Novità dalla genetica nella sclerosi laterale amiotrofica

Adriano ChiòAdriano ChiòCentro Regionale Esperto SLA (CRESLA)

Dipartimento di NeuroscienzeUniversità di Torino

Modena, 18 maggio 2012

l La SLA oggi viene considerata una malattia complessa, caratterizzata dall’interazione fra fattori genetici e fattori ambientali.

AmbienteGenetica

Genetica

+

Ambiente

Genetica

+

Ambiente

l British Twin Study: 10.872 certificati di morte di pz con SLA - identificate 75 coppie di gemelli di cui almeno uno con SLA

l Swedish Twin Register: su 86.411 coppie di gemelli identificati 73 coppie di gemelli, di cui almeno uno con identificati 73 coppie di gemelli, di cui almeno uno con SLA

l Ereditabilità : 0,61 (0,38-0,78)l Componente ambientale: 0,39 (0,22-0,62)

Le dimensioni fenotipiche della SLA

ALS

II MN I MNI + II MN

PMA PLSALS

Flail arm& Flail

leg

UMN pred. ALS

Classic& bulbar

AxialALS

Le dimensioni fenotipiche della SLA

II MN I MNI + II MN

I asse

ALS without dementia

ALS-FTDALS BiALS Ci

II asse

Le dimensioni fenotipiche della SLA

?III asse

ALS without extrapyramidal

signs and symptoms

ALS with extrapyramidal

signs and symptoms

?

La SLA familiare

Frequenza di fALS in nel registro piemontese

%

Frequenza di fALS per età di esordio dei pazienti

%

classi d’età

Classificazione delle SLA familiariNomenclatura Frequenza

dei casiEreditarietà Nome della

malattiaGene Locus Proteina

ALS1 20% AD/AR SOD-FALS SOD1 21q22.1 Cu-Zn Superossido dismutasi

ALS2 Rara AR ALS giovanile tipo 3

ALS2 2q33 Alsina

ALS3 Singola famiglia

AD FALS - 18q21 Sconosciutafamiglia

ALS4 Rara AD Neuropatia ereditaria distale con segni piramidali

SETX 9q34 Senatassina

ALS5 Rara AR ALS giovanile

SPG11 15q15.1-q21.1

Spatacsina

ALS6 4% AD/AR FALS FUS/TLS 16q12 FUS/TLS

ALS7 Singola famiglia

AD FALS - 20tel Sconosciuta

Classificazione delle SLA familiariNomenclatura Frequenza

dei casiEreditarietà Nome della

malattiaGene Locus Proteina

ALS8 Rara AD SMA tipo Finkel (prossimale)

VAPB 20q13 VAPB

ALS9 Rara AD? FALS ANG 14q11.2 Angiogenina

ALS10 8% AD FALS TDP-43 1p36 TAR DNA-binding protein

ALS11 Rara AD FALS FIG4 6q21 Fosfoinositide 5-fosfatasi

ALS12 Rara AD/AR FALS OPTN 10p15-p14

Optineurina

ALS13 ? AD FALS ATXN2 12q24 Atassina2

ALS14 2% AD FALS VCP 9p13.3 Valosin containing protein

ALS15 ? X-linked D FALS UBQLN2 Xp11.21 Ubiquilin2

Classificazione delle ALS-FTD familiari

Nomenclatura Frequenza dei casi

Ereditarietà Nome della malattia Gene Locus Proteina

ALS/FTD1 Rara AD ALS con FTD - 9q21-q22

Sconosciutaq22

ALS/FTD2 Frequente AD ALS con lieve compromissione cognitiva

c9orf72 9q21.2-9p13.3

c9orf72

FTD-ALS Rara AD Complesso disinibizione-demenza-parkinsonismo-amiotrofia

MAPT 17q.21.1 MAPT

Un carrellata di geniUn carrellata di geni

ALS6 – FUS/TLS

l Mutazioni del gene FUS causano una SLA classica, raramente associata a FTD

l Sembra interessare il 4% delle SLA familiari e <1% delle SLA sporadiche

Caratteristiche e funzione di FUS/TLS

l Analogamente alla TDP43, nei casi con mutazione FUS sono presenti aggregati citoplasmatici

l FUS/TLS è una RNA-DNA binding protein, con funzioni sullo splicing dell’mRNA

FUS/TLS in Italia

l Chiò: Due famiglie (3,7%) su 52 casi indice studiati(una nuova famiglia identificata dopo la pubblicazione del lavoro)

l Ticozzi: Cinque famiglie (5,3%) su 94 casi indice studiati

FUS/TLS nei casi sporadici

Circa lo 0,5% dei casi sporadici di SLA presenta una mutazione verosimilmente patogena di FUS/TLS

FUS è spesso caratterizzata da mutazioni de novo

ALS13

l Espansioni poliQ di lunghezza intermedia del gene ATXN2 costituiscono un fattore rischio per la un fattore rischio per la SLA

l Possibile ruolo di ATXN2 sul processing dell’RNA

l Cautela:l Non chiaro il cut-off di

ripetizioni (>28?)l Identificati soggetti sani con

30-32 ripetizioni

Da: Van Damme et al, 2011

ALS14

l Identificato mediante tecnica degli esomi (DNA codificante per le proteine, 5% del DNA)

l VCP già noto come causa di miosite a l VCP già noto come causa di miosite a corpi inclusi, malattia di Paget e demenza fronto-temporale (IBMPFT), autosomico dominante

l Proteina connessa sia con la degradazione del proteasoma e con l’autofagia.

l Stretta correlazione funzionale con TDP43 e progranulina

Da: Shaw, 2010

l III-2: esordio a 59 anni,

Co-presenza di SLA e FTD nella stessa famiglia

l III-2: esordio a 59 anni, durata 23 mesi

l II-1, II-2, II-3: FTDl II-3 anche affetto da

SMl II-6 deceduto a 31 anni

per incidente stradale

ALS15

l Ubiquilina 2: primo gene X-linked (dominante) identificato nella SLA (dominante) identificato nella SLA

l Fenotipo SLA e SLA-FTDl UBQLN2 co-segrega con TDP43l Mutazioni del gene UBQLN2

compromettono la degradazione del proteasoma mediato da ubiquilina2

UBQLN2 causa sia SLA sia ALS-FTD

l Nel pedigree originale sono presenti casi sia di SLA senza demenza, sia di SLA con demenza (indicati con l’asterisco)

TARDBP (TDP43): un gene, molti fenotipimolti fenotipi

ALS 10 - TDP-43

l Clinicamente si tratta di una SLA classical La mutazione sembra interessare il 2-5%% delle SLA familiari e l’1%

delle SLA sporadicheMA

l Vi è un accumulo di TDP-43 nei neuroni corticali e nei motoneuroni di tutti i pazienti con SLA (tranne quelli con mutazione SOD1!)

l È una proteina nucleare che regola la trascrizione e lo splicing dell’RNA. Nella SLA appare sequestrata nel perikaryon e quindi non in grado di svolgere la sua funzione a livello nucleare.

Caratteristiche della TDP-43

l Localizzazione citoplasmatica della proteina nei pazienti con SLA

Da Strong et al, Mol Cell Neurosci 2007

l Mutazioni descritte in casi di SLA familiare e sporadica

Da Banks et al, Mamm Gen 2008

Sano SLA SLA

Confronto fra le casistiche italiane (casi sporadici)

SALSetà media

genere(F)

esordio(bulbare)

mutati% mutati

Corrado et al 541 52.2 35% ? 12 2.2

Mutazione più frequente in Italia: A382T

Corrado et al 541 52.2 35% ? 12 2.2

Del Bo et al 298 59.3 39% 21.4% 3 1.0

ITALSGEN 631 61.5 40% 30.0% 7 1.1

Tutte e tre le famiglie presentano la mutazione missenso A382T nell’esone 6

Fenotipi correlati a mutazioni di TARDBP

l SLA tipica (Sreedharan et al, 2008)

l SLA con FTD (Chiò et al, 2010)

l SLA con sintomi extrapidamidali (Floris et al 2012)

l SLA con paralisi sopranucleare (Chiò et al, 2010)TARBDP si comporta come un gene pleiotropico, cioè in grado

l Paralisi sopranucleare, corea e FTD (Kovacs et al, 2009)

l FTD senza malattia del motoneurone (Borroni et al, 2009)

l Parkinsonismi atipici associati a FTD e UMN (Borghero et al, 2011)

l Malattia di Parkinson tipica (Quadri et al, 2011)

gene pleiotropico, cioè in grado di determinare quadri clinici molto eterogenei

TARDBP è correlata a così tanti fenotipi clinici?

l ‘… sono state identificate funzioni di TDP43 di considerevole complessità mediante le di considerevole complessità mediante le quali la proteina può agire influenzando vari processi cellulari (come la trascrizione del DNA, lo splicing pre-mRNA e l’export/import dell’m-RNA’

Fenotipi dei casi mutati

Le mutazioni di TARDBP hanno una penetranza incompleta

Penetranza : 77,9% (i.c. 95%, 61.7% - 87.2%) a 70 anni

Ridotta penetranza nel sesso femminile? (Orrù et al, 2011)

A382T/A382T

C9ORF72:una lunga e difficile caccia

2006

2009

2010

l Presenza di un singolo aplotipo nei pazienti con linkage con 9p.21.2.

l Maggiore frequenza dell’aplotipo nelle popolazioni nord europee con gradiente nord-sud

l L’aplotipo si estende su 140kb e include tre geni MOBKL2B, C9orf72 e IFNK

9p21 previously linked to ALSALS/FTD2: Progressiva riduzione dell’area di linkage del locus 9p21

Il locus sul cromosoma 9p21 giustifica un’elevata proporzione di casi di SLA

2011

80

100

120

140

Casi di SLA italiani sporadici consorzio

ITALSGEN

0

20

40

60

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70

Controlli, rossoSLA, blu

Struttura genomica di c9orf72 e trascritti prodotti dallo splicing alternativo del pre-mRNA

l Foci di RNA nucleare, possibile meccanismo patogeno di c9orf72 nella SLA e nella FTD

C9orf72 - SLA e FTD: due espressioni fenotipiche dello stesso gene nella stessa famiglia

Renton et al # casi % c9orf72 exp.fALS finlandesi 112 46.4%sALS finlandesi 290 21.0%fALS americani, tedeschi e italiani

268 38.1%

Renton et al # casi % c9orf72 exp.

fALS finlandesi 112 46.4%

sALS finlandesi 290 21.0%

fALS americani, tedeschi e italiani

268 38.1%

Frequenza dei casi con espansione

italianiDeJesus-Hernandez et al # casi % c9orf72 exp.fFTD americani 237 19.0%sFTD americani 256 5.5%

DeJesus-Hernandez et al # casi % c9orf72 exp.

fFTD americani 237 19.0%

sFTD americani 256 5.5%

fALS americani 34 23.5%

sALS americani 195 4.1%

C9ORF72 in Italia

Italiani # casi # espansi % # FTD %FTDfALS 120 45 37.5% 21 46.7%sALS 1624 60 3.7% 25 41.7%Sardi # casi # espansi % # FTD %FTDfALS 21 12 57.2% 7 58.3%sALS 133 9 6.8% 4 44.4%

Chiò et al, Brain, 2012 Sabatelli et al, Neurobiol Aging, 2012

Confronto con gli altri geni della SLA

Gene # index

cases

Gender

(female)

(%)

Bulbar onset

(%)

Cognitive

impairment (%)

Median age at onset

(interquartile

range)

C9ORF72 45 23 (51.1%) 19 (42.2%) 21 (46.7%) 59.0 (50.6-62.9)

FUS 6 2 (33.3%) 1 (16.7%) 0 35.3 (30.4-39.6)

SOD1 38 20 (52.6%) 3 (7.9%) 1 (2.6%) 50.0 (42.8-62.6)

TARDBP 13 4 (30.8%) 4 (30.8%) 4 (30.8%) 66.0 (58.0-70.6)

Unknown

gene

75 32 (42.7%) 25 (33.3%) 7 (9.3%) 60.7 (53.0-68.9)

Overall 177 § 81 (45.8%) 52 (29.4%) 32 (18.1%) 58.0 (47.7-67.5)

p value - 0.54 0.011 0.0001 0.0001

Caratteristiche della disfunzione cognitiva nei pazienti con mutazione C9ORF72

Solo SLA e FTD?

l Nei pazienti (e nelle famiglie) con SLA e FTD e mutazione C9ORF72 sono descritti sintomi ‘atipici’l Sintomi psicotici (allucinazioni e deliri)l Sintomi psicotici (allucinazioni e deliri)l Altri disturbi psichiatrici (es, disturbo ossessivo-

compulsivo)l Sintomi parkinsonianil Elevata frequenza di suicidi (FTD?)

Un esempio di pleiotropismo del gene C9ORF72

l III-1: SLA pural III-2: SLA/bvFTD con

sintomi psicoticiII-1: bvFTD pural II-1: bvFTD pura

l II-2: bvFTD pural III-4: diagnosi di

schizofrenia

FALS

FUSC9ORF72

SOD1

TARDBP

UNKNOWN

… ma l’espressione fenotipica è davvero monogenica?davvero monogenica?

Casi con doppia mutazione patogena C9ORF72 e TARDBP

Caratteristiche cliniche della Famiglia A

Famiglia A

CasoEtà di

esordioEsordio Fenotipo Durata di malattia Mutazione

Caso indice(II-2) 43 anni Bulbare ALS+FTD 34 mesi C9ORF72; TARDPB

Padre del probando (II-8) 64 anni Spinale ALS+FTD 78 mesi C9ORF72

Madre del probando(II-9) 69 anni Spinale ALS+FTD 43 mesi TARDPB

Fratello di probando (III-1) 33 anni Spinale ALS 75 mesi No DNA

Nonno materno (I-3) Deceduto a 43 anni per incidente sul lavoro No DNA

Nonna materna (I-4) Deceduta a a 91 anni per accidente carebrovascolare No DNA

Nonno paterno (I-1) Deceduto a 47 anni per incidente sul lavoro No DNA

Nonna paterna(I-2) Deceduta a 74 ani per tumore mammario No DNA

Isolati genici: lo studio SARDINIALS

l Caratteristichel Isolato genicol Elevata incidenzal Elevato numero di

casi familiaril Collaborazione fra l Università di Cagliaril Università di Sassaril Ospedale di Nuorol Università di Torinol NIH, Bethesda, MD

Sardegna Piemonte

fALS28%

sALS72%

fALS9%

sALS91%

Sardegna, fALSFUS OPTN

Piemonte, fALS

C9ORF7230%

TARDBP35%

SOD17%

UNK28%

C9ORF7237%

TARDBP6%

SOD18%

UNK43%

FUS3%

OPTN3%

Calcolato sui casi indice

ANG 0%

C9ORF727%

Sardegna, sALSC9ORF72

4%

TARDBP1%

Piemonte, sALS

TARDBP19%

SOD10%

UNK74%

4%SOD1

1%

UNK94%

l Gabriella Restagnol Gabriele Moral Andrea Calvol Cristina Moglial Antonio Canosal Sara Gallol Maura Brunettil Irene Ossola

Stefania Battistini

l Mario Sabatellil Marcella Zollinol Amelia Contel Jessica Mandriolil Patrizia Solal Fabrizio Salvil Ilaria Bartolomeil Giuseppe Borgherol Maria Rita Murru

ITALSGEN

• Bryan J. Traynor• Jennifer Schymick• Hon-Chung Fung• Sonja Scholz• Linda Lai• Michael Nalls• Dena Hernandez• Andrew Singleton

NIA, NIH

l Stefania Battistinil Fabio Gianninil Claudia Caponnettol Paola Mandichl Gianluigi Mancardil Vincenzo La Bellal Piera Paladinol Rossella Spatarol Maria Rosaria Monsurròl Gioacchino Tedeschil Isabella Simonel Giancarlo Logroscinol Kalliopi Mainoul Maria A. Sotgiu

l Maria Rita Murrul Giovanna M. Marrosul Maura Pugliattil Leslie D. Parishl Gianluca Florisl Antonino Cannasl Laura Papettil Marco Luigettil Claudia Riccil Francesca L. Confortil Aldo Quattronel Massimo Corbol Silvana Pencol Paolo Volantil Fabrizio Pisano

• Andrew Singleton• Dalia Kasperaviciute (UCL,

UK)• Elizabeth Fisher (UCL, UK)• Michael Sendnter

(Wurtzberg, Germany)• Marcus Beck (Wurtzberg,

Germany)• Erik Pioro (Cleveland, USA)• Jeffrey Rothstein (Hopkins)

Grazie per l’attenzione!