CORSO INTEGRATO DI GENETICA
a.a. 2010-2011Dr. Giovanni Malerba, [email protected]
10-11-2010
Analisi Genetica delleMalattie complesse
#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
VARIABILITÀ GENETICA2 SEQUENZE CON 3 SNP
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, ... )
MALATTIE COMPLESSE
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
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)
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
PLEIOTROPIA
PeiotropiaEsempio : Fibrosi Cistica (Gene CFTR)
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
FUNZIONE DEL GENE CFTR: Trasporto ioni cl- attraverso la membrana delle cellule epiteliali(mutazione CFTR => Ridotta funzione del trasportatore)
Numero crescente dei fattori (genetici, ambientali) di rischio
La difficoltà è legata limitata conoscenza dei fattori di rischio e della loro interazione.
MODELLO A SOGLIA
Da “Malattie Genetiche - Impariamo a conoscerle - 2006”
Freq
uen
za
Nat Rev Genet. 2007, 8:657-62
BMI & T2DComplessità del fenotipo
BMI è associato a T2D => BMI è un fattore di rischio per T2D
Autosomiche dominanti (su 1000 nati)Iperlipidemia familiare combinata 5.0Ipercolesterolemia familiare 2.0Otosclerosi dominante 1.0Rene policistico dell'adulto 0.8Esostosi multipla 0.5Morbo di Huntington 0.5Neurofibromatosi 0.4Distrofia miotonica 0.2Sferocitosi congenita 0.2Poliposi al colon 0.1
Recessive X-Linked Sindrome da Fragile X 0.5Distrofia muscolare Duchenne 0.3Ittiosi X-linked 0.2Emofilia A 0.1Distrofia muscolare Becker 0.05Emofila B 0.03
Autosomiche recessiveFibrosi Cistica 0.4Deficienza di alpha-1-antitripsina 0.2Fenilchetonuria 0.1Iperplasia congenita del surrene 0.1Atrofia Spino-muscolare 0.1Anemia Falciforme 0.1beta-Talassemia 0.05
http://www.gig.org.uk/education3.htm
Malattie MultifattorialiLabbro Leporino 1.5Spina Bifida 0.5Difetti del Tubo Neurale 1Diabete (20 – 79 anni) 52Diabete T1 (tutte le età) 0.9Asma Br. (UK - Nuova Guinea) 50 - 3Asma Br. (Italia, adulti) 20 - 50Asma Br. (Italia, età pediatrica) 70 - 90Ictus 13Ictus (Italia, pop anziana) 68Parkinsonismi 5.3
FREQUENZA DI MALATTIE MULTIFATTORIALI
Autosomiche dominanti (su 1000 nati)Iperlipidemia familiare combinata 5.0Ipercolesterolemia familiare 2.0Otosclerosi dominante 1.0Rene policistico dell'adulto 0.8Esostosi multipla 0.5Morbo di Huntington 0.5Neurofibromatosi 0.4Distrofia miotonica 0.2Sferocitosi congenita 0.2Poliposi al colon 0.1
Recessive X-Linked Sindrome da Fragile X 0.5Distrofia muscolare Duchenne 0.3Ittiosi X-linked 0.2Emofilia A 0.1Distrofia muscolare Becker 0.05Emofila B 0.03
Autosomiche recessiveFibrosi Cistica 0.4Deficienza di alpha-1-antitripsina 0.2Fenilchetonuria 0.1Iperplasia congenita del surrene 0.1Atrofia Spino-muscolare 0.1Anemia Falciforme 0.1beta-Talassemia 0.05
http://www.gig.org.uk/education3.htm
Malattie MultifattorialiLabbro Leporino 1.5Spina Bifida 0.5Difetti del Tubo Neurale 1Diabete (20 – 79 anni) 52Diabete T1 (tutte le età) 0.9Asma Br. (UK - Nuova Guinea) 50 - 3Asma Br. (Italia, adulti) 20 - 50Asma Br. (Italia, età pediatrica) 70 - 90Ictus 13Ictus (Italia, pop anziana) 68Parkinsonismi 5.3
FREQUENZA DI MALATTIE MULTIFATTORIALI
"... 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 ??
ASMA: malattia complessa
SCANSIONI GENOMICHE
(linkage)Asma & fenotipi associati
Molte popolazioni
Haagerup et al Allergy. 2002
Eye-relatedMacular degenerationExfoliation glaucoma
CancersBreast, Colorectal, Prostate, Lung, Neuroblastoma, Melanoma
Inflammation & Immune related diseasesChron's disease, Celiac disease, gallstones, Rheumatoid Arthritis, Lupus, Psoriasis, Asthma, IgE, HIV
Cardiovascular diseases Coronary disease, Stroke, Hypertension, Atrial fibrillation, Lipids & lipoproteins
Quantitative traitsF-cell distribution, C-reactive protein, Framigham traits, pigmentation trait, Uric acid levels, Blood glucose
Neuro-Psychiatric DiseasesParkinson disease Amyotrophic lat Sclerosis Multiple SclerosisAlzheimer's diseaseRestless Leg Syndrome Cognitive abilityBipolar disorderSchizophrenia
Metabolic DisordersDiabetes (type 1 & type 2)Obesity, BMI, HeightNephropathy,Osteoporosis
PharmacogenomicsResponse to treatment in various diseases
MALATTIE MULTIFATTORIALI Scansioni genomiche (GWAS)
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
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?
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 (Holberg at al
1999)
SS. COSMA E DAMIANO
CONCORDANZA DEL FENOTIPOMONOZIGOTI vs DIZIGOTI
LUPA CAPITOLINA
● ... 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)
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
Ereditabilità
➢ Elevati livelli di LDL/VLDL (APOE)➢ Ridotti livelli di HDL (LPL, APOCIII)➢ Pressione sanguigna elevata (ADRB2)➢ Elevati livelli di omocisteina (MTHFR)➢ Diabete (HLA II)➢ Obesità (PPARG, ADRB2)➢ Sesso (maschio / femmina)➢ ...➔ Fumo di sigaretta➔ Dieta ricca in grassi➔ Assenza di esercizio fisico➔ ...
Aterosclerosi e M. Coronarica Fattori di rischio
Fattori con forte componente genetica
Fattori ambientali}
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
IL MODELLO DI MALATTIA
Eterogeneità genetica:condizione dove diversi genotipi possono produrre fenotipi clinicamente indistinguibili.
Eterogeneità allelicaEterogeneità 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
IL MODELLO DI MALATTIA
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
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 ?
FENOTIPO ~ FATTORE_1 + FATT_2 + .. + FATT_n
IL MODELLO DI MALATTIA
FENOTIPO ~ F_GENETICO + F_AMBIENTALE + ..
FIBROSI_CISTICA CFTR (n mut)
RENE_POLICISTICO PKD1, PKD2, PKD3, ARPKD
COPDAAT
Fumo di sigaretta
Come codifico di diversi fattori e la loro 'somma' (+) ?
-
-
IL MODELLO DI MALATTIA
Affetto ~ F_GENETICO + F_AMBIENTALE + ..
Affettosì=1no=0
CFTRMM = 1NM = 0NN = 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)
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
IL MODELLO DI MALATTIA
Fenotipo ~ F_GENETICO + F_AMBIENTALE + .. + + (F_GENETICO * F_AMBIENTALE)
Rischio di essere affettoDal '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
ASMAfamiliarità, sesso ( ~età), fumo passivo, basso peso alla nascita, obesità, vivere in grandi aree urbane, inquinamento ambientale ..GPR154, IL1RN, ADAM33, IRAKM, ORMDL3
Diabete T2storia familiare, età, stile di vita sedentario, diabete in gravidanza, etnia, pressione sanguigna, colesterolo elevato, ..PPARG, KCNJ11, TCF7L2
IL MODELLO DI MALATTIACOMPLESSA
interazione