Importanza dello studio dell evoluzione e della selezione per capire le malattie Medicina evoluzionistica

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1 Importanza dello studio dell evoluzione e della selezione per capire le malattie Medicina evoluzionistica Cancro: cellule con mutazioni che consentono loro di sopravvivere e riprodursi meglio delle altre. Se non ci fossimo evoluti per evolvere, non avremmo mai avuto il cancro (Greaves, 2000) La medicina evoluzionistica inoltre permette di riconoscere molti sintomi come adattamenti del corpo umano.

2 Mismatch disease: la selezione fa un match tra uomo e ambiente

3 Diversità genetica umana: selezione e malattie Capire il contributo delle forze selettive che hanno avuto un impatto sul genoma umano Studiare la diversità genetica di geni coinvolti nelle relazioni con i patogeni, con l ambiente e con le risorse alimentari. Identificare forme specifiche di selezione per questi geni e loro ruolo sul metabolismo.

4 Environment, interact to determine genetic variation in the modern human species Epidemics, Travels (migration)

5 Positive selection acts on disease resistance alleles Severe sepsi and CASP12

6 Within CASP12 gene a SNP (rs497116) causes a premature stop codone Humans that lack CASP12 are less likely to develop severe sepsi Mutant allele has increase to 95% frequency in the human population as a consequence of positive selection within the last KY.

7 Kidney disease Kidney failure is about 4 times more frequent in African-Americans than in other Americans. GWAS identified a strong signal for disease susceptibility in the APOLI gene (rs and rs )

8 APOLI was already known to lyse and thus protect against Trypanosoma brucei (sleeping sickness). Selection for resistance to sleeping sickness has resulted in the high frequency of variants that strongly increase risk of developing kidney disease

9 Role of Malaria in shaping the genetic structure of Sardinian population Malaria: Endemica già dai tempi dei Cartaginesi : una morbilità di casi (349, 57 su ); 1941 a Nuoro (383,12 casi su abitanti). Durante la seconda guerra mondiale aumentò sensibilmente in tutta l Italia, 1946 campagnia anti malaria grazie alla Fondazione Rockfeller che debellò la malattia con l introduzione del DDT (paradiclorodifeniltricloroetano). Mortality rate (x1000)

10 Malaria has exerted strong selection pressure on the human genome by inducing high frequencies of genetic polymorphisms that protect against malaria infection. Genetic adaptations to malaria can assume different forms. Diffusion of Th-, G6PD-, Fy(a-b-) Correlation with some STRs of NOS gene

11 Other examples: ACP1 Red cell acid phosphatase 1 is an enzyme isolated from several human tissues, and it is involved in signal transduction pathways activated by membrane receptos such as the insuline receptor, T-receptors and others. It exists in two isoforms.

12 ACP1 3 SNPs are identified that affect enzymatic activity. Combination of these SNPs define the common genotypes: ACP*A, ACP*B and ACP*C (enzymatic activity: AA<ab<bb-ac<bc<cc). In Sardinian significant difference among villages. ACP1*C is positively correlated with altitude, ACP1*A shows a negative correlation. ACP1*C presents a negative correlation with malaria: so high ACP activity can decrease membrane rigidity and favour the invasion of the cell by the parassite.

13 TNF Tumor necrosis factor is a cytokine that affects lipid metabolism, coagulation, insuline resistence and endothelial function and provide a rapid form of host defense agaist infection. The effect of some SNPs is controversial but they have been associated with variuos autoimmune and infectious diseases, including malaria. In Sardegna high frequency of TNF-376 (confers protection from malaria?)

14 Correlation between TNF-α levels and BMI and insulin. Possible role of TNF-α in the pathogenesis of type-2 diabetes mellitus and the importance of reducing obesity to prevent elevated levels of the cytokine and related complications. 3 SNPs (TNFB+318, TNFA-857, and TNFA-308) and 2 common TNF haplotypes showed significant association with the risk of T1D (P= 5 x 10(-3)-10(-5)) in Korean cohort. TNF resulted correlated also with sclerosis multiple

15 ADA - malaria and Diabetes Type I Adenosine deaminase is a polymorphic enzyme that has an important role in immune functions and in the regulation of intracellular and extracellular concentrations of adenosine and adenosine receptor activity. The 2(2)/6(1) haplotype may exert a protective action in males but may increase susceptibility to DM1 in females: OR = 0.398, 95% CI for males, and OR = 2.31, 95% CI for females recently observed that Type 1 Diabetes (T1D) in Sardinia is associated with ADA2 (Saccucci et al., 2010)

16 Correlation between NOS STRs and Malaria In mammals, there are three isoforms: NOS1, NOS2, NOS3. NOS1: widely distributed in specific neurons of the central and peripheral nervous systems. NOS2: first identified in macrophages, it is induced by immunological and inflammatory stimuli. It is associated with susceptibility to infections such as malaria, toxoplasmosis, leishmaniosis, trypanosomosis, and schistosomosis (Rivero, 2006). NOS3: expressed in the vascular endothelium and associated with incidence of hypertension (Levy et al., 2009; Rabbani et al., 2011). Association with complex disease as Parkinson s disease (Lo et al., 2002), schizophrenia (Tang et al., 2008), or atherosclerosis.

17 allele (CCTTT)9 in the promoter region of NOS2 could be a protective factor against malaria infection. The highest frequency can be observed in Sarrabus (0.087) and in Trexenta (0.063), (values of mortality for malaria 80% and 40% respectively, while in the rest of Sardinia average values are around 30%). Highly significant correlation for STR (TGGA) of NOS2 gene (P-value: 0.016) has been found, while values near to significance have been obtained for markers (TAT) and (TTCT) of NOS1 gene and (AAAAG) of the adjacent region of gene NOS1 (P-value=0.063, 0.068, and 0.058).

18 These results may suggest that the selective effect of malaria has been brought not only by the prevalence of thalassemic trait but also by selection of NOS1 gene alleles in correlation to NO overproduction as protective factor (Piras et al., 2010).

19 NOS and diabetes Nitric oxide (NO) is produced by diverse sources including pancreatic b-cells. A large number of studies have provided evidence for an involvement of NOS2 in b-cell degeneration during the process of type 1 DM (Cnop et al. 2005) The presence of NOS1 and NOS3 in pancreatic b-cells and physiological roles of cnos-derived NO, such as modulation of insulin secretion and protection of b-cells from apoptosis, are suggested It is highly possible that the deregulation of cnos-derived NO production or metabolism is involved in the onset and development of type 2 DM

20 Relazione Gene-ambiente geni NAT (arilamina N-acetiltransferasi) I due geni giocano un ruolo protettore importante nella detossificazione di xenobiotici per acetilazione. Biotransformano molti agenti tossici e cancerogeni. NAT1 e NAT2 enzimi intra-cellulari, cellule del fegato, dell intestino, dell uretere e della vescica.

21 Sequenziamento dei geni NAT1 e NAT2 NAT1: bassa diversità nucleotidica in tutte populazioni. NATP: Pseudogene NAT2: Forte diversità nucleotidica

22 NAT1: test di neutralità Fu & Li, Tajima, Ka/Ks Mutazioni non sinonime Selezione positiva T MRCA ~ anni 10 6 YEARS Popolazione anziana

23 DISTRIBUZIONE DEI APLOTIPI NAT2 ACETILATORI Bakola Pygmies 02. Baka Pygmies 03. Ateke (Bantous) 04. Somalians 05. Morrocans 06. Ashkenazi Jews 07. Sardinians 08. Swedish 09. Saami 10. Turkmens 11. Gujarati (North Indians) 12. Thai 13. Chinese 14. Yoruba (Nigeria) 15. Zimbabweans 16. South Africans 17. Libyans 18. Saudi Arabians 19. Emiratis (UAE) 20. Iranians 21. Jordanians 22. Turkish 23. Greeks 24. Germans 25. Norwegians 26. Russians 27. Canadian Caucasians 28. American Caucasians 29. Norwegian Lapps 30. Pakistanis 31. Bengladeshi 32. Thai 33. Malaysians 34. Chineses 35. Koreans 36. Japanese 37. Papua New Guineans 38. Australian Aborigines 39. Eskimos 40. Amerindians (Panama) Slow acetylator Fast acetylator Perché la frequenza di acetilatori lenti è aumentata? Patin et al. (2006) Am J Hum Genet 78:

24 NAT REGIONE: CONCLUSIONE NAT2: Aplotipo NAT2*5B, acetilatore lento (2 mutazioni non sinonime 341 T/C 590G/A), ha cominciato ad essere selezionate positivamente anni fa nel medio oriente e diffusione verso l ovest dell Europa. (Ka/Ks=0.842) In Europa e Medio Oriente NAT2*B = vantaggio selettivo: utilizazione dell energia massima di nuove risorse alimentari. NAT1: Ka/Ks = Selezione purificatrice, origine antica (~2MY). Patin et al. (2006) Am J Hum Genet 78:

25 NAT2*5B: amico o nemico Oggi, l allele NAT2*5B è associato alla suscettibilità al cancro della vescica e a delle reazioni avverse a diversi xenobiotici (ad esempio alcuni Antibiotici) Varianti genetiche vantaggiose in passato possono essere svantaggiosi oggi.

26 Suscettibilità ai farmaci - Farmacogenetica The knowledge of clinically relevant pharmacogenetic variants and their distribution across populations, contributes to infer population-based drug response and the adverse drug reaction risk for clinical application and trials (Chan et al., 2015) I polimorfismi del citocromo P 450

27 Quasi tutti i farmaci sono metabolizzati dai geni CYP (citocromi) Varianti alleliche possono essere più o meno attive e quindi metabolizzatori lenti (effetti avversi) o veloci (meno efficaci)

28 Citocromo p450 CYP2D6 Responsabile per il metabolismo del 25-30% dei farmaci Beta-bloccanti (propranololo, metoprololo) Antiaritmici (nimodipina) Antidepressivi triciclici (imipramina, fluossetina) Neurolettici (aloperidolo) Antitussivi (destrometorfano) Narcotici (codeina)

29 Distribuizione polimorfica dell attività di CYP2D6 in vivo Extensive metabolizer (EM) 65-80% Intermediate metabolizer(im) 10-15% Poor metabolizer (PM) 5-10% Zanger et al. Pharmacogenetics 11: , 2001 Ultra-rapid metabolizer (UM) 5-10%

30 Distribuizione etnica dei fenotipi polimorfici di CYP2D6 Poor metabolizer Europei 5-10 % Africani 2-5 % Orientali <1 % Ultra-rapid metabolizer Scandinavi 1.5 % Spagnoli 7 % Etiopi 20 %

31 Effetti farmacologici in pazienti con polimorfismi di CYP2D6 poor metabolizer ultra-rapid metabolizer Antidepressivi triciclici cardiotossicita inefficace tachicardia, costipazione, debolezza Antiaritmici parestesie inefficace disturbi visivi vertigine, nausea, vomito, aritmie Codeina inefficace euforia, nausea

32 CYP2D6 gene locus 22q pseudogenes > 75 allelic CYP2D6 variants SNPs Deletions / additions Tandem repeats Gene deletion Gene duplication (up to 13 copies)

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37 Several lines of evidence support the notion that variation at CYP2D6 was selected as a response to the new dietary habits introduced by the transition to agriculture Which type of selection is a plausible explanation? Internal genetic diversity at CYP2D6 are among the highest observed for coding autosomal loci. More than one CYP2D6 variant is maintained at high frequency in each geographic region Balancing selection

38 CYP2D6 enzymes with reduced function (FP) show substrate-dependent catalytic properties and enzyme inhibitor affinities, both conferring a wider spectrum of metabolic responses. Reduced function enzymes do not activate toxic molecules possibly present in the new dietary regime

39 La caffeina aumenta il rischio di infarto del miocardio?? Gli studi epidemiologici di popolazione sulle relazioni fra consumo di caffè ed infarto hanno dato risultati contraddittori La caffeina è catabolizzata dal citocromo P450 1A2, codificato dal gene polimorfico CYP1A2 Rischio (OR) di infarto in consumatori di caffè Allele Metabol ismo Tazze di caffè al giorno < >3 CYP1A2* 1A CYP1A2* 1F rapido lento

40 Approcci evolutivi nella salute pubblica e nella medicina

41 Quattro messaggi fondamentali 1.Gli organismi (TUTTI) non sono macchine ottimizzate da ingegneri, piuttosto sono un insieme di compromessi modellati dalla selezione naturale per massimizzare la FITNESS, non la salute 2.L evoluzione biologica è molto più lenta dei cambiamenti culturali > molte malattie si originano per il mancato adattamento del nostro corpo all ambiente moderno 3.I patogeni evolvono molto più velocemente di noi, quindi non possiamo evitare le infezioni 4.L idea che le malattie comunemente ereditabili siano causate da pochi geni difettosi è in genere sbagliata. La visione evolutiva ci suggerisce che molte varianti genetiche interagiscono con l ambiente durante lo sviluppo per influenzare il fenotipo malato Questi messaggi suggeriscono perché le malattie sono così prevalenti e difficili da prevenire

42 Tre concetti comunemente accettati 1.I patogeni evolvono resistenze agli antibiotici rapidamente quanto le cellule cancerose evolvono resistenze ai chemioterapici 2.I patogeni evolvono strategie per eludere le difese dell ospite, i livelli di virulenza sono modellati dalla selezione naturale per massimizzare la trasmissione 3.La variabilità genetica umana che aumenta la resistenza alle malattie ha spesso un costo ed alcune varianti che aumentano la vulnerabilità a volte possono avere altri effetti positivi

43 Alcuni aspetti non ovvi 1.L uomo è coevoluto con una comunità di batteri simbionti e vermi parassiti, l igiene che li ha debellati ha indebolito il nostro sistema immunitario generando allergie, asma e malattie autoimmuni (es. Crohn s disease può essere curato con l ingestione delle uova di alcuni vermi parassiti, Rook G (2009) The hygene hypothesis and Darwinian medicine) 2.L uso di vaccini imperfetti che non debellano del tutto i patogeni dall organismo, possono portare all aumento della virulenza (Gandon et al Nature) 3.La rottura dell equilibrio raggiunto attraverso il conflitto di interesse evolutivo tra individui imparentati potrebbe essere all origine di alcune malattie mentali (Crespi et al PNAS)

44 Pathology from evolutionary conflict. The conflict arises between two parties, A and B, which have distinct optima for some character. For example, A may be a mother and B a father, and the character value may be the growth rate of their child. In this case, the father favors a higher growth rate for the child than does the mother. (i) Party B pushes for higher character value, and party A opposes by pushing for lower character value. An observer often can see only the resolution measured as the character value that results from the hidden opposing forces. (ii) The resolution in i is not at either optimum, so B may push harder for an increase in character, which is then opposed by a stronger push by Ain the other direction. This exaggeration of forces may be difficult to see, because the observed character value may be nearly unchanged under the stronger opposing forces that continue to balance at essentially the same level. (iii) The force imposed by A is knocked out. B s force, now unopposed, may push the character value to a high level beyond B s own optimum, causing a pathological outcome that is disadvantageous to all. (iv) A knockout of B, causing A s unopposed force to push the character value too low, leading to pathology that is disadvantageous to both parties.

45 Alcuni aspetti non ovvi 4.L invecchiamento non è un adattamento, ma una conseguenza della selezione per migliorare le performance riproduttive in età riproduttiva 5.La nostra specie ha più frequenti tumori rispetto ad ogni altra specie per almeno 3 ragioni 1.Abbiamo esteso moltissimo la nostra vita post-riproduttiva invisibile alla selezione naturale 2.Non siamo adattati ai nuovi fattori di rischio imposti dalla civiltà come tabacco, alcool, diete con molti grassi e contraccettivi 3.Abbiamo un sistema riproduttivo caratterizzato da continui cicli, continua recettività, continua attività sessuale

46 Origine e crescita di malattie infettive I patogeni hanno elevato tasso di mutazione (es. RNA viruses) sfidano costantemente il nostro sistema immunitario. Questa caratteristica (alta variabilità) ci permette di studiarne in dettaglio l evoluzione E necessario sorvegliare quanto succede nelle specie domestiche per evitare epidemie come l influenza H1N1

47 Virus ad RNA Particolarmente proni a causare patologie Caratteristica fondamentale: alto tasso di mutazione ( mutazioni/genoma/replicazione) data la bassa fedeltà dell RNApol Perché l alto tasso di mutazione non è controseleizonato? Probabilmente perché è molto vantaggioso nel caso di un virus

48 Alta variabilità: vantaggi Alto tasso di mutazione + Alto tasso di replicazione Molte fissazioni: sostituzioni/sito/anno..6 volte > degli eucarioti! Evasione dei vaccini + resistenza ai farmaci + espansione degli ospiti