Fenotipi e patologie complesse Variabilità genetica e malattia Singolo gene Malattie “mendeliane” Geni multipli Malattie complesse Polimorfismi Suscettibilità a malattie non genetiche Farmacogenetica Suscettibilità agli effetti dei farmaci Malattie Mendeliane Malattie complesse •mutazioni altamente penetranti •contribuiscono alla predisposizione •spesso soggette a selezione negativa (varianti rare) •effetto deleterio sulla funzione della proteina è spesso evidente (stop codon, frameshift, mutaz splicing etc) alla malattia •rischio relativo moderato •non soggette a forte pressione selettiva (varianti più comuni) •varianti con effetti moderati sulla funzione o regolazione dell’espressione •regioni non codificanti La prevalenza di obesità e sovrappeso tra i bambini e gli adulti è notevolmente aumentata nel corso degli ultimi decenni nella maggior parte dei paesi sviluppati o in via di sviluppo (Stein and Colditz., 2004; Wang et al., 2002). Obesità Essa sta assumendo proporzioni epidemiche e rappresenta un importante fattore di rischio per patologie quali ipertensione, malattie cardiovascolari, patologie metaboliche, diabete, ecc. OBESITY: A Huge Public Health Problem Definition of obesity: BMI>30 Definition of overweight: BMI >25 BMI = weight (kg)/ height2 (m) PRIMARIA: non dovuta a disfunzioni endocrino metaboliche SECONDARIA: causata da una disfunzione endocrina o metaboliche •DIFFUSA : adipe presente in tutti i distretti del corpo (tronco e arti) adipe presente soltanto in alcune zone (addome, glutei, fianchi e torace) •DISTRETTUALE: OBESITA’ ANDROIDE (UOMO) (adipe localizzato principalmente nell’addome) OBESITA’ GINOIDE (DONNA) (adipe localizzato principalmente su glutei e fianchi) F.Monaco “Endocrinologia Clinica” III Ed-SEU Secondo le linee guida europee la circonferenza vita non dovrebbe superare i 102 cm negli uomini e gli 88 cm nelle donne. Il rapporto vita/fianchi dovrebbe essere inferiore a 0,95 per gli uomini e 0,8 nelle donne. La circonferenza della vita è rappresentativa del grasso viscerale intraddominale mentre quella dei fianchi del grasso sottocutaneo gluteofemorale. La tabella sottostante ci mostra il rischio di malattie basato sulla relazione tra BMI e circonferenza del giro vita tra i due sessi. BMI uomini ≤ 102 cm donne ≤ 88 cm uomini ≥ 102 cm donne ≥ 88 cm < 18.5 — — normopeso 18.5 – 24,9 — — sovrappeso 25 - 29.9 aumentato alto obesità I grado 30 - 34.9 alto molto alto obesità II grado 35 - 39.9 molto alto molto alto obesità III grado ≥ 40 estremamente alto estremamente alto sottopeso F.Monaco “Endocrinologia Clinica” III Ed-SEU (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% www.cdc.gov (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% ≥20% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% ≥20% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% ≥20% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% ≥20% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% 20%–24% ≥25% Obesity Trends* Among U.S. Adults BRFSS, 2002 (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% 20%–24% ≥25% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% 20%–24% ≥25% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% 20%–24% ≥25% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% 20%–24% 25%–29% ≥30% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs. overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% 20%–24% 25%–29% ≥30% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs. overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% 20%–24% 25%–29% ≥30% (*BMI ≥30, or ~ 30 lbs. overweight for 5’ 4” person) No Data <10% 10%–14% 15%–19% 20%–24% 25%–29% ≥30% Attualmente il 5.7% della spesa sanitaria degli USA è imputabile ai danni dell’obesit{. Si stima che ogni anno vengano spesi 3,9 miliardi di dollari per spese mediche legate all’obesit{. Altri 33 miliardi sono spesi per prodotti e servizi per la perdita di peso. Malattia Multifattoriale Genotipo Ambiente 40-70% Obesità Interazione tra geni ed ambiente GENI AMBIENTE Tasso spontaneo di mutazione 0.5% /milione di anni: in 10,000 anni ~ 0.005% mutazioni In 100 anni radicali modifiche di dieta e stile di vita Il fenomeno può essere interpretato come una risposta adattativa alla scarsità di energia disponibile che ha caratterizzato per lungo tempo l’evoluzione dell’uomo (Ulijaszek e Lofink, 2006). Gli antenati dell’uomo moderno sono stati in grado di sopravvivere grazie alla capacità di sfruttamento di nuovi alimenti e dalla trasformazione dei sistemi metabolici in grado di fornire maggiori quantità di energia necessaria. I primi ominidi sono comparsi circa 6 milioni di anni fa nell’Africa orientale (Tanzania, Kenia, Etiopia). Dieta: foglie, radici, frutta, noci (carboidrati) Circa 2 milioni di anni fa: •clima più secco e freddo, •le foreste furono sostituite dalle prateria, •Già con Homo erectus: cambio dieta (uso di utensili, fuoco): > proteine e acidi grassi insaturi. Aumento del cervello. La dieta Paleolitica: consumo di calorie giornaliero: ~ 3000 kcal la carne: 35–50% della dieta Neandertaliani: Mangiavano prevalentemente carne, grassi e midollo Consumo giornaliero: sino a 4000 kcal Le carni degli animali selvatici: meno grassi saturi e più grassi polinsaturi. Carne magra+frutta+ verdura +noci: ricca di antiossidanti. Poco sale, più fibre e più vitamine e minerali. I resti scheletrici delle popolazioni del Paleolitico superiore ci indicano che gli individui erano di alta statura, buona ossatura e buoni denti La dieta paleolitica è caratterizzata da periodi alterni di abbondanza e di carestia. L’abilit{ di immagazzinare grassi di riserva durante i periodi di abbondanza permetteva loro di avere adeguate riserve energetiche durante i periodi di carestia e sufficienti energie per lo sviluppo del cervello. L’obesit{ nel Paleolitico era sicuramente un rarit{. “Venere” Venere del Paleolitico dei giorni nostri Steatopigia: accumulo di grasso senza impedire la dispersione di calore Secondo R. Pöch in periodi di fame e di sete ritarderebbe la perdita di albumina, consentendo al Boscimano e all'Ottentotto di resistere alle cattive condizioni di esistenza nel deserto. Nascita dell’agricoltura (10.000): ancora cambiamenti nella dieta. L’uomo diventa onnivoro. Questa rivoluzione neolitica coincise con un peggioramento della salute (malnutrizoine). L’agricoltura creò dipendenza dai cereali che rimpiazzarono la carne e la frutta come fonte primaria di energie. Allergie alimentari. Persistenza della lattasi (unico adattamento all’agricoltura e all’allevamento) Rivoluzione industriale Divenne più facile conservare il cibo Il cibo era comunque disponibile per tutti. Le macchine hanno diminuito lo sforzo fisico . Teoria del genotipo di conservazione Alcuni decenni fa Neel (1962; 1982) propose che un “thrifty genotype” (genotipo di conservazione) si sia evoluto per proteggere le popolazioni umane dalla fame, facilitando il rapido rilascio di insulina (efficiente conversione di zucchero) e l’accumulo di energia sotto forma di grasso nei periodi di abbondanza costituendo una riserva per i periodi di magra. Mentre i grassi di riserva permettevano l’immagazzinamento di energia durante i periodi di carestia, nella società moderna, dove il cibo è sempre disponibili e abbondante e l’attivit{ fisica sempre più ridotta, la funzione di immagazzinare energia di questi geni è diventata una svantaggio promuovendo l’accumulo di grasso, con conseguente obesità, produzione eccessiva di insulina e sviluppo di insulina resistenza e diabete mellito eccesso di calorie + riduzione attività motorie = incremento obesità, diabete e malattie cardiovascolari, mancando anche un adattamento genetico-biologico alle nuove condizioni di vita e di alimentazione. Inoltre, la vita moderna è spesso caratterizzata da stress e da una riduzione di periodi di riposo e sonno. Elementi che sono stati associati con l’aumento dell’obesit{ (Bjorntorp, 2001; Chaput et al., 2006). Recentemente Speakman contestò questa ipotesi poiché non poteva spiegare come moltissime persone attualmente mantengono un normale peso corporeo. Speakman suggerì che sicuramente antichi geni hanno controllato il peso corporeo, ma con le mutazioni responsabili dell’obesit{ che sono state selezionate contro il rischio di predazione. Gli obesi dovevano essere facili prede per ovvie ragioni, per cui erano svantaggiati. Per cui alcuni milioni di anni fa gli uomini svilupparono strategie per difendersi dai predatori (fuoco, armi). Da allora mutazioni casuali che determinavano l’aumento di peso non sono state più rimosse dalla selezione naturale e hanno cominciato a diffondersi per deriva genetica. Quando il cibo è diventato largamente disponibile e l’attivit{ fisica limitata, il peso corporeo è cominciato ad aumentare negli individui portanti tali geni. Pliocene (6-2 milioni di anni) Mutazioni casuali Mutazioni casuali X Body mass X Mutazioni casuali Speakman JR. A nonadaptive scenario explaining the genetic predisposition to obesity: the "predation release" hypothesis. Cell Metab. 2007 Jul;6(1):5-12 Effetto interazione GENOTIPO-AMBIENTE BMI Ambiente Obesogenico Ambiente Restrittivo Resistenti Predisposti Predisposizione all’obesità Adattato da Ravussin and Bouchard, 2000 Oggi sappiamo che la componente genetica è responsabile della massa corporea dal 30 al 70% (Herbert et al., 2006). la maggior parte delle forme di obesità sono sotto un controllo poligenico di diversi fattori biologici Circa 135 geni candidati sono stati associati all’obesit{. Sono diffusi in tutto il genoma, ad eccezione del cromosoma Y Fattori genetici sono stati anche associati all’attivit{ fisica FATTORI PRECOCI DI RISCHIO PER OBESITA’ NELL’INFANZIA (BMJ 2005 ; 330) OBESITA’ NEI GENITORI (se entrambi BMI > 30 , OR = 10,44; se solo madre obesa OR = 4,25; se solo padre obeso OR = 2,54) PESO ALLA NASCITA (OR = 1,05 per ogni 100 gr. di unità di incremento) INCREMENTO DI PESO ECCESSIVO NEL 1° ANNO DI VITA (OR = 1.06 per ogni 100 gr di unità di incremento) VERY EARLY ADIPOSITY REBOUND ( se < 43 mesi di età OR = 15 ) FUMO MATERNO In gravidanza + 1 DS DEL PESO a 8 MESI ( OR = 3,13 ) e a 18 MESI (OR = 2,65) CATCH UP GROWTH NEL PERIODO 0- 2 ANNI (OR = 2,60) > 8 ORE DI TV ALLA SETTIMANA a 3 ANNI ( OR = 1,55 ) BREVE DURATA DEL SONNO ( < 10.5 ORE PER NOTTE ) a 3 ANNI ( OR = 1,45 ) SVANTAGGIO SOCIOECONOMICO Autore: Maurizio Iaia BMI Fonte: M. Iaia – “Cibo dei piccoli … salute dei grandi” – EDITEAM sas 2006 Esempio di “early adiposity rebound” BMI Fonte: C.Maffeis – “Il bambino obeso e le comlicanze – SEE Firenze 2004 Dopo 1 anno di vita, i valori di BMI diminuiscono per poi stabilizzarsi e riprendere ad aumentare mediamente dopo i 5-6 anni. L'età alla quale si raggiunge il valore minimo prima dell'aumento fisiologico del BMI si chiama adiposity rebound. Un incremento dei valori di BMI prima dei 5 anni: adiposity rebound precoce = rischio di sviluppo di obesità. Alterazione dei meccanismi di controllo della fame e della sazietà Disfunzione dei meccanismi che regolano la spesa energetica SEGNALI AFFERENTI SEGNALI AFFERENTI NPY MCH CRH GLP-1 CCK GLP-1 BOMBESINA GLUCOSIO SEGNALI EFFERENTI OPPIOIDI GHRH SOMATOSTATINA ADRENALINA ESTROGENI INSULINA LEPTINA NORADRENALINA GLUCOCORTICOIDI ANDROGENI 1: Rankinen T, Zuberi A, Chagnon YC, Weisnagel SJ, Argyropoulos G, Walts B, Pérusse L, Bouchard C. The human obesity gene map: the 2005 update. Obesity (Silver Spring). 2006 Apr;14(4):529-644. Review. 2: Pérusse L, Rankinen T, Zuberi A, Chagnon YC, Weisnagel SJ, Argyropoulos G, Walts B, Snyder EE, Bouchard C. The human obesity gene map: the 2004 update. Obes Res. 2005 Mar;13(3):381-490. 3: Snyder EE, Walts B, Pérusse L, Chagnon YC, Weisnagel SJ, Rankinen T, Bouchard C. The human obesity gene map: the 2003 update. Obes Res. 2004 Mar;12(3):369-439. Review. 4: Chagnon YC, Rankinen T, Snyder EE, Weisnagel SJ, Pérusse L, Bouchard C. The human obesity gene map: the 2002 update. Obes Res. 2003 Mar;11(3):313-67. Review. 5: Rankinen T, Pérusse L, Weisnagel SJ, Snyder EE, Chagnon YC, Bouchard C. The human obesity gene map: the 2001 update. Obes Res. 2002 Mar;10(3):196-243. Review. 6: Pérusse L, Chagnon YC, Weisnagel SJ, Rankinen T, Snyder E, Sands J, Bouchard C. The human obesity gene map: the 2000 update. Obes Res. 2001 Feb;9(2):135-69. Review. 7: Chagnon YC, Pérusse L, Weisnagel SJ, Rankinen T, Bouchard C. The human obesity gene map: the 1999 update. Obes Res. 2000 Jan;8(1):89-117. Review. 8: Pérusse L, Chagnon YC, Weisnagel J, Bouchard C. The human obesity gene map: the 1998 update. Obes Res. 1999 Jan;7(1):111-29. Review. 9: Chagnon YC, Pérusse L, Bouchard C. The human obesity gene map: the 1997 update. Obes Res. 1998 Jan;6(1):76-92. Review. 10: Pérusse L, Chagnon YC, Dionne FT, Bouchard C. The human obesity gene map: the 1996 update. Obes Res. 1997 Jan;5(1):49-61. Review. 11: Bouchard C, Pérusse L. Current status of the human obesity gene map. Obes Res. 1996 Jan;4(1):81-90. Review. SNPs showing polygenic effects on BMI Geni correlati all’obesit{ TNF LEP e LEPR FTO UCP1 e UCP2 AdipoQ Chromosome Region: 16q12.2 Unknown function Fto: originally described in a mouse with Fused toes (syndactyly) HUGO Gene Nomenclature Committee changed the name to FTO: FaT mass and Obesity associated 2900 pazienti e 5100 controlli Gli individui portatori del polimorfismo a rischio hanno una probabilità di divenire obesi del 22% superiore (sia adulti che bambini) rispetto ai non portatori di tale polimorfismo 13 coorti con 38759 partecipanti Soggetti (16%) che sono omozigoti per l’allele a rischio hanno un incremento di 1.67 volte della possibilità di divenire obesi (1.30 se eterozigoti) quando paragonati a quei pazienti che non hanno ereditato l’allele a rischio. Spesa Energetica LEPTINA ( LEP ) Apporto Alimentare Tessuto Adiposo I livelli circolanti sono proporzionali all’adiposità. Aumenta se vi è un incremento ponderale e diminuisce nel digiuno e dopo esercizio fisico. E’ mediata, almeno in parte, dal neuropeptide y (NPY), un potente stimolatore dell’assunzione del cibo, su cui agisce in maniera soppressiva. La totale mancanza o la resistenza, insensibilità, alla leptina provoca iperfagia, obesità, diabete, ed una varietà di anomalie neuroendocrine e disfunzioni del sistema immunitario. Risposte alle alterazioni del sistema leptina-recettore: Mancata produzione di leptina (topi ob-/ob-) Mancata produzione del recettore (topi db-/db-) Comparsa precoce di obesità per mancato controllo di assunzione di cibo Nell'uomo l'assunzione di cibo è un fenomeno assai complesso, perché mediato da numerosi segnali biologici che si integrano a livello ipotalamico ma anche da fattori non energetici (culturali, sociali, emozionali ecc.). erapia sostitutiva Risposta alla leptina nel deficit congenito CCK: (colecistochinina), ormone proteico secreto dall’intestino tenue, stimola la secrezione di succo pancreatico e di enzimi digestivi, lo svuotamento della colecisti, la motilità dell’intestino ed è un segnale di sazietà GLP-1: Glucagon-like peptide-1 (GLP-1) ormone proteico secreto dall’intestino. E’ il risultato del taglio della molecola del proglucagone BOMBESINA: nell’uomo peptide rilasciante la gastrina. Inibisce l'assunzione di cibo (come la colecistochinina, è una delle principali molecole che controllano il senso della fame) regola la contrattilità della muscolatura liscia, regola la secrezione esocrina ed endocrina, la pressione arteriosa la produzione degli zuccheri e della crescita cellulare NPY1: neuropeptide Y è un polipeptide molto diffuso nel sistema nervoso centrale e nel sistema nervoso autonomo; svolge diverse azioni, tra cui l’aumento dell’appetito e la modulazione della risposta vasocostrittrice innescata dai neuroni noradrenergici è un potente stimolatore dell’appetito ed ha uno spiccato effetto anti-anoressizzante MCH: ormone concentrante della melanina (MCH), promotore dell’appetito. CRH:Ormone di liberazione della corticotropina (Corticotropin-releasing hormone e originariamente conosiuto come CRF ovvero corticotropin-releasing factor) è un ormone polipeptidico ipotalamico, nonché un neurotrasmettitore, coinvolto nella risposta agli stress Cushing’s Syndrome, two loci CNC1 and CNC2, mutations in PRKAR1A or MEN1 genes Cortisone Reductase Deficiency, mutations in HSD11B1 and the H6PD gene Isolated Growth Hormone Deficiency X-Linked Syndromic Mental Retardation 16, MECP2 gene Bardet-Biedl Syndrome, (14q32.1) genes BBS8, BBS3 and BBS5 Abright Hereditary Osteodystrophy-Like Syndrome 2008 --The Human Obesity Gene Map According to the susceptible-gene hypothesis, genes increase the risk of a certain characteristic, but are not sufficient in themselves to explain the development of a disease. ‘Our genes permit us to become obese; the environment determines if we become obese’ Attualmente sono stati pubblicati 15 studi GWAS sull’obesit{ Genome-wide association studies (GWAS) have identified several loci in the human genome containing genetic variants associated with common diseases, such as obesity. More than 97 genetic loci have been robustly associated with obesity-related traits, but, in general, a little overlap in the results of these studies has been observed Distribuzione obesità in Italia Distribuzione obesità in Italia Valutazione della statura e del BMI in Sardegna. Dati sulla leva del 1980 Piras I.S1., Vona G1., Ghiani M.E1., Inghes S2., Salaris L2., Calò C.M1. (1) Dipartimento di Biologia Sperimentale (2) Dipartimento di Ricerche Economiche e Sociali Università degli Studi di Cagliari Obesità 5,0% 4,7% 4,0% 3,4% 3,0% 3,1% 3,0% 3,0% 3,0% 2,6% 2,6% 1,5% 2,0% 1,0% Gallura SU Sa rd eg na CA D M O G NU O R SS G A 0,0% Ogliastra Sardegna 3,0% Gallura: 4,7% Ogliastra: 1,5% Medio Campidano Sulcis ANALISI DEL BMI sottopeso Normopeso Sovrappeso + Obesi 1951 1980 1951 1980 1951 1980 Sassari 8,84 8,9 86,68 78,4 4,49 12,70 Olbia tempio 6,45 9,3 86,61 76,7 6,94 14,00 Nuoro 4,32 7,5 90,24 78,0 5,44 14,50 Ogliastra 5,66 9,8 91,04 80,1 3,30 10,10 Oristano 5,73 6,6 88,90 81,7 5,37 11,70 M.Campidano 8,22 10,2 86,67 76,6 5,11 13,20 CarboniaIglesias 10,16 10,1 85,49 77,2 4,34 12,70 Cagliari 8,93 10,1 86,39 77,2 4,68 12,70 Sardegna 7,91 9,0 87,21 78,2 4,88 12,80 ANALISI DEL BMI sottopeso Normopeso Sovrappeso + Obesi 1969 1998 1969 1998 1969 1998 Montagna 3,90 9,49 91,02 78,83 5,08 11,68 Collina interna 5,65 10,12 89,66 77,95 4,69 11,93 Collina litoranea 7,65 9,39 87,22 76,47 5,13 14,15 Pianura 9,95 10,97 85,22 76,12 4,82 12,91 Provincia di Carbonia Iglesias Incidenza dell’Obesit{ in et{ evolutiva nella Provincia di Carbonia Iglesias Realizzato in collaborazione con UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CAGLIARI Dipartimento di Biologia Sperimentale e Corso di Laurea in Scienze Motorie Obesità e Sovrappeso nei singoli comuni Sardegna- Ogliastra Obesità e sovrappeso nei maschi: confronto con dati precedenti