Geni modificatori
Se esistesse davvero … la
trasmissione mendeliana semplice
• Il fenotipo nella stessa famiglia non dovrebbe variare tra
individuo ed individuo (nessuna variabilità intrafamiliare) . La malattia potrebbe avere fenotipi differenti
tra individui appartenenti a differenti famiglie e quindi
con differenti mutazioni (variabilità inter-familiare).
Salute
Gene 1
Lieve
Malattia
Grave
A
Se esistesse davvero … la
trasmissione mendeliana semplice
• Il fenotipo nella stessa famiglia non dovrebbe variare tra
individuo ed individuo (nessuna variabilità intrafamiliare) . La malattia potrebbe avere fenotipi differenti
tra individui appartenenti a differenti famiglie e quindi
con differenti mutazioni (variabilità inter-familiare).
• L’esperienza clinica invece dimostra che la presenza
in una stessa famiglia di fenotipi patologici
perfettamente identici sia però una eccezione più che
una regola
• In altre parole, l’espressività variabile è molto diffusa
nelle malattie genetiche
Geni modificatori
?
Gene 1
A
Salute
Lieve
Malattia
Grave
Gene 2
Gene 2
Salute
Salute
Gene 1
Gene 1
Lieve
Lieve
Malattia
Malattia
Grave
Grave
B
C
Geni modificatori
• Geni che possono modificare la gravità o le caratteristiche
di una malattie interagendo col gene principale che da
solo, in ogni caso, è in grado di determinare la malattia
stessa.
• L’effetto di un gene modificatore può essere quello di
migliorare o peggiorare il quadro clinico
• Si tende a pensare che geni modificatori siano varianti
alleliche comuni con modesto impatto funzionale, quando
considerati nell’organismo sano, ma che possono agire
come “modificatori” in particolari condizioni
patologiche.
La presenza di geni modificatori è
coerente con l’eredità mendeliana
•
Permanendo l’azione del gene principale nel determinismo della malattia, la
trasmissione della stessa sarà, all’analisi dell’albero genealogico, ancora
mendeliana.
• Ci troveremo quindi di fronte a malattie dominanti o recessive ma con una
possibile differenza di espressione fenotipica anche all’interno della stessa
famiglia (variabilità intra-familiare)
Geni modificatori
• Esempi :
– fibrosi cistica geni di TGF-beta1, dell’alfa1antitripsina e della mannose binding lectin
modificano il fenotipo con maggior
coinvolgimento polmonare (TGF-beta1) o
epatico (gli altri due)
– Atassia di Friedreich: varianti del DNA
mitocondriale influenzano l’età di esordio e le
complicanze cardiache
Le malattie genetiche
Multifattoriali o Complesse
Malattie complesse
Genetic Traits
• GeneralmenteSimplex
comuni
or monogenic
• Tendono ad aggregare
nelle famiglie ma non
mostrano i caratteri
Disease di una Susceptibility
gene
gene
segregazione mendeliana
(dominanza, recessività
ecc.)
• Risultano dalla complessa
interazione di fattori
genetici (geni di
suscettibilità) ePhenotype
fattori
ambientali
Complex or multifactorial
Susceptibility
gene
Susceptibility
gene
Modifying gene
Environment
Life Style etc.
Phenotype
Malattie Multifattoriali
Malattie Complesse
Rare
Genetica semplice
Alto rischio di ricorrenza
genetica
Fibrosi
cistica,
Atassia di
Friedreich ecc
ambiente
Ipertensione
Cardiopatia ischemica
Diabete
Malattie psichiatriche
Cancro
… e molte altre.
Comuni
Genetica Complessa
Basso rischio di ricorrenza
Fratture
traumatiche
Tutte le malattie derivano da un
rapporto tra geni e ambiente
Popolazione generale
Parte della popolazione con una
determinata variazione genetica
Determinato ambiente
Popolazione generale
Parte della popolazione con una
determinata variazione genetica
Determinato ambiente
Ammalati
Malattia “ambientale”
Popolazione generale
Parte della popolazione con una
determinata variazione genetica
Determinato ambiente
Ammalati
Malattia “genetica”
Popolazione generale
Parte della popolazione con una
determinata variazione genetica
Fattore ambientale
Ammalati
Malattia multifattoriale
Popolazione generale
Parte della popolazione con una
determinata variazione genetica
Fattore ambientale
Ammalati
Ma esiste davvero una componente
genetica nelle malattie comuni ??
Studi su gemelli
Gemelli
• Due tipi di gemelli:
– Monozigoti: derivano da un singolo zigote.
Sono geneticamente identici
– Dizigoti: derivano da due uova fecondate da
due spermatozoi nello stesso momento.
Geneticamente sono fratelli (solo nati nello
stesso giorno)
Gemelli
• Per stabilire la presenza di una componente
genetica in un carattere complesso si paragona la
variazione del tratto in questione in gemelli
monozigoti (hanno in comune genetica ed
ambiente) con la variazione in gemelli dizigoti
(hanno in comune l’ambiente).
• E’ ragionevole dedurre che se la variazione è
minore (ovvero la concordanza maggiore) nei
monozigoti ciò sia dovuto maggiormente a fattori
genetici
La stima della componente genetica
si chiama Ereditabilità (H2)
• L’ereditabilità (H2) è, in senso lato, l’aliquota della
varianza totale di un tratto fenotipico attribuibile alla
componente genetica
• H2 vicino a 1 = Il tratto è fondamentalmente genetico
• H2 vicino a 0 = La componente genetica è assente
• L’ereditabilità è il doppio della differenza tra la correlazione
intraclasse tra monozigoti e dizigoti
h2 = 2[rMZ – rDZ]
Lo stato dell’arte
Meta-analisi
• Studiati 17.804 tratti complessi (estratti da
2.748 pubblicazioni dal 1958 al 2012)
• Complessivamente riguardano dati su
2.247.128 coppie di gemelli
• Virtualmente tutte le analisi su gemelli
degli ultimi 50 anni
Ereditabilità media (H2) = 0.488
Nelle malattie complesse
(mediamente) c’è una eguale
contribuzione tra geni e ambiente
Correlazioni per classe di tratto
L’importanza della contribuzione
genetica varia a seconda della
classe del tratto
Quale modello ?
Diversi fattori possono contribuire
alla stessa malattia
100
gene a
90
80
70
60
50
90
gene d
gene b
40
30
0
80
70
60
50
40
gene c
20
10
100
30
20
ambiente a
ambiente b
10
0
Non importa quali fattori siano,
purché si superi una soglia
100
fattore a
90
80
70
60
50
90
fattore b
fattore c
40
30
0
80
70
60
50
40
fattore d
20
10
100
30
20
fattore e
fattore f
10
0
Il modello a soglia di Falconer
Sani
Soglia
Malati
Suscettibilità
L’aggregazione familiare nel
modello a soglia
Popolazione
totale
Sani
Soglia
Malati
Sani
Parenti degli
affetti
Soglia
Malati
Suscettibilità
Come i geni possono interagire tra loro nel
Genetic una
Traitsmalattia complessa ?
determinare
Simplex or monogenic
Disease
gene
Susceptibility
gene
Complex or multifactorial
Susceptibility
gene
Susceptibility
gene
Modifying gene
Environment
Life Style etc.
Phenotype
Phenotype
• Interazione Additiva
• Interazione Epistatica
Interazione additiva: Definizione
• Interazione additiva:
si verifica quando il
valore fenotipico di un
allele ad un locus si va
ad aggiungere al
valore fenotipico di altri
alleli in uno o più loci
Effetto additivo 1
Effetto additivo 2
Effetto additivo 3
Effetto additivo 4
Interazione additiva
Gene A
Effetto Additivo
Gene B
AA
40
BB
40
Aa
30
Bb
30
aa
10
bb
10
BB
Bb
bb
AA
80
70
50
40
Aa
70
60
30
30
aa
50
40
20
10
40
30
10
Interazione Epistatica:
Definizione
• L’interazione
epistatica si verifica
quando il valore
fenotipico di un allele
in un locus è
dipendente dal valore
fenotipico di altri alleli
in uno o più loci
Epistasi 1
Epistasi 2
Epistasi 3
Epistasi 4
Definizione
• (1917) Fisher: Gli alleli di differenti loci determinano un
effetto diverso dalla somma su un fenotipo quantitativo.
Gene A
Effetto Additivo
Gene B
AA
40
BB
40
Aa
30
Bb
30
aa
10
bb
10
BB
Bb
bb
AA
80
70
50
40
Aa
70
60
30
30
aa
50
40
20
10
40
30
10
Deviazione dall’effetto additivo
BB
Bb
bb
AA
20
70
80
40
Aa
70
100
30
30
aa
50
40
80
10
40
30
10
L’effetto additivo è il più
frequente
n. of traits
• Lo studio sui
gemelli mostra
che l’effetto
additivo ‘ quello
più probabile (può
essere invocato in
69% dei tratti)
• C’è molta
variazione a
seconda del
gruppo di malattie
% est.
Additive
Come i geni interagiscono con l’ambiente nel
Genetic una
Traitsmalattia complessa ?
determinare
Simplex or monogenic
Disease
gene
Susceptibility
gene
Complex or multifactorial
Susceptibility
gene
Susceptibility
gene
Modifying gene
Environment
Life Style etc.
Phenotype
Phenotype
• Modello additivo
• Geni modulano la risposta
• Modello super additivo
Interazioni gene-ambiente
• Addi'vemodel
AA
AB
BB
• Gene'csmoduleenvironmentalresponse
AA
• SuperAddi'veModel
AA
AB
BB
AB
BB
Gene'crisk
Environmetalrisk
La componente genetica delle
malattie complesse
Chi è il colpevole ?
Il primo indiziato:
le varianti comuni
Common Disease/
Common Variant (CD/CV)
Varianti alleliche esistenti prima della
dispersione degli umani sulla terra o varianti
alleliche sottoposte a pressione selettiva
rappresentano una proporzione significativa
degli alleli di suscettibilità per le malattie
complesse. La conseguenza è l’attesa di una
minore eterogeneità nei geni di suscettibilità
per le malattie complesse
Varianti frequenti
• Una variante genetica può raggiungere alte
frequenze in una popolazione per due
motivi:
– È molto antica ed è diventata frequente solo
per caso (deriva genica)
– È stata sotto pressione selettiva
Pressione selettiva:
adattamento e malattia ?
Ambiente
Genoma
?
Adattamento
Malattia
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Accumula
peggio i
grassi
Accumula
meglio i
grassi
Genotipo “frugale”
Studi di associazione
Genome-wide
Studi di replicazione e
Meta-analisi
Published GWA Reports, 2005 – 6/2012
1350
1400
Total Number of Publications
1200
1000
800
600
400
200
0
2005
2006
2007
2008
2009
Calendar Quarter
Through 6/30/12 postings
2010
2011
2012
PublishedGenome-WideAssocia4onsthrough07/2012
PublishedGWAatp≤5X10-8for18traitcategories
NHGRIGWACatalog
www.genome.gov/GWAStudies
www.ebi.ac.uk/fgpt/gwas/
Laereditabilità“perduta”
Allaricercadellaereditarietàperduta:
levarian'rare
Common Disease/
Rare Allele (CD/RA)
La maggior parte delle mutazioni che
causano malattie complesse sono
avvenute recentemente, dopo la
divergenza delle popolazioni. La
conseguenza è l’attesa di una forte
eterogeneità nei geni di suscettibilità
per le malattie complesse
Alcune realtà: il “next
generation sequencing”
Le tecnologie di
sequenziamento di nuova
generazione (NextGeneration Sequencing)
hanno migliorato l'efficienza
del sequenziamento del DNA
rispetto al tradizionale
metodo Sanger. E’ possibile
infatti ottenere fino ad un
miliardo di basi in un solo
giorno, ad un costo molto
basso.
Costi del sequenziamento di un
genoma completo
• 2000 = circa 1 miliardo di
dollari e 13 anni di lavoro
• 2009 = circa 20000
dollari e un mese di
lavoro
• Attualmente un esoma
completo
(sequenziamento della
solo parte codogenica)
costa circa intorno ai
1000 dollari
Cosa sta emergendo
• Siamo pieni di mutazioni !!!
• Numero medio di SNV per esoma = 13,595
• Ogni individuo possiede mediamente 35 varianti
non-sense ed è omozigote per almeno una di
esse.
• Ogni individuo possiede mediamente da 21 a 32
varianti con impatto funzionale.
• Il numero medio di nuove varianti per individuo
è 549
Conclusioni mutazioni rare
• E’ probabile che le mutazioni rare diano un contributo
significativo alla variabilità genetica normale e alle
predisposizione alle malattie multifattoriali
• L’identificazione di queste varianti era praticamente
impossibile per GWA perché necessitavano una
campionamento troppo grande
• Con le tecniche di NGS sarà possibile definire nel
prossimo futuro con precisione il loro ruolo nella
patogenesi delle malattie complesse
Alla ricerca della ereditarietà perduta:
le relazioni geni-ambiente possono essere complesse e oscurare la ricerca
Conclusioni
interazioni gene-ambiente
• E’ possibile che una parte della componente genetica non
sia stata ancora scoperta perché “nascosta” da complesse
interazioni con l’ambiente. Le attuali metodologie di
indagine (come il GWAS) controllano male la
componente ambientale
• La sempre maggior capacità di controllare la componente
ambientale delle malattie complesse insieme alla migliore
comprensione delle relazioni gene-ambiente potrebbe far
scoprire una ulteriore parte della “ereditabilità nascosta”
