Le malattie genetiche Multifattoriali o Complesse

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1 Le malattie genetiche Multifattoriali o Complesse

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

3 Interessa tutti LA MORTALITA' PER CAUSA IN ITALIA 2012 Istituto Superiore di Sanità Centro Nazionale di Epidemiologia, Sorveglianza e Promozione della Salute

4 Caratteristiche generali delle malattie complesse

5 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

6 Da un punto di vista teorico tutte le malattie derivano da un rapporto tra geni e ambiente

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

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

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

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

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

12 Conclusioni Le malattie multifattoriali non sono una entità a se ma fanno parte di un continuum che coinvolge tutte le malattie umane nel quale l impatto relativo dei geni e dell ambiente nel determinare la malattia varia.

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

14 Studi su gemelli

15 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)

16 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

17 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 ]

18 Lo stato dell arte

19 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

20 Tratti studiati per classe

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

22 Correlazioni (mono e di zigoti)

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

24 Conclusioni La componente genetica esiste veramente Essa è grossolanamente responsabile del 50% della malattia Il suo impatto varia da malattia a malattia

25 Quale interazione? Cioè : come interagiscono tra loro i geni e l ambiente?

26 Diversi fattori possono contribuire alla stessa malattia in individui diversi gene a gene d gene b gene c ambiente a ambiente b

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

28 Il modello a soglia di Falconer Sani Soglia Malati Suscettibilità

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

30 Come i geni possono interagire tra loro nel determinare Genetic una Traitsmalattia complessa? Simplex or monogenic Complex or multifactorial Disease gene Modifying gene Susceptibility gene Susceptibility gene Susceptibility gene Environment Life Style etc. Phenotype Phenotype Interazione Additiva Interazione Epistatica

31 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

32 Effetto additivo 1

33 Effetto additivo 2

34 Effetto additivo 3

35 Effetto additivo 4

36 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

37 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

38 Epistasi 1

39 Epistasi 2

40 Epistasi 3

41 Epistasi 4

42 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

43 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

44 Come i geni interagiscono con l ambiente nel determinare Genetic una Traitsmalattia complessa? Simplex or monogenic 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

45 Interazioni gene-ambiente Additive model AA AB BB Genetics module environmental response AA AB BB Super Additive Model AA AB BB Genetic risk Environmetal risk

46 La componente genetica delle malattie complesse

47 Perché è importante studiarla

48 Chi è il colpevole?

49 Il primo indiziato: le varianti comuni

50 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

51 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

52 Accumula peggio i grassi Genotipo frugale Accumula meglio i grassi

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 Studi di associazione Genome-wide

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

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

66 Successi dei GWAS

67 Il lato oscuro dei GWAS: La ereditabilità perduta

68 Il secondo indiziato: le varianti rare

69 Il next generation sequencing Le tecnologie di sequenziamento di nuova generazione (Next-Generation Sequencing) hanno migliorato l'efficienza e abbattuto i costi 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.

70 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

71 Studi di ampie coorti di pazienti

72 Primi risultati

73 Conclusioni mutazioni rare E probabile che le mutazioni rare diano un contributo significativo alla variabilità genetica normale e alle predisposizione alle malattie multifattoriali. Con le tecniche di NGS sarà possibile definire nel prossimo futuro con precisione il loro ruolo nella patogenesi delle malattie complesse Ci sono problemi metodologici e statistici da stabilizzare

74 Il terzo indiziato: l epigenetica

75 Un fantasma si aggira per la Genetica: L Epigenetica L epigenetica (dal greco επί, epì = "sopra" e γεννετικός, gennetikòs = "relativo all'eredità") descrive una varietà di modificazioni reversibili che influenzano il fenotipo senza determinare cambiamenti della sequenza del DNA E una branca della genetica in quanto, sovrapponendosi al genotipo, ne influenza il comportamento funzionale. Inoltre queste modificazioni possono essere mitoticamente e/o meioticamente (?) ereditabili, e quindi stanno ampliando il concetto di ereditabile che non è esclusivamente genetico.

76 Meccanismi molecolari dei cambiamenti epigenetici Metilazione del DNA Modificazioni istoniche Rimodellamento della cromatina mirna Tutti convergono nel modulare la trascrizione del DNA

77 Un indiziato difficile perché sta in mezzo EPIGENETICA Gene CpGs Environment DISEASE

78 La variazione epigenetica è in grado di determinare da sola una malattia multifattoriale? EPIGENETICA Gene CpGs Environment DISEASE?

79 Un cambiamento epigenetico è in grado di determinare cancro da solo

80 Mutazioni genetiche che determinano variazioni epigenetiche sono in grado di determinare una malattia multifattoriale?? EPIGENETICA Gene CpGs Environment DISEASE

81 Mutazioni di geni implicati nelle modificazioni epigenetiche sono causa di tumori (ad esempio leucemia mieloide acuta)

82 Fattori ambientali che determinano variazioni epigenetiche sono in grado di determinare una malattia multifattoriale? EPIGENETICA? Gene CpGs Environment DISEASE

83 Effetti di deprivazione alimentare in utero (uomo) Nell inverno i nazisti che occupavano i Paesi Bassi, bloccarono tutte le spedizioni di derrate alimentari per punire gli olandesi, rei di non aiutare abbastanza gli occupanti tedeschi. Ciò determinò una tragica carestia che colpì circa 4,5 milioni di persone con morti.

84 Effetti di deprivazione alimentare in utero Gli individui esposti in epoca prenatale alla carestia, rispetto ai loro fratelli dello stesso sesso mostrarono, a distanza di 60 anni, una ipometilazione del gene IGF2. Gli individui esposti in epoca prenatale alla carestia rispetto ai loro fratelli dello stesso sesso non esposti mostrarono una più alta incidenza di obesità e malattie cardiovascolari Numerosi modelli animali (topi, ratti) hanno dimostrato la stessa cosa. Restrizioni alimentari nella mamma portavano nei figli obesità, insulino-resistenza, ipertensione e ipercolesterolemia

85 Spiegazione evolutiva Questo tipo di adattamento prepara il feto all ambiente che si troverà di fronte quando nascerà.

86 Fattori ambientali che determinano variazioni epigenetiche sono in grado di determinare una malattia multifattoriale? EPIGENETICA? Gene CpGs Environment DISEASE

87 Un modello ancora più complesso: invecchiamento e malattie multifattoriali L incidenza delle malattie multifattoriali aumenta con l età

88 Epigenetica e invecchiamento Durante l invecchiamento l epigenoma si modifica Ipometilazione complessiva Diminuita efficienza DNMT1 Aumentato danno DNA? Ipermetilazione nelle regioni promotrici di alcuni geni de novo DNMTs?

89 Epigenetic Clock Le variazioni epigenetiche (metilazione del DNA) predicono in maniera molto precisa l età (mediana dell errore 3.6 anni)

90 Correlazione tra età stimata dalla metilazione ed età cronologica Età stimata dalla metilazione Età cronologica

91 Alto Delta age associato a aumentata mortalità

92 Delta age ha una ereditabilità superiore a 0.4 Questo significa che il come invecchiamo in relazione all ambiente è, almeno in parte, determinato dai nostri geni

93 Complessità EPIGENETICA Gene CpGs Environment DISEASE