Alterazioni del cariotipo umano: variazioni del numero dei cromosomi (aneuploidia, poliploidia

Quali sono le principali tecniche utilizzate per identificare mutazioni cromosomiche e in cosa si differenziano?

Le mutazioni cromosomiche possono essere identificate tramite la citogenetica classica (cariotipo), che permette di osservare visivamente la struttura dei cromosomi metafasici, oppure tramite tecniche molecolari più sofisticate come la FISH (Fluorescence In Situ Hybridization). La FISH si basa sul principio della complementarità delle basi del DNA e utilizza sonde specifiche che si legano a sequenze cromosomiche target. Rispetto al cariotipo, FISH consente di evidenziare microdelezioni o traslocazioni che sfuggono alla visualizzazione standard e può essere utilizzata anche su cellule in interfase o morte, rendendo possibile una diagnosi rapida e sensibile di alterazioni cromosomiche.

Come funziona la tecnica FISH e quali vantaggi offre rispetto alle tecniche convenzionali?

La FISH utilizza sonde di DNA marcate con fluorocromi che si legano in modo complementare alla sequenza target sui cromosomi. I cromosomi vengono preparati e denaturati per permettere l’ibridazione. Se la sonda trova la sequenza complementare, si osserva un segnale fluorescente al microscopio UV; se non trova il target, il segnale è assente. I principali vantaggi della FISH rispetto al cariotipo classico sono: possibilità di lavorare su cellule non in metafase o morte, rilevazione di alterazioni cromosomiche di piccola scala (da 40 kb fino a 4-5 Mb), rapidità della diagnosi e capacità di individuare riarrangiamenti complessi che sarebbero invisibili al microscopio convenzionale.

Quali sono i principali tipi di sonde FISH e a cosa servono?

Le sonde FISH possono essere classificate in base alla loro funzione:

• Sonde a sequenza unica: evidenziano microdelezioni o traslocazioni su specifiche regioni cromosomiche.

• Sonde centromeriche: utilizzate per diagnosi prenatale rapida, permettono di identificare rapidamente i cromosomi in interfase.

• Sonde telomeriche: individuano riarrangiamenti criptici nelle regioni subtelomeriche dei cromosomi.

• Sonde "paint" o intero cromosoma: marcano un intero cromosoma, utile per identificare materiale cromosomico di origine non definita.
  Questi strumenti consentono di analizzare in dettaglio la struttura cromosomica e di diagnosticare anomalie che sfuggono ad altri metodi.

Che cos’è la multicolor FISH (M-FISH) e quali applicazioni ha nella diagnosi genetica?

La M-FISH è una tecnica avanzata basata sulla FISH in cui si utilizzano più sonde, ciascuna marcata con un fluorocromo diverso, per distinguere contemporaneamente tutti i cromosomi umani (23 coppie). Le immagini vengono elaborate digitalmente, assegnando a ciascun cromosoma un colore specifico. Questa tecnica permette di identificare riarrangiamenti complessi, traslocazioni multiple e anomalie strutturali difficili da rilevare con FISH convenzionale. È particolarmente utile in oncologia, dove tumori spesso presentano riarrangiamenti cromosomici complessi, e in diagnosi prenatale avanzata.

Che cosa sono le mutazioni genomiche e come si distinguono euploidia e aneuploidia?

Le mutazioni genomiche sono variazioni del numero dei cromosomi rispetto al corredo tipico di una specie. Il numero aploide (n) è presente nei gameti, mentre il numero diploide (2n) si osserva nelle cellule somatiche.

• Euploidia: variazione del numero cromosomico per interi set aploidi (triploidi 3n, tetraploidi 4n, ecc.). Può derivare da errori nella divisione cellulare, endomitosi o mancata citocinesi.

• Aneuploidia: variazione del numero di uno o pochi cromosomi singoli (es. trisomie o monosomie). È spesso causata da non disgiunzione durante la meiosi o la mitosi.

Quali meccanismi possono portare a poliploidia e come differisce tra animali e piante?

La poliploidia si verifica quando un organismo possiede più set completi di cromosomi (3n, 4n, 5n, ecc.). Meccanismi:

• Mancata citocinesi dopo la cariocinesi.

• Endomitosi: replicazione dei cromosomi senza separazione cellulare.

• Politenia: cromosomi molto ispessiti con centinaia di cromatidi trattenuti insieme.

Nei vegetali la poliploidia è frequente e tollerata, permettendo anche allopoliploidia (set derivanti da specie diverse). Negli animali è rara e spesso causa sterilità se il numero di set è dispari; triploidia e tetraploidia umana si osservano in aborti spontanei e non sono compatibili con la vita.

Come si origina l’aneuploidia e quali tipi di non disgiunzione possono verificarsi durante la meiosi e la mitosi?

L’aneuploidia è una variazione numerica di singoli cromosomi. Meccanismi principali:

• Non disgiunzione in meiosi I: i cromosomi omologhi non si separano → tutti i gameti sbilanciati (metà con due copie, metà senza).

• Non disgiunzione in meiosi II: i cromatidi fratelli non si separano → metà dei gameti aploidi, metà sbilanciati (metà con due copie, metà senza).

• Non disgiunzione in mitosi: interessa solo alcune linee cellulari → soggetto “mosaico”.
  Se un gamete sbilanciato si feconda con un gamete normale, lo zigote sarà: trisomico (1 cromosoma in più) o monosomico (1 cromosoma in meno).

Quali sono alcune conseguenze biologiche della poliploidia e dell’aneuploidia nell’uomo e nelle piante?

• Poliploidia: negli animali è spesso incompatibile con la vita; set multipli pari possono dare fertilità parziale. Nei vegetali favorisce variazione genetica, robustezza e speciazione (autopoliploidia vs allopoliploidia).

• Aneuploidia: nell’uomo, trisomie (es. trisomia 21 → Sindrome di Down) e monosomie (es. monosomia X → Sindrome di Turner) hanno gravi conseguenze fenotipiche e spesso ridotta sopravvivenza. La gravità dipende dal cromosoma coinvolto e dal tipo di tessuto colpito.

Qual è il numero cromosomico tipico della specie umana e come differiscono le cellule somatiche dai gameti?

• Le cellule somatiche umane contengono 46 cromosomi: 22 coppie di autosomi + 1 coppia di cromosomi sessuali (XX femmina, XY maschio).

• I gameti contengono il numero aploide n = 23:

  • Femmina: tutti 23, X (omogameti)

  • Maschio: metà 23, X e metà 23, Y (eterogameti)

Variazioni del numero dei cromosomi possono portare ad aneuploidie, spesso causate da non disgiunzione meiotica, e correlano con la frequenza e l’età materna.

Quali sono le principali trisomie e monosomie umane compatibili con la vita e le loro caratteristiche fenotipiche?

• Trisomie autosomiche:

  • Sindrome di Down (Trisomia 21): 1/100-1/120 alla nascita; ritardo mentale, facies caratteristica, deficit neurologici e cardiaci; correlata all’età materna.

  • Sindrome di Edwards (Trisomia 18): 1/50-1/600; malformazioni cranio-facciali, arti corti, cuore e reni alterati; mortalità entro i primi mesi.

  • Sindrome di Patau (Trisomia 13): 1/30.000; ritardo mentale grave, malformazioni cranio-facciali, polidattilia, anomalie cardiache e renali; sopravvivenza molto ridotta.

• Aneuploidie sessuali:

  • Turner (45, X0): femmina, bassa statura, sviluppo sessuale incompleto, infertilità.

  • Klinefelter (47, XXY): maschio, statura alta, infertilità, sviluppo parziale di mammelle, problemi cognitivi moderati.

  • Varianti più complesse (48, XXYY; 49, XXXXY): maschi con disabilità fisiche e mentali più severe, infertilità, anomalie scheletriche.

  • Trisomia X (47, XXX): femmina, spesso con ritardo mentale lieve e fertilità ridotta.

Le condizioni derivano dalla fusione di un gamete sbilanciato (in più o in meno) con un gamete normale durante la fecondazione.

Quali sono le cause principali delle aneuploidie nella specie umana e come influiscono sull’età materna?

• Le aneuploidie autosomiche e sessuali derivano soprattutto da non disgiunzione meiotica, cioè dalla mancata separazione dei cromosomi o cromatidi durante la meiosi I o II.

• La frequenza delle aneuploidie aumenta con l’età materna, soprattutto per le trisomie.

• Le conseguenze fenotipiche dipendono dal cromosoma coinvolto e dalla combinazione di dosaggi genici anomali.

• Gli individui con cromosomi sbilanciati possono essere mosaici se la non disgiunzione avviene in cellule somatiche.

Perché la maggior parte delle aneuploidie autosomiche è incompatibile con la vita e quali trisomie autosomiche sono invece compatibili?

• Le aneuploidie autosomiche spesso producono un alto dosaggio genico, causando aborti spontanei o mancato impianto dell’embrione.

• Alcune trisomie sono compatibili con la vita, sebbene determinino gravi anomalie:

  • Trisomia 21 (Sindrome di Down)

  • Trisomia 18 (Sindrome di Edwards)

  • Trisomia 13 (Sindrome di Patau)

• Queste condizioni derivano da errori di non disgiunzione meiotica, spesso correlati all’età materna avanzata.

Quali sono le caratteristiche cliniche principali della Sindrome di Down e come varia il rischio in relazione all’età materna?

• Caratteristiche fisiche: brachicefalia, viso tondeggiante, epicanto, sella nasale piatta, lingua larga, mani piccole e dita corte.

• Problemi associati: ipotonia muscolare, cardiopatie, difese immunitarie ridotte, ritardo mentale variabile, deficit motorio.

• Frequenza legata all’età materna:

  • <20 anni: 1/1700-1/1400

  • 30-35 anni: 1/700

  40 anni: 1/100

  45 anni: 1/15

• Tipi di trisomia 21: libera (47, XX,+21/47, XY,+21), secondaria (traslocazione robertsoniana) e mosaicismo (46, XX/47, XX,+21).

• Aspettativa di vita: circa 50 anni con adeguato supporto medico e sociale.

Quali sono le caratteristiche della Sindrome di Edwards (Trisomia 18) e quali fattori influenzano l’incidenza?

• Frequenza: 1/6500 nati vivi, rapporto maschi/femmine 4:1.

• Caratteristiche: microcefalia, cranio allungato, orecchie malformate, mandibola piccola, ritardo mentale e motorio, cardiopatie e encefalopatie.

• Prognosi: sopravvivenza media 3 mesi maschi, 9 mesi femmine.

• Cause: non disgiunzione meiotica o mitotica; incidenza aumenta con età materna.

• Spesso associata ad altre aneuploidie sessuali (48, XXX,+18; 48, XXY,+18; 49, XXXY,+18).

Quali sono le caratteristiche principali della Sindrome di Patau (Trisomia 13)?

• Frequenza: circa 1/10.000 nati vivi, maschi e femmine ugualmente colpiti.

• Caratteristiche: cranio e occhi piccoli, orecchie malformate, labio-palatoschisi, dita malformate e polidattilia, difetti intestinali, cardiaci e renali, ritardo psicomotorio.

• Prognosi: sopravvivenza 3-4 mesi.

• Cause: non disgiunzione meiotica; circa 12% dei casi dovuti a traslocazioni robertsoniane (t(13;14)).

Come differiscono le aneuploidie sessuali dalle autosomiche e quali sono le principali condizioni?

• olleranza maggiore: gli effetti fenotipici sono meno gravi.

• Motivazioni: basso numero di geni sul cromosoma Y e compensazione di dose genica su X (Lyonizzazione).

• Principali aneuploidie sessuali:

  • 47, XXX (Trisomia X): femmine fertili, irregolarità mestruali, lieve ritardo mentale.

  • 47, XXY (Sindrome di Klinefelter): maschi sterili, statura alta, ginecomastia, deficit cognitivi lievi. Varianti: 48, XXXY; 48, XXYY; 49, XXXXY.

  • 47, XYY: maschi alti, fenotipo generalmente normale, lieve alterazione somatica.

  • 45, X0 (Sindrome di Turner): femmine sterili, bassa statura, collo taurino, anomalie scheletriche, amenorrea primaria.

Cosa sono il mosaicismo cromosomico e la poliploidia nell’uomo, e quali effetti hanno?

• Mosaicismo: presenza di linee cellulari con assetti cromosomici diversi nello stesso individuo (es. 47, XX,+21/45, XX). Spesso fenotipo più lieve, gravità correlata al numero di linee mutate.

• Poliploidia: triploidi o tetraploidi documentati solo in linee cellulari somatiche; incompatibile con la vita se presente in tutte le cellule.

Disomia uniparentale (UPD)

Che cos’è la disomia uniparentale (UPD), quali sono i principali meccanismi che la determinano e quali patologie possono derivarne?
Risposta:

• Definizione: La UPD è la condizione in cui uno zigote eredita entrambe le copie di una coppia di cromosomi da un solo genitore, pur mantenendo un corredo cromosomico numericamente corretto (46, XX o 46, XY).

• Meccanismi principali:

  1. Non disgiunzione nei genitori con unione di gameti sbilanciati.

  2. Isodisomia: duplicazione di un cromosoma presente singolarmente in uno zigote monosomico.

  3. Perdita di una copia alla prima divisione dello zigote seguita da duplicazione di quello rimasto.

  4. Recupero di trisomia: uno zigote trisomico perde casualmente un cromosoma nelle prime divisioni embrionali; se si conserva il cromosoma duplicato dello stesso genitore, si forma UPD (eterodisomia o isodisomia).

• Conseguenze cliniche:

  • Possibile manifestazione di malattie autosomiche recessive anche se solo un genitore è portatore eterozigote, a causa della duplicazione dell’allele mutato.

  • Fenotipi anomali diversi a seconda dell’origine parentale dei cromosomi coinvolti.

• Esempi di patologie associate a UPD:

  • Sindrome di Prader-Willi (PWS): disomia materna dei cromosomi 15 → difficoltà di alimentazione nei primi anni, poi iperalimentazione e obesità, lieve ritardo psicomotorio.

  • Sindrome di Angelman (AS): disomia paterna dei cromosomi 15 → movimenti muscolari incontrollati, risa frequenti, talvolta convulsioni.

• Meccanismo di imprinting genomico: il fenotipo dipende da quale genitore ha trasmesso i cromosomi; alcuni geni vengono espressi solo se ereditati da madre o padre.

• Nota: Nel 70% dei casi PWS/AS, le patologie derivano da microdelezioni del cromosoma 15; UPD interviene nei casi non dovuti a delezione.

Che cos’è l’ereditarietà mitocondriale, quali caratteristiche la distinguono e quali patologie sono associate?

• Definizione: L’ereditarietà mitocondriale è un tipo di trasmissione genetica legata al DNA dei mitocondri (mtDNA), diverso dal DNA nucleare. I mitocondri contengono un piccolo genoma circolare, che codifica per enzimi respiratori, rRNA e tRNA essenziali per la produzione di energia.

• Caratteristiche principali:

  1. Trasmissione materna: i mitocondri dello zigote derivano quasi esclusivamente dall’ovocita; pertanto i figli ereditano il mtDNA solo dalla madre, indipendentemente dal sesso.

  2. Eteroplasmia: nelle cellule possono coesistere mitocondri con mtDNA normale e mtDNA mutato; la proporzione determina la gravità del fenotipo.

  3. Soglia fenotipica: le malattie si manifestano solo se la frazione di mitocondri mutati supera un certo livello critico in un tessuto.

  4. Coinvolgimento di tessuti energeticamente attivi: i tessuti con alto fabbisogno energetico (muscolo scheletrico, cuore, cervello) sono più colpiti.

• Patologie associate:

  • MELAS: encefalopatia mitocondriale, acidosi lattica e ictus-like episodes.

  • Leber Hereditary Optic Neuropathy (LHON): neuropatia ottica ereditaria di Leber, porta a perdita della vista centrale.

  • MERRF: miocloni epilettici, ragged-red fibers.

  • Altre miopatie mitocondriali e sindromi multisistemiche.

• Nota: L’ereditarietà mitocondriale rompe il classico schema mendeliano: un maschio affetto non trasmette la malattia ai figli, mentre una femmina affetta può trasmetterla a tutti i figli.