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.
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.
Environment,
interact to determine genetic
variation in the modern human
species
Epidemics,Travels
(migration)
Humans that lack CASP12 are less likely to
develop severe sepsi
Within CASP12 gene a SNP (rs497116) causes
a premature stop codone
Mutant allele has increase to 95% frequency
in the human population as a consequence of
positive selection within the last 60-100KY.
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 (rs73885319 and
rs60910145)
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
Role of Malaria in shaping the geneticstructure of Sardinian population
Mortality rate (x1000)
Malaria: Endemica già dai tempi
dei Cartaginesi.
1936-1938: una morbilità di
38.655 casi (349, 57 su 10.000);
1941 a Nuoro (383,12 casi su
10.000 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 (para-
diclorodifeniltricloroetano).
Diffusion of Th-, G6PD-, Fy(a-b-)Correlation with some STRs of NOS gene
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.
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.
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 rigidityand favour the invasion of the cell by the parassite.
ACP1
TNF
The effect of some SNPs is controversial but they have been associatedwith variuos autoimmune and infectious diseases, including malaria. In Sardegna high frequency of TNF-376° (confers protection frommalaria?)
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.
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
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 0.16-0.96 for males, and OR = 2.31, 95% CI 1.32-4.06 for females
recently observed that Type 1 Diabetes (T1D) in Sardinia is
associated with ADA2 (Saccucci et al., 2010)
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 byimmunological and inflammatory stimuli. It is associated withsusceptibility 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).
Correlation between NOS STRs and Malaria
Association with complex disease as Parkinson’s disease (Lo et al., 2002), schizophrenia (Tang et al., 2008), or atherosclerosis.
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 ofmortality 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).
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).
NOS and diabetes
Nitric oxide (NO) is produced by diverse sources including pancreatic b-cells.A large number of studies have provided evidence foran involvement of NOS2 in b-cell degeneration duringthe 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 ofcNOS-derived NO production or metabolism is involvedin the onset and development of type 2 DM
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.
NAT1: bassa diversità nucleotidica in tutte populazioni.
NATP: Pseudogene
NAT2: Forte diversità nucleotidica
Sequenziamento dei geni NAT1 e NAT2
106
YEARS
Mutazioni
non sinonime
NAT1: test di neutralità
Fu & Li, Tajima, Ka/Ks
Selezione positiva
TMRCA ~ 2.106 anni
Popolazione anziana
DISTRIBUZIONE DEI APLOTIPI NAT2 ACETILATORI
Patin et al. (2006) Am J Hum Genet 78:423-436
Perché la frequenza di acetilatori lenti è
aumentata?
77
66
88
1010
1111
1212
1414
1313
11
22
33
55
44
1515
17171818
1919
2121
22222323
24242626
2525
2727
2828
2929
30303131
3232
3333
3434
01. Bakola Pygmies02. Baka Pygmies03. Ateke (Bantous)04. Somalians05. Morrocans06. Ashkenazi Jews07. Sardinians08. Swedish09. Saami 10. Turkmens11. Gujarati (North Indians)
12. Thai13. Chinese
14. Yoruba (Nigeria)15. Zimbabweans16. South Africans17. Libyans18. Saudi Arabians19. Emiratis (UAE)20. Iranians21. Jordanians22. Turkish23. Greeks24. Germans25. Norwegians26. Russians27. Canadian Caucasians28. American Caucasians
29. Norwegian Lapps30. Pakistanis
31. Bengladeshi32. Thai33. Malaysians34. Chineses35. Koreans36. Japanese37. Papua New Guineans38. Australian Aborigines39. Eskimos40. Amerindians (Panama)
1616
3535
3636
3737
3838
3939
4040
99
2020
Slow acetylatorFast acetylator
NAT REGIONE: CONCLUSIONE
Patin et al. (2006) Am J Hum Genet 78:423-436
NAT2:
•Aplotipo NAT2*5B, acetilatore lento (2 mutazioni non
sinonime 341 T/C – 590G/A), ha cominciato ad essere
selezionate positivamente 10.000 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 = 0.208
Selezione purificatrice, origine antica (~2MY).
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.
NAT2*5B: amico o nemico
Suscettibilità ai farmaci - Farmacogenetica
I polimorfismi del citocromo P 450
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)
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)
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)
Distribuizione polimorfica
dell’attività di CYP2D6 in vivo
• Extensive metabolizer (EM)65-80%
• Intermediate metabolizer(IM) 10-15%
• Poor metabolizer (PM)5-10%
• Ultra-rapid metabolizer (UM)5-10%
Zanger et al. Pharmacogenetics 11: 573-586, 2001
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 %
Effetti farmacologici in pazienti
con polimorfismi di CYP2D6
poor ultra-rapid
metabolizer metabolizer
Antidepressivi triciclici cardiotossicita’ inefficacetachicardia,
costipazione, debolezza
Antiaritmici parestesie inefficacedisturbi visivivertigine, nausea,vomito, aritmie
Codeina inefficace euforia, nausea
CYP2D6 gene locus 22q13.1
2 pseudogenes
> 75 allelic CYP2D6 variants
• SNPs
• Deletions / additions
• Tandem repeats
Gene deletion
• Gene duplication (up to 13 copies)
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
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
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 Metabolismo
Tazze di caffè al giorno
<1 1 2-3 >3
CYP1A2*1A
rapido 1.00 0.75 0.78 0.99
CYP1A2*1F
lento 1.00 0.99 1.36 1.64
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
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
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. 2001 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. 2010 PNAS)
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.
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
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
Virus ad RNA
•Particolarmente proni a causare patologie
•Caratteristica fondamentale: alto tasso di mutazione (0.1-1.0
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