Genetica Molecolare

Il BCM è una malattia genetica rara della retina causata da mutazioni genetiche sui geni OPN1LW, OPN1MW e LCR. Questi geni sono responsabili della produzione dei fotopigmenti rosso e verde entro i coni della retina e si trovano sul cromosoma X.

In questa pagina vedremo quali sono i geni responsabili della visione del colore, quali sono le mutazioni genetiche che portano alla malattia e la storia di queste scoperte scientifiche di genetica molecolare.

La BCM Families Foundation supporta la ricerca di Genetica Molecolare sul BCM e la creazione di un Registro dei Pazienti con BCM, al fine di approfondire le conoscenze sulle mutazioni genetiche che causano la malattia.

I geni responsabili della visione del colore

Il BCM è causato da mutazioni genetiche su alcuni geni che si trovano sul cromosoma X.
Il cromosoma X è composto di due bracci, il superiore si chiama p e l’inferiore q.
I geni coinvolti nel BCM si trovano nella posizione Xq28, alla fine del braccio q.
Nella figura qui di seguito vediamo il cromosoma X.

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Nella posizione Xq28 si trovano nell’ordine, i geni identificati dai nomi LCR, OPN1LW e OPN1MW.

LCR è la Locus Control Region, e agisce da promotore dell’espressione dei due geni successivi. In assenza di questo gene, nessuno dei due geni successivi viene espresso nella retina umana. Inoltre essa assicura che solo uno dei due geni opsin (rosso o verde) venga espresso in modo esclusivo in ciascun cono.

OPN1LW e OPN1MW sono rispettivamente i geni che contengono il codice genetico per le proteine OPSIN, ovvero le proteine che costituiscono i fotopigmenti per la cattura della luce, di colore rosso (Long Wave) e verde (Medium Wave).

Molte persone hanno diverse repliche del gene relativo al fotopigmento verde, OPN1MW. Solo i primi due geni, subito dopo la LCR, vengono però espressi nella retina mentre le repliche successive non vengono espresse. Ad esempio un maschio caucasico avrà nel 25% dei casi un singolo gene OPN1MW, nel 50% dei casi ne avrà 2 e nei restanti 25% dei casi ne avrà 3 o più.

Nella figura che segue vediamo una rappresentazione di questi geni nel caso di assenza di mutazioni genetiche patologiche.

Opsin Genes Array

Per approfondire la conoscenza di questi geni, è possibile consultare il sito del ‘National Center for Biotechnology Information’, NCBI:

OPSIN1-LW, fotopigmento dei coni rossi;

OPSIN1-MW, fotopigmento dei coni verdi;

LCR, Locus Control Region.

Il gene responsabile della formazione del fotopigmento blu si trova in una posizione molto lontana, nel cromosoma 7 e il gene responsabile della formazione della rodopsina (il fotopigmento dei bastoncelli) si trova sul cromosoma 3:

OPSIN1-SW, fotopigmento dei coni blu;

RODOPSINA, fotopigmento dei bastoncelli.

Nella figura seguente vediamo le proteine OPSIN dei coni blu ‘S’ (short), verdi ‘M’ (medium) e rossi ‘L’ (Long).

OPSIN Genes


La figura è tratta da handprint.com

Esse assumono la forma di una catena che passa 7 volte attraverso un disco del segmento esterno di un cono. Le tre proteine sono molto simili tra di loro e in particolare la M e la L differiscono solo in alcuni elementi che le compongono. I due fotopigmenti, il rosso e il verde sono infatti uguali al 96%, mentre hanno solo una somiglianza del 46% con il fotopigmento blu.

I geni OPN1LW e OPN1MW, come tutti i geni, sono formati da esoni e da introni. In particolare entrambe questi geni hanno 6 esoni, denominati da 1 a 6.

Opsin Gene Array - Exons

(La figura è tratta da Jessica C. Gardner, Michel Michaelides, Graham E. Holder, Naheed Kanuga, Tom R. Webb, John D. Mollon, Anthony T. Moore, Alison J. Hardcastle ‘Blue cone monochromacy: Causative mutations and associated phenotypes’ Molecular Vision 2009; 15:876-884).

Come tutte le proteine, anche le proteine OPSIN sono delle strutture tridimensionali che devono effettuare un ‘folding’ per assumere la loro forma tridimensionale finale. Alcuni particolari aminoacidi presenti entro la proteina sono responsabili del folding della stessa.

Le Mutazioni Genetiche

Esistono molte mutazioni genetiche che possono colpire questo gruppo di geni, LCR, OPN1LW e OPN1MW.

Alcune mutazioni portano a condizioni comunemente chiamate ‘daltonismo’, avendo come effetto solo l’impossibilità di discriminare alcuni colori.

Le mutazioni che portano al BCM fino ad oggi identificate sono le seguenti:

Grandi deletions

1. Deletion della LCR, oppure deletion della LCR e di alcuni o di tutti gli esoni del gene OPN1LW.

Questa mutazione è un’assenza di una grande parte materiale genetico. Non essendo presente il codice genetico LCR non verranno espresse le due proteine e quindi i coni saranno privi dei fotopigmenti rosso e verde.

2. Deletion intragenica. Questa è una deletion di esoni all’interno dei geni OPN1LW e OPN1MW oppure deletion del materiale genetico del primo e di parte del secondo gene.

Anche questa mutazione è un’assenza di una grande parte di materiale genetico.

BCM Mutationes

Meccanismo a 2 steps con ricombinazione omologa e inattivazione puntuale.

In questo caso, data le somiglianza tra i due geni OPN1LW e OPN1MW, durante un processo di ‘ricombinazione omologa’ viene perso uno dei due geni e si crea un gene nuovo ibrido. Successivamente una mutazione puntuale rende inattivo il gene rimasto.

La mutazione puntuale più nota è la cosiddetta C203R. Il nome delle mutazioni puntuali indica la posizione alla quale è avvenuta la mutazione, in tal caso la posizione 203 e quale amminoacido è stato sostituito, in tal caso la C =Cysteine con la R =Arginine. Al livello dei codons questa sostituzione è puntuale perché corrisponde a sostituire la timina con la citosina nella posizione 648, come vediamo dalla seguente tavola:

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La mutazione C203R fa si che la proteina dell’opsin, una volta formata, non effettui il folding, ovvero non assuma la forma tridimensionale corretta.

C203R Mutation

(La figura è tratta da Jessica C. Gardner, Michel Michaelides, Graham E. Holder, Naheed Kanuga, Tom R. Webb, John D. Mollon, Anthony T. Moore, Alison J. Hardcastle ‘Blue cone monochromacy: Causative mutations and associated phenotypes’ Molecular Vision 2009; 15:876-884).

Altre mutazioni puntuali sono la P307L, and R247X. In particolare quest’ultima sostituisce l’Arginina con il codon Stop, interrompendo prematuramente alla posizione 247 la formazione della proteina (mutazione nonsense).

Point mutations

La figura è tratta da J. Nathans et al. Am. J. Hum. Genet. 53: 987-1000, 1993.

Altre mutazioni

Altre mutazioni sui geni OPN1LW e OPN1MW che portano al BCM sono costituite da un insieme di di mutazioni puntuali, chiamate ad esempio LIAVA. Il BCM si avrà se si produce, come nel caso precedente, a causa di una ricombinazione omologa, un unico gene misto tra l’OPN1LW e l’OPN1MW e l’esone 3 contiene i seguenti aminoacidi nelle posizioni indicate: Leucine 153, Isoleucine 171, Alanine 174, Valine 178 e Alanine 180. Questo genotipo ha il nome abbreviato LIAVA.

LIAVA

La Figura è tratta da Mizrahi-Meissonnier L., Merin S., Banin E., Sharon D., 2010.

Gene
Mutazione
Riferimento
OPN1LW and OPN1MW
2 steps: mutazione puntuale C203R + riduzione ad un unico gene OPSIN ibrido
Nathans et al. 1989
Nathans et al. 1993
OPN1LW and OPN1MW
mutazione puntuale P307L oppure R247X + riduzione ad un gene OPSIN ibrido
Nathans et al. 1993
LCR
deletion della LCR o della LCR e dei primi esoni del OPSIN LW
Nathans et al. 1989
Ayyagari et al. 2000
OPN1LW and OPN1MW
deletion intragenica o deletion dei geni tra gli OPSIN LW e MW
Ladekjack et al. 1996
A.Reitner, L.T. Sharpe, E. Zrenner 1991
OPN1LW and OPN1MW
LIAVA
Carroll J. et al. 2004
Mizrahi-Meissonnier L. et al. 2010
Neitz M. et al. 2004
Crognale MA. et al. 2004

Altre malattie con mutazioni genetiche sui geni OPN1LW e OPN1MW

Un’altra malattia della retina che viene associata alla posizione Xq28 è la Bornholm Eye Disease (BED), con sintomi simili a quelli del BCM. Si tratta di una malattia molto rara e stazionaria. Per approfondire si può consultare OMIM e il sito dell’Università dell’Arizona.

Infine ricordiamo che esiste anche una particolare mutazione dei due geni OPN1LW e OPN1MW che causa una malattia diversa dal BCM. Si tratta della mutazione di tipo misfolding, W177R, che, se presente su entrambe i geni OPSIN, causa la distrofia dei coni con evidenza di degenerazione e morte delle cellule dei coni.

La Storia della scoperta dei geni del BCM

Molti ricercatori hanno contribuito alle scoperte sui geni coinvolti nel BCM.

Ricordiamo le scoperte fondamentali di Jeremy Nathans sui geni responsabili della visione del colore:


Nathans, J., Thomas, D., Hogness, D. S. Molecular genetics of human color vision: the genes encoding blue, green, and red pigments. Science 232: 193-202, 1986. [PubMed: 2937147, related citations] [Full Text: HighWire Press]

Nathans, J., Piantanida, T. P., Eddy, R. L., Shows, T. B., Hogness, D. S. Molecular genetics of inherited variation in human color vision. Science 232: 203-210, 1986. [PubMed: 3485310, related citations] [Full Text: HighWire Press]

Nathans, J. Molecular biology of visual pigments. Annu. Rev. Neurosci. 10: 163-194, 1987. [PubMed: 3551758, related citations] [Full Text: Atypon]

Nathans, J. The evolution and physiology of human color vision: insights from molecular genetic studies of visual pigments. Neuron. 24: 299-312, 1999. [PubMed: 10571225, related citations] [Full Text: Elsevier Science]

Deeb, S. S. The molecular basis of variation in human color vision. Clin. Genet. 67: 369-377, 2005. [PubMed: 15811001, related citations] [Full Text: Blackwell Publishing]

In particolare i lavori che hanno portato a comprendere le cause principali del Monocromatismo dei Coni Blu e in particolare il processo a 2 step con mutazione puntuale C2013R:


Nathans, J., Davenport, C. M., Maumenee, I. H., Lewis, R. A., Hejtmancik, J. F., Litt, M., Lovrien, E., Weleber, R., Bachynski, B., Zwas, F., Klingaman, R., Fishman, G. Molecular genetics of human blue cone monochromacy. Science 245: 831-838, 1989. [PubMed: 2788922, related citations] [Full Text: HighWire Press]

Nathans, J., Maumenee, I. H., Zrenner, E., Sadowski, B., Sharpe, L. T., Lewis, R. A., Hansen, E., Rosenberg, T., Schwartz, M., Heckenlively, J. R., Traboulsi, E., Klingaman, R., Bech-Hansen, N. T., LaRoche, G. R., Pagon, R. A., Murphey, W. H., Weleber, R. G. Genetic heterogeneity among blue-cone monochromats. Am. J. Hum. Genet. 53: 987-1000, 1993. [PubMed: 8213841, related citations]

Reyniers, E., Van Thienen, M.-N., Meire, F., De Boulle, K., Devries, K., Kestelijn, P., Willems, P. J. Gene conversion between red and defective green opsin gene in blue cone monochromacy. Genomics 29: 323-328, 1995. [PubMed: 8666378, related citations] [Full Text: Elsevier Science, Pubget]

Un lavoro importante per le mutazioni di tipo ‘Deletion’ della LCR oppure della LCR e parte del gene OPN1LW è:


Ayyagari, R., Kakuk, L. E., Bingham, E. L., Szczesny, J. J., Kemp, J., Toda, Y., Felius, J., Sieving, P. A. ‘Spectrum of color gene deletions and phenotype in patients with blue cone monochromacy’. Hum. Genet. 107: 75-82, 2000. Hum Genet. 2000 Jul;107(1):75-82.

Per le Deletion intragenica ricordiamo i seguenti lavori che identificarono un caso di BCM con presenza del solo gene OPN1LW del fotopigmento rosso, ma con assenza dell’esone 4 di questo gene:


Ladekjaer-Mikkelsen, A.-S., Rosenberg, T., Jorgensen, A. L. ‘A new mechanism in blue cone monochromatism’. Hum. Genet. 98: 403-408, 1996.

Reitner, A., Sharpe, L. T., Zrenner, E. Is colour vision possible with only rods and blue-sensitive cones? Nature 352: 798-800, 1991.

La Locus Control Region, e il suo ruolo nell’espressione dei geni OPSIN, è stata scoperta nei seguenti lavori:


Lewis, R. A., Holcomb, J. D., Bromley, W. C., Wilson, M. C., Roderick, T. H., Hejtmancik, J. F. Mapping X-linked ophthalmic diseases: III. Provisional assignment of the locus for blue cone monochromacy to Xq28. Arch. Ophthal. 105: 1055-1059, 1987.

Lewis, R. A., Nathans, J., Holcomb, J. D., Bromley, W. C., Roderick, T. H., Wilson, M. C., Hejtmancik, J. F. ‘Blue cone monochromacy: assignment of the locus to Xq28 and evidence for its molecular rearrangement’. Am. J. Hum. Genet. 41: A102 only, 1987.

Wang, Y., Macke, J. P., Merbs, S. L., Zack, D. J., Klaunberg, B., Bennett, J., Gearhart, J., Nathans, J. ‘A locus control region adjacent to the human red and green visual pigment genes’. Neuron 9: 429-440, 1992.

In particolare il ruolo che permette l’espressione esclusiva di un opsin (rosso o verde) in ciascun cono, è stato scoperto nell’ultimo articolo.

Per lo studio dela mutazione C203R ricordiamo:


Kazmi MA, Sakmar TP, Ostrer H. Mutation of a conserved cysteine in the X-linked cone opsins causes color vision deficiencies by disrupting protein folding and stablilty. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 1997;38(6):1074–1081. [PubMed]

che compresero gli effetti negativi di questa mutazione sul folding delle proteine OPSIN e


Winderickx J, Sanocki E, Lindsey DT, Teller DY, Motulsky AG, Deeb SS. Defective colour vision associated with a missense mutation in the human green visual pigment gene. Nature Genetics. 1992;1:251–256. [PubMed]

che studiarono questa mutazione e la sua frequenza di circa il 2% nelle persone di origine caucasica.

Sulle mutazioni rare del tipo LIAVA si può consultare:


Carroll J1, Neitz M, Hofer H, Neitz J, Williams DR., ‘Functional photoreceptor loss revealed with adaptive optics: an alternate cause of color blindness.’ Proc Natl Acad Sci U S A. 2004 Jun.

Mizrahi-Meissonnier L., Merin S., Banin E., Sharon D., 2010.

Neitz M, Carroll J, Renner A, et al. Variety of genotypes in males diagnosed as dichromatic on a conventional clinical anomaloscope. Vis Neurosci. 2004;21:205–216.

Crognale MA, Fry M, Highsmith J, et al. Characterization of a novel form of X-linked incomplete achromatopsia. Vis Neurosci. 2004; 21:197–203.

Alcuni lavori di ricerca storici iniziali sul BCM sono stati:


Huddart, J. An account of persons who could not distinguish colours. Phil. Trans. Roy. Soc. 67: 260 only, 1777.

Sloan, L. L. Congenital achromatopsia: a report of 19 cases. J. Ophthal. Soc. Am. 44: 117-128, 1954.

Alpern, M., Falls, H. F., Lee, G. B. The enigma of typical total monochromacy. Am. J. Ophthal. 50: 996-1012, 1960. [PubMed: 13682677, related citations

Blackwell, H. R., Blackwell, O. M. Rod and cone receptor mechanisms in typical and atypical congenital achromatopsia. Vision Res. 1: 62-107, 1961.

Fleischman, J. A., O’Donnell, F. E. Jr. ‘Congenital X-linked incomplete achromatopsia. Evidence for slow progression, carrier fundus findings, and possible genetic linkage with glucose-6-phosphate dehydrogenase locus’. Arch Ophthalmol 1981;99:468-472.

Lewis, R. A., Holcomb, J. D., Bromley, W. C., Wilson, M. C., Roderick, T. H., Hejtmancik, J. F. ‘Mapping X-linked ophthalmic diseases: III. Provisional assignment of the locus for blue cone monochromacy to Xq28′. Arch. Ophthal. 105: 1055-1059, 1987.

Per lo studio della distrofia dei coni, una malattia degenerativa dovuta ad una mutazione puntuale su entrambe i geni OPN1LW e OPN1MW:


Gardner, J.C., Webb, T.R., Kanuga, N., Robson, A. G., Holder, G.E., Stockman, A., Ripamonti, C., Ebenezer, N. D., Ogun,O., Devery, S., Wright, G.A., Maher, E. R., Cheetham, M. E., Moore, A. T., Michaelides, M. and Hardcastle, A. J.
X-Linked Cone Dystrophy Caused by Mutation of the Red and Green Cone Opsins.The American Journal of Human Genetics 87, 26–39, July 9, 2010.

Riportiamo anche alcuni lavori di review che illustrano l’argomento:


Neitz J., Neitz M. ‘The genetics of normal and defective color vision’. 2011 Review. Vision Research.

Deeb, S.S. ‘Molecular Genetics of colour vision deficiencies’. Clinical and Experimental Optometry 87.4 – 5 July 2004