HUMAN GENOME ARCHITECTURE IN SCHIZOPHRENIA AND OTHER

NEUROPSYCHIATRIC DISORDERS

Alena Buretić-Tomljanović

genom – inertna, statična struktura ?

sve diploidne (2n) stanice organizma sadrže identičan nasljedni materijal ?

ARHITEKTURA HUMANOG GENOMA – EKSPRESIJA SLOŽENIH SVOJSTAVA - ETIOLOGIJA NEUROPSIHIJATRIJSKIH BOLESTI

genom – dinamična struktura (sadrži nestabilne dijelove podložne strukturnim promjenama)

organizam – MOZAIK stanica čiji nasljedni materijal sadrži brojne i različite duplikacije, delecije, insercije ili inverzijepojedinih kromosomskih segmenata

EVOLUCIJA - promjene specifične za našu vrstu – promjene u nekodirajućimsegmentima genoma koje su pridonijele razvoju i funkciji mozga (sadrže gene uključene u komunikaciju neurona i susjednih potpornih stanica)

SLOŽENA SVOJSTVA I BOLESTI

INTERAKCIJA NASLJEDNE OSNOVE I ČIMBENIKA OKOLINE

čimbenici

okoline

nasljedna tvar

NASLJEDNOST SHIZOFRENIJE: 73-90%

NEDVOJBENA JE ULOGA NASLJEĐA

ŠTO ČINI TU "NASLJEDNOST"?

GENOM ČOVJEKA JE VARIJABILAN

još smo donedavno smatrali da smo 99,9% genetički jednakinove studije upućuju da svaki genom sadrži veći broj

strukturnih varijacija

2003.

About 90 percent of human genome variation comes in the form of single nucleotide polymorphisms, or SNPs...

preko 10 milijuna SNP-a u humanom genomune umanjuju reproduktivnu sposobnostne uzrokuju teške promjene fenotipa

moguće im je značaj minoran (varijacije genske ekspresije)moguće malim učinkom pridonose podložnosti bolestima

(Sand P et al., Nervenheilkunde, 2004)

Spektar shizofrenih bolesti

OBITELJSKE I STUDIJE BLIZANACA

NEPOTVRĐENE GENOMSKESTUDIJE

POTVRĐENE GENOMSKESTUDIJE

PRONAĐENI GENI RIZIKA

Spektar shizofrenih poremećaja

Bipolarni poremećaj

Unipolarna depresija

Ovisnost o alkoholu

Panični poremećaj

Fobije

ADHD

Anorexia nervosa

Bulimia nervosa

Demencija Alzheimerova tipa

(>1000 gena)

SAŽETAK GWAS STUDIJA SHIZOFRENIJE (2004-2011)

Study Type Cases Controls Loci p-Value OR CommentsMah et al. Pooled DNA 320 325 PLXNA2a 0.006 1.49Shifman et al. Pooled DNA 660 1,100 RELNb 2.9×10−4 1.58 only in female

Kirov et al. Pooled DNA 574 605 CCDC60 1.2×10−6 –RBP1 0.00016 –

Lencz et al. Indiv.genotype 178 144 CSF2RA 3.7×10−7 3.23Sullivan et al. Indiv.genotype 738 733 - - - no association

reportedO’Donovan Indiv.genotype 479 2,937 ZNF804Ac 1.61×10−7 1.12Stefansson et al. Indiv.genotype 2,663 13,498 MHC 1.1×10−9 to 1.4×10−12 1.14–1.24 strong evidence,

point out NOTCH4located inside the MHC

NRGN 2.4×10−9 1.15TCF4 4.1×10−9 1.23

Purcell et al. Indiv.genotype 3,322 3,587 MHC 3.66×10−7 0.733MYO18B 3.44×10−7 0.8ZNF804A 0.029 1.08

Chen et al. Meta-analysis 17,198 11,380 CMYA5 3.0×10−4 1.03–1.11Wang et al. Meta-analysis 1,172 1,379 ASTN2 2.38 ×10−6 1.28–1.29

GABR1d 2.67×10−4 1.27–1.31CNTNAP2d 8.92×10−4 1.70–2.03

(Girard et al., Current Opinion in Genetics & Development, 2011)

(Bassett et al., Am J Psychiatry, 2010)

CNV uključuju: DELECIJE i

DUPLIKACIJE segmenata genoma

CNV mijenjaju gensku dozu

Copy Number Variation– veći izvor varijabilnosti

u genomu

CNV naslijeđene ili de novo

CNV polimorfizmi

Broj kopija gena AMY1 – amilaza(utjecaj okolišnih čimbenika)

čovjek

čimpanza

čovjek

10 kopija

4 kopije

3 kopije

3 kopije

1 kopija

1 kopija

(Nat Genet 2007; 39:1256-60)

DUPLIKACIJE SEGMENATA KROMOSOMA IMALE SU ZNAČAJNU ULOGU U EVOLUCIJI ČOVJEKA

2x AKCELERACIJA U STOPI DUPLIKACIJA

DANAS

USPOREDBA GENOMA ČOVJEKOLIKIH MAJMUNA I

ČOVJEKA geni sa ekspanzijom broja

kopija su najbrojniji u ljudskoj liniji hominida (134), a većim

se dijelom radi o genima uključenim u razvoj i funkciju

mozga(Fortna et al., PLOS Biology, 2004)

USPOREDBA GENOMA ČIMPANZE I ČOVJEKA

eksplozija udvostručenih DNA sljedova prije 10 Mya u zajedničkom pretku

(Marques-Bonet et al., Nature, 2009)

24 kb, sličnost DNA sljeda: 98,7%

17p12 22q11

DUPLIKACIJE SEGMENATA KROMOSOMA POVEĆAVAJU RIZIK NASTANKA STRUKTURNIH PROMJENA GENOMA

intersticijske delecije, duplikacije, inverzije, marker kromosomi

(Emanuel & Shaikh, Nature Reviews Genetics, 2001)

VARIJACIJE BROJA KOPIJA UOBIČAJENE SU U GENOMIMA ZDRAVIH OSOBA

CNVNORMALAN

FENOTIP

MOGUĆA ULOGA CNV U EKSPRESIJI

SLOŽENIH SVOJSTAVA (neurofiziološki procesi,

primanje osjetnih signala,

provođenje kemijskih signala, st.

povezivanje, detoksikacija, imun. odgovor,

upalni procesi...)

I ETIOLOGIJI SLOŽENIH BOLESTI

TEŠKA KLINIČKA

SLIKA

del/dup >1Mb

SINDROMIPrader-Willi

Angelman

Smith-Magenis

...

STRUKTURNE VARIJACIJE UDRUŽENE S KLINIČKIM

FENOTIPOM

SINDROM DOWN trisomijakromosoma 21

SINDROM DOWN trisomijakromosoma 21

SINDROM CRI DU CHATdel(5)(p15.2) ili (p15.3)

SINDROM CRI DU CHATdel(5)(p15.2) ili (p15.3)

AUTIZAMdelecije de novo

AUTIZAMdelecije de novo

SINDROM SMITH-MAGENISdel (17)(p11.2)

SINDROM SMITH-MAGENISdel (17)(p11.2)

SINDROM POTOCKI-LUPSKIdup(17)(p11.2)

SINDROM POTOCKI-LUPSKIdup(17)(p11.2)

SINDROM DiGEORGEdel (22)(p11.2)

SINDROM WILLIAMS-BEUREN

del (7)(p11.23)

NEUROPATIJA CHARCOT- MARIE-

TOOTH 1A dup(17)(p12)

(Wain et al., Lancet, 2009)

STRUKTURNE VARIJACIJE UDRUŽENE

S NORMALNIM FENOTIPOM

*mogući klinički učinci

STRUKTURNE VARIJACIJE UDRUŽENE

S PODLOŽNOŠĆU PREMA BOLESTIMA

CCL3L1/CCL4L1dup(17)(q12)

ALFA-GLOBINALFA-GLOBIN

dup(16)(p13.3) ili del(16)(p13.3)dup(16)(p13.3) ili del(16)(p13.3)

BETA-DEFENSIN REPEAT

UNIT dup(8)(p23.1)

del(X)(q28) ili dup(X)(q28)

GEN ZA ZELENI FOTOPIGMENT*

RHESUS FACTOR*del(1)(p34.1-36)

RCCX MODUL MHC-a

(uključen komplement C4)dup(6)(p21.3)

AMILAZA dup(1)(p21)

AMILAZA dup(1)(p21)

FCGR3A/FCGR3B del(1)(p23) ili dup(1)(p23

NEUROPSIHIJATRIJSKE BOLESTI UDRUŽENE S CNV-om

BOLEST GEN CNV značajkaLOKUS

sindrom DiGeorgesindrom DiGeorgeTBX1+TBX1+ delecija susjednih genadelecija susjednih gena

sindrom Miller-Diekersindrom Miller-DiekerLIS1+LIS1+ delecija susjednih genadelecija susjednih gena

Neurofibromatoza tipa 1

Neurofibromatoza tipa 1 NF1+NF1+ 5-20% mikrodelecija5-20% mikrodelecija

sindrom Prader-Willisindrom Prader-Willi ++++++ delecija susj. gena očeva podrijetla

delecija susj. gena očeva podrijetla

22q11.222q11.2

17p13.317p13.3

17q11.217q11.2

15q11-1315q11-13

sindrom Smith-Magenissindrom Smith-MagenisRAI1+RAI1+ delecija susjednih genadelecija susjednih gena17p11.217p11.2

Alzheimerova bolest rani nastup bolesti

Alzheimerova bolest rani nastup bolesti APPAPP dominantan učinak

genske doze

dominantan učinak genske doze21q2121q21

Bipolarni poremećajBipolarni poremećajGSK3BGSK3B duplikacije > delecijeduplikacije > delecije3q13.33q13.3

sindrom Rettsindrom RettMECP2MECP2 rijetka intragenska

delecija

rijetka intragenskadelecijaXq28Xq28

Parkinsonova bolest Parkinsonova bolest SNCASNCA multialelni učinak

genske doze

multialelni učinak genske doze4q224q22

(Cook & Scherer, Nature, 2008)

(Cook & Scherer, Nature 2008)

AutizamAutizamSHANK3SHANK3 rijetke delecijerijetke delecije22q1322q13

Autism spectrumdosorder

Autism spectrumdosorder NLGN4NLGN4 rijetke delecijerijetke delecijeXp22.33Xp22.33

++++++ del i dup susj.genadel i dup susj.gena16p11.216p11.2

PCDH10¶PCDH10¶ rijetka homozigotnadelecija

rijetka homozigotnadelecija4q28.34q28.3

++++++ rijetke de novo delecijerijetke de novo delecijemultiplimultipli

++++++ majčina duplikacijamajčina duplikacija15q11-1315q11-13

ShizofrenijaShizofrenijaERBB4¶ERBB4¶ rijetka delecijarijetka delecija2q342q34

SLC1A3¶SLC1A3¶ rijetka delecijarijetka delecija5p13.35p13.3

RAPGEF4¶RAPGEF4¶ rijetka delecijarijetka delecija2q31.22q31.2

++++++ multipli rijetki de novoCNV-i

multipli rijetki de novoCNV-imultiplimultipli

++++++ CNV-i koji se ponavljaju

CNV-i koji se ponavljaju

1q21.1 15q11.2 15q13.3

1q21.1 15q11.2 15q13.3

NEUROPSIHIJATRIJSKE BOLESTI UDRUŽENE S CNV-om

SHIZOFRENIJA JE UDRUŽENA S POJAVOM MULTIPLIH, RIJETKIH (<1%) MUTACIJA de novo

de novo mutacije su ključne u

sporadičnim slučajevima shizofrenije

(učestalost bolesti 1%-1.5%)

multiple mutacije na različitim

mjestima u genomu otežavaju

pronalazak varijanti "visokog rizika"

(Xu et al., Nat Genet, 2008; Science, 2008)

SHIZOFRENIJARIJETKI, de novo

CNV-i

890 CNV-a nađeno je samo u jednom slučaju (1,45x više negoli u zdravih osoba,P=5x10-6)

2,465 CNV-a pronađeno je 2-6 puta, (P=5x10-4, >500 kb, 12p11.23; 16p12.2)

duplikacije gena NOTCH1 i PAK7

delecija 2p16.3 (gen NRXN1; 0,19% u bolesnika i 0,04% u zdravih osoba – Kirov et al.,

Schizophr Bull, 2009)

PATOGENEZA SHIZOFRENIJE UKLJUČUJE RIJETKE STRUKTURNE VARIJACIJE DUŽ GENOMA, ALI I NA SPECIFIČNIM LOKUSIMA

hemizigotet na 22q11.2 (najčešća delecija3 Mb, u 0,6-2% SCH bolesnika; sadrži 43 gena: gen

COMT i dr.)

delecija 1q21.1 (područje sadrži 27 poznatih gena izraženih u mozgu; spektar razvojnih abnormalnosti, autizam, teškoće u učenju,

kognitivni deficiti i dr.)

delecija 15q13.3 (>500 kb; gen CHRNA7 i dr.)

RIJETKI, SPECIFIČNI CNV-i

(Redon et al., Nature, 2006; Stefansson et al., Nature, 2008)

Study Type Cases Controls Loci OR CommentsWalsh et al. CGH 150 268 general prevalance of rare

structural variant higher in SCZXu et al. SNPchip 359 (trios) 159 – – higher impact of de novo CNV

is higher in SCZStone et al. SNPchip 479 2,937 22q11.22 1.6 the CNV burden is higher in

15q13.3 17.9 SCZ (number of CNVs in an ID1q21. 16.6 + number of genes in a CNV)

Stefansson et al. SNPchip 1,433 3,325 1q21.1 14.8315q11.2 2.7315q13.31 1.54

McCarthy et al. SNPchip 4,551 6,391 16p11.2 14.5 not a genome-wide study

Ingason et al. SNPchip 4,345 35,079 16p13.1 1.65–3.27 not a genome-wide study

Mulle et al. SNPchip 245 490 3q29 17

SAŽETAK GENOME-WIDE CNV STUDIJA SHIZOFRENIJE (1995-2010)

nove tehnologije

CNV lokusi sadrže gene sinapse(Girard et al., Current Opinion in Genetics & Development, 2011)

(Basset et al. Am J Psychiatry, 2010; Owen et al., Arch Gen Psychiatry, 2010)

SHIZOFRENIJA - TIP 1 FENOTIPSKE EKSPRESIJE

Schizophrenia and autism: two sides of the same coin?

preklapanje između shizofrenije i drugih bolesti s obzirom na SNP i CNV nema preklapanja između shizofrenije i bipolarnog poremećaja

(Grozeva et al., Arch Gen Psychiatry, 2010)

KLASIFIKACIJA I DIJAGNOZA PSIHIJATRIJSKIH BOLESTI???

RIJETKE, DE NOVO TOČKASTE MUTACIJE U >400 GENA SINAPSE U SHIZOFRENIJI I AUTIZMU

CILJANO (RE)SEKVENCIRANJE GENA KANDIDATA (Piton et al., Mol Psychiatry, 2010;Gauthier et al., Proc Natl Acad Sci USA, 2010; Awadalla et al., Am J Hum Genet, 2010)

prijevremeni STOP kodoni i mutacije promašenog smisla u genima sinapse:

SHANK3MAOB

142 bolesnika s autizmom

143 bolesnika sa shizofrenijom

...početak je nove ere u kojoj ćemo pronaći izgubljenu nasljednost shizofrenije...

Hvala na pažnji!

(Girard et al., Genetics & Development 2011)