GB Ferrero

Dipartimento di Scienze Pediatriche

Università degli Studi di Torino

Genetica e Ambiente

I singoli geni che occupano solo 1% del

genoma rappresentano l’unità fisica di

trasmissione del patrimonio genetico

Il patrimonio genetico umano :

46 cromosomi

22 coppie di autosomi e una coppia di

cromosomi sessuali (X e Y)

Le malattie cromosomiche

Sindrome di Down

Trisomia 21

Sindrome di Turner

Monosomia X

Fenilchetonuria

Malattia metabolica

assenza dell'enzima epatico

fenilalanina—idrossilasi

Malattie Monogeniche Mendeliane

Autosomica Recessiva

25% rischio di ricorrenza

Neurofibromatosi tipo I

Anomalie di sviluppo

cutanee

Scheletriche e del SNC

Ereditarieta’ autosomica

dominante

50% rischio di ricorrenza

Malattie Monogeniche Mendeliane

Ipertensione arteriosa

Diabete mellito tipo II

Familiarita’

NON ereditarieta’ mendeliana

Predisposizione genetica

Esposizione ambientale

Dieta Ipercalorica Iperlipidica

Malattie Multifattoriali

Gemelli monozigoti

Patrimonio genetico identico

Esposizione ambientale

embriofetale identica

Gemelli Dizigoti

Patrimonio genetico 50%

Esposizione ambientale

embriofetale identica

Lo studio dei Gemelli

Studio della concordanza per una specifica patologia – labiopalatoschisi

tra i due gruppi permette di definirne la base genetica o ambientale

February 2001

Publication of Initial Working Draft Sequence

Science - Feb. 16, 2001

Nature - Feb. 15, 2001

Working draft of the

human genome sequence.

A scientific milestone of enormous

proportions, the sequencing of the human

genome will impact all of us in diverse ways-

from our views of ourselves as human beings

to new paradigms in medicine.

La dimensione fisica del genoma aploide

3000 milioni di basi nucleotidiche ( ATCG)

Sequenza dei circa 25000 geni

Del patrimonio genetico dell’uomo

Il patrimonio genetico umano :

46 cromosomi :

22 coppie di autosomi e una coppia di

cromosomi sessuali (X e Y)

Genoma Geni

• Saccharomyces cerevisiae 12.1 Mb 6,034

• Caenorhabditis elegans 97 Mb 19,099

• Arabidopsis thaliana 100 Mb 25,000

• Wolfang Amadeus Mozart 3000 Mb 25,000

Sindrome da iperaccrescimento

Descritta nel 1964 da

Beckwith e Wiedemann:

Macroglossia,

macrosomia

Onfalocele

Sindrome di Beckwith-Wiedemann

Prevalenza 1:10.000 nati vivi

-Macroglossia

-Macrosomia (parametri auxometrici > 97%)

-Onfalocele/ernia ombelicale

-Visceromegalia - fegato, milza, reni, surrenali, pancreas

-Anomalie strutturali del rene, nefromegalia o nefrocalcinosi

-Emiperplasia - crescita asimmetrica di una o piu’ regioni del corpo

-Tumori embrionari nell’infanzia –

Wilms, epatoblastoma, rabdomiosarcoma

-Palatoschisi

Complesso Disturbo di sviluppo

Macrosomia - Macroglossia -Onfalocele

Sofferenza perinatale

Ipoglicemia neonatale da iperinsulinismo transitorio

La gravita’ del’Ipoglicemia neonatale correla con il Rit Mentale

Presentazione Neonatale

Iperaccrescimento raramente ad insorgenza post natale

Eta’ ossea avanzata

Iperaccrescimento caratterizzato

da emiperplasia

parziale o completa nel 12,5-25%

Sviluppo neuropsicomotorio:

normale nella maggior parte dei casi

Presentazione nell’Infanzia

Emiiperplasia

10% dei casi BWS sviluppa neoplasie

Rischio correla :

Emiiperplasia (49% dei casi )

Nefromegalia

Rischio Neoplastico

Sorveglianza Oncologica

Lapunzina P. Risk of tumorigenesis in overgrowth syndromes: a comprehensive review. Am J Med Genet C . 2005 Aug 15;137C(1):53-71

• 80% =

• Tumore di Wilms

• Epatoblastoma

• Ca surrenalico

• Rabdomiosarcoma

• Neuroblastoma

Spettro Neoplastico

Ecografia renale Dosaggio α-fetoproteina

Tumore di Wilms Epatoblastoma

Screening Classico

Descrizione casi familiari – circa il 10% delle casistiche

Anomalia dell’Imprinting genomico della

Regione cromosomica 11p15

Ereditarietà complessa – Non Mendeliana

Espressione monoallelica - paterna o materna - di un gene

Basi molecolari epigenetiche:

sequenza nucleotidica identica

l’ origine parentale differente

è responsabile di opposta regolazione di espressione

Fenomeno reversibile durante la meiosi

Imprinting Genomico

Imprinting Genomico

Cavallo + asina = BARDOTTO

Asino + cavalla = MULO

Maternal expressed genes red - Paternal expressed genes blue.

Genes shown in gray are not imprinted.

Differentially methylated regions (DMR1 and DMR2) are indicated

Methylation is indicated by a circle containing a methyl-group (CH3).

Non methylated DMR1 allows binding of CTCF zinc finger protein that insulates H19

Weksberg et al Hum Molec Genet.

Regione cromosomica 11p15

Sindrome di Silver Russel

Meccanismi Patogenetici SRS

Numerose segnalazioni di aumento prevalenza BWS

nelle coorti di bambini nati con tecniche di

Procreazione medicalmente assistita

Maher et al, Hum Molec Genet 14, 133-138, 2005.

Manipolazione embrionale

Ipotizzata la manipolazione embrionale come

possibile causa di disturbo dell’imprinting per perdita

di metilazione KvDMR1

Cause ??

Waddington, 1940:

interazione di geni e ambiente che permette lo sviluppo del fenotipo

Holliday and Pugh, 1975:

modificazioni chimiche covalenti, compresa la metilazione dei dinucleotidi CpG

Inattivazione del cromosoma X e Imprinting genomico dimostrarono l’ereditarietà

dei meccanismi epigenetici coinvolti nella regolazione dell’espressione genica

Epigenomica: ulteriore sviluppo del concetto che comprende ora

anche il coinvolgimeto della struttura cromatinica e

le modificazioni covalenti degli istoni

Epigenetica

Epigenetica

DNA Methylation

Histone Modifications

Apis mellifera:

Larve geneticamente identiche

NUTRITE in modo differente

pappa reale permette lo sviluppo dell’ Ape regina

Dimostrata induzione del fenotipo con

siRNA per Dnmt3 (DNA metil transferasi)

che modula l’ epigenotipo

Nelle fasi precoci dello sviluppo avvengono modificazioni

Nell’espressione espressione genica

che risultano in fenotipi diversi derivanti da un identico genotipo

Indotte dalle condizioni ambientali

Developmental Plasticity

da 1800 Kcal a 400-800 kcal

Adulti concepiti nel 1944-1945:

Obesita’,distubi dell’umore, anomalie metabolismo glicidico e lipidico

Carestia bellica in Olanda 1944-45

Persistent epigenetic differences associated with prenatal exposure to famine in humans

Hijmans et al, PNAS, 2008

A) Periconceptional exposure: Difference in methylation according to the mother's last menstrual period

before conception of the famine-exposed individual.

B) Exposure late in gestation: Difference in methylation according to the date of birth of the famine-exposed

individual. To describe the difference in methylation according to estimated conception and birth dates, a

lowess curve (red or blue) is drawn. The average distributed rations (in kcal/day) between December 1944

and June 1945 are depicted in green.

Anomalie Epigenetiche correlano con la carestia

Basso peso alla nascita correla con carestia nella fasi tardive della gravidanza

Ridotta metilazione IGF2 DMR correla con carestia nelle fasi precoci della gravidanza

Anomalie Epigenetiche correlano con la carestia

Persistent epigenetic differences associated with prenatal exposure to famine in humans

Hijmans et al, PNAS, 2008

Correlazione statisticamente significativa tra

Ridotto peso alla nascita (IUGR)

aumentato rischio di

patologia cardiovascolare ,

diabete mellito II, ipertensione e obesità

Le caratteristiche “ambientali” dello sviluppo embrio-fetale

condizionano lo sviluppo e le caratteristiche metaboliche

Sviluppo embriofetale e patologie croniche

2

Durante il Periodo della plasticità di sviluppo - periodo embriofetale e prime fasi post-natali -

epigenotipo induce un fenotipo indotto dalle condizioni ambientali

Maggiori le differenze tra ambiente durante la vita embrio-fetale ed eta’ adulta maggiori

saranno I rischi di patologia

Epigenotipo e Mismatch Concept

Mismatch concept:

origine delle patologie

croniche risiederebbe

squilibrio tra ambientale

embrio-fetale e post-

natale

Gofrey et al , Pediatric Research 2007

Ozanne et al , Nature Clinical Practice 2007

Epigenotipo e Mismatch Concept

Supplementazione con Acido Folico

L’ambiente modula l’epigenotipo nelle prime fasi dello sviluppo

Developmental plasticity

Nutrienti

Tossici

Supplementazioni vitaminiche

Manipolazione embrionale (?)

Mismatch embrio-fetale / vita adulta

Developmental origin of adult diseases

Conclusioni

Ringraziamenti

Prof Margherita Silengo

Dott Alessandro Mussa

Dott Nicoletta Chiesa

Università di Torino

Prof Andrea Riccio

Università di Napoli

Prof Lidia Larizza

Università di Milano

Approccio Farmacologico?

Catch-up Growth ?

Ringraziamenti

Prof Margherita Silengo

Dott Alessandro Mussa

Dott Nicoletta Chiesa

Università di Torino

Prof Andrea Riccio

Università di Napoli

Prof Lidia Larizza

Università di Milano

Distribution of the molecular functions of 26,383 human genes. Each slice lists the

numbers and percentages (in parentheses) of human gene functions assigned to a

given category of molecular function.

Citogenetica “classica”

limite di risoluzione

3 – 4 X 106 bp - 3-4 Megabasi

ovvero il

10% dei cromosomi

piu’ piccoli

Citogenetica molecolare

Aumenta il limite di risoluzione

20 – 40 X 103 bp

0.02-0.04 Megabasi

L’avvento della Citogenetica Molecolare

Cromosoma 7 normale

Cromosoma 7 deleto

FISH: ibridizzazione

in situ fluorescente

Conferma diagnostica di numerose

Sindromi da Microdelezione

Sindrome di Di George

Sindrome di Williams

Definizione di nuove Sindromi

Del 1p

Cariotipo Molecolare: analisi CGH array

Next generation sequencing

Numero di casi % tumori Reference

17/178 9.6 % Sotelo-Avila and Gooch [1976]

20/200 10 % Sotelo-Avila et al. [1980]

29/388 7.5 % Wiedemann [1983]

1/10 10 % Shah [1983]

2/13 15 % Turleau and de Grouchy [1985]

1/22 5 % Pettenati et al. [1986]

6/25 24 % Schneid et al. [1993]

3/81 4 % Elliott and Maher [1994]

1/15 7 % Weng et al. [1995]

8/38 21 % Schneid et al. [1991]

5/66 7.6 % Wiedemann [1997]

8/38 21 % Schneid et al. [1997]

13/183 7.1 % De Baun and Tucker [1998]

2/32 6.2 % Lapunzina et al. [1999]

1/27 3.7 % Borer et al. [1999]

22/159 14 % Goldman et al. [2002]

Lapunzina P. 2005 – Rump P. 2005

Totale:

122/1297 (10%)

Rischio Neoplastico

Meccanismi Patogenetici BWS

The KCNQ1OT1 Imprinting Control Region and non-coding RNA:

new properties derived from the study of Beckwith-Wiedemann

syndrome and Silver-Russell syndrome casesNChiesa1¶, A De Crescenzo2¶, KMishra3, L Perone4, MCarella5, O

Palumbo5, A Mussa1, A Sparago2,6, FCerrato2, SRusso7, E Lapi8, M V

Cubellis9, C Kanduri3,10, M Cirillo Silengo1, A Riccio2,6*, GB Ferrero1

Human Molecular Genetics : in press

Bassa densità popolazione:

Progenie Notturna e sedentaria

Alta densità popolazione:

Progenie diurna e migratoria

Nelle fasi precoci dello sviluppo avvengono modificazioni

di espressione genica

che risultano in fenotipi diversi da un identico genotipo

Developmental Plasticity