Se esistesse davvero la trasmissione mendeliana semplice

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1 Geni modificatori

2 Se esistesse davvero la trasmissione mendeliana semplice Il fenotipo nella stessa famiglia non dovrebbe variare tra individuo ed individuo (nessuna variabilità intrafamiliare). La malattia potrebbe avere fenotipi differenti tra individui appartenenti a differenti famiglie e quindi con differenti mutazioni (variabilità inter-familiare). Salute Gene 1 Lieve Malattia Grave A

3 Se esistesse davvero la trasmissione mendeliana semplice Il fenotipo nella stessa famiglia non dovrebbe variare tra individuo ed individuo (nessuna variabilità intrafamiliare). La malattia potrebbe avere fenotipi differenti tra individui appartenenti a differenti famiglie e quindi con differenti mutazioni (variabilità inter-familiare). L esperienza clinica invece dimostra che la presenza in una stessa famiglia di fenotipi patologici perfettamente identici sia però una eccezione più che una regola In altre parole, l espressività variabile è molto diffusa nelle malattie genetiche

4 Geni modificatori A? Gene 1 Lieve Grave Salute Malattia Gene 2 Gene 2 Salute Salute Gene 1 Gene 1 Lieve Lieve Malattia Malattia Grave Grave B C

5 Geni modificatori Geni che possono modificare la gravità o le caratteristiche di una malattie interagendo col gene principale che da solo, in ogni caso, è in grado di determinare la malattia stessa. L effetto di un gene modificatore può essere quello di migliorare o peggiorare il quadro clinico Si tende a pensare che geni modificatori siano varianti alleliche comuni con modesto impatto funzionale, quando considerati nell organismo sano, ma che possono agire come modificatori in particolari condizioni patologiche.

6 La presenza di geni modificatori è coerente con l eredità mendeliana Permanendo l azione del gene principale nel determinismo della malattia, la trasmissione della stessa sarà, all analisi dell albero genealogico, ancora mendeliana. Ci troveremo quindi di fronte a malattie dominanti o recessive ma con una possibile differenza di espressione fenotipica anche all interno della stessa famiglia (variabilità intra-familiare)

7 Geni modificatori Esempi : fibrosi cistica geni di TGF-beta1, dell alfa1- antitripsina e della mannose binding lectin modificano il fenotipo con maggior coinvolgimento polmonare (TGF-beta1) o epatico (gli altri due) Atassia di Friedreich: varianti del DNA mitocondriale influenzano l età di esordio e le complicanze cardiache

8 Le malattie genetiche Multifattoriali o Complesse

9 Malattie complesse Generalmente comuni Tendono ad aggregare nelle famiglie ma non mostrano i caratteri Disease di una segregazione mendeliana gene Modifying gene (dominanza, recessività ecc.) Risultano dalla complessa interazione di fattori genetici (geni di Phenotype suscettibilità) e fattori ambientali enic Susceptibility gene Complex or multifactorial Susceptibility gene Phenotype Susceptibility gene Environment Life Style etc.

10 Rare Genetica semplice Alto rischio di ricorrenza Malattie Multifattoriali Malattie Complesse genetica ambiente Fibrosi cistica, Atassia di Friedreich ecc Ipertensione Cardiopatia ischemica Diabete Malattie psichiatriche Cancro e molte altre. Comuni Genetica Complessa Basso rischio di ricorrenza Fratture traumatiche

11 Tutte le malattie derivano da un rapporto tra geni e ambiente

12 Popolazione generale Determinato ambiente Parte della popolazione con una determinata variazione genetica

13 Popolazione generale Determinato ambiente Parte della popolazione con una determinata variazione genetica Ammalati

14 Malattia ambientale Popolazione generale Determinato ambiente Parte della popolazione con una determinata variazione genetica Ammalati

15 Malattia genetica Popolazione generale Fattore ambientale Parte della popolazione con una determinata variazione genetica Ammalati

16 Malattia multifattoriale Popolazione generale Fattore ambientale Parte della popolazione con una determinata variazione genetica Ammalati

17 Ma esiste davvero una componente genetica nelle malattie comuni??

18 Studi su gemelli

19 Gemelli Due tipi di gemelli: Monozigoti: derivano da un singolo zigote. Sono geneticamente identici Dizigoti: derivano da due uova fecondate da due spermatozoi nello stesso momento. Geneticamente sono fratelli (solo nati nello stesso giorno)

20 Gemelli Per stabilire la presenza di una componente genetica in un carattere complesso si paragona la variazione del tratto in questione in gemelli monozigoti (hanno in comune genetica ed ambiente) con la variazione in gemelli dizigoti (hanno in comune l ambiente). E ragionevole dedurre che se la variazione è minore (ovvero la concordanza maggiore) nei monozigoti ciò sia dovuto maggiormente a fattori genetici

21 La stima della componente genetica si chiama Ereditabilità (H 2 ) L ereditabilità (H 2 ) è, in senso lato, l aliquota della varianza totale di un tratto fenotipico attribuibile alla componente genetica H 2 vicino a 1 = Il tratto è fondamentalmente genetico H 2 vicino a 0 = La componente genetica è assente L ereditabilità è il doppio della differenza tra la correlazione intraclasse tra monozigoti e dizigoti h 2 = 2[r MZ r DZ ]

22 Lo stato dell arte

23 Meta-analisi Studiati tratti complessi (estratti da pubblicazioni dal 1958 al 2012) Complessivamente riguardano dati su coppie di gemelli Virtualmente tutte le analisi su gemelli degli ultimi 50 anni

24 Ereditabilità media (H2) = Nelle malattie complesse (mediamente) c è una eguale contribuzione tra geni e ambiente

25 Correlazioni per classe di tratto L importanza della contribuzione genetica varia a seconda della classe del tratto

26 Quale modello?

27 Diversi fattori possono contribuire alla stessa malattia gene a gene d gene b gene c ambiente a ambiente b

28 Non importa quali fattori siano, purché si superi una soglia fattore a fattore b fattore c fattore d fattore e fattore f

29 Il modello a soglia di Falconer Sani Soglia Malati Suscettibilità

30 L aggregazione familiare nel modello a soglia Popolazione totale Sani Soglia Malati Parenti degli affetti Sani Soglia Malati Suscettibilità

31 Come i geni possono interagire tra loro nel determinare una malattia complessa? enic Complex or multifactorial Disease gene Modifying gene Susceptibility gene Susceptibility gene Susceptibility gene Environment Life Style etc. Phenotype Phenotype Interazione Additiva Interazione Epistatica

32 Interazione additiva: Definizione Interazione additiva: si verifica quando il valore fenotipico di un allele ad un locus si va ad aggiungere al valore fenotipico di altri alleli in uno o più loci

33 Effetto additivo 1

34 Effetto additivo 2

35 Effetto additivo 3

36 Effetto additivo 4

37 Interazione additiva Gene A Gene B AA 40 BB 40 Aa 30 Bb 30 aa 10 bb 10 Effetto Additivo BB Bb bb AA Aa aa

38 Interazione Epistatica: Definizione L interazione epistatica si verifica quando il valore fenotipico di un allele in un locus è dipendente dal valore fenotipico di altri alleli in uno o più loci

39 Epistasi 1

40 Epistasi 2

41 Epistasi 3

42 Epistasi 4

43 Definizione (1917) Fisher: Gli alleli di differenti loci determinano un effetto diverso dalla somma su un fenotipo quantitativo. Gene A Gene B AA 40 BB 40 Aa 30 Bb 30 aa 10 bb 10 Effetto Additivo BB Bb bb AA Aa aa Deviazione dall effetto additivo BB Bb bb AA Aa aa

44 L effetto additivo è il più frequente Lo studio sui gemelli mostra che l effetto additivo quello più probabile (può essere invocato in 69% dei tratti) C è molta variazione a seconda del gruppo di malattie n. of traits % est. Additive

45 Come i geni interagiscono con l ambiente nel determinare una malattia complessa? enic Complex or multifactorial Disease gene Modifying gene Susceptibility gene Susceptibility gene Susceptibility gene Environment Life Style etc. Phenotype Phenotype Modello additivo Geni modulano la risposta Modello super additivo

46 Interazioni gene-ambiente Addi've model AA AB BB Gene'cs module environmental response AA AB BB Super Addi've Model AA AB BB Gene'c risk Environmetal risk

47 La componente genetica delle malattie complesse

48 Chi è il colpevole?

49 Il primo indiziato: le varianti comuni

50 Common Disease/ Common Variant (CD/CV) Varianti alleliche esistenti prima della dispersione degli umani sulla terra o varianti alleliche sottoposte a pressione selettiva rappresentano una proporzione significativa degli alleli di suscettibilità per le malattie complesse. La conseguenza è l attesa di una minore eterogeneità nei geni di suscettibilità per le malattie complesse

51 Varianti frequenti Una variante genetica può raggiungere alte frequenze in una popolazione per due motivi: È molto antica ed è diventata frequente solo per caso (deriva genica) È stata sotto pressione selettiva

52 Pressione selettiva: adattamento e malattia? Ambiente Genoma? Adattamento Malattia

53 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

54 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

55 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

56 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

57 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

58 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

59 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

60 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

61 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

62 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

63 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

64 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

65 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

66 Studi di associazione Genome-wide

67 Studi di replicazione e Meta-analisi

68 Published GWA Reports, / Total Number of Publications Through 6/30/12 postings Calendar Quarter

69 Published Genome-Wide Associa4ons through 07/2012 Published GWA at p 5X10-8 for 18 trait categories NHGRI GWA Catalog

70 La ereditabilità perduta

71 Alla ricerca della ereditarietà perduta: le varian' rare

72 Common Disease/ Rare Allele (CD/RA) La maggior parte delle mutazioni che causano malattie complesse sono avvenute recentemente, dopo la divergenza delle popolazioni. La conseguenza è l attesa di una forte eterogeneità nei geni di suscettibilità per le malattie complesse

73 Alcune realtà: il next generation sequencing Le tecnologie di sequenziamento di nuova generazione (Next- Generation Sequencing) hanno migliorato l'efficienza del sequenziamento del DNA rispetto al tradizionale metodo Sanger. E possibile infatti ottenere fino ad un miliardo di basi in un solo giorno, ad un costo molto basso.

74 Costi del sequenziamento di un genoma completo 2000 = circa 1 miliardo di dollari e 13 anni di lavoro 2009 = circa dollari e un mese di lavoro Attualmente un esoma completo (sequenziamento della solo parte codogenica) costa circa intorno ai 1000 dollari

75 Cosa sta emergendo Siamo pieni di mutazioni!!! Numero medio di SNV per esoma = 13,595 Ogni individuo possiede mediamente 35 varianti non-sense ed è omozigote per almeno una di esse. Ogni individuo possiede mediamente da 21 a 32 varianti con impatto funzionale. Il numero medio di nuove varianti per individuo è 549

76 Conclusioni mutazioni rare E probabile che le mutazioni rare diano un contributo significativo alla variabilità genetica normale e alle predisposizione alle malattie multifattoriali L identificazione di queste varianti era praticamente impossibile per GWA perché necessitavano una campionamento troppo grande Con le tecniche di NGS sarà possibile definire nel prossimo futuro con precisione il loro ruolo nella patogenesi delle malattie complesse

77 Alla ricerca della ereditarietà perduta: le relazioni geni-ambiente possono essere complesse e oscurare la ricerca

78 Conclusioni interazioni gene-ambiente E possibile che una parte della componente genetica non sia stata ancora scoperta perché nascosta da complesse interazioni con l ambiente. Le attuali metodologie di indagine (come il GWAS) controllano male la componente ambientale La sempre maggior capacità di controllare la componente ambientale delle malattie complesse insieme alla migliore comprensione delle relazioni gene-ambiente potrebbe far scoprire una ulteriore parte della ereditabilità nascosta