Emiliano Giardina Università di Roma Tor Vergata Scuola Estiva AIP Brescia, giugno 2010

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1 Interazione geni-ambiente nella comprensione delle malattie complesse Emiliano Giardina Università di Roma Tor Vergata Scuola Estiva AIP Brescia, giugno 2010

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3 Malattie semplici Rare Dipendono,principalmente, da un singolo gene (Major Locus) geni causativi Seguono le leggi mendeliane di segregazione Mutationi: evidenza di alleli rari

4 Malattie Complesse G G G G A A A A Malattia

5 Sir William Osler ( ) Variability is the law of life, and as no two faces are the same, so no two bodies are alike, and no two individuals react alike, and behave alike under the abnormal conditions which we know as disease.

6 $ 10 anni $ 2 mesi

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9 I maestri sono inclini ad attribuire l intelligenza dei propri figli ai geni e quella dei propri allievi all ambiente [Roger D. Master]

10 I gemelli Jim Springer e Jim Lewis, nati nel 1939 in Ohio, sono stati adottati da due famiglie diverse e nessuno dei due sapeva dell'esistenza dell'altro. Riuniti dopo decenni scoprirono: avevo lo stesso nome, avevano sposato una donna di nome Linda, avevano entrambi una seconda moglie, entrambe di nome Ann. I figli erano omonimi, entrambi si laurearono in legge e iniziarono a lavorare part-time come aiuto sceriffo. Tutti e due scelgono la Florida per trascorrere le ferie. Acquistano un cane che chiamano Toy. Fumano le stesse sigarette e bevono la stessa birra. "Corriere del Medico" del 12 giugno del 1980

11 Esistono in particolare 4 o 5 specie o razze di uomini le cui differenze sono tanto notevoli che potremmo correttamente usarle come base per una nuova divisione della terra. [François Bernier ]

12 [Richard Westall,1812]

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15 Sir William Osler ( ) Variability is the law of life, and as no two faces are the same, so no two bodies are alike, and no two individuals react alike, and behave alike under the abnormal conditions which we know as disease.

16 1% 0.9%

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18 POLIMORFISMI GENETICI Polimorfismi di lunghezza Polimorfismi di sequenza ATTC ATTC AACGTTCG A TTGCAAGC ATTC ATTC ATTC TTGCAAGC T AACGTTCG ATTC ATTC ATTC ATTC AACGTTCG TTGCAAGC C G TTGCAAGC AACGTTCG Copy Number Variation A B C A A A B C

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20 LA VARIABILITA INTER-INDIVIDUALE

21 Ad alcuni loci le persone hanno sequenze nucleotidiche differenti...c C C A T T G A C... G G G T A A C T G......C C C G T T G A C... G G G C A A C T G...

22 ictus Depressioni-manie Cancro mammella Diabete Obesità Patologie dell intestino Infarto del miocardio Ipertensione ipercolesterolemia Schizofrenia

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24 La malattia non si esprime La malattia può esprimersi Numero di individui soglia media Numero di geni che conferiscono suscettibilità alla malattia

25 Evoluzione del concetto di rischio

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29 George C. Williams Pleiotropy is the ultimate reason for all these things.

30 L esempio di Apo E ApoE (19q13) codifica per una lipoproteina deputata al trasporto del colesterolo e dei fosfolipidi. Lipidi e lipoproteine sembrano svolgere un ruolo protettivo nei confronti degli agenti virali. Nel cervello, in età adulta, questo gene da protettivo diventa di suscettibilità per la malattia di Alzheimer

31 L esempio delle IBDs I geni che predispongono alle IBD hanno un ruolo protettivo nei confronti delle infezioni mucosali nei paesi non industrializzati. Nei paesi industrializzati, non essendoci più la continua esposizione agli agenti patogeni, si sviluppa una reazione autoimmune che causa, ad esempio, il morbo di Crohn.

32 L esempio degli ebrei Ashkenazi

33 Gli ebrei Ashkenazi (mid-east Europe) hanno alte frequenze di IBD, per reazione alla costrizione nei ghetti dove le condizioni sanitarie erano mediocri e la popolosità elevata.

34 Le malattie della Coca-colonizzazione ictus Depressioni-manie Cancro mammella Diabete Obesità Patologie dell intestino Infarto del miocardio Ipertensione ipercolesterolemia Schizofrenia

35 La coca-colonizzazione anche negli zoo

36 L esempio degli Indiani Pima

37 Popolazioni caratterizzate da ridotto consumo energetico basale, insulinoresistenza muscolare ed epatica (con minor consumo e maggior produzione di glucosio nei periodi di carenza per preservare la funzione vitale cerebrale glucosiodipendente), ed ultimamente anche implicazioni della insulinoresistenza su una riduzione della funzione ovarica che avrebbe così rappresentato un controllo automatico della fertilità vantaggioso dal punto di vista evoluzionistico (minore fertilità in carenza di cibo).

38 i geni vecchi in un ambiente nuovo

39 L esempio dei Micronesiani 60% 0%

40 Gli yanomamo adattati alla carenza di sodio

41 L esempio dell ipertensione 10mg di sodio/die (1/1000 della media) Yanomamo indians (Brasile)

42 Genetic-dietary interactions Masai High fat intake Cholesterol levels tend to be relatively low. Arctic Eskimos have relatively poor repression of cholesterol synthesis in response to a high-fat, high cholesterol diet Unusually efficient negative feedback regulation of cholesterol synthesis.

43 [...] Essendo ingenerato è anche imperituro, tutt intero, unico, immobile e senza fine. Non mai era né sarà, perché è ora tutt insieme, uno, continuo. Difatti quale origine gli vuoi cercare? Come e donde il suo nascere? Dal non essere non ti permetterò né di dirlo né di pensarlo. Infatti non si può né dire né pensare ciò che non è. ( circa ac). (Parmenide, I presocratici. Testimonianze e frammenti,)

44 tutto scorre niente permane (Efeso ca a. C.)

45 ANATOMY OF DNA ENVIRONMENTAL/INTERACTION GENES NEED FOR GREAT VARIABILITY POLYMORPHIC REGIONS CORE BIOLOGY FUNCTION GENES NO NEED FOR GREAT VARIABILITY BLOCKED REGIONS

46 Structural variation in the human genome plasticity Analyses of the functional attributes of currently known CNVs reveal a remarkable enrichment for genes that are relevant to molecular environmental interactions and influence our response to specific environmental stimuli

47 Different projects same results It is intriguing to speculate that the extent of LD (and sequence diversity) might track with gene function due to natural selection, with increased diversity being favoured in genes involved in interface with the environment such as the immune response, and disadvantageous for core cell biological processes such as DNA repair and packaging. [The International HapMap Consortium]

48 October, 2006 ultraconserved elements (UCEs) are believed to be important for functions involving DNA binding, RNA processing and the regulation of transcription and development.

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51 From a static to a dynamic view of genes/environment interaction variation in chromatin states is highly abundant in humans and could therefore provide an additional source of phenotypic variation chromatin differences between individuals can exist independently of DNA sequence polymorphisms Alternative chromatin states (epialleles) display intriguing patterns of instability, which can be induced by genomic and environmental perturbations.

52 From a static to a dynamic view of DNA These dynamic features are not easily integrated into our current studies of complex traits a component originating from DNA sequence variation, a component originating from epigenetic variation, a component of non-heritable chromatin variation a component of unexplained (residual) variation.

53 The dynamic epigenome and its implications The epigenome is composed of two components: 1) the chromatin which is associated with the DNA and 2) DNA methylation which is part of the covalent structure of the genome and is therefore a stable longterm signal DNA methylation is an interface between the dynamic environment and the static genome

54 O C HNH N CH O C HNH The environment is dynamic, the chromatin is dynamic, would DNA N CHmethylation remain DNMT N C static throughout life? DNA AdoMet AdoHcy CH3OH dmtase HOH N DNA CH CH3 The reversible methylation reaction

55 Is the environment/dna interaction stable across the lifespan? Decision Support Tools: Assess Risk Refine Assessment Predict/Diagnose Monitor Progression Predict Events Inform Therapeutics Disease Burden Baseline Risk Initiating Events Earliest Molecular Detection Earliest Clinical Detection Typical Current Intervention Sources of New Biomarkers: 2005 RALPH SNYDERMAN Baseline Risk Stable Genomics: Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) Haplotype Mapping Gene Sequencing Preclinical Progression Dynamic Genomics: Gene Expression Proteomics Epigenetic Metabolomics Time Disease Initiation and Progression Therapeutic Decision Support

56 to intra-individual variability from interindividual variability

57 Towards an integrated (epi)genetic approach

58 Integrated (epi)genetic approach phen MVPs BisSeq X X DMRmap Genome HapMap tag SNPs WGAmap DeepSeq phen SNPs (ehapmap) X X X candidate hepitype

59 (Epi)genotyping

60 (Epi)genotyping

61 Murrell et al Hum Mol. Genet. 14:R3-10 (Epi)genotyping Could we consider the associated haplotype in the light of epigenetic regulation?

62 In a recent study, global and locus-specific epigenetic differences between identical twins were reported to arise with age [32]. In this study, involving 80 twins varying in age The results indicate that, while these monozygotic twins are epigenetically indistinguishable early in life, at older age, they start to exhibit remarkable differences in overall content and genomic distribution of 5-methylcytosine DNA and histone acetylation, affecting their gene-expression profiles. This divergence of genetically identical individuals over time could be stochastic (due, for example, to early, random epimutations) or systematic when driven by different cellular responses to environmental changes.

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64 most or all studies on DNA methylation during aging support the hypothesis that aging is associated with a relaxation of epigenetic control!

65 Genetic Heritability of Human Lifespan Cournil & Kirkwood 2001 Twin Studies McGue et al (1993) 0.22 Herskind et al (1996) 0.25 Ljungquist et al (1998) <0.33 Traditional Family Studies Philippe (1978) Bocquet-Appel & Jakobi (1990) Mayer (1990) Gavrilova et al (1998) Cournil et al (2000) 0.27 Genes account for 25% of what determines longevity

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67 Young, LW, Radebaugh J F, Rubin P, Sensenbrenner JA, Fiorelli G (1971) New syndrome manifested by mandibular hypoplasia, acroosteolysis, stiff joints and cutaneous atrophy (mandibuloacral dysplasia) in two unrelated boys. Birth Defects Orig Art Ser VII(7):

68 MANDIBULOACRAL DYSPLASIA; MAD CRANIOMANDIBULAR DERMATODYSOSTOSIS OMIM # MAD is a rare progeria-like autosomal recessive syndrome characterized by postnatal onset of progressive osteolysis of the clavicles and distal phalanges (acroosteolysis), progressive mandibular hypoplasia (resulting in dental crowding), thin/beaked nose, alopecia/thin hair, stiff joints, cutaneous atrophy

69 Lamin A processing Navarro et al Hum. Mol. Genet.

70 PROGERIA - HGPS 10 months 14 yr Hutchinson, Medicochirurgical Trans 1886;69:473 Gilford, Practitioner 1904;73:188

71 Young 'old' children, lamin and premature ageing MAD was referred: (Welsh, 1975) New progeroid Syndrome They include mutations resulting in genomic instability, alterations in lipid and carbohydrate metabolism. Their phenotypic features may sometimes be quite unusual, and some features may result from gross abnormalities in development

72 Geografia del DNA

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74 Chromosome Positioning in Proliferating Cells by Gene Density Gene-poor Chromosomes Intermediate Chromosomes Gene-rich Chromosomes Nuclear Lamina Nucleolus Nuclear Membrane Croft/Bridger et al., 1999; Bridger et al., 2000; Boyle et al., 2001; Meaburn et al., 2005

75 20 loci associati all altezza Weedon et al. - Nat Genet - May 2008 GWA (Affimetrix 500K) N= (Eur./Euro-amer.) SNPs Analisi di associazione: 27 SNPs indipendenti (r 2 =0,2) con P<1* SNPs indipendenti (r 2 =0,2) con P<5*10-7 Follow UP N= (Eur./Euro-amer.) 39 SNPs con P<1*10-4 Analisi di associazione: 20 SNPs indipendenti (r 2 =0,2) con P<0,005 e P comb. <1*10-4

76 I 20 SNPs spiegano il 3% della variazione di altezza (contributo genetico alla variazione di altezza >80%); Ogni allele tall apporta una variazione di altezza tra 0,2-0,6 cm; Differenza di 5 cm di altezza tra gli individui con 17 alleli tall e 27 alleli tall.

77 12 loci associati all altezza Lettre et al. - Nature Genetics - May 2008 GWA (Affimetrix 500K; Illumina 317K 550K) N= (Eur.) 2,2 milioni SNPs Analisi di associazione: 78 SNPs indipendenti con alta P Follow UP N= (Euro-amer.) 78 SNPs Analisi di associazione: 12 SNPs indipendenti con P<5* SNPs indipendenti con 5*10-7 <P<5*10-6

78 I 12 SNPs spiegano il 2% della variazione di altezza (contributo genetico sulla variazione di altezza >80%); Ogni allele tall apporta una variazione di altezza tra 0,3-0,5 cm; Differenza di 3,5 cm di altezza tra individui con 8 alleli tall e 16 alleli tall.

79 27 loci associati all altezza Gudbjartsson et al. - Nature Genetics - May 2008 GWA (Illumina 317K) N= (Eur.) (Afro-amer.) SNPs Analisi di associazione: 27 SNPs con P<1,6*10-7 Follow UP N=5.517 (Eur.) 40 SNPs con P< 10-5 Analisi di associazione: 22 SNPs confermati con P comb. <1*10-8

80 I 27 SNPs spiegano il 3,7% della variazione di altezza (contributo genetico sulla variazione di altezza >80%); Ogni allele tall apporta una variazione di altezza tra 0,3-0,6 cm; Vicino o all interno di geni codificanti per proteine legate alla crescita scheletrica (BMP2, BMP6, NOG), alla formazione di fibre elastiche (EFEMP1, FBLN5), enzimi per la disgregazione cartilaginea (ADAMTS ) e geni legati alla mitosi (HMGA1 e 2, NCAPG, CDK6 e COIL); Non differenze nell effetto tra i sessi.

81 SCIENTIFIC EVIDENCE CLINICAL UTILITY

82 ASSOCIATED SNPs GENOMIC MARKERS The most of markers associated to human diseases are not useful in clinical practice

83 Hypertension QTLs in the human genome

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88 Familiarità Offspring Cardiovascular Disease Event Rates by Predicted Risk and Presence of Premature Parental CVD Donald et al., 2004

89 One E4 Allele 3X the Population Incidence of Alzheimer Disease ~5/1000 ~35/1000 ~105/1000 ~15/ Adapted from Neurology 2000; 54: ;55:66-73 This means that at age 89, there is still a chance of 895/1,000 that the person WILL NOT show clinical signs and symptoms of AD!

90 Two E4 Alleles - 8X the Population Incidence of Alzheimer Disease ~35/1000 ~280/1000 ~5/1000 ~40/ This means that at age 89, there is still a chance of 720/1,000 that the person WILL NOT show clinical signs and symptoms of AD! Adapted from Neurology 2000; 54: ;55:66-73

91 Evaluation process for genetic testing comprises analytic validity, clinical validity, clinical utility

92 The analytic validity of a genetic test defines its ability to accurately and reliably measure the genotype of interest. This aspect of evaluation focuses on the laboratory component. The clinical utility of a genetic test defines the elements that need to be considered when evaluating the risks and benefits associated with its introduction into routine practice. The clinical validity of a genetic test defines its ability to detect or predict the associated disorder (phenotype). Cost-effectiveness involves the decision about whether or not to perform a genetic test emanates from consideration of the health-related consequences including benefits (outputs) and costs (inputs) of a medical intervention.

93 Classificazione dei biomarker Validi genomici Accettati dalla comunità scientifica per predire fenotipi clinici o pre-clinici. Probabilmente validi Sembrano avere un valore predittivo ma non sono stati replicati o universalmente accettati.

94 Esempi di biomarker validi: Sicurezza TPMT (6-MP, azathioprine) UGT1A1 (irinotecano) CYP2C9/VKORC1 (warfarina) CYP2D6 (Strattera) Efficacia EGFR status (Erbitux, Tarceva) Her2/neu status (Herceptin) Philadelphia chromosome ~ Bcr-abl (Gleevec) C-kit (Gleevec)

95 Probabilmente Validi : Sicurezza Kim1 ~ preclinical (nephrotoxicity) Gene panels used for preclinical safety evaluation Efficacia EGFR mutations (Iressa) CYP2D6 (Tamoxifen) OncotypeDx gene panel (radiation therapy)

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97 Combinazione di sintomi comunemente riportati con ipersensibilità (n=1,306) 2% 3%1% 3% 14% 3 or 4 symptoms Rash and fever only Fever and GI only Skin and GI only 13% Sintomi multipli sono tipicamente presenti nella maggioranza dei casi di ipersensibilità 64% Skin and constitution only Respiratory Other Hetherington SV. 2nd International Symposium on Mechanisms, Models and Predictions of Idiosyncratic Drug Toxicity June 2001.

98 carbamazepine (CBZ), lamotrigine (LTG), phenobarbital (PHB), phenytoin (PHT), or valproic acid (VPA)

99 Days to Onset of ABC HSR Proportion of SPT-Pos and SPT-Neg Subjects 20% 16% 12% 8% 4% >42 Number of Days between start of ABC and onset of ABC HSR SPT-Pos (n=47) SPT-Neg (n=148)

100 Days to Onset of ABC HSR 20% Proportion of SPT-Pos Subjects 16% 12% 8% 4% >42 Number of Days between start of ABC and onset of ABC HSR SPT-Pos (n=47)

101 Epistasi Fattori protettivi CNVs Elaborazione rischio

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