La nuova era della genetica del diabete di tipo 2

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1 La nuova era della genetica del diabete di tipo 2 Prof. Alessandro Doria Section on Genetics and Epidemiology Joslin Diabetes Center Harvard Medical School Boston, MA

2 Schema della presentazione Basi genetiche del diabete di tipo 2 La ricerca dei geni per il diabete di tipo 2 pre-2007 La rivoluzione GWA ed i nuovi geni per il diabete di tipo 2 Implicazioni e limiti delle nuove scoperte Direzioni future

3 Patogenesi del diabete di tipo 2 Doria, Patti, & Kahn, Cell Metab 2008

4 Familiarità del diabete di tipo Proportion Affected (%) Rischio di T2DM nei siblings di pazienti con T2DM l s = Rischio di T2DM nella popolazione generale MZ Genetic relationship (% IBD) 1.8 Rich, Diabetes 1990 Weijnen et al, 2002

5 Eziologia poligenica del diabetes di tipo 2 Eterogeneitá genetica Epistasi Eterogeneitá genetica + Epistasi

6 Genetica del diabete di tipo 2 Geni multipli Epistasi Eterogeneitá genetica Pentranza variabile Etá-dipendente Ambiente-dipendente Ereditarietá complessa Fenocopie Non-penetranti Variabilitá fenotpica IGT vs. GDM vs. diabete Secrezione insulinica vs. insulino-resistenza

7 Perche`studiare la genetica del diabete di tipo 2? Scoperta di meccanismi patogenetici (opportunita` per lo sviluppo di nuovi farmaci antidiabetici) Sviluppo di test diagnostici per l identificazione precoce di soggetti a rischio da sottoporre a programmi di prevenzione Trattamenti farmacologici personalizzati (farmacogenetica)

8 Strategie per la ricerca di geni per il diabete di tipo 2 (pre-2007) Studi di forme monogeniche di diabete MODY Diabete neonatale Lipodistrofie Sindromi di insulino-resistenza severa Studi di geni candidati Funzionali Posizionali Studi di espressione

9 GENI MODY MODY1 20q12 HNF-4a MODY2 7p15 Glucokinase MODY3 12q24 HNF-1a MODY4 13q12 IDX1/IPF1 MODY5 17q12 HNF-1b MODY6 2q37 NEUROD1

10 Network di fattori di trascrizione nella b-cellula Fatty acyl-coa thioesters HNF-3b Ngn3 HNF-4a Beta2/NeuroD1 IPF-1 Nkx 2.2 HNF-1a HNF-1b Nkx 6.1 Sviluppo Turnover Funzione

11 Studi di associazione Single nucleotide polymorphism (SNP) CASI CONTROLLI Confronto frequenze Rischio Relativo (Odds Ratio)

12 PPARg Pro12Ala e rischio di diabete di tipo 2 Deeb et al. (US-Japanese) Mancini et al. (Italy) Ringel et al. (Germany) Hara et al. (Japan) Meirhaeghe et al. (France) Clement et al. (France) Altshuler et al. (Scandinavia) Altshuler et al. (Quebec) Evans et al. (Germany) Mori et al. (Japan) Douglas et al. All All - Caucasians All- Japanese Relative Risk (95% CI)

13 Studi di linkage in famiglie Cromosoma 1q Cromosoma 20q Vionnet et al., Am J Hum Genet 2000 Klupa et al, Diabetes 2000

14 Linkage Disequilibrium (LD) A SNP 1 a 10,000,000 SNPs SNP 2 A a ,000 SNPs

15 Caratterizzazione del linkage disequilibrium lungo il genoma (HapMap Project) Chr11:111,895, ,645, SNPs

16 Tipizzazione genetica con microarrays 300K, 500K, o 1 M di SNPs in in un single assay Linkage disequilibrium Genome Wide Association (GWA) Studies

17 Common variant/common disease hypothesis Rischio Relativo X X Frequenza Allelica

18 Limiti degli studi GWA 500,000 SNPs 25,000 SNP con p<0.05 per caso Necessità di usare p values più stringenti (per. es., p<1x10-7 ) power numerosità (migliaia di casi e controlli) costi

19 Studi GWA per il diabete di tipo 2 GWAS Origine soggetti GWA (n) Replicazione (n) Totale (n) McGill/Imperial Francia 1,275 5,511 6,786 WTCCC UK + Irlanda 4,867 7,528 12,395 FUSION Finlandia 2,335 2,473 4,808 DGI of Broad Scandinavia 2,931 10,850 13,781 DeCode Islanda 6,674 14,138 20,812 Totale 18,082 40,500 58,582

20 Geni coinvolti nel diabete di tipo 2 Cromosoma Gene più vicino Funzione Frequenza del risk allele OR 1p12 2p21 3p14 3p25 3q28 6p22 7p15 8q24 9p21 10p13 10q23 10q25 11p15 12q21 16q12 NOTCH2 THADA ADAMTS9 PPARG IGF2BP2 CDKAL1 JAZF1 SLC30A8 CDKN2A/CDKN2B CDC123 CAMK1D IDE HHEX KIF11 TCF7L2 KCNJ11 TSPAN8 LGR5 FTO Cell differentiation Unknown Proteolytic enzyme Transcription factor IGF2 mrna-binding protein Cell cycle regulation Zinc-finger protein Zinc transporter 8 Cell cycle regulation Cell cycle regulation Chemokine signalling Neutral metallo-peptidase Transcription factor Microtubule & spindle function Transcription factor Potassium channel Cell surface glycoprotein Orphan G protein-receptor From Doria et al., Cell Metab 2008 Unknown (oxygenase?)

21 Geni coinvolti nel diabete di tipo 2 Cromosoma Gene più vicino Funzione Frequenza del risk allele OR 1p12 2p21 3p14 3p25 3q28 6p22 7p15 8q24 9p21 10p13 NOTCH2 THADA ADAMTS9 PPARG IGF2BP2 CDKAL1 JAZF1 SLC30A8 CDKN2A/CDKN2B CDC123 Cell differentiation Unknown Proteolytic enzyme Transcription factor IGF2 mrna-binding protein Cell cycle regulation Zinc-finger protein Zinc transporter 8 Cell cycle regulation Cell cycle regulation q23 CAMK1D IDE Chemokine signalling Neutral metallo-peptidase HHEX Transcription factor 10q25 11p15 12q21 KIF11 TCF7L2 KCNJ11 TSPAN8 Microtubule & spindle function Transcription factor Potassium channel Cell surface glycoprotein q12 LGR5 FTO Orphan G protein-receptor Unknown (oxygenase?)

22 Polimorfpismo nel genetcf7l2 e sviluppo di diabete nello studio DPP Florez et al, NEJM 2006

23 Wnt/beta-catenin pathway Potter, E. et al. Endocr Rev 1999;20:

24 Geni coinvolti nel diabete di tipo 2 Cromosoma Gene più vicino Funzione Frequenza del risk allele OR 1p12 2p21 3p14 3p25 3q28 6p22 7p15 8q24 9p21 10p13 NOTCH2 THADA ADAMTS9 PPARG IGF2BP2 CDKAL1 JAZF1 SLC30A8 CDKN2A/CDKN2B CDC123 Cell differentiation Unknown Proteolytic enzyme Transcription factor IGF2 mrna-binding protein Cell cycle regulation Zinc-finger protein Zinc transporter 8 Cell cycle regulation Cell cycle regulation q23 CAMK1D IDE Chemokine signalling Neutral metallo-peptidase HHEX Transcription factor 10q25 11p15 12q21 KIF11 TCF7L2 KCNJ11 TSPAN8 Microtubule & spindle function Transcription factor Potassium channel Cell surface glycoprotein q12 LGR5 FTO Orphan G protein-receptor Unknown (oxygenase?)

25 Polimorfismo del gene FTO e rischio di obesità Frayling et al., Science 2007

26 Geni coinvolti nel diabete di tipo 2 Chromosome Location Closest Gene(s) Function Frequency of risk allele OR 1p12 2p21 3p14 3p25 3q28 6p22 7p15 8q24 9p21 10p13 NOTCH2 THADA ADAMTS9 PPARG IGF2BP2 CDKAL1 JAZF1 SLC30A8 CDKN2A/CDKN2B CDC123 Cell differentiation Unknown Proteolytic enzyme Transcription factor IGF2 mrna-binding protein Cell cycle regulation Zinc-finger protein Zinc transporter 8 Cell cycle regulation Cell cycle regulation q23 CAMK1D IDE Chemokine signalling Neutral metallo-peptidase HHEX Transcription factor 10q25 11p15 12q21 KIF11 TCF7L2 KCNJ11 TSPAN8 Microtubule & spindle function Transcription factor Potassium channel Cell surface glycoprotein q12 LGR5 FTO Orphan G protein-receptor Unknown (oxygenase?)

27 Associazione di CAD e diabete di tipo 2 nella stessa regione del cromosoma 9p21 T2D CAD T2D

28 Secrezione insulinica e geni per diabete di tipo 2 TCF7L2 CDKAL1 Florez et al, NEJM 2006 Stenithorsdottir et al, Nat Genet 2007

29 Geni coinvolti nel diabete di tipo 2 Cromosoma Gene più vicino Frequenza del risk allele OR l s 1p12 2p21 3p14 3p25 3q28 6p22 7p15 8q24 9p21 10p13 NOTCH2 THADA ADAMTS9 PPARG IGF2BP2 CDKAL1 JAZF1 SLC30A8 CDKN2A/CDKN2B CDC CAMK1D 10q23 IDE HHEX KIF11 10q25 11p15 12q21 16q12 TCF7L2 KCNJ11 TSPAN8 LGR5 FTO

30 Studio GWA per early-onset T2D (età alla diagnosi <45 anni) rs rs

31 Replication study for SLC24A3 Qualsiasi età alla diagnosi Early-onset JHS JHS SGR SGR NHS NHS Krakow Krakow Combined Combined odds ratio odds ratio OR = 1.12 ( ) OR= 1.20 ( )

32 Epistasi in modelli animali IR/IRS1 double knock-out Prevalence of Diabetes (%) Prevalence of Diabetes (%) C57B/6 129/Sv 0 WT IRS-1 het IR het IR/IRS-1 Double het Age (months) From Almind et al, Diabetes 2003

33 Varianti rare e malattie multifattoriali Rischio Relativo X X Frequenza Allelica

34 Varianti strutturali From Feuk et al, Nat Rev Genet 2006

35 Perche`studiare la genetica del diabete di tipo 2? Scoperta di meccanismi patogenetici (opportunita` per lo sviluppo di nuovi farmaci antidiabetici) Sviluppo di test diagnostici per l identificazione precoce di soggetti a rischio da sottoporre a programmi di prevenzione Trattamenti farmacologici personalizzati (farmacogenetica)

36 Alterazioni del ciclo cellulare coinvolte nel diabete di tipo 2? Cromosoma 1p12 2p21 3p14 3p25 3q28 6p22 7p15 8q24 9p21 10p13 10q23 10q25 11p15 12q21 16q12 Gene più vicino NOTCH2 THADA ADAMTS9 PPARG IGF2BP2 CDKAL1 JAZF1 SLC30A8 CDKN2A/CDKN2B CDC123 CAMK1D IDE HHEX KIF11 TCF7L2 KCNJ11 TSPAN8 LGR5 FTO Funzione Cell differentiation Unknown Proteolytic enzyme Transcription factor IGF2 mrna-binding protein Cell cycle regulation Zinc-finger protein Zinc transporter 8 Cell cycle regulation Cell cycle regulation Chemokine signalling Neutral metallo-peptidase Transcription factor Wnt pathway Microtubule & spindle function Transcription factor Wnt pathway Potassium channel Cell surface glycoprotein Orphan G protein-receptor Unknown (oxygenase?)

37 Alterazioni del ciclo cellulare coinvolte nel diabete di tipo 2? Cromosoma 1p12 2p21 3p14 3p25 3q28 6p22 7p15 8q24 9p21 10p13 10q23 10q25 11p15 12q21 16q12 Gene più vicino NOTCH2 THADA ADAMTS9 PPARG IGF2BP2 CDKAL1 JAZF1 SLC30A8 CDKN2A/CDKN2B CDC123 CAMK1D IDE HHEX KIF11 TCF7L2 KCNJ11 TSPAN8 LGR5 FTO Funzione Cell differentiation Unknown Proteolytic enzyme Transcription factor IGF2 mrna-binding protein Cell cycle regulation Zinc-finger protein Zinc transporter 8 Cell cycle regulation Cell cycle regulation Chemokine signalling Neutral metallo-peptidase Transcription factor Wnt pathway Microtubule & spindle function Transcription factor Wnt pathway Potassium channel Cell surface glycoprotein Orphan G protein-receptor Unknown (oxygenase?)

38 Perche`studiare la genetica del diabete di tipo 2? Scoperta di meccanismi patogenetici (opportunita` per lo sviluppo di nuovi farmaci antidiabetici) Sviluppo di test diagnostici per l identificazione precoce di soggetti a rischio da sottoporre a programmi di prevenzione Trattamenti farmacologici personalizzati (farmacogenetica)

39 Valore predittivo di TCF7L2 per T2D Test Genetico TCF7L2 55% = Omozigote allele protettivo p(diabete) = 5.8% Soggetto non-tipizzato p(diabete) = 7% 38% = Eterozigote p(diabete) = 7.9% 7% = Omozigote allele a rischio p(diabete) = 10.9%

40 Valore predittivo dei 15 geni per T2D 0.20 Proportion p(diabete) Number of Risk Alleles

41 Perche`studiare la genetica del diabete di tipo 2? Scoperta di meccanismi patogenetici (opportunita` per lo sviluppo di nuovi farmaci antidiabetici) Sviluppo di test diagnostici per l identificazione precoce di soggetti a rischio da sottoporre a programmi di prevenzione Trattamenti farmacologici personalizzati (farmacogenetica)

42 Direzioni future Altri rounds di meta-analisi/replicazione di GWAS esistenti Analisi di fenotipi più omogenei e di tratti quantitativi Altri gruppi etnici e razziali Analisi di interazione gene-gene e gene-ambiente Studio di varianti rare e strutturali

43 The 1000 Genomes Project

44 Collaboratori Steve Rich Jim Warram Steve Shoelson Ron Kahn ME Patti Andrzej Krolewski Enzo Trischitta Angelo Avogaro

45 Per saperne di più Doria A, Patti ME, Kahn CR. The emerging genetic architecture of type 2 diabetes Cell Metab 8: , 2008.

46 Eziologia poligenica del diabetes di tipo 2 Eterogeneitá genetica Epistasi

47 Diminuita espressione di geni regolatori del metabolismo ossidativo nel diabete di tipo 2 Patti et al, PNAS 2003

48 SLC24A3 SNPs and risk of EOT2D SNP Risk Allele OR 95% CI P value rs C rs A rs T x10-6 rs G x10-5 rs G rs G x10-4 rs T

49 Familiaritá del diabete di tipo 2 l s = 1.3 l s = 1.8 l s = 2.0 l s = 3.5 Weijnen et al, 2002

50 ENPP1 K121Q e rischio di diabete di tipo 2 McAteer et al., Diabetes 2008