Molte malattie umane hanno una componente genetica, il che significa che sono causate da variazioni o mutazioni nel DNA di un individuo. Le malattie genetiche ereditarie sono quelle che possono essere tramandate di generazione in generazione, ma non tutte le malattie genetiche sono ereditabili, compresi molti tipi di cancro. Scoprendo e caratterizzando i geni associati alla malattia, scienziati e medici sperano di migliorare la diagnostica e le terapie per i pazienti.
Questo video presenterà una breve storia delle malattie genetiche, introdurrà le domande chiave poste dai genetisti, descriverà alcuni strumenti per rispondere a queste domande e discuterà alcune applicazioni attuali.
Iniziamo esaminando alcuni studi di riferimento nella storia della ricerca sulle malattie genetiche.
Nel 1803, John Conrad Otto pubblicò un articolo che descriveva un disturbo della coagulazione del sangue che colpiva principalmente i maschi. Mentre Otto riconobbe che questa malattia correva in alcune famiglie, fu John Hay a definire il suo modello di ereditarietà nel 1813, dimostrando che gli uomini affetti potevano trasmettere la malattia ai loro nipoti attraverso figlie non colpite. Oggi, questa malattia è conosciuta come emofilia e ora sappiamo che è causata da mutazioni recessive in un gene per specifici fattori di coagulazione del sangue situati sul cromosoma X. Poiché le femmine hanno normalmente due cromosomi X, ma i maschi ne hanno solo uno, le femmine che ereditano una copia mutata del gene sono sane, ma i maschi con la mutazione manifesteranno la malattia.
Nel 1896, Archibald Garrod scoprì una rara malattia ereditaria chiamata alkaptonuria, in cui l'urina dei pazienti diventava nera quando esposta all'aria. Ha postulato che questi individui mancavano di un enzima coinvolto nella degradazione chimica delle proteine e ha suggerito che simili "errori congeniti del metabolismo" potrebbero essere la causa di molte malattie ereditarie.
Basandosi sul lavoro di Garrod, nel 1941, George Beadle e Edward Tatum condussero esperimenti con la muffa del pane per esaminare come gli enzimi agiscono nelle vie metaboliche. La loro proposta che un gene specifichi la produzione di un enzima, per controllare una fase di una via metabolica, divenne nota come "un gene, un'ipotesi enzimatica".
Nel 1966, Victor McKusick, il "padre della genetica medica" che ha aperto la strada allo studio delle malattie genetiche rare in popolazioni isolate, ha compilato e pubblicato Mendelian Inheritance in Man, il catalogo definitivo delle malattie ereditarie che continua ad essere aggiornato oggi.
Mentre molti scienziati hanno studiato le malattie ereditarie, altri hanno cercato la base genetica di malattie che apparivano sporadicamente, come il cancro. Nel 1976, John Michael Bishop e Harold Varmus hanno dimostrato che gli "oncogeni" sono geni che sono stati mutati in modo tale che le loro proteine codificate acquisiscano funzionalità nuove o migliorate. Queste mutazioni di "guadagno di funzione" spesso si traducono in una proliferazione cellulare incontrollata, un segno distintivo critico del cancro.
Nello stesso decennio, Alfred Knudson scoprì che altri geni, chiamati soppressori tumorali, contribuiscono al cancro solo quando le mutazioni in entrambe le copie del gene portavano alla "perdita di funzione" della proteina codificata. L'idea di Knudson divenne nota come "ipotesi a due colpi".
Nel 1983, sono stati fatti passi significativi verso la localizzazione di geni che causano malattie quando James Gusella ha usato segmenti di DNA regolarmente distanziati e altamente variabili chiamati polimorfismi di lunghezza del frammento di restrizione per mappare il gene della malattia di Huntington al cromosoma quattro.
Per facilitare ulteriormente questo processo di mappatura genica, nel 1990 un consorzio internazionale di scienziati ha lanciato il Progetto Genoma Umano per sequenziare l'intero insieme di DNA negli esseri umani. Questo progetto è stato sostanzialmente completato nel 2004.
Un anno dopo, il rilascio dei dati è iniziato dall'International HapMap Project, il cui obiettivo è quello di creare una mappa a livello di genoma di varianti di sequenza tra diverse popolazioni umane. Questi dati ora consentono ai ricercatori di testare le associazioni tra varianti genetiche e malattie comuni. Con lo sviluppo di tecnologie di sequenziamento ad alto rendimento, accompagnate da costi sempre più bassi, l'uso del sequenziamento per identificare le mutazioni che causano malattie nei pazienti sta diventando sempre più realtà.
Dopo aver esaminato alcuni punti salienti storici, esaminiamo alcune domande fondamentali nella genetica medica.
In primo luogo, molti genetisti vogliono sapere se particolari malattie sono controllate da fattori genetici. Per iniziare, possono cercare prove che la malattia possa essere ereditata usando approcci classici, come lo studio di famiglie o fratelli. Questi studi sono anche potenti per determinare se la malattia è monogenica o mendeliana, il che significa che è causata da mutazioni in un singolo gene; o è multifattoriale o complesso, il che significa che è causato da molteplici fattori genetici e ambientali.
La genetica di malattie complesse, come il Parkinson o le malattie cardiache, è particolarmente difficile da separare e molti ricercatori stanno cercando di utilizzare studi su larga scala su tutte le popolazioni per identificare le varianti genetiche associate a queste malattie. Due modelli concorrenti modellano il modo in cui gli scienziati affrontano la questione. L'ipotesi della "malattia comune / variante comune" suggerisce il coinvolgimento di molte varianti genetiche che sono comuni nella popolazione, ognuna con un impatto solo modesto, mentre l'ipotesi della "variante rara multipla" sostiene l'importanza di varianti relativamente rare con grandi effetti.
Infine, i genetisti studiano anche come diverse tecniche genetiche possono essere utilizzate nella diagnosi clinica. Possono esaminare modi per ridurre al minimo la quantità di DNA del paziente necessaria per i test o per ottimizzare la purificazione del DNA da campioni facilmente accessibili, come saliva o sangue, per valutare i fattori di rischio della malattia.
Ora che conosci alcune delle domande chiave poste dai genetisti, diamo un'occhiata alle tecniche che usano per trovare risposte.
La genotipizzazione dei polimorfismi a singolo nucleotide, o SNP, è uno degli approcci più utilizzati per identificare le variazioni della sequenza del DNA in una popolazione. Le differenze di singoli nucleotidi possono essere rilevate ibridando frammenti di DNA in oligonucleotidi complementari o utilizzando enzimi di restrizione altamente specifici per la sequenza per generare frammenti di dimensioni diverse.
La genotipizzazione basata sul sequenziamento è un altro approccio comune per trovare mutazioni causali. Il metodo Sanger classico si basa sull'incorporazione di nucleotidi etichettati e terminanti a catena da parte della DNA polimerasi durante la replicazione in vitro e viene utilizzato di routine quando è noto un gene candidato.
Per analisi su larga scala, il sequenziamento di nuova generazione ad alto rendimento può essere utilizzato per generare un numero enorme di brevi sequenze che possono quindi essere confrontate con un genoma di controllo non influenzato per identificare le mutazioni associate alla malattia.
Per le malattie complesse, gli studi di associazione genome-wide, o GWAS, vengono utilizzati per identificare SNP con frequenze diverse nelle popolazioni colpite e di controllo di soggetti non correlati. Una maggiore frequenza di un SNP nelle popolazioni colpite suggerisce un'associazione tra la variante e la malattia.
Infine, varie tecniche di citogenetica possono rilevare variazioni strutturali all'interno del genoma che potrebbero causare malattie. Interi cromosomi possono essere colorati per formare un cariotipo per identificare i cambiamenti nella struttura o nel numero. In alternativa, l'ibridazione fluorescente in situ utilizza sonde oligonucleotidiche marcate per visualizzare specifiche sequenze di DNA.
Ora che hai familiarità con alcuni metodi utilizzati nella scoperta dei geni, diamo un'occhiata alle loro applicazioni nella ricerca sulle malattie.
Un approccio per identificare le mutazioni che causano la malattia è quello di combinare lo studio dei pedigree familiari con il sequenziamento. In questo studio, le varianti genetiche sono state rilevate in pazienti con schizofrenia sequenziando i geni candidati. Queste mutazioni sono state classificate come spontanee, o de novo, poiché non sono state ereditate.
Un'altra applicazione prevede il collegamento di varianti genetiche rare a malattie complesse attraverso studi di associazione. Qui, i ricercatori hanno raggruppato i genomi di circa 1000 individui e hanno utilizzato il sequenziamento di nuova generazione per rilevare le mutazioni in 32 geni correlati al cancro. La tecnica di sequenziamento in pool ha identificato varianti rare sia note che nuove, comprese quelle che sono state trovate con tecniche comparabili come GWAS.
Infine, la tecnologia di sequenziamento viene ora utilizzata per informare molte diagnosi cliniche. In questo esperimento, i ricercatori hanno estratto e frammentato il DNA dai tumori. Tutti gli esoni codificanti proteine sono stati quindi isolati legandoli a oligonucleotidi complementari chimicamente etichettati e utilizzando proteine con alta affinità per i tag per catturare e raccogliere questi complessi di DNA. Il DNA catturato è stato quindi sequenziato e confrontato con campioni di controllo sani al fine di identificare le mutazioni che causano il cancro.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE a geni e malattie. In questo video, abbiamo esaminato la storia della genetica medica, le domande chiave poste dai genetisti, le strategie di ricerca di spicco e alcune delle loro attuali applicazioni. Grazie per l'attenzione!
