CORSO INTEGRATO DI GENETICA
a.a. 2010-2011
Dr. Giovanni Malerba,
[email protected]
10-11-2010
Analisi Genetica delle
Malattie complesse
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
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, ... )
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)
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
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
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 - 2006”
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
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
0.5
0.3
0.2
0.1
0.05
0.03
Autosomiche recessive
Fibrosi Cistica
Deficienza di alpha-1-antitripsina
Fenilchetonuria
Iperplasia congenita del surrene
Atrofia Spino-muscolare
Anemia Falciforme
beta-Talassemia
http://www.gig.org.uk/education3.htm
0.4
0.2
0.1
0.1
0.1
0.1
0.05
1.5
0.5
1
52
0.9
50 - 3
20 - 50
70 - 90
13
68
5.3
DISTRIBUZIONE DELLE
MALATTIE MULTIFATTORIALI
M. complessa
M. Mendeliana
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 ??
SCANSIONI
GENOMICHE
(linkage)
Asma & fenotipi associati
Molte popolazioni
Haagerup et al Allergy. 2002
Asthma: GWAS
938 casi, 1244 controlli
310.000 marcatori del DNA (SNP)
Moffatt M, 2007
http://www.genome.gov/gwastudi
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
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
●
1999)
(Holberg at al
CONCORDANZA DEL FENOTIPO
FRA GEMELLI
Washington DC – museo di storia Americana ( - nov 2010 -)
CONCORDANZA DEL FENOTIPO
FRA GEMELLI
Da “Malattie Genetiche - Impariamo a conoscerle - 2006”
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
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
COMPLESSITÀ: FENOTIPO
IDENTIFICAZIONE E DEFINIZIONE
P=fenotipo
PI
PIII
P
PII
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
➔ ...
➢
}
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
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
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
IL MODELLO DI MALATTIA
FENOTIPO ~ FATTORE_1 + FATT_2 + .. + 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 ?
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' (+) ?
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)
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
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
