Analisi Genetica delle Malattie complesse

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1 CORSO INTEGRATO DI GENETICA a.a Dr. Giovanni Malerba, Analisi Genetica delle Malattie complesse

2 VARIABILITÀ GENETICA 2 SEQUENZE CON 3 SNP #1 A G A G T C T A A T G G T A G #2 A G A G C C T C A T G G T G G

3 MALATTIE COMPLESSE Patologie complesse come asma, osteoporosi, ipertensione, cardiopatie, diabete, etc, rappresentano esempi di malattie multifattoriali in quanto causate dall'interazione di geni predisponenti in associazione con fattori ambientali (es. fumo di sigaretta, fumo passivo, esposizione sul luogo di lavoro, inquinamento atmosferico, allergeni, vitamine,... )

4 MALATTIE COMPLESSE L'aumentata suscettibilità dipende da loci multipli (contributo genetico) Ogni locus contribuisce con un debole aumento del rischio di sviluppare la malattie (-?? -) (-?? -): è sempre più evidente in molte malattie complesse che l'effetto debole di varianti comuni NON è sufficiente a spiegare per intero il contributo genetico

5 COMPLESSITÀ Anche per le malattie monogentiche la correlazione genotipo/fenotipo può essere complessa (=si devono considerare molti fattori) a causa di: Fenocopie gene con mutazioni diverse bassa penetranza, geni modificatori erogeneità genetica Pleiotropia Epistasi (gene gene)

6 PLEIOTROPIA fenomeno per cui un singolo gene determina più effetti sul fenotipo Esempi: Difetto della proteina dei microtuboli (effetto sulla divisione cellulare e sul movimento) Espressione in tipi cellulari diversi di un organismo pluricellulare Espressione in diversi stadi dello sviluppo

7 Peiotropia Esempio : Fibrosi Cistica (Gene CFTR) FUNZIONE DEL GENE CFTR: Trasporto ioni cl- attraverso la membrana delle cellule epiteliali (mutazione CFTR => Ridotta funzione del trasportatore) Polmoni: spesso strato di muco Dotto deferente assente o sottosviluppato (sterilità) Ghiandole sudoripare: produzione di sudore ricco di sali a causa della incapacità di riciclare il sale per portarlo all'interno delle celllule cutanee

8 Frequenza MODELLO A SOGLIA Numero crescente dei fattori (genetici, ambientali) di rischio La difficoltà è legata limitata conoscenza dei fattori di rischio e della loro interazione. Da Malattie Genetiche - Impariamo a conoscerle

9 BMI & T2D Complessità del fenotipo BMI è associato a T2D => BMI è un fattore di rischio per T2D Nat Rev Genet. 2007, 8:657-62

10 FREQUENZA DI MALATTIE MULTIFATTORIALI Malattie Multifattoriali Autosomiche dominanti (su 1000 nati) Labbro Leporino Iperlipidemia familiare combinata 5.0 Spina Bifida Ipercolesterolemia familiare 2.0 Difetti del Tubo Neurale Otosclerosi dominante 1.0 Diabete (20 79 anni) Rene policistico dell'adulto 0.8 Diabete T1 (tutte le età) Esostosi multipla 0.5 Asma Br. (UK - Nuova Guinea) Morbo di Huntington 0.5 Asma Br. (Italia, adulti) Neurofibromatosi 0.4 Asma Br. (Italia, età pediatrica) Distrofia miotonica 0.2 Ictus 13 Sferocitosi congenita 0.2 Ictus (Italia, pop anziana) Poliposi al colon 0.1 Parkinsonismi Recessive X-Linked Sindrome da Fragile X Distrofia muscolare Duchenne Ittiosi X-linked Emofilia A Distrofia muscolare Becker Emofila B Autosomiche recessive Fibrosi Cistica Deficienza di alpha-1-antitripsina Fenilchetonuria Iperplasia congenita del surrene Atrofia Spino-muscolare Anemia Falciforme beta-talassemia

11 DISTRIBUZIONE DELLE MALATTIE MULTIFATTORIALI M. complessa M. Mendeliana

12 ASMA: malattia complessa "... l'asma è una malattia infiammatoria cronica delle vie aeree, caratterizzata da ostruzione reversibile del flusso respiratorio e da iperreattività bronchiale...." Malattia Genetica o Ambientale? Modello di trasmissione??

13 SCANSIONI GENOMICHE (linkage) Asma & fenotipi associati Molte popolazioni Haagerup et al Allergy. 2002

14 Asthma: GWAS 938 casi, 1244 controlli marcatori del DNA (SNP) Moffatt M, 2007

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16 MALATTIE MULTIFATTORIALI Scansioni genomiche (GWAS) Eye-related Macular degeneration Exfoliation glaucoma Cancers Breast, Colorectal, Prostate, Lung, Neuroblastoma, Melanoma Inflammation & Immune related diseases Chron's disease, Celiac disease, gallstones, Rheumatoid Arthritis, Lupus, Psoriasis, Asthma, IgE, HIV Cardiovascular diseases Coronary disease, Stroke, Hypertension, Atrial fibrillation, Lipids & lipoproteins Quantitative traits F-cell distribution, C-reactive protein, Framigham traits, pigmentation trait, Uric acid levels, Blood glucose Neuro-Psychiatric Diseases Parkinson disease Amyotrophic lat Sclerosis Multiple Sclerosis Alzheimer's disease Restless Leg Syndrome Cognitive ability Bipolar disorder Schizophrenia Metabolic Disorders Diabetes (type 1 & type 2) Obesity, BMI, Height Nephropathy, Osteoporosis Pharmacogenomics Response to treatment in various diseases

17 Ereditabilità del carattere I caratteri sono familiari se sono condivisi da membri della stessa famiglia (aggregazione) I caratteri sono geneticamente ereditabili solo se la somiglianza è dovuta ad alleli o genotipi condivisi (segregazione). Per quantificare il grado di ereditabilità si devono distinguere 2 fonti di variabilità fenotipica: ereditaria ed ambientale

18 LA COMPONENTE GENETICA Ci sono regioni cromosomiche contenenti varianti genetiche che influenzano la variazione di un dato carattere ereditario? Possiamo identificare con precisione queste varianti genetiche? Quanto queste varianti contribuiscono alla variabilità del carattere nella popolazione?

19 AGGREGAZIONE e SEGREGAZIONE Asthma:... a polygenic/multifactorial influence with a recessive component inheritance... (Wang et al 2000)... existence of multiple genetic determinants of the pathophysiologic traits associated with asthma (Palmer et al 2000) FEV1:.. presence of polygenic factors and/or effects due to a shared environment (Kurzius-Spencer et al 2001) Eosinophil levels:... indicated a polygenic/multifactorial mode of inheritance 1999) (Holberg at al

20 CONCORDANZA DEL FENOTIPO FRA GEMELLI Washington DC museo di storia Americana ( - nov )

21 CONCORDANZA DEL FENOTIPO FRA GEMELLI Da Malattie Genetiche - Impariamo a conoscerle

22 CONCORDANZA DEL FENOTIPO MONOZIGOTI vs DIZIGOTI... 73% of variation in liability to asthma was explained by genetic factors (Skadhauge et al 1999)... 87% of the variation in susceptibility to asthma in twins was explained by genetic factors (Laitinen et al 1998)... a heritability estimate of 35.6% (Nieminen et al 1991) LUPA CAPITOLINA SS. COSMA E DAMIANO

23 Ereditabilità Il fenotipo dipende da: 1)effetto ereditabile (fattori genetici) 2)effetto ambientale (fattori ambientali) 3)interazione genotipo-ambiente L'ereditabilità definisce quanto della variabilità totale è dovuto all'effetto ereditabile

24 COMPLESSITÀ: FENOTIPO IDENTIFICAZIONE E DEFINIZIONE P=fenotipo PI PIII P PII

25 Aterosclerosi e M. Coronarica Fattori di rischio Elevati livelli di LDL/VLDL (APOE) Ridotti livelli di HDL (LPL, APOCIII) Pressione sanguigna elevata (ADRB2) Elevati livelli di omocisteina (MTHFR) Fattori con forte Diabete (HLA II) componente genetica Obesità (PPARG, ADRB2) Sesso (maschio / femmina)... Fumo di sigaretta Fattori ambientali Dieta ricca in grassi Assenza di esercizio fisico... }

26 IL MODELLO DI MALATTIA Dominanza e Recessività sono termini che descrivono la relazione tra fenotipo e genotipo Codominanza: situazione dove entrambi gli alleli sono espressi nell'eterozigote o dove il fenotipo dell'eterozigote è diverso da quello di entrambi gli omozigoti Penetranza: probabilità di un individuo per un particolare fenotipo dato un particolare genotipo

27 IL MODELLO DI MALATTIA Eterogeneità genetica:condizione dove diversi genotipi possono produrre fenotipi clinicamente indistinguibili. Eterogeneità allelica Eterogeneità di locus Epistasi: interazione (non additiva) tra alleli di loci differenti dove un gene maschera l'espressione dell'altro condizionando l'espressione in modalità non additiva

28 Le differenze fenotipiche possono essere causate da variazioni alleliche a: 1) un singolo locus (m. monogenica) 2) pochi loci (m. oligogenica) 3) molti loci (m. poligenica) Per ognuno dei tre casi quando si aggiunge l'effetto dell'ambiente si parla di malattia multifattoriale. malattia multifattoriale: determinata da fattori multipli genetici e non genetici

29 IL MODELLO DI MALATTIA FENOTIPO ~ FATTORE_1 + FATT_ FATT_n FENOTIPO: variabile continua (es. FEV1), variabile S/N (affetto o non affetto), etc FATTORE_n: variabile continua (es peso <-> pressione), variabile S/N (es FUMO <-> COPD), variabile con più livelli (es. genotipo AA, AB o BB) Conoscendo al meglio tutti i fattori (o una buona parte) è possibile prevedere il FENOTIPO?

30 IL MODELLO DI MALATTIA FENOTIPO ~ F_GENETICO + F_AMBIENTALE +.. FIBROSI_CISTICA CFTR (n mut) - RENE_POLICISTICO PKD1, PKD2, PKD3, ARPKD - COPD AAT Fumo di sigaretta Come codifico di diversi fattori e la loro 'somma' (+)?

31 IL MODELLO DI MALATTIA Affetto ~ F_GENETICO + F_AMBIENTALE +.. Affetto sì=1 no=0 CFTR MM = 1 NM = 0 NN = 0 - Idealmente, conoscendo tutte le mutazioni del gene CFTR, è possibile dire se il 'genotipo' di un individuo è MM, NM, o NN: il modello è in grado di predire al 100% il fenotipo (affetto o non affetto)

32 IL MODELLO DI MALATTIA Anche nei modelli mendeliani semplici la complessità aumenta all'aumentare dei fattori in gioco e dell'effetto di questi fattori Nelle MALATTIE COMPLESSE spesso mancano molte informazioni per poter attribuire un peso ai diversi fattori nel concorrere alla determinazione del fenotipo. Per la parte genetica spesso non sono ancora i geni (?), il modello che definisce la suscettibilità alla malattia e la modalità di interazione dei diversi geni con l'ambiente

33 IL MODELLO DI MALATTIA COMPLESSA Fenotipo ~ F_GENETICO + F_AMBIENTALE (F_GENETICO * F_AMBIENTALE) interazione ASMA familiarità, sesso ( ~età), fumo Diabete T2 passivo, basso peso alla storia familiare, età, stile di nascita, obesità, vivere in vita sedentario, diabete in grandi aree urbane, gravidanza, etnia, pressione inquinamento ambientale sanguigna, colesterolo..gpr154, IL1RN, ADAM33, elevato,.. IRAKM, ORMDL3 PPARG, KCNJ11, TCF7L2 Rischio di essere affetto Dal 'Sì/No' si passa a stimare la probabilità di essere Sì e di essere NO, oppure il rischio aumentato di un genotipo rispetto agli altri