GENETICA DELLE MALATTIE COMPLESSE. Dr. Giovanni Malerba Biologia e Genetica, UniVR

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1 GENETICA DELLE MALATTIE COMPLESSE Dr. Giovanni Malerba Biologia e Genetica, UniVR giovanni.malerba@univr.it

2 CARATTERE COMPLESSO Predisposizione Genetica interazione Diagnosi Prevenzione Terapia efficiente e sicura AMBIENTE NELLE MALATTIE COMPLESSE IL RISCHIO DI MALATTIA INFLUENZATO DA FATTORI GENETICI E DA FATTORI AMBIENTALI Si sono identificati centinaia di loci associati alla variabilità di molti caratteri (linkage, associazione - GWAS) È

3 VARIANTI GENETICHE ED EFFETTO Varianti identificate tramite sequenziamento SNP utilizzati nei GWAS OddsRatio Nature 461, (8 October 2009)

4 HUMAN GENOME

5 Come studiare il fattore genetico nelle malattie complesse? Modalità? ANALISI DI LINKAGE (studio attraverso la segregazione di marcatori del DNA) ANALISI DI ASSOCIAZIONE Nostro interesse per oggi

6 Studio di associazione in breve Individuo con genotipo nero Individuo con genotipo rosso Controlli Casi è maggiormente frequente nei casi rispetto a ASSOCIAZIONE NOTA: Con lo studio di associazione si possono studiare caratteri sia qualitativi (affetto/non affetto : frequenza del genotipo tra i 2 gruppi?) che quantitativi (medie del valore dei livelli di un dato parametro per i diversi genotipi)

7 ESEMPIO DI GWAS: Bone-mineral-density loci Nature Genetics 41, (2009)

8 GWAS - caratteristiche Vantaggi Nessuna ipotesi/conoscenza a priori del problema biologico Richieste Dimensione del campione molto grande (>>1000) Alta risoluzione (milioni di mkrs) Replica dei risultati in un campione indipendente Problematiche Grande quantità di dati (individui, fenotipi, marcatori DNA) Controllo di qualità (campioni, popolazioni, marcatori) Possibile stratificazione del campione (controlli adatti) Statistica da utilizzare (modello genetico, singolo locus) Test multipli (>> test eseguiti)

9 GWA & Variabilità tra popolazioni CEU CHB JPT YRI EJHG 2008, 16:

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15 LD & GWAS & PREDIZIONE

16 SNPs associati a più Caratteri (Complessità)

17 GWAS BMD misurata in 2 distretti Nature Genetics 41, (2009)

18 GWAS LOCI nuovi e già noti Nature Genetics 41, (2009)

19 GWAS LOCI nuovi e già noti Nature Genetics 41, (2009)

20 Meta-Analisi per i loci identificati Nature Genetics 41, (2009)

21 BMD e numero di alleli di rischio La distribuzione del numero di alleli di rischio portati da un individuo si avvicina alla curva a campana Il valore di BMD (espresso in Z-score), in media, si riduce all'aumentare del numero di alleli di rischio!! (ricorda il modello a soglia)

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24 PATHWAYS Potenziali target Representation of the connections between SNPs and corresponding genes for the 42 SNPs with GRAIL (p < 0.01). Thicker and redder lines imply stronger literature-based connectivity. doi: /nature09410

25 L'eredità mancante dei GWAS

26 L'EREDITABILITÀ MANCANTE I loci individuati dai GWAS spiegano in genere una ridotta quantità della variabilità legata alla componente genetica (ereditabilità; < ~20%) La parte mancante viene scherzosamente definita la MATERIA OSCURA dei GWAS perchè si è sicuri che esista, si vede il suo effetto, ma NON si riesce a vederla. Nota: L'ereditabilità dei caratteri quantitativi (h^2: prop di varianza attribuibile ai fattori genetici addittivi) è tipicamente stimata dagli studi familiari e quindi il suo valore potrebbe variare nei diversi ambienti

27 LIPIDI: geni con varianti comuni e con varianti rare Il rischio determinato tramite gli SNP potrebbe sottostimare il rischio associato alle vere varianti causali Es: 11 dei 30 geni attualmente associati a variazioni dei livelli di lipidi possono anche presentare degli alleli rari che sono associati a forme Mendeliane di dislipidemia (ABCA1, PCSKA9, LDLR): geni con varianti comuni associate ad effetti lievi possono anche portare varianti rare associate a forti effetti

28 Geni & Alzheimer disease 178 mutazioni diverse in 393 famiglie [associato a demenza frontotemporale]

29 Diverse malattie diversi modelli L'architettura allelica (numero, tipo, effetto, frequenza) potrebbe essere diversa nei diversi fenotipi: Age-related macular degeneration: numero ridotto di varianti comuni con un forte effetto (OR > 2) Crohn's disease: numero abbondante di varianti comuni con un lieve effetto (OR << 2; e molto rimane ancora da identificare) Il numero delle varianti comuni identificate aumenta con l'aumentare delle dimensioni del campione analizzato.

30 MEDICINA PERSONALIZZATA

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37 KIF6 and Coronary Heart Disease (CHD) Thrombophilia Liver Fibrosis Breast Cancer Fragile-X Lung Cancer

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39 OMICHE DELLA GENETICA del 2012 GENOMICA TRASCRITTOMICA EPIGENETICA WHOLE GENOME De novo sequencing RNA-Seq WHOLE GENOME Bisulfite sequencing WHOLE GENOME Re- sequencing small RNA MeDIP - Sequencing ESOMA (~30MB) Genotyping ChIP - Sequencing

40 MetaHIT project A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing TotalDNA from faecal samples of 124 European adults Gb of sequence Predicte 3.3 million unique open reading frames (ORFs) 40 Mar 2010

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46 Sequenziamento (Next Generation Seq)

47 ALLA RICERCA DELLA VARIANTE DAMAGING Seleziono i migliori candidati Se sono già descritti come polimorfismi comuni allora NON mi interessano ANALISI BIOINFORMATICA Conservazioni in specie omologhe, alterazioni della struttura 3D, interazioni con il sito di legame, etc...

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53 LA RIVOLUZIONE GENOMICA secondo Craig Venter: Il primo genoma rappresenta la linea di partenza Almeno genomi + fenotipi per poter parlare di medicina preventiva Dr. Craig Venter