CORSO INTEGRATO DI GENETICA

a.a. 2010-2011Dr. Giovanni Malerba, giovanni.malerba@univr.it

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

M. complessaM. Mendeliana

DISTRIBUZIONE DELLE 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

Moffatt M, 2007

Asthma: GWAS

938 casi, 1244 controlli310.000 marcatori del DNA (SNP)

http://www.genome.gov/gwastudies/

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)

Washington DC – museo di storia Americana ( - nov 2010 -)

CONCORDANZA DEL FENOTIPO FRA GEMELLI

CONCORDANZA DEL FENOTIPO FRA GEMELLI

Da “Malattie Genetiche - Impariamo a conoscerle - 2006”

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

PI

PIII P

II

P

COMPLESSITÀ: FENOTIPOIDENTIFICAZIONE E DEFINIZIONE

P=fenotipo

➢ 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