1. PATOLOGIA
MOLECOLARE
EVOLUZIONE DEL CONCETTO DI PATOLOGIA
PATOLOGIA DEL DNA
PATOLOGIA DEL RNA
PATOLOGIA DELLE PROTEINE
PATOLOGIA DEGLI ZUCCHERI
PATOLOGIA DEI LIPIDI
2. Evoluzione dello studio della
patologia
PATOLOGIA D’ ORGANO
↓
PATOLOGIA CELLULARE
↓
PATOLOGIA METABOLICA
↓
PATOLOGIA SUBCELLULARE
↓
PATOLOGIA MOLECOLARE
↓
“DALLA MOLECOLA AL SINTOMO”
3. Patologia molecolare: finalità e metodi
Correlazione: Struttura – Funzione
Interazione: Ambiente – Genoma
Metodi:
1) Genomica (Farmacogenomica, Nutrigenomica, etc)
2) Postgenomica e Proteomica
4. Patologia molecolare: oggetti di studio
Molecole Biologiche Strutture sopramolecolari
Acidi nucleici Membrane
Proteine Mitocondri
Lipidi Cromatina e cromosomi
Zuccheri Ribosomi
Ioni e metalli Citosol
Citoscheletro
5. Patologia del DNA
Alterazioni e meccanismi Conseguenze
Rottura (siti fragili, sequenze ripetitive) Delezioni
- Per ossidazione (radicali perossidi) Inversioni
- Per idrolisi (DNA-asi, endonucleasi) Traslocazioni
Frammentazione apoptotica o necrotica
Mutazioni in geni codificanti
- Missense Alterazione sequenza aa
- Nonsense Introduzione codoni stop
- Silenti Sostituzione con codoni equivalenti
- Alterazioni Splicing Alterazione nell’eliminazione degli introni e nelle isoforme
Introduzione di nuove sequenze
- Mutagenesi inserzionale - A seconda della sequenza introdotta
- Amplificazione genica
- Transfezione
Altri meccanismi
- Alterato stato di metilazione - Alterazione regolazione trascrizionale
- “Parental imprinting”
“Parental
6. Patologia del DNA
Bersaglio Effetto
Promoter Inattivo, debole, forte, inappropriatezza
funzionale (specificità tissutale etc.)
Enhancer Inattivo, debole, forte, inappropriatezza
funzionale (specificità tissutale etc.)
Silencer
Sequenze ripetitive Deregolazione trascrizionale
Riduzione stabilità cromosomica (satelliti)
Esoni Inattivazione, delezione, deregolazione
Patologia molecolare di RNA e proteine
Introni Alterazioni splicing
Patologia molecolare di proteine
DNA non nucleare Alterazione organuli (mitocondri)
7. Patologia del DNA: sequenze ripetitive
Satelliti: x.103 integrità fisica di telomeri, centromero
Minisatelliti: sequenze sparse anche lunghe
Coinvolti nell’espressione genica a
Microsatelliti: 3-100bp ripetute per decine di volte seconda della struttura e
posizione
SINEs: < 7000bp (Alu 300bp x 5.105 con specificità)
familiare → medicina forense) Residui evoluzione o infezioni
coinvolti nell’espressione genica
LINEs: < 7000bp e nel mantenimento dell’integrità
strutturale (siti fragili)
8. Patologia del DNA: sequenze ripetitive
Malattia Locus Sequenza ripetitiva Note
Variante Emofilia A Xq Negli esoni del gene per il Inserimento STOP
fattore VIII
Neurofibromatosi Tipo I 17q Negli introni del gene NF1 Alterazione splicing
Progressione maligna dei tumori 11p Negli introni del gene H-ras-1 Effetto dose
Variante deficit colinesterasi 3q26.2 Negli esoni del gene per la Inserimento STOP
pseudocolinesterasi
Progressione maligna K. colon ereditario 2p Sequenza dinucleotidica negli Mancata espressione geni
non–poliposico (HNPCC) introni dei geni MLH-1, MSH-
2, MSH-6, PMS-1, PMS-6
Atrofia muscolare spino-bulbare Xq21.3 Sequenza trinucleotidica nel Fino al doppio delle
gene per il recettore sequenze ripetitive
androgenico
Sindrome dell’X fragile (ritardo mentale Xq27.3 Sequenza trinucleotidica negli Normale: 6-54 seq.
familiare) introni del gene FMR-1 Patologia: 50-150 seq.
Miodistrofia miotonica 19q13.3 Sequenza trinucleotidica nel Normale: 5-37 seq.
gene per la chinasi muscolare Patologia: 44-3000 seq.
cAMP-dipendente
Atassia spinocerebellare 6p24 Sequenza trinucleotidica nel Normale: 25-36 seq.
gene per l’atassina Patologia: 43-81 seq.
Malattia di Huntington 4p16.3 Sequenza trinucleotidica nel Normale: 9-37 seq.
gene per l’huntingtina Patologia: 37-121 seq.
Amplificazione introni
9. Patologia del DNA: sequenze ripetitive
a)inserimento negli esoni
↓
STOP
b) inserimento negli introni
↓
alterazione regolazione trascrizione,
mantenimento integrità e splicing
10. Patologia del DNA: sequenze ripetitive
Amplificazione anticipazione genica
Amplificazione mutazione dinamica con le generazioni
↓
> gravità
11. Patologia del DNA: retroelementi
Ruolo regolatorio
Persistenza
Retrotrasposoni
Retrovirus esogeni
RT
Pseudogeni
Ret
rovi
rus
end
oge
ni
12. Patologia del DNA mitocondriale
Regolazione da proteine citoplasmatiche
Mutazioni specifiche
Funzione
Invecchiamento cellulare
14. Patologia del DNA: alterazione meccanismi
di riparazione sindromi familiari
Sindrome Meccanismo Mutazione Patologia
riparativo alterato
Xeroderma Pigmentosum XP NER e TCR Puntiformi Ca epitelio da UV
S. di Cockayne TCR Puntiformi -
Tricodistrofia NER e TCR Puntiformi -
Atassia Teleangectasica AT Rip. doppie rotture Aberr. cromosomiche Linfomi
Simil AT Rip. doppie rotture Aberr. cromosomiche Linfomi
S. Niemegen Rip. doppie rotture Aberr. cromosomiche Linfomi
BRCA1 e BRCA2 HR Aberr. cromosomiche Ca mammella e ovaio
S. di Werner HR e TLS Aberr. cromosomiche Invecchiamento e neoplasie
S. di Bloom HR Aberr. cromosomiche Invecchiamento, leucemie,
…
S. di Rothmund-Thomson HR Aberr. cromosomiche Osteosarcomi
Deficit ligasi VI EJ Alt. ricombinazione Leucemie
HNPCC MMR Puntiformi Ca colon-retto
Variante di XP TLS Puntiformi Ca epitelio da UV
N.B. siti fragili (specie oncosoppressori) + errori riparazione rischio neoplasie
15. Patologia del RNA
splicing
ol
II hnRNA mRNA
P
A
RN
A Pol
III tRNA
RN
RN
AP
Mutazioni costitutive
ol I
rRNA
ribozimi
miRNA (codificati da circa 1000 geni,
modulazione traduzione, emivita)
Alterazioni:
a) Assenza trascritto (delezioni, STOP, instabilità)
b) Mutazioni (siti cruciali, splicing, immaturità, instabilità)
c) Errori di trascrizione (occasionali → scarsa rilevanza)
28. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo - Hb
- superficie Anemia Falciforme
Mutazione gluval (HbS)
Interazione con altra catena β
(bassa pO2)polimerizzazione
29. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo - Hb
- Sito attivo - his→tyr stabilizzazione Fe+++ (metaemoglobina HbM) (solo eterozigosi)
- Folding - mutazioni puntiformi→aa con ≠ rigidità→alter. flessibilità→≠affinità per O2
- Interaz. tra - mutazioni puntiformi→alter. struttura quat.→modific. allosteriche→≠affinità per O
2
le subunità
- Talassemie
30. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Recettori
Recettore a 7 domini associato a proteine G Recettore citosolico-nucleare con sito DNA-binding
Guadagno funzionale
Alterazioni (geniche o proteiche) :
Perdita funzionale
31. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Recettori per LDL
- Proteine transmembrana legame internalizzazione
32. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Resistenza agli ormoni
Cause e meccanismi Alcune patologie
Assenza della proteina Femminilizzazione (recettore androgeni- S. di Morris)
recettoriale Rachitismo tipo II (recettore vit.D)
Diabete insipido (recettore per ADH)
Mutazioni inattivanti il Diabete mellito insulino resistente (recettore insulina)
recettore Diabete insipido (recettore ADH)
Alterazioni post-traduzionali Resistenza androgenetica
del recettore (proteasi, Resistenza all’insulina
glicosilazione, prenilazione, Diabete insipido
…)
Mutazione/assenza proteine Ipotiroidismo genetico (proteina G associata al TSHR)
vie di trasduzione Iposurrenalismo genetico (proteina G associata al ACTHR)
Mutazione/assenza effettori Mutazioni adenil-ciclasi
Mutazioni PLC
Mutazioni chinasi cAMP-dipendente ( diabete insipido,..)
Mutazioni bersagli finali Diabete mellito insulino resistente (mutazioni GLUT)
34. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Spill-over
“traboccamento ormonale”
Ormone in Patologia Recettore Effetti
eccesso improprio
IGF-1/IGF-2 Epatomi, ca. polmonare e intestinale… Insulina Ipoglicemia,
accrescimento patrologico
HCG Mola vescicolare, corionepitelioma TSH Tireotossicosi
ACTH Adenomi ipofisi, ca. polmonari… MSH Iperpigmentazione
Cortisolo Cushing, iperplasie surrenaliche Aldosterone Ipertensione
GH Gigantismo, acromegalia Prolattina Sterilità, amenorrea
TSH Adenoma ipofisario FSH/LH Pubertà precoce
Ossitocina Gravidanza, iatrogeno Barocettori Ipertensione gravidica
35. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – uso improprio
del recettore da parte di agenti infettivi
36. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Canali di trasporto
Regolazione Alterazioni
Ligando esterno (Ach) Ligando improprio -
Ligando interno (cGMP) Ligando improprio -
Potenziale Alterazione sensibilità alle variazioni -
Stiramento Mancata attivazione -
Fosfo/defosforilazione Perdita residuo interessato – no modulazione
Interazione con altre proteine (G) -
37. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Canali ionici
Alterazioni: - trasporto
Na+ Miopatie miotoniche
Distrofiche (↓preatt.→iposensibilità)
Diverse condizioni Non distrofiche Paralisi periodica iperK
Diverse isoforme tessuto specifiche Epilessia Miotonia
Paramiotonia
K+ Q-T lungo (→ aritmie cardiache)
Sordità (canali cellule cocleari)
Atassia
Epilessia
Ipotensione familiare (nel tubulo collettore, blocco trasp. elettroneutri)
Ca++
Recettore sensibile al potenziale Membrana citoplasmatica Ipertermia maligna
(recettore per la ryanodina) Reticolo sarcoplasmatico Miopatia central-core
Paralisi periodica ipocaliemica
Recettore dei ligandi intra/extracell Emicrania emiplegica familiare
Atassia spino-cerebellare 6
38. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Canali ABC
48 diversi recettori
16 coinvolti in patologie
39. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Canali ABC
Trasportatore Molecole trasportate Patologia
ABCA1 Colesterolo, lipidi M. di Tanger
ABCA4 Fosfolipidi retinici Distrofia muscolare, Retinite
pigmentosa
ABCB1 Metaboliti steroidi Resistenza ai farmaci
ABCB3 Peptidi Ag Immunodeficienza
ABCB7 Fe e cotrasporto Fe/S Anemia sideropenica e atassia
ABCB11 Sali biliari Colestasi intraepatica progressiva
ABCC1 (MRP1) Coniugati anionici, con ac. glucur., glutatione Resistenza ai farmaci
ABCC2 Coniugati con ac. glucur., glutatione Variante ittero Dubin-Johnson
ABCC6 Peptidi Pseudoxantoma elastico
ABCC7 (CFTR) Cloro, anioni, GSH Fibrosi cistica
ABCC8 Glucosio Ipoglicemia iperinsulinemica
ABCD1 Ac. grassi a lunga catena (perossisomi) Adrenoleucodistrofia
ABCD5 Lipidi sterolici vegetali Fitosterolemia
ABCG8 Lipidi sterolici vegetali Fitosterolemia
40. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Canali ABC
ABCC1/MRP1
N.B. Amplificato (HSR) in molti tumori
41. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Canali ABC
ABCC7/CFTR (fibrosi cistica)
Escrezione Cl-
Movimenti ionici Na e H2O sangue→lume
+
Densità secrezioni
42. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Canali ABC
ABCB3 /trasportatore Ag
43. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Canali ABC
GLUT1-7 trasportatori glucosio
-Diversa distribuzione nei tessuti
- GLUT1 e 4 in adipociti, muscolo, fegato
- GLUT2 in pancreas (anche sensore)
- Modulabilità dall’insulina
44. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Canali ABC
Pompe ioniche
-Assenza o non funzionalità
-Alterata regolazione (per. Es. porzione responsiva alla digitale)
-Alterata regolazione distrettuale/tissutale
-Alterata localizzazione sulla cellula (rene policistico)
45. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Canali ABC
Pompe per l’omeostasi dei metalli
-Malattia di Menkes (alterato trasporto al polo basale dell’enterocita) ↓Cu++
-Malattia di Wilson (varianti con ceruplasmina normale) ↑Cu++
-Acrodermatite ereditaria (Zn)
-Emocromatosi ereditaria
Proteina specifica
Proteina condivisa
per ≠ metalli
46. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Canali ABC
Recettori per lipidi - HDL
Malattia di Tangier
47. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Canali ABC
Trasportatori elettroneutri
-Regolazione assorbimento Na+ → volemia→pressione
-I più conosciuti sono i cotrasportatori Na+/Cl-
-Particolare: cotrasportatore Na+/I- tireocitario
48. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Enzimi
-Ridondanza [basale] manifestazione clinica in omozigosi (deficit >50%)
(proporzionale al deficit enzimatico anche come precocità )
Locali
Precursori
Sistemici (diffusibilità)
Ipofunzione
Prodotti
49. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Enzimi
Mucopolisaccaridosi
≠ enzimi
≠ tappe metaboliche
≠ subunità
in un complesso
Gangliosidosi
50. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Enzimi
-Deficit tessuto specifici M. di Fabry variante cardiaca (mancanza α-galattosidasi A)
Cofattori comuni Subunità comuni
Deficit enzimatico multiplo
Tappa post-traduzionale comune mancato assemblaggio organulo
51. Patologia speciale delle proteine:
dalla molecola al sintomo – Citoscheletro
Distrofina: STOP (≈ 5’- M. di Duchenne)
numerose isoforme per splicing →mutazioni: Traslocazioni
Verso il 3’ (M. di Becker)
52. Patologia degli zuccheri
Alterata dislocazione (esposizione in membrana)
Alterata glicosilazione: ≠ funzione (perdita ancoraggio alla membrana)
funzione (anche valenza come Ag)
Mutazione sito di glicosilazione (α1-antitripsina)
Intracellulare: Assenza enzimi glicosilantiaccumulo compartimentale
Alterazione proteine rabno progressione R.E.→Golgi
Glicosilazione patologica
Glicosil-transferasi
Extracellulare:
[glucosio]diffusioneglicosilazione non enzimatica
Stimolo infiammatorio cronico tramite RAGE (microangiopatia diabetica, Hb glicosilata)