoli locus con
l’ambiente e il background genetico del singolo individuo
Si applicano percio’ alla popolazione non all’individuo e non al gene
inteso come sequenza di DNA o locus.
 In alcune patologie (es.Fibrosi Cistica) gli affetti
possono essere definiti eterozigoti composti:questo perche’
esistono mutazioni diverse che provocano la malattia. Di fatto gli affetti
non hanno l’allele normale, ma due alleli patologici. Geneticamente sono
eterozigoti perche’ hanno due alleli diversi, ma dal punto di vista fenotipico
sono indistinguibili dagli omozigoti. Il carattere e’ comunque recessivo
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Difetti congeniti del metabolismo I
Nel 1908 Sir Archibald Garrod noto’ che alcune malattie ricorrevano
nelle famiglie. Le nozioni di biochimica erano ancora limitate e si
ignoravano del tutto le relazioni biochimiche con l’eredita’. Tuttavia
egli ipotizzo’ che la malattia fosse legata ad un blocco ereditario di
un percorso biochimico essenziale. Egli descrisse due difetti del
metabolismo della tirosina : albinismo e alcaptonuria.Descrisse inoltre
la cistinuria e la pentosuria
Egli parti’ dall’osservazione che alcuni soggetti con artrite degenerativa
presentavano urine che scurivano se esposte all’aria, palato pigmentato…
Egli noto’ anche che se a questi pazienti veniva somministrato acido
omogentisinico, questo veniva escreto in grosse quantita’ nelle urine. La
stessa escrezione aumentata sia ritrovava se i pazienti avevano una
dieta ricca di proteine e soprattutto se nella dieta c’erano tirosina e
fenilalanina, cosa che non si verifica in persone normali
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Difetti congeniti del metabolismo II
Garrod interpreto’ queste osservazioni ipotizzando che l’acido omogentisinico
fosse un normale prodotto del metabolismo della fenilalanina e della tirosina,
che normalmente non viene escreto perche’ trasformato in altri metaboliti.
Negli alcaptonurici questa trasformazione non puo’ aver luogo e percio’ viene
accumulato in alcuni tessuti ed escreto nelle urine.
Egli espresse il concetto di via metabolica come insieme di passaggi
mediati da enzimi (Garrod AE: The Croonian lectures on inborn errors of
metabolism.Lancet 2 :1-7;73-79;142-148;214-220,1908 ):
“Il concetto di metabolismo come un blocco sta cedendo il passo
alla visione di metabolismo come comparti. L’idea che sta
emergendo e’ che ci sono passaggi (step) successivi nel costruire e
nel distruggere…… particolari molecole proteiche e zuccheri ad
opera di fermenti speciali che vengono utilizzati per scopi definiti”
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Difetti congeniti del metabolismo
III
Garrod sottolineo’ inoltre la presenza della familiarita’ (Cfr. Lancet…):
“Queste anormalita’ si verificano in piu’ fratelli e sorelle i cui
genitori non manifestano nessun tipo di anomalia. Inoltre la
trasmissione diretta da genitore a figli e’ estremamente rara”
In 8 delle 17 famiglie da lui studiate i genitori erano cugini primi:
Bateson (biologo inglese che conio’ il termine genetica) a cui Garrod si
rivolse per sapere se questa informazione potesse avere rilevanza,
interpreto’ il dato alla luce delle neo riscoperte leggi di Mendel. Egli
comprese che il matrimonio fra cugini primi crea le condizioni per rendere
piu’ probabile la comparsa di caratteri recessivi rari.
La conseguenza di queste osservazioni era che l’allele normale fosse in qualche
modo necessario per la produzione di uno specifico enzima.
 Era il primo indizio che i geni codificano per gli enzimi
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Difetti congeniti del metabolismo IV
Garrod intui’ il concetto di individualita’ biochimica e genetica (Cfr. Lancet…):
“L’esistenza dell’individualita’ chimica segue necessariamente dalla
specificita’ chimica. Anche quelle incompatibilita’ nei confronti di
medicine ed alimenti che sono riportate nel detto che dice che il cibo
di un uomo puo’ essere il veleno di un altro, hanno presumibilmente
una base chimica (e genetica)”.
Garrod fu quindi un profeta anche della farmacogenetica e intui’ il
concetto di suscettibilita’ genetica come background su cui agiscono gli
agenti esogeni. Come tutti i profeti non fu molto seguito all’epoca: le sue
intuizioni erano troppo innovative per i sui tempi. Bisogno’ aspettere quasi
40 anni (una generazione!) perche’ le sue idee trovassero conferma.
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Difetti congeniti del metabolismo V
Negli anni ‘40 grazie agli sperimenti di Beadle e Tatum su Neurospora
si dimostro’ che i singoli step metabolici sono controllati da singoli
enzimi e singole mutazioni alterano singole funzioni.
 Venne formulata l’ipotesi “un gene, un enzima” che
prevede che per ogni proteina enzimatica esista un locus
e che i percorsi metabolici siano una catena reazioni
dovute all’azione di piu’ enzimi.
Beadle e Tatum non partirono dalle osservazioni di Garrod quando fecero i loro
esperimenti, dal momento che all’epoca ignoravano le sue osservazioni,ma nel
1958 quando ricevettero il Nobel, Beadle nel suo discorso di accettazione
riconobbe il contributo di Garrod:“ Noi abbiamo dimostrato cio’
che Garrod aveva visto chiaramente parecchi anni prima. Venimmo a
conoscenza del suo lavoro e fummo consapevoli che avevamo aggiunto
poco o niente alla teoria”.
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Difetti congeniti del metabolismo
VI
I difetti congeniti del metabolismo
sono ereditati con modalita’ recessiva.
Perche?
Una via metabolica e’ un percorso complesso articolato in
piu’ reazioni catalizzate da enzimi. Gli enzimi sono
molecole proteiche in grado di espletare la loro funzione
in piccole quantita’ e non si consumano nel corso della
reazione. Di solito le quantita’ sintetizzate di enzima sono
in eccesso rispetto alle necessita’ della reazione.
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Un gene- un enzima
La teoria di Beadle e Tatum prevede che l’assenza di un enzima porti
oltre che al blocco del percorso metabolico,anche l’accumulo delle
sostanze a monte del blocco e la mancanza dei prodotti a valle
Geni funzionanti
substrato
enzima
A
Un gene mutato*
substrato
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gene B
gene A
A
a
B
b
C
gene B
gene A
enzima
a
enzima
gene C
B
enzima
b
enzima
c
gene c*
C
accumulo di A,B,C
gene D
D
enzima
d
gene D
D
prodotto
finale
E
prodotto
finale
enzima
d
assenza di D ed E
E
LOCUS A
Genotipo
AA
Aa
aa
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Enzima
Perche’ recessivi
Substrato +
enzima
prodotto +
enzima
Autosomica recessiva
aa
A-
?
Aa
?
A-
A?
A-
Aa
Aa Aa
Aa
Aa
aa
aa
aa
?
?
A- A-
?
aa aa A-
Sono colpiti entrambi i sessi
I genitori degli affetti di
solito sono portatori non affetti
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aa
 Gli individui affetti di solito
sono figli di non affetti
Ciascun figlio successivo all’affetto
ha il 25% di probabilita’ di essere affetto
Aumentata incidenza della
consanguineita’
Le lezioni del modulo di genetica umana del corso di
Genetica II sono disponibili in rete all’indirizzo:
http://www.biologia.uniba.it/DIGEMI/Didattica.html
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