Genetyka molekularna schizofrenii i zaburzeń afektywnych – czy już

zastosowanie kliniczne?

Joanna Hauser,

Zakład Genetyki w Psychiatrii

Listopad 2015

• Diagnoza zaburzeń psychicznych- genetyczne markery?

• Patofizjologia zaburzeń psychicznych

• Farmakoterapia

Znaczenie badań genetycznych

Dziedziczenie jednogenowe

Jeden gen fenotyp (ch.Huntingtona)

Dziedziczenie złożone

Geny i czynniki środowiskowe fenotyp (nadciśnienie, cukrzyca …)

48

17

13

9

6

6

5

4

2

2

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

bliźniak MZ

bliźniak DZ

dzieci

rodzeństwo

rodzice

przyrodnie rodzeństwo

wnuki

siostrzeńcy

wujowie/ciotki

kuzynostwo 1 stopnia

populacja ogólna

populacja ogólna

12,5% krewni III stopnia

25% krewni II stopnia

50% krewni I stopnia

100% pokrewieństwa

% Wspólne geny

Badania rodzin- ryzyko zachorowania na schizofrenię w zależności od stopnia pokrewieństwa z osobą chorą (Gottesman 1991)

Odziedziczalność H (0-100) : SCH- 50-80%; CHAD-60-85%

Badania molekularne

• Bez hipotez wstępnych – nie „wybieramy” genu

• Badanie asocjacyjne całego genomu- 500 tys-1mln SNP-Affymetrix, Illumina

• Wyniki – istotne gdy p<5x10 -8

• Mikromacierze: SNP „flagowe” w LD z SNP sąsiadującymi (wspólnie dziedziczone) - asocjacja dotyczy regionu na chromosomie a nie konkretnego genu ( loci jednego/wielu genów)

• SNP – obejmują 80% częstych wariantów genów

Badania asocjacyjne całego genomu (GWAS)

gen pacjenci/kontrola OR

MIR137 (microRNA) miRNA - reguluje ekspresje genów CACNA1, TCF4- regulator neurogenezy - rozwój aksonów, dendrytów, synaptygeneza - ekspresja kora, hipokamp)

17.838/33.859 1.12

CACNA1C , CACNB2 (calcium chanel, voltage dependent, L type 1C subunit) – kanał wapniowy (padaczka, migrena)

18.206/42.539 1.09

ZNF804 (zinc finger protein) - regulacja transkrypcji wielu genów układu dopaminergicznego; połączenia neuronalne :hipokamp/PC (MRI)

18.945/38.675 1.10

MHC region (6p) (major histocompaptibility complex) - geny u. immunologicznego(BTN3A2, PRSS16, HIST1H2AH)

18.206/42.539 1.22

ANK3 (ankyrin 3 protein kinase) - rozwój OUN, wpływ na przekaźnictwodopaminergiczne

17.839/33.68 1.15

AMBRA1 (autophagy/beclin-1 regulator 1) - zaburzenia proliferacji komórek, apoptoza, znaczenie w embriogenezie

3.738/7.802 1.25

NRGN (neurogranin -post synaptic protein) - wpływ na wrażliwość synapsy 18.206/42.536 1.12

TCF4 (cz.transkrypcyjny 4) - neurogeneza w okresie płodowym (upośledzenie umysłowe) 18.206/42.537 1.20

SCH - meta analiza GWAS - istotne statystycznie

Allel ryzyka nieznacznie zwiększa ryzyko choroby OR 1.09-1.25 !!!!!! GWAS- procent wariancji wyjaśniającej zmienność fenotypu 23%

Sullivan Schizophrenia Genetic Consortium, 2012

SCH n= 34,241 ; Kontrola n= 45,604 ( pochodzenie europejskie, azjatyckie); 1.235 trios - chory i rodzice - PGC GWAS;deCODE n=1.513/66 236 (pochodzenie europejskie)

Ogółem: SCH- 36.986 kontrola-113.075 ; MAF>0.01

108 loci: 83 „nowe” (75% kodujące białka)Wskazano na loci genów :układ dopaminergiczny- DRD2;układ glutaminergiczny- GRM3, GRIN2A, GRIA1 ; SRR (ko-agonista NMDA); CLCN3 (chlorid channel w synapsie glutaminergicznej hipokampa); neuronalne przekazywanie sygnału - kanały wapniowe- CACNA1C (plastyczność neuronalna, LPP blokują T – type kanały), CACNB2, CACNA11;Funkcja i plastyczność synapsy: NLGN4X ( neuroligins – uwalnianie neuroprzekaźników w synapsach glutaminergicznych); IGSF9B (adhezja molekuł w GABA interneuronach); CTN4 ( adhezja molekuł –plastyczność); MEF2C ( cz.transkrypcyjny – regulator neurogenezy); PTN, PAK6, Kanały : HCN1 ( kanał potasowy); CHRNA3, CHRNA5, CHRNB4 ( receptory nikotynowe)Neurorozwojowe : FXR1 ( mutacja FRMRP – zespól Fragile X syndrome)Immunologia: CD9, CD20 (limfocyty B)Polygenic Risk Score – status „chory” – nie ma zastosowania predykcyjnego

CHAD - GWAS - istotne statystycznien gen autor

4 387/ 6208

ANK3 (ankyrin3, node Ranvier - membrane protein ) - aktywacja, proliferacja domen membran, kanały sodowe, potasowe, zab.funkcjipoznawczych

Ferreira, 2008

7 481/9520CACNAC1 (calcium chanel ) - kanał wapniowy ( L-type voltage calciumchannel)

PGC-BP 2011

1 462/ 2 oo8 TSPAN8 (tetraspanin 8) - procesy wewnątrzkomórkowe) Sklar, 2008

6 658/8187 TRANK1 (mechanizm działania kwasu walproinowego) Chen 2013

1 461/2 008 MYO5B (myosin) - receptor glutaminergiczny (n=1461/2008) Sklar, 2008

8 411/3 613 NCAN (neurocan) - adhezja i migracja komórekMooDS ;Cichon, 2011 (polska populacja)

9 250/42 422ODZ 4– przekazywanie sygnału w synapsie, rozwój neuronów, mielinizacja aksonów

GWAS-Consortium, 2012

9.747 / 14.278 ANK3, ODZ4, TRANK1 dwa nowe loci (ADCY2, MIR2113 i POU3F2) ; ADCY2 – enzym przekaźnictwa cAMP,G-protein coupled receptors- przekażnictwo dopaminy, noradrenalina, serotonina ( dotychczas analizowano receptory monoamin) rs12202969- MIR2113 i czynnik transkrypcyjny-POU3F2( rozwój neocortex – model zwierzęcy ( Kwan 2012)

Muhleisen ,2015 (populacja polska)

40 % fenotypowej zmienności CHAD –wyjaśnia kumulacyjny efekt wielu częstych alleli o niewielkim efekcie działania (OR<1.2) (Lee, 2011)

Heterogenność genetyczna/kliniczna

• Obraz i przebieg kliniczny choroby

• Fenotypy pośrednie (zaburzenia funkcji poznawczych, neurofizjologiczne..)

CHAD n=514, MDD n=193, Kon n=723 ; 8 SNP, haplotypyAsocjacja trzy SNP : rs 6191 (stabilizacja mRNA), 6198 (zab.hamowania deksametazonem), 33388 (intron

SNPtagowy NR3C1)

asocjacja z MDD , te same rs asocjacja CHAD z dominującymi w przebiegu depresjami (haplotypy ns). NR3C1 polimorfizm - depresja i dominacja depresji w przebiegu CHAD

N=516; 42 polimorfizmy genów: CLOCK, ARNTL, TIMELESS,PER3 – funkcjonalność, opisana asocjacja, tag SNP Haploview V.42Wymiary: depresja, zab.apetytu, zab.snu, pobudzenie, psychotyczne, funkcjonowanie społeczne (OPCRIT)

ARNTL – depresjaARNTL- zaburzenia apetytu ;Interakcja : ARNTL i CLOCK – zaburzenia snu

(geny CLOCK - GWAS Le Niculescu 2009)

Neuroobrazowanie + geny „neuroimaging genetics” (Weinberger 2010)

Mocniejszy związek genu z fenotypem „funkcji mózgu” niż kategoriądiagnostyczną

Genotyp - system neuronalny - zachowanie (emocje, procesy poznawcze…);poziom aktywacji struktur mózgu - (test psychologiczny) w zależności od genotypu- znaczenie genu w neurobiologii zaburzeń psychicznych

• CACNA1C – rs1006737 asocjacja DEP, CHAD i SCH (GWAS: Ferreira, 2008; Green, 2009; Wray, 2002)

• Zespół Timothy - mutacja genu( zab. poznawcze, autystyczne, arytmia)

• Gen związany z różnymi kategoriami diagnostycznymi !!!

• CACNA1C - kanał wapniowy - szlaki przekazywania sygnału: kora przedczołowa, hipokamp, ciało migdałowate, układ mezolimbiczny -regulacja emocji i motywacji (Pierce 2006)

Allel ryzyka rs 1006737 DEP, CHAD i SCH (GWAS)

• Osoby zdrowe – fMRI allel ryzyka A (homozygota AA) większa aktywacja - hipokamp -przy negatywnych emocjonalnych wspomnieniach

• Allel ryzyka A (homozygota AA) większa aktywacja - kora przedczołowa (niewydolonośćPC) - testy kognitywne

• Plejotropowy efekt genotypu „ryzyka” - różne systemy neuronalne – różne fenotypy

(Arch Gen Psychiatry, 2010), replikacja w CHAD - aktywacja lewe ciało migdałowate (Tesli, 2013)

• GWAS (SCH i CHAD) allel ryzyka – a wyniki badań MRI (40 prac)• ( ANK3, CACNA1C, MHC, TCF4, NRGN, DGKH, PBRMI, NCAN, ZNF804)

• Struktura:• istota biała: objętość ( CACNA1C, ZNF804), istota szara- objętość (CACNA1C, NRGN, TCF4,

ZNF804),

• Aktywacja struktur mózgu w czasie badania neuropsychologicznego:

• funkcje poznawcze ( pamięć operacyjna) : aktywacja hipokampa i DLPC ( ANK3, CACNA1C, DGKH, NRGN, ZNF804);

• Rozpoznawanie twarzy ( CACNA1C, ZNF804)

• Geny (warianty) : związane z funkcją określonych systemów neuronalnych – co pośrednio związek z zaburzeniami psychicznymi (fenotyp pośredni)

• Wyniki badań niejednoznaczne Fenotyp może być związany z konsekwencją choroby a nie z jej przyczyną

Badania GWAS – potencjalna wskazówka do badań farmakologicznych

• Schizofrenia PGC- GWAS locus DRD2- od dawna znany mechanizm działania LPP

• Pytanie czy inne geny wskazane w GWAS nie są potencjalnymi wskazówkami do farmakoterapii schizofrenii Grover, 2014

GWAS- PGC – lista genów z tego 40 (11%) na liście Drug Bank/update, z tego 20 genów koduje białka związane z mechanizmem już stosowanych leków.

DRD2 – w GWAS OR-1,08 (38 pozycja na liście)

Schizofrenia GWAS- implikacje terapeutyczne

Badania kliniczne - leki dołączone do LPP

• CACNA1C/CACNB1 – Verapamil (antagonista L-type calcium channel) – poprawa objawów

pozytywnych (Price,1987), nieskuteczny (Grebb,1986);

• Nifedipine (antagonista)- poprawa funkcji poznawczych (Schwartz, 1997), nieskuteczny (Suddath,

1991)

• CHRN4- Xanomeline (receptor nikotynowy- agonista) monoterapia – poprawa objawów negatywnych i

pozytywnych (Shekhar, 2008)

• GRIA1 – Piracetam (receptor glutaminergiczny modulator) – poprawa PANSS vs haldol+placebo (de

Bartolomeis 2012)

• GRIN2A – Memantine (NMDA, antagonista) – wyniki sprzeczne (Rezael, 2103 Barkus, 2014)

• GRM3 – LY2140023 (agonista receptora glutaminergicznego ) – wyniki sprzeczne (Kinon, 2011,

Stauffer2013, Adams, 2014)

GWAS- leki – umiarkowany optymizm: genetyczna ‚podstawa’ do dalszych badan ścieżek biologicznych, gen/środowisko- patofizjologia – badania nowych leków

Analiza ścieżek biologicznych- GWAS –schizofrenia

• Analiza ścieżek biologicznych – grupowanie genów- wg ich

funkcjonalnego znaczenia ( pathway analysis) ( bazy danych np. KEGG- )

– ścieżki wskazane a priori

• Szlak genów związanych z DRD2A; GABA, MHC; układ glutaminergiczny

(NMDA-R); geny kompleksu ARC (regulator plastyczności synapsy)

• Kumulacyjny efekt wielu wariantów genów – dysfunkcja biologicznego

systemu np. przekazywanie sygnału w synapsie.. Pojedynczy SNP (ns.),

Istotne statystycznie połączenie SNPs

• SCH - indywidualne różnice - różne SNP powodują tę samą

dysfunkcję biologiczną - heterogenność genetyczna choroby

(Lips, 2012, PGC 2015, Chang 2015,, Docherty, 2015, Kennedy, 2015, Pocklington 2015, McAllister 2014

• Meta analiza GWAS (n=12127 replikacja n=8369)

• szlaki biologiczne - (GO, KEGG) 226 genów (p<0.05)

• przekaźnictwo- glutaminergiczne (GRM7, GRM1, GNG2)- (Riluzole –modulator glutaminergiczny – efekt przeciwdepresyjny Zarate, 2005);

• przekaźnictwo- fosfolipaza C (PLCE1, ITPR2, CREBBP, MEFC2,GNG2)

• (mechanizm działania litu, kwasu walproinowego, karbamazepiny- Wiliams

2002)

• regulacja hormonalna: CRH (GL13, ITPR2, PLCG2,) oś stresu

• cardiac hypertrophy signaling – (PLCE1, PLCG2, CACNA1C, GNG2)

• układ kanałów wapniowych, G-protein second messengers system

• (kanał wapniowy – mechanizm działania lamotriginy (Grunze 1998)

Analiza zmienności liczby kopii fragmentów DNA (CNV)

• Zmienność struktury genetycznej, segmentalne delecje lub duplikacje sekwencji DNA. Genomy ludzi różnią się fragmentami DNA do 2 mln. pz. występują u 2.5% chorych na schizofrenię; 0.5%= 1% kontrola, 0.5-1% CHAD

• Delecja miliona pz chromosom 22 q11 (velocardiofacial syndrome, zespół DiGeorge) ryzyko -schizofrenia (Karayiorgou, 1995)

• de novo/ odziedziczona :

• CNV - regiony regulatorowe, sekwencje kodujące

•

• Ryzyko choroby większe gdy CNV występuje rzadko (OR 2-50)

• (Costain 2013, Georgieva 2014, Rees, 2014, Xu 2011, Former, 2014, Kirov 2015)

CNV – wiele fenotypów

CNV – wiele zaburzeń neurorozwojowych11 CNV związane z SCH i innymi zaburzeniami neurorozwojowymiCNVs- (small ins/del kilku nukleotydów) – często de novo – związek z zab.poznawczymiNosiciele CNV – ryzyko zaburzeń funkcji poznawczych nawet w grupie osób zdrowych ( Stefansson2014) u osób chorych na SCH - zaburzenia funkcji poznawczych częściej gdy CNV (Kirov, 2015)

Gershon , Rodrigues 2013

Rzadko występujące CNV- znaczenie klinicznewskazane CNV występują bardzo rzadko <1% populacji

CNV locus typ CHAD (ryzyko%) SCH (ryzyko%)

1q21 delecja 7.91

3q29 delecja 33.56

15q11 delecja 2.09

16.p11 duplikacja 4.19 9.45

17.p12 delecja 6.60

22.q11 delecja 26.37 68.25

Potencjalne znaczenie w przyszłości - konsultacja rodzinna:

CNV u chorego –jakie jest ryzyko choroby u jego siostry i jej dzieci?

CNV de novo u chorego - brak ryzyka choroby u rodzeństwa chorego

Problemy etyczne- stygmatyzacja rodziny, poczucie winy rodziny – nosiciele „genów”

(Gershon, Alliey-Rodriguez, 2013)

Sekwencjonowanie nowej generacji

• Sekwencjonowanie ekzomów - obecnie 180 000 egzomów - 30 milionów pz ( spośród 3 miliardów pz)

• SCH- n= 623 trios

• de novo mutacje kilku nukleotydów: 637 wariantów (1.03 mutacja/ trios) 155 „ciche”, 482 zmiana aminokwasu „nonsynonymus” – SCH-gorsze wyniki w nauce- przed chorobą zab. funkcji poznawczych, wiek rodziców

• Geny - postsynaptyczne białka synapsy glutaminergicznej kompleks- ARC,

NMDAR- – zaburzenia plastyczności synapsy glutaminergicznej w SCH

(Fromer i wsp. 2104, ARC- replikacja Huentelman 2015)

• CHAD n= 191/107 mutacja genu ZNF259 u 5 chorych a nie u zdrowych (Chen, 2013)

Interakcja gen/środowisko (GxE)

Interakcja GxE w patogenzie choroby = jeden lub wiele wariantów

genów (G) x jeden lub wiele czynników środowiskowych (E)

Stres/ gen transportera serotoniny a ryzyko depresji

• Stresujące wydarzenia życiowe - znaczenie w etiologii depresji: wpływ na początek choroby, nawroty choroby (Brown, 1978; Kendler, 2000)

• Serotoninowa koncepcja depresji- regulacja nastroju, snu, apetytu, aktywności seksualnej, cyklów okołodobowych- geny kandydujące: kodujące receptory serotoninowe, transporter serotoniny

• Gen transporter serotoniny: 5HTTLPR w promotorze genu delecja 44pz allel s – mniejsza aktywność transkrypcyjna vs allel l (Lesch, 1996)

Interakcja genotypu 5HTTLPR (s/s, s/l, ll ) czynnik środowiskowy (Caspi, 2003)

Ryzyko depresji u osób w wieku 26 latwzrasta u osób doświadczającychprzemocy w okresie dzieciństwaszczególnie u osób z genotypem s/s

Przemoc w dzieciństwie Wydarzenie stresujące 1.5 roku

Ryzyko depresji wzrasta wraz z liczbąwydarzeń stresujących szczególnieu osób z genotypem s/s

Depresja występuje u osób z allelm s i allelm l ale:

• Osoby z allelm s

czynniki stresujące zwiększają ryzyko depresji (tzw. depresja reaktywna) ,

depresji nawracającej,

osoby z allelem s - bardziej wrażliwe na wsparcie społeczne - czy szczególnie

u nich wskazana psychoterapia?

Osoby z allelm l

depresja mniej związana ze stresem? (tzw. endogenna)

(Kaufman, 2004; Wilhelm, 2006, Uher i Caspi 2010, negatywne- Lazary 2008)

5HTTLPR - heterogenność depresji

Interakcja gen x środowisko

gen środowisko skutek Ref.

BDNF (Val/Met allelryzyka Met)CRHR1 (oś stresu)

Stresujące zdarzenia

Przemoc w dzieciństwie

depresja Kim i wsp.2006Bradley i wsp. 2007

COMT (allel Met-protekcyjnie)

ATK1 (kinaza związana z receptorami kanabinoidowymi, rs2494732 C/C )

Kanabinole

kanabinole

Psychoza

Psychoza

Caspi i wsp.2005

Van Vinkel i wsp.2013

GRIN2B (rs1805529, rs1806205)CTNNA3 (koduje cadherin, związana z kardiomiopatią)

Herpes simplex virus /2 in uteroCytomegalovirus in utero

Psychoza/schizofrenia

Psychoza/schizofrenia

Demontis i wsp. 2011Borglum i wsp.2013

Mało badań, nie replikowane, metodologia zróżnicowana Dalsze badania- duża populacja, dokładny opis np. „kanabinoli” ( kiedy, czas itp.)

5HTTLPR – stresujace wydarzenia (SLE) + genotyp ss – gorszy wynik terapii escitalopramem, Brak SLE + genotyp – brak efektu Nortryptylina: SLE + genotyp - nie modyfikuje efeku terapii

Interakcja gen/środowisko : znaczenie nie tylko w etiologii depresji ale i w efekcie terapii (pierwsze badanie farmakogenetyczne GXE ) (Mandelli 2009 – FluwoksaminaxSLAxSS)

5HTTLPR – genotyp ll/ls vs ss

Testy genetyczne – zwykle zamawiane

bezpośrednio przez pacjenta (internet)

więcej szkody niż korzyści

SSRI- procent wariancji – 5HTTLPR = 2.8%

(Serretti i wsp. 2008)

Co myślą pacjenci ?

• Pozytywnie nastawieni do genetycznych badań naukowych, nie

mają moralnych wątpliwości, co do ich celowości oraz popierają

badania na zasadzie dobrowolności

• Przyczyna schizofrenii – 40% „tylko geny” (DeLisi 2006)

• Nierealistyczne oczekiwania dotyczące badań genetycznych w

psychiatrii

• Pacjenci przywiązują nadmierną wagę do badań

genetycznych, od testów uzależniali by decyzje życiowe

• (M. Kaczmarkiewicz-Fass - „Opinie na temat badań genetycznych wyrażane przez pacjentów z chorobą afektywną dwubiegunową, ich rodziny i pracowników służby zdrowia „ 750 osób w tym 200 CHAD)

Kliniczne /praktyczne implikacje ?

• Nie ma podstaw naukowych do stosowania genetycznych testówdiagnostycznych w zaburzeniach psychicznych

• Potencjalne zagrożenia związane z przedwczesnym stosowaniemtestów w praktyce klinicznej (zaniechanie farmakoterapii, zmianaplanów życiowych)

• Komercyjne stosowanie testów genetycznych – rzetelnieuzasadnione badaniami naukowymi (Genetic Testing for PsychiatricDisorders : A Statement by the Board of Directors of the ISPG)

• Badania genetyczne – znaczenie w poznaniu neurobiologii zab.psychicznych

Polskie Towarzystwo Genetyki Człowieka

• „Wykonywanie testów genetycznych poza publiczną służbą zdrowia, wprowadzanych na rynek jako forma usługi, która nie podlega żadnej kontroli rodzi zagrożenia :

• Udostępnianie wyników badań pacjentowi bez ich interpretacji i porady genetycznej związane – z „kosztami psychologicznymi, jakie może ponieść pacjent

• Wykorzystanie testów przez towarzystwa ubezpieczeniowe

• Brak zapewnienia wysokich standardów poufności danych genetycznych”

Dalsze badania

• Badania duże populacje - 100.tys chorych na SCH (PGC) Sekwencjonowanie nowej generacji - 180 tys ekzomów - Bipolar

Sequencing Consortium

• Biologiczna interpretacja wyników badań genetycznych (komórka/mózg, modele zwierzęce)

• Fizjologiczne zmiany u chorych i zdrowych z wariantem genu –neuroobrazowanie, testy neuropsychologiczne

• Warianty genów (częste i rzadkie) + obraz kliniczny (wiek początku, objawy) - homogenne j grupy pacjentów –spersonalizowana farmakoterapia

• Interakcja genów, interakcja gen/ środowisko - epigenetyka

Podsumowanie – model badańgen (natura) x środowisko (kultura)

• Zakład Genetyki w Psychiatrii : M.Skibińska, P. Czerski, M. Dmitrzak A. Szczepankiewicz, P.Kapelski,

A.Leszczyńska, J.Pawlak, D. Zaremba, M.Maciukiewicz, J. Hauser

• Klinika Psychiatrii Dorosłych : J. Rybakowski i wsp.

• Klinika Psychiatrii Dzieci i Młodzieży : A. Rajewski, A. Słopień i wsp.

• Pracownia Neuropsychologiczna: J.Jaracz i wsp.

• Katedra Psychiatrii PAM : Jerzy Samochowiec i wsp.

• Katedra Psychiatrii Wrocław : Aleksander Beszłej, Dorota Frydecka

• Instytut Psychologii UAM : Eżbieta Hornowska,

• Instytut Psychiatrii Londyn: Peter McGuffin i wsp.

• Instytut Genetyki Bonn: Marcus Nothen, i wsp

• Instytut Genetyki Manheim – Marcella Rietschel i wsp.

• Analiza baz danych i publikacji (SCH n=11 355 kont-16 416)

• 11 CNV-- geny związane z białkami synapsy- kompleks genów

receptora glutaminergicznego NMDAR, gabaergicznego GABAa ,

neuronal activity-regulated cytoskeleton-associated (ARC)) –

plastyczność synapsy, funkcje poznawcze – model zwierzęcy.

SCH – zaburzenia funkcji poznawczych (Pocklington 2014)