CARATTERI QUANTITATIVI POLIGENICI • Caratteri distinguibili solo quantitativamente e che variano in modo continuo all’interno di un determinato intervallo (altezza, peso, forma, colore, comportamento): si presentano secondo un continuum di variabilità fenotipica. • Non segregano secondo leggi Mendeliane, anche se sono almeno in parte geneticamente determinati. • L’eredità o l’espressione del fenotipo dipende da più geni NON allelici (loci diversi) ognuno dei quali contribuisce in modo additivo all’espressione del fenotipo. • L’effetto dei geni non allelici è CUMULATIVO e nessuno è dominante o recessivo rispetto agli altri. • Sono opposti ai caratteri qualitativi. Colore degli occhi: carattere poligenico ? Cinque colori differenti possono essere prodotti dalla interazione di 2 geni soltanto. All'aumentare del numero di loci coinvolti nella produzione di un carattere, aumenta il numero delle classi corrispondenti. - ciascun gene contribuisce in maniera uguale al fenotipo risultante - effetto di ciascun gene è additivo - i geni non sono associati (assortiscono indipendentemente) - la relazione tra genotipo e fenotipo non è più diretta Il modello statistico che meglio descrive la distribuzione nella popolazione di ogni carattere continuo, che cioè dipende dall’azione additiva di un gran numero di tante piccole cause tra loro indipendenti, è la distribuzione normale All’aumentare del numero di loci, la distribuzione dei fenotipi si approssima in maniera sempre più precisa ad una distribuzione Gaussiana e l’ambiente agisce in modo da rendere continua la linea della curva. La Gaussiana è una curva simmetrica a “campana” definita da due parametri: la media, attorno alla quale la curva si distribuisce e la deviazione standard (SD) che misura lo scostamento dalla media. • Oltre all’interazione di più geni anche l’ambiente contribuisce all’espressione fenotipica del carattere CARATTERI MULTIFATTORIALI Geni e ambiente Variation is due to “the nature of the organism and the nature of the conditions”. Charles Darwin, On the Origin of Species page 1, Chapter 1 I caratteri multifattoriali - caratteri prodotti dalla interazione tra geni e ambiente Cosa intendiamo per fattori ambientali ? Fattori non-genetici - fisici – gravidanza, obesità - chimici- dieta, fumo, alcohol , medicine - sociali - malattia, stress - età Per un dato carattere quanto è legato ai geni (ereditabile) e quanto è dovuto all'ambiente ? Caratteri multifattoriali Carattere fingerprints altezza colore della pelle Geni + ambiente contatti prenatali nutrizione esposizione al sole Colore della pelle - La pigmentazione è prodotta dalla melanina. Più è prodotta più la pelle è pigmentata - funzione della melanina – proteggere dalle radiazioni UV - Colore della pelle è un fenotipo dovuto ad alcuni geni + influenza ambientale Genetica del colore della pelle KIT ligand A326G Agouti signalling peptide (ASIP) Solute carrier family 24 member 5 (SLC24A5) Thr111Ala Solute carrier family 45 member 2 Phe374Leu TYR Ser192Tyr Oculocutaneous albinism II (OCA2) His615Arg Dopachrome tautomerase (DCT or TYRP2), melanocortin 1 receptor (MC1R) Arg163Gln and attractin TYR, OCA2, TYRP1 and SLC45A2 oculocutaneous albinism (OCA) MC1R Arg151Sys Arg160Trp Asp294Sys Val60Leu Val92Met Genetica del colore della pelle KIT ligand (KITLG) gene survival, proliferation and migration of melanocytes A326G account for 15–20% of the melanin difference between African and non-African populations occurs in over 80% of European and Asian samples, compared with less than 10% in African samples Agouti signalling peptide (ASIP) inhibits eumelanin production rs2424984 has a frequency of roughly 80% in Europeans, 75% in Asians and 20–25% in Africans Solute carrier family 24 member 5 (SLC24A5) regulates calcium in melanocytes and is important in the process of melanogenesis Thr111Ala allele is virtually non-existent in Asian and African populations and is found in about 99.9% of Europeans represent some 25–40% of the difference in skin tone between Europeans and Africans Solute carrier family 45 member 2 (SLC45A2 or MATP) aids in the transport and processing of tyrosine, a precursor to melanin Phe374Leu is ubiquitous in European populations but extremely rare elsewhere The TYR gene encodes the enzyme tyrosinase which is involved in the production of melanin from tyrosine Ser192Tyr found solely in 40–50% of Europeans Oculocutaneous albinism II (OCA2) assists in the regulation of pH in melanocytes His615Arg is found in 85% of East Asian samples and is non-existent in European and African samples Dopachrome tautomerase (DCT or TYRP2), melanocortin 1 receptor (MC1R) Arg163Gln and attractin (ATRN) potential contributors to the evolution of light skin in East Asian populations Mutations in TYR, OCA2, TYRP1 and SLC45A2 cause oculocutaneous albinism (OCA) – a lack of pigment in the eyes, skin and sometimes hair The gene MC1R is primarily responsible for determining whether pheomelanin and eumelanin is produced in humans Arg151Sys Arg160Trp Asp294Sys Val60Leu Val92Met cause red hair and pale skin Malattie Complesse G G G G A A A A Malattia Geni e ambiente Esempi di malattie ad eredità multifattoriale Difetti congeniti Cardiopatie congenite Difetti del tubo neurale Labio/palatoschisi Lussazione congenita dell’anca Piede torto Stenosi ipertrofica del piloro Malattie dell’adulto Asma Cardiopatia ischemica Diabete mellito Epilessia Glaucoma Ipertensione Obesità Psicosi maniaco-depressiva Schizofrenia Tumori…… LA MALATTIA COME CARATTERE MULTIFATTORIALE MALATTIE COMPLESSE malattie comuni, che colpiscono milioni di Ambiente persone sono causate dall’interazione di piu’ geni con Geni l’ambiente viene ereditata la predisposizione alla malattia (suscettibilita’) • Chi eredita geni che conferiscono una maggiore suscettibilità alla malattia, non acquista la certezza di ammalarsi, bensì un rischio più elevato di malattia rispetto alla popolazione generale • soltanto gli individui geneticamente predisposti sviluppano la malattia, se esposti ai fattori ambientali scatenanti • • • • • Caratteri multifattoriali e malattie Cosa si intende per predisposizione genetica a una malattia ? Cosa determina la espressione della malattia ? Quale è il ruolo dell'ambiente ? RUOLO DEI FATTORI AMBIENTALI • I fattori ambientali per una certa popolazione rappresentano una percentuale di rischio, che conferisce quella quota di incidenza della malattia che potrebbe essere eliminata se tali fattori di rischio vengono eliminati • Questa percentuale può essere anche pari al 100%, quando la malattia cioè non si manifesta per niente se i fattori di rischio ambientali vengono esclusi: fenilchenoturia e dieta priva di fenilalanina • Fattori ambientali come dieta, obesità, inattività fisica, fumo rappresentano oltre il 70% per l’infarto, l’80% per malattia coronariche e il 90% per il diabete nell’adulto. La malattia complessa: il modello a soglia CARATTERI DISCONTINUI (A SOGLIA) A differenza dei caratteri continui i difetti congeniti e le malattie croniche dell’adulto, quali l’obesità, l’asma, il diabete, l’osteoporosi, sono considerati caratteri discontinui. Il modello statistico che descrive i caratteri discontinui prevede la presenza di una soglia: solo le persone che hanno una suscettibilità superiore ad un livello soglia manifestano il fenotipo. La suscettibilità è una variabile continua. La suscettibilità può essere bassa o alta, è poligenica e presenta una distribuzione gaussiana nella popolazione. Gli individui la cui suscettibilità è al di sotto della soglia, anche se è appena al di sotto, non manifestano il carattere. RISCHIO DI MALATTIA • GRADO DI CONSANGUINEITA’ = FAMIGLIARITA’ del carattere (il rischio di ricorrenza nei familiari è maggiore rispetto alla popolazione generale) All'aumentare del grado di parentela, aumenta il numero di geni in comune La predisposizione genetica a un carattere è condivisa dai soggetti che condividono la stessa combinazione di alleli per i loci responsabili del carattere MODELLO SOGLIA La suscettibilità alla condizione è poligenica e distribuita normalmente. Le persone con una suscettibilità superiore a un certo valore soglia risultano affette. I loro fratelli hanno una suscettibilità media superiore rispetto alla media della popolazione e tra di loro una proporzione maggiore avrà una suscettibilità superiore al valore soglia. Quindi la condizione tenderà a ricorrere all'interno delle famiglie. A secondo del grado di parentela varia la probabilità di superare o meno la soglia. I membri della famiglia di un probando condividono parte dei geni, quindi il numero di individui che supera la soglia AUMENTA La soglia è un parametro FISSO per ogni carattere FAMIGLIARITA' RISCHIO DI MALATTIA • NUMERO DELLE PERSONE AFFETTE NELLA FAMIGLIA • DIVERSA FREQUENZA NEI DUE SESSI: il sesso meno comunemente colpito ha un maggior rischio di trasmissione del difetto ai figli (piede torto, ulcera peptica) La teoria della soglia aiuta a spiegare come all'interno delle famiglie variano i rischi di ricorrenza. Le persone affette hanno ereditato una "sfortunata" combinazione di geni che determinano una elevata suscettibilità, e la divergenza dalla media della popolazione dipenderà dalla proporzione di geni condivisi. I genitori che abbiano avuto diversi figli affetti hanno in media una suscettibilità maggiore di quella di genitori che abbiano un solo figlio affetto. La soglia è immutata ma la suscettibilità media e quindi il rischio di ricorrenza si innalza all'aumentare del numero di figli affetti. MODELLO SOGLIA Diminuzione del rischio con il diminuire del grado di parentela con il probando per una malattia multifattoriale Un carattere poligenico con soglie specifiche per ciascun sesso Molte patologie in cui si suppone un effetto soglia hanno incidenze differenti nei due sessi (ad es. stenosi congenita del piloro, 5 volte + comune nei maschi) La soglia deve essere più elevata per le femmine che per i maschi, quindi i parenti di una bimba affetta hanno una suscettibilità media più alta dei parenti di un bimbo affetto. I rischi di malattia saranno maggiori per i parenti di femmine affette, ma la maggior parte degli affetti saranno maschi. Rischio empirico di malattia Per un carattere mendeliano (singolo gene) il rischio di malattia si predice sulla base del genotipo dei genitori Per un carattere multifattoriale il rischio di malattia si predice sulla base della specifica frequenza del carattere nella popolazione Rischio empirico per palatoschisi Relationship General population Recurrence Risk 0.1% First cousin 0.3% Niece or nephew 0.8% Child 3.5% Sibling 4.1% Identical twin 40.0% Per i parenti di I grado come approx regola empirica l'incidenza attesa è la radice quadrata della incidenza nella popolazione: una condizione poligenica a soglia che interessi lo 0,1% dei neonati dovrebbe colpire circa 1:30 dei loro fratelli, genitori o figli. Comparando la frequenza del carattere tra i membri della famiglia del probando con quella della popolazione in generale otteniamo un interessante parametro. Il parametro LAMBDA Il rapporto tra prevalenza della malattia tra i famigliari di una persona affetta e la prevalenza della malattia nella popolazione aperta Una misura della aggregazione famigliare di una malattia Il valore di LAMBDA aumenta in proporzione alla ereditabilità del carattere (la quota genetica) DETERMINAZIONE DEL GRADO DI FAMIGLIARITA’ Prevalenza popolazione generale 4/1.000 (0.4%) Diabete tipo I (giovanile) Prevalenza tra i fratelli di soggetti affetti: 6/100 (6%) 6/0.4 = 15 = grado di familiarità nei fratelli (s) s=siblings (fratelli/sorelle) EREDITABILITA' Il rapporto tra varianza genetica e varianza del carattere Dobbiamo conoscere le componenti di variazione del carattere - varianza genetica - il numero di differenti genotipi che contribuiscono alla espressione del carattere - varianza ambientale - numero di fattori ambientali che influenzano l'espressione del carattere Valutazione della componente genetica EREDITABILITA' L'ereditabilìtà (h2) esprime in che misura la variabilità fenotipica dipende da effetti genetici ed è quindi, in prima approssimazione, trasmissibile alla progenie. Può variare da 0 (la variabilità del carattere dipende interamente da effetti di natura ambientale) a 1 (la variabilità del carattere dipende interamente da effetti di natura genetica), e spesso è espressa in termini percentuali. H2 = Vg/ Vt Ereditabilità • H=1 esclusivamente genetica • H=0 esclusivamente ambientale Trait Clubfoot Heritability 0.8 Height Blood pressure 0.8 0.6 Body mass Verbal aptitude Math aptitude 0.5 0.7 0.3 Spelling aptitude Fingerprint ridge count 0.5 0.9 Intelligence Total serum cholesterol 0.5-0.8 0.6 Il grafico può essere utilizzato per stimare la ereditabilità a partire da dati epidemiologici Come determinare se una malattia comune ha una forte componente genetica? • • • • Aggregazione familiare Concordanza tra gemelli Studi di adozione Studi di associazione Metodi per l’identificazione di caratteri multifattoriali 1. Analisi Comparata di Gemelli Mono- e Dizigotici L’implicazione di fattori genetici nel determinismo del carattere è dimostrata da una maggiore concordanza fenotipica tra gemelli monozigoti Gli studi sui gemelli sono uno strumento molto utile per la determinazione dei fattori genetici alla base di caratteri normali e patologici -gemelli monozigotici il genotipo è identico - stesso ambiente alla stessa età - no condivisione ambiente -gemelli dizigotici frazione media di geni condivisa: 50% - stesso ambiente alla stessa età, ma genotipi diversi Se un tratto presenta una predisposizione genetica, mi aspetto che la contemporanea presenza della malattia in entrambi i gemelli sia più frequente tra i MZ rispetto ai DZ Concordanza = % di coppie in cui ambedue i gemelli esprimono il carattere Metodi per l’identificazione di caratteri multifattoriali 2. Studi di Adozione Implicazione di fattori genetici: maggiore frequenza del carattere nei genitori biologici rispetto ai genitori adottivi Implicazione di fattori ambientali: maggiore frequenza del carattere nei figli adottati rispetto alla popolazione generale Danish Adoption Register 1924-1947 Studio sulle cause di morte Il genitore biologico muore di infezione prima dei 50 anni e il figlio adottato è 5 volte più suscettibile di morire per infezioni in giovane età rispetto alla popolazione generale. Si deduce una forte componente genetica. Il genitore adottivo muore per malattie cardiovascolari prima dei 50 anni, e i figli adottati sono 3 volte più suscettibili di morire per malattie cardiovascolari rispetto alla popolazione generale. Si deduce una forte componente ambientale. Maggiore è l’ereditabilità tanto maggiore è l’importanza dei fattori genetici e quindi è giustificata la ricerca dei geni della suscettibilità che viene effettuata tramite studi di associazione utilizzando tre differenti approcci: 1. ASSOCIAZIONE DI MARCATORI (alleli o SNP) 2. ANALISI DI COPPIE DI FRATELLI 3. TEST DI DISEQUILIBRIO DELLA TRASMISSIONE (TDT) Per ricordare: •I polimorfismi sono alla base della diversità umana, inclusa la capacità di interagire con i cambiamenti ambientali. •Oltre il 30% dei loci mostrano varianti polimorfiche (definite come la presenza di due o più alleli con una frequenza di almeno l’1%) nella popolazione. •Un qualsiasi individuo è eterozigote per circa il 10% dei suoi loci. •Alleli che in eterozigosi conferiscono un vantaggio selettivo, hanno una prevalenza aumentata nella popolazione, perché su di essi agisce una selezione positiva. Single Nucleotide Polymorphism (SNP) GATTTAGATCGCGATAGAG GATTTAGATCTCGATAGAG • Il più comune tipo di polimorfismo • Più di 10 milioni di SNPs nell’uomo Studi di associazione • Si raccolgono CASI e CONTROLLI possibilmente della stessa popolazione e si verifica se c’è una differenza STATISTICAMENTE significativa di frequenza di un certo allele o SNP nei due campioni • Se un particolare allele o SNP è più spesso frequente nei casi rispetto ai controlli, allora l'allele o lo SNP si dice associato al carattere e potrebbe essere vicino a un gene che controlla il carattere. Studi di associazione allelica Control Disease Allele 1 Allele 2 Marker A: Allele 1 = Allele 2 = Marker A is associated with Phenotype STUDI DI ASSOCIAZIONE CASI 1 CONTROLLI 1 2 2 1 3 1 1 1 3 2 1 1 1 22 1 1 4 4 4 1 4 2 5 2 Gli studi di associazione ricercano differenze tra le frequenze alleliche tra un gruppo di casi e uno di controlli. Rivelano associazioni tra alleli !!!! Studi di associazione mediante Transmission disequilibrium test • Studi di associazione di trasmissione allelica • Si raccolgono famiglie con individui affetti e si conta quante volte un certo allele viene trasmesso o meno ai figli affetti • Se un allele viene trasmesso con una frequenza maggiore statisticamente significativa si può pensare che sia associato alla malattia in esame ANALISI DI COPPIE DI FRATELLI • Se due fratelli sono affetti da una malattia genetica, verosimilmente condividono la sequenza che contiene il gene responsabile della malattia • Quindi se un allele è più condiviso dell’atteso, il gene analizzato può essere coinvolto nello sviluppo della malattia o comunque trovarsi nella regione critica Fattori complicanti l’analisi delle componenti genetiche dei caratteri multifattoriali Diversi loci implicati, perlopiù con effetto “debole” Eterogeneità genetica: esistenza di differenti mutazioni (anche in geni diversi) che causano fenotipi simili Eterogeneità di esposizione ai fattori ambientali Se hai fatto la presentazione sulla lavagna, allora potrebbe successivamente essere comodo illustrare i seguenti concetti mediante slides perchè più facili da trasmettere mediante slides che sulla lavagna. Aggiungiamo poi una breve presentazione degli studi GWAS (che non abbiamo ancora) Rischio empirico di malattia Per un carattere mendeliano (singolo gene) il rischio di malattia si predice sulla base del genotipo dei genitori Per un carattere multifattoriale il rischio di malattia si predice sulla base della specifica frequenza del carattere nella popolazione Rischio empirico per palatoschisi Relationship General population Recurrence Risk 0.1% First cousin 0.3% Niece or nephew 0.8% Child 3.5% Sibling 4.1% Identical twin 40.0% Per i parenti di I grado come approx regola empirica l'incidenza attesa è la radice quadrata della incidenza nella popolazione: una condizione poligenica a soglia che interessi lo 0,1% dei neonati dovrebbe colpire circa 1:30 dei loro fratelli, genitori o figli. Comparando la frequenza del carattere tra i membri della famiglia del probando con quella della popolazione in generale otteniamo un interessante parametro. Il parametro LAMBDA Il rapporto tra prevalenza della malattia tra i famigliari di una persona affetta e la prevalenza della malattia nella popolazione aperta Una misura della aggregazione famigliare di una malattia Il valore di LAMBDA aumenta in proporzione alla ereditabilità del carattere (la quota genetica) DETERMINAZIONE DEL GRADO DI FAMIGLIARITA’ Prevalenza popolazione generale 4/1.000 (0.4%) Diabete tipo I (giovanile) Prevalenza tra i fratelli di soggetti affetti: 6/100 (6%) 6/0.4 = 15 = grado di familiarità nei fratelli (s) s=siblings (fratelli/sorelle) EREDITABILITA' L'ereditabilìtà (h2) esprime in che misura la variabilità fenotipica dipende da effetti genetici ed è quindi, in prima approssimazione, trasmissibile alla progenie. Può variare da 0 (la variabilità del carattere dipende interamente da effetti di natura ambientale) a 1 (la variabilità del carattere dipende interamente da effetti di natura genetica), e spesso è espressa in termini percentuali. H2 = Vg/ Vt Ereditabilità • H=1 esclusivamente genetica • H=0 esclusivamente ambientale Trait Clubfoot Heritability 0.8 Height Blood pressure 0.8 0.6 Body mass Verbal aptitude Math aptitude 0.5 0.7 0.3 Spelling aptitude Fingerprint ridge count 0.5 0.9 Intelligence Total serum cholesterol 0.5-0.8 0.6 Come determinare se una malattia comune ha una forte componente genetica? • • • • Aggregazione familiare Concordanza tra gemelli Studi di adozione Studi di associazione Gli studi sui gemelli sono uno strumento molto utile per la determinazione dei fattori genetici alla base di caratteri normali e patologici -gemelli monozigotici il genotipo è identico - stesso ambiente alla stessa età - no condivisione ambiente -gemelli dizigotici frazione media di geni condivisa: 50% - stesso ambiente alla stessa età, ma genotipi diversi Se un tratto presenta una predisposizione genetica, mi aspetto che la contemporanea presenza della malattia in entrambi i gemelli sia più frequente tra i MZ rispetto ai DZ Concordanza = % di coppie in cui ambedue i gemelli esprimono il carattere Metodi per l’identificazione di caratteri multifattoriali 2. Studi di Adozione Implicazione di fattori genetici: maggiore frequenza del carattere nei genitori biologici rispetto ai genitori adottivi Implicazione di fattori ambientali: maggiore frequenza del carattere nei figli adottati rispetto alla popolazione generale Danish Adoption Register 1924-1947 Studio sulle cause di morte Il genitore biologico muore di infezione prima dei 50 anni e il figlio adottato è 5 volte più suscettibile di morire per infezioni in giovane età rispetto alla popolazione generale. Si deduce una forte componente genetica. Il genitore adottivo muore per malattie cardiovascolari prima dei 50 anni, e i figli adottati sono 3 volte più suscettibili di morire per malattie cardiovascolari rispetto alla popolazione generale. Si deduce una forte componente ambientale. Maggiore è l’ereditabilità tanto maggiore è l’importanza dei fattori genetici e quindi è giustificata la ricerca dei geni della suscettibilità che viene effettuata tramite studi di associazione utilizzando tre differenti approcci: 1. ASSOCIAZIONE DI MARCATORI (alleli o SNP) 2. ANALISI DI COPPIE DI FRATELLI 3. TEST DI DISEQUILIBRIO DELLA TRASMISSIONE (TDT) Single Nucleotide Polymorphism (SNP) GATTTAGATCGCGATAGAG GATTTAGATCTCGATAGAG • Il più comune tipo di polimorfismo • Più di 10 milioni di SNPs nell’uomo Studi di associazione allelica Control Disease Allele 1 Allele 2 Marker A: Allele 1 = Allele 2 = Marker A is associated with Phenotype Studi di associazione mediante Transmission disequilibrium test • Studi di associazione di trasmissione allelica • Si raccolgono famiglie con individui affetti e si conta quante volte un certo allele viene trasmesso o meno ai figli affetti • Se un allele viene trasmesso con una frequenza maggiore statisticamente significativa si può pensare che sia associato alla malattia in esame ANALISI DI COPPIE DI FRATELLI • Se due fratelli sono affetti da una malattia genetica, verosimilmente condividono la sequenza che contiene il gene responsabile della malattia • Quindi se un allele è più condiviso dell’atteso, il gene analizzato può essere coinvolto nello sviluppo della malattia o comunque trovarsi nella regione critica Fattori complicanti l’analisi delle componenti genetiche dei caratteri multifattoriali Diversi loci implicati, perlopiù con effetto “debole” Eterogeneità genetica: esistenza di differenti mutazioni (anche in geni diversi) che causano fenotipi simili Eterogeneità di esposizione ai fattori ambientali