Imprinting genomico e cromosoma umano 15
GABRIELA M. REPETTO
Dipartimento di Pediatria, Facultad de Medicina, P. Universidad Católica de Chile, Santiago
Autore corrispondente: Gabriela Repetto. Dipartimento. di Pediatria, Facoltà di Medicina, P. Universidad Católica de Chile. Sistema di prenotazione alberghiera _ 2017 ©
ABSTRACT
L’imprinting genomico è un fenomeno reversibile che influenza l’espressione dei geni a seconda della loro origine genitoriale. I disturbi umani meglio caratterizzati derivanti da un’alterazione del processo di imprinting sono le sindromi di Angelman e Prader-Willi. Sono dovuti alla mancanza di geni materni o paterni attivi, rispettivamente, dalla regione cromosomica 15q11q13. La maggior parte dei casi si verifica tramite eliminazioni interstiziali. Esaminiamo le prove che altre alterazioni citogenetiche comuni di questa regione, duplicazioni interstiziali e soprannumerarie, potrebbero essere i prodotti reciproci delle delezioni e sono anche influenzate dal fenomeno dell’imprinting, data la predominanza di duplicazioni di origine materna nei pazienti accertate a causa di ritardi nello sviluppo o caratteristiche autistiche.
Termini chiave: cromosoma 15; eliminazioni/duplicazioni del cromosoma 15; imprinting genomico
Imprinting genomico
L’imprinting genomico è un fenomeno epigenetico che si traduce in espressione differenziale degli alleli a seconda della loro origine genitoriale. Sebbene questa caratteristica sia stata ben nota ai biologi per anni in diversi modelli animali e in particolare attraverso esperimenti di trapianto pronucleare, le sue conseguenze cliniche nell’uomo hanno solo recentemente iniziato a essere chiarite (Hoppe e Illmensee 1977, Sapienza e Hall 1995). Si stima che meno dell ‘ 1% del genoma umano sia soggetto a imprinting e sono stati identificati diversi gruppi di geni impressi. Ci sono prove che il processo di silenziamento preferenziale degli alleli si verifica durante la meiosi, è mediato attraverso la metilazione del DNA, così come le differenze temporali di replicazione allele-specifiche ed è “resettato” in ogni generazione (Nicholls 1994, Knoll et al 1994, Ledbetter e Engel 1995). Il processo di imprinting e le sue alterazioni sono ora noti per essere coinvolti in diversi disturbi umani tra cui alcuni tipi di cancro; questa revisione si concentrerà solo sulla regione cromosomica impressa 15q11q13.
Regione del cromosoma umano 15q11q13
Una delle regioni impresse umane meglio caratterizzate si trova nel braccio lungo prossimale del cromosoma 15. Diversi geni sono stati identificati in questa regione e almeno sette geni e trascritti sono noti per essere attivi solo dalla copia paterna: ZNF127, NDN, SNURF, SNRPN, IPW, PAR1 e PAR5 (Robinson et al 1997, Cassidy et al 2000). Un solo gene in questa regione, UBE3A, ha dimostrato di essere espressa esclusivamente dall’allele materno (Kishino et al., 1997, Matsuura et al., 1997), e questa espressione differenziale è particolarmente evidente nel cervello (Rougeulle C et al 1997, Vu e Hoffman 1997). Studi murini hanno dimostrato l’espressione di UBE3A solo materna in porzioni specifiche del cervello, come le cellule di Purkinje, le regioni dell’ippocampo e il nervo olfattivo (Albrecht et al 1997). Inoltre, studi su pazienti con piccole delezioni o traslocazioni hanno dimostrato la presenza di un centro di imprinting ad azione cis (Ohta et al 1999). Un gene non impresso di questa regione, il gene P, coinvolto nella biosintesi della melanina, è degno di nota a causa delle anomalie pigmentarie osservate in alcuni pazienti con alterazioni citogenetiche di questa regione (vedi sotto) (Lee et al 1994).
Disturbi umani dovuti agli effetti di imprinting del cromosoma 15
“Geni attivi mancanti”: Sindromi di Angelman e Prader-Willi
Le conseguenze cliniche del processo di imprinting e dei suoi difetti sono state descritte per la prima volta in pazienti con sindromi di Angelman (AS) e Prader-Willi (PWS), due cause fenotipicamente distinte di ritardo mentale (MR). I pazienti con AS hanno MR grave, discorso assente o minimo, convulsioni, andatura atassica, attacchi di risate eccessive, micrognazia e, in alcuni casi, ipopigmentazione (Williams et al 1995). Al contrario, i pazienti con PWS hanno ipotonia centrale neonatale, lieve deterioramento cognitivo, iperfagia dell’esordio infantile con conseguente obesità, ipogonadismo ipogonadotropo, piccole mani e piedi, caratteristiche facciali caratteristiche e alcuni hanno anche ipopigmentazione (Holm et al 1993). Entrambe le sindromi, che differiscono chiaramente nelle loro caratteristiche fenotipiche, condividono eziologie comuni: circa il 70% dei pazienti ha una delezione di 15q11q13, solitamente rilevabile con l’uso di tecniche come l’ibridazione in situ a fluorescenza (FISH) (Cassidy et al 1996, 2000). Le eliminazioni coinvolgono la copia ereditata dalla madre in individui con AS, mentre quelli con PWS hanno eliminazioni dell’allele paterno (Knoll et al 1989). Si pensa che la delezione del gene P sia la causa dell’ipopigmentazione. L’analisi molecolare delle eliminazioni ha dimostrato che la maggior parte dei pazienti condivide una regione eliminata comune di circa 4 Mb, con breakpoint prossimali tra i marcatori D15S18 e D15S541 o tra D15S541 e D15S543 e breakpoint distali tra D15S12 e D15S24 (Kuwano et al 1992, Christian et al 1995, Amos-Landgraf et al 1999). Questo raggruppamento di punti di interruzione è indicativo di instabilità della regione.
Quasi il 30% dei pazienti con PWS e il 10% di quelli con AS hanno disomia uniparentale (UPD) del cromosoma 15, che è l’eredità di entrambi gli omologhi dallo stesso genitore (Nicholls 1993, Cassidy et al 2000). Questa anomalia sembra derivare dal salvataggio della trisomia o della monosomia e porta all’assenza del normale contributo biparentale dei geni in questa regione (Ledbetter e Engel 1995). La disomia uniparentale viene regolarmente valutata nei laboratori clinici mediante analisi microsatellite o valutando lo stato di metilazione, sia con Southern blot che con PCR specifica per metilazione (Cassidy et al 1996, Kubota et al 1996).
Entrambi i meccanismi, microdelezioni e UPD, sembrano essere eventi sporadici di basso rischio di recidiva per i fratelli dei pazienti affetti. Sono stati riportati alcuni casi di AS e PWS ricorrenti nelle famiglie. I meccanismi sottostanti sono stati l’imprinting di mutazioni centrali o delezioni in PWS (Buiting et al 1994 e Ohta et al 1999) e in effetti, mutazioni della copia materna di UBE3A in casi AS (Kishino et al 1997, Matsuura et al 1997) coerenti con la nozione che quest’ultimo è una condizione monogenica. Quando la madre è portatrice di mutazioni, il rischio per la sua prole di avere AS è del 50%. Come detto sopra, UBE3A, che codifica per una proteina coinvolta nell’ubiquitinazione, è l’unico gene noto della regione che è espresso esclusivamente dalla copia materna. Non è chiaro se il fenotipo PWS sia dovuto alla mancanza di uno o più geni; il pensiero attuale è che corrisponda a una sindrome genica contigua. In sintesi, un’assenza di contributo di geni paterni nella regione si traduce in PWS, un’assenza di geni materni-attivi si traduce nel fenotipo AS e diversi meccanismi potrebbero spiegare questi fenomeni.
“Geni extra”: Duplicazioni soprannumerarie e interstiziali
Altri riarrangiamenti possono interessare questa regione cromosomica, le più comuni sono le duplicazioni, che possono essere soprannumerarie o interstiziali. Le duplicazioni soprannumerarie si trovano frequentemente come cromosoma dicentrico bisatellitato 15 (dic (15)). Questi sono uno dei marcatori soprannumerari più comuni, rappresentando il 50% di quelli trovati durante il cariotipo di routine (Webb 1994). In base alla presenza o all’assenza di geni dalla comune regione AS/PWS, questi marcatori possono essere classificati in dic piccoli e grandi (15)s, che differiscono anche nelle loro conseguenze cliniche (Webb 1994). I piccoli dic (15)s possono essere familiari e nella maggior parte dei casi sono associati a fenotipi normali, ma i grandi dic (15) s sono solitamente osservati in pazienti con ritardi dello sviluppo e autismo o caratteristiche autistiche, di solito accompagnate da altri risultati come ipotonia, convulsioni e aspetto facciale caratteristico. Le analisi molecolari di questi marcatori hanno dimostrato che il piccolo dic (15) ha punti di interruzione simili al punto di interruzione della delezione prossimale come descritto sopra, tra D15S18 e D15S541 o D15S541 e D15S543. Generalmente non contengono copie extra dei geni impressi e possono essere di origine materna o paterna. Al contrario, c’è una variazione più ampia nella dimensione dei grandi dic (15)s, con alcuni che si estendono al punto di interruzione della delezione distale comune tra D15S12 e D15S24, ma con alcuni marcatori di estensione ancora più grande (Cheng et al 1994). Ciò implica che questi pazienti hanno tetrasomia per i geni dalla regione impressa. Sorprendentemente, la maggior parte dei pazienti segnalati ha dic (15)s derivato dai cromosomi materni, la maggior parte derivata da entrambi gli omologhi, suggerendo che hanno avuto origine nella meiosi I (Wolpert et al 2000). Mancano studi sull’espressione genica, probabilmente a causa dell’assenza di geni attivi esclusivamente materni che potrebbero essere valutati nel sangue o in altri campioni. Uno studio recente con RT-PCR ha mostrato un apparente eccesso di trascrizione di SNRPN in un individuo con un dic grande (15) e caratteristiche autistiche rispetto alle sequenze di controllo, suggerendo che i geni in eccesso potrebbero essere in grado di sfuggire al processo di imprinting (Muralidhar et al 1999). La relazione di questa scoperta con il fenotipo cognitivo non è chiara.
Gli studi di individui con duplicazioni interstiziali che si traducono in trisomia per i geni nella regione mostrano anche punti di interruzione simili alle eliminazioni. I pazienti con duplicazioni di origine materna sono stati identificati nel corso della valutazione dei ritardi dello sviluppo e sembra che le duplicazioni paterne siano asintomatiche (Cook et al 1997, Repetto et al 1998).
La predominanza delle duplicazioni ereditate dalla madre suggerisce che gli eventi che portano alle duplicazioni sono più comuni durante la meiosi femminile o che vi è un pregiudizio di accertamento, che può essere dovuto a un fenotipo normale o più lieve o alla mortalità precoce delle duplicazioni derivate paternalmente. Studi su pazienti accertati in modo imparziale, ad esempio durante la diagnosi prenatale, aiuteranno a chiarire il significato delle osservazioni.
CONCLUSIONI
L’imprinting è un fenomeno complesso che modifica la semplice ereditarietà mendeliana. Le sue implicazioni per l’uomo sono state riconosciute solo di recente, in particolare attraverso gli studi sulle malattie che derivano da anomalie nel normale processo di ereditarietà biparentale. È interessante notare che le alterazioni descritte della regione cromosomica 15q11q13 condividono punti di interruzione comuni, il che suggerisce che potrebbe esserci un meccanismo comune per queste anomalie. È possibile che le alterazioni derivino da eventi di incrocio disuguali nella meiosi e che le eliminazioni e le duplicazioni siano prodotti reciproci. Questo è stato descritto per altri disturbi, come il tipo IA di Charcot-Marie-Tooth e la neuropatia ereditaria con responsabilità alle paralisi da pressione nel cromosoma 22 (Chance et al 1994). Cluster di sequenze ripetute sono stati descritti nei punti di interruzione comuni nel cromosoma 15, rendendo questa ipotesi plausibile (Amos-Landgraf et al 1999).
È anche evidente che questi disturbi condividono la presenza di vari gradi di disfunzione cognitiva, sebbene i fenotipi specifici siano abbastanza diversi. Ciò potrebbe essere dovuto al clustering di geni che codificano per i recettori dei neurotrasmettitori come le subunità del recettore gamma amino butirrico (Greger et al 1995, Cassidy et al 2000). Le anomalie citogenetiche del cromosoma 15 sono la causa nota più comune di disturbo autistico. Inoltre, studi di collegamento in individui con questo e altri disturbi correlati senza anomalie citogenetiche hanno mostrato risultati positivi per i marcatori in questa regione, suggerendo la presenza di geni di suscettibilità (Cook et al 1998). Chiaramente, si deve imparare molto di più sul processo di imprinting, sulle sue implicazioni per le malattie umane e in particolare sui disturbi qui descritti che rappresentano una percentuale significativa di cause di disabilità cognitive.
ALBRECHT U, SUTCLIFFE JS, CATTANACH BM, BEECHEY CV, ARMSTRONG D, EICHELE G, BEAUDET AL (1997) Espressione impressa del gene murino della sindrome di Angelman, Ube3a, nei neuroni dell’ippocampo e di Purkinje. Nat Genet 17: 75-78
AMOS-LANDGRAF JM, JI Y, GOTTLIEB W, DEPINET T, WANDSTRAT AE, CASSIDY SB, DRISCOLL DJ, ROGAN PK, SCHWARTZ S, NICHOLS RD (1999) La rottura del cromosoma nelle sindromi di Prader-Willi e Angelman comporta la ricombinazione tra ripetizioni grandi e trascritte a punti di interruzione prossimale e distale. Am J Hum Genet 65: 370-386
BUITING K, SAITOH S, GROSS S, DITTRICH S, SCHWARTZ S, NICHOLLS RD, HORTHEMSKE B (1994) Microdelezioni ereditate nelle sindromi di Angelman e Prader-Willi definiscono un centro di imprinting sul cromosoma umano 15. Nat Genet 9: 395-400
CASSIDY SB, BEAUDET AL, KNOLL JHM, LEDBETTER DH, NICHOLLS RD, SCHWARTZ S, BUTLER MG, WATSON M (1996) Test diagnostici per le sindromi di Prader-Willi e Angelman: Relazione del comitato di test e trasferimento tecnologico ASHG / ACMG. Il sito utilizza cookie tecnici e cookie di profilazione, di terze parti e di terze parti.: disturbi della sorella impressa. Am J Med Genet 97: 136-146
CHANCE PF, ABBA SN, LESCH MN, PENTAO L, ROA BB, PATEL PI, LUPSKI JR (1994) Due neuropatie autosomiche dominanti derivano dalla duplicazione/delezione reciproca del DNA di una regione sul cromosoma 17. Hum Molec Genet 3: 223-228
CHENG S-D, SPINNER N, ZACKAI E, KNOLL JHM (1994) Caratterizzazione citogenetica e molecolare del cromosoma 15 duplicato invertito da 11 pazienti. Am J Hum Genet 55:753-759
CHRISTIAN SL, ROBINSON WP, HUANG B, MUTIRANGURA A, LINE MR, NAKAO M, SURTI U, CHAKRAVARTI A, LEDBETTER DH (1995) Caratterizzazione molecolare di due regioni di breakpoint di delezione prossimale in prossimale in entrambi i pazienti con sindrome di Prader-Willi e Angelman. Am J Hum Genet 57: 40-48
COOK EH, LINDGREN V, LEVENTHAL BL, COURCHESNE R, LINCOLN A, SHULMAN C, LORD C, COURCHESNE E (1997) Autismo o autismo atipico nella duplicazione prossimale 15q materna ma non paternalmente derivata. Am J Hum Genet 60:928-934
COOK EH, COURCHESNE RY, COX NJ, LORD C, GONEN D, GUTER SJ, LINCOLN A, NIX K, HAAS R, LEVENTHAL BL, COURCHESNE E (1998) Mappatura del legame-squilibrio del disturbo autistico con marcatori 15q11q13. Am J Hum Genet 62:1077-1083
GREGER V, KNOLL JH, WOOLF E, GLATT K, TYNDALE RF, DELOREY TM, OLSEN RW, TOBIN AJ, SIKELA JM, NAKATSU Y (1995), L’acido gamma-aminobutirrico receptor gamma 3 gene della subunità (GABRG3) è strettamente legata al gene della subunità alfa 5 (GABRA5) sul cromosoma umano 15q11-q13 ed è trascritto con lo stesso orientamento. Genomica 26:258-64
HOLM V, CASSIDY SB, BUTLER MG, HANCHETT JM, GREENSWAG LR, WHYMAN BY, GREENBERG F (1993) Sindrome di Prader-Willi: criteri diagnostici di consenso. Pediatria 91: 398-402
HOPPE PC, ILLMENSEE K (1977) microchirurgicamente ha prodotto topi uniparentali omozigoti-diploidi. Proc Natl Acad Sci USA 74: 5657
KISHINO T, LALANDE M, WAGSTAFF J (1997) Le mutazioni UBE3A / E6AP causano la sindrome di Angelman. Nat Genet 15:70-73
KNOLL JHM, NICHOLLS RD, MAGENIS RE, GRAHAM JM Jr, LALANDE M, LATT SA (1989) Le sindromi di Angelman e Prader-Willi condividono una delezione comune del cromosoma 15 ma differiscono nell’origine parentale della delezione. Am J Med Genet 32: 285-90
KNOLL JH, CHENG SD, LALANDE M (1994) Specificità dell’allele del tempo di replicazione del DNA nella regione cromosomica impressa dalla sindrome di Angelman/Prader-Willi. Nat Genet. 6:41-6
KUBOTA T, SUTCLIFFE JS, ARADHYA S, GILLESSEN-KAESBACH G, CHRISTIAN SL, HORTHEMKE B, BEAUDET AL, LEDBETTER DH (1996) Studi di validazione della metilazione SNRPN come test diagnostico per la sindrome di Prader-Willi. Am J Med Genet 66: 77-80
KUWANO A, MUTIRANGURA A, DITTRICH B, BUITING K, HORTHEMSKE B, SAITOH S, NIIKAWA N, LEDBETTER SA, GREENBERG S, CHINAULT AC, LEDBETTER DH (1992) Dissezione molecolare della regione della sindrome di Prader-Willi / Angelman (15q11q13) mediante clonazione YAC e analisi dei PESCI. Hum Molec Genet 1: 417-425
LEDBETTER DH, ENGEL E (1995) Disomia uniparentale nell’uomo: sviluppo di una mappa di imprinting e sue implicazioni per la diagnosi prenatale. Hum Mol Genet 4:1757-1764
LEE S-T, NICHOLLS RD, STRUNK KM, BUNDEY S, LAXOVA R, MUSARELLA M, SPRITZ RA (1994) Mutazioni del gene P nel tipo II albinismo oculo-cutaneo, la sindrome di Prader-Willi plus albinismo e “autosomica recessiva albinismo” N Engl J Med 330:529-534
MATSUURA T, SUTCLIFFE JS, FANG P, GALJAARD RJ, JIANG YH, BENTON CS, ROMMENS JM, BEAUDET AL (1997) De novo troncando le mutazioni in E6-AP ubiquitina-proteina ligasi (gene UBE3A) nella sindrome di Angelman. Nat Genet 15:74-77
MURALIDHAR B, MARNEY A, BUTLER MG (1999) Analisi di geni impressi in soggetti con sindrome di Prader-Willi e anomalie del cromosoma 15. Genetics in Medicine 1: 141-145
NICHOLLS RD (1993) Genomic imprinting and uniparental disomy in Angelman and Prader-Willi syndrome: a review. Am J Med Genet 46: 16-25
NICHOLLS RD (1994) Nuove intuizioni rivelano meccanismi complessi nell’imprinting genomico. Am J Hum Genet 54:733-740
OHTA T, GRAY TA, ROGAN PK, BUITING K, GABRIEL JM, SAITOH S, MURALIDHAR B, BILIENSKA B, KRAJEWSKA-WALASEK M, DRISCOLL DJ, HORTHEMSKE B, BUTLER MG, NICHOLLS RD (1999) Meccanismo di Imprinting-mutazione nella sindrome di Prader-Willi. Il progetto è stato realizzato nel 1998, con la collaborazione di un team di esperti del settore. Duplicazioni interstiziali della regione cromosomica 15q11q13: caratterizzazione clinica e molecolare. Genet 79:82-8
ROBINSON WP, HORTHEMSKE B, LEONARD S, MALCOLM S, MORTON C, NICHOLLS RD, RITHCHIE RJ, ROGAN PK, SCHULTZ R, SHARP J, TRENT R, WEVRICK R, WILLIAMSON N, KNOLL JHM (1997) Relazione del terzo workshop internazionale sul cromosoma umano 15 mappatura 1996. Cytogenet Cell Genet 76:1-13
ROUGEULLE C, GLATT H, LALANDE M (1997) Il gene della sindrome di Angelman, UBE3A/E6AP, è impresso nel cervello. Nat Genet 17:14-15
SAPIENZA C, HALL JG (1995) Imprinting genetico e malattia umana. In: SCRIVER CR, BEAUDET AL, SLY WS, VALLE D (eds) Le basi metaboliche e molecolari della malattia ereditaria. 7a ed. New York: Mc Graw-Hill. pp: 437-458
VU TH, HOFFMAN AR (1997) L’imprinting del gene della sindrome di Angelman, UBE3A, è limitato al cervello. Nat Genet 17: 12-13
WEBB T (1994) Inv dup (15) cromosomi marcatore soprannumerario. Nel 1995 È stato PUBBLICATO IL PRIMO ALBUM IN STUDIO DELLA BAND, “THE WORLD”, pubblicato nel 1995. Sindrome di Angelman: consenso per criteri diagnostici. Fondazione Sindrome di Angelman. In questo caso, la maggior parte dei probandi con disturbo autistico e cromosoma isodicentrico 15 sono in grado di rilevare il cromosoma 15. Am J Med Genet 96:365-372