VARIJABILNOST GENOMA ČOVJEKA U ZDRAVLJU I NEUROPSIHIJATRIJSKIM

BOLESTIMA

Alena Buretić-Tomljanović Draško 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 nekodirajućim segmentima 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

fizički i

kemijski

čimbenici

okoline

nasljedna tvar

NASLJEDNOST SHIZOFRENIJE: 73-90%

ŠTO ČINI NAŠE NASLJEĐE?

KAKO SE OSTVARUJE MEĐUDJELOVANJE NASLJEĐA I ČIMBENIKA OKOLINE?

PROJEKT HUMANI GENOM 2003.

Single Nucleotide Polymorphisms - izvor varijabilnosti u genomu

do nedavno smo vjerovali da smo 99.9% genetički slični,

te da su monozigotni blizanci genetički identični

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

Copy Number Variation – veći izvor varijabilnosti u genomu

duplikacija gena 1

delecija gena 2 i 3

do nedavno se smatralo da u genomu postoje

dvije kopije svakog pojedinog gena

CNV su posljedice strukturnih promjena u genomu

a prisutni su u stanju zdravlja i bolesti

CNV uključuju: DELECIJE i

DUPLIKACIJE segmenata genoma

CNV mijenjaju gensku dozu

HUMANI GENOM U BROJKAMA

23 kromosoma u haploidnom setu

(3 x 109 nukleotida)

1,5% genoma ima ulogu kodiranja proteina

veći dio čini nekodirajuća DNA (98,5% )

60-70% genoma se prepisuje (transkriptom),

samo se mali dio (2%) “prevodi” u proteine

ukupno 98% transkriptoma nema ulogu kodiranja proteina

27-30% transkriptoma čine nekodirajući intronski sljedovi

PROMOTOR TERMINACIJAEGZON 1 EGZON 2 EGZON 3 EGZON 4INTRON INTRON INTRON

GEN

KODIRAJUĆI DIJELOVI GENA

EGZONI (1,5%)

...ili sadrži funkcionalne sljedove?

NEKODIRAJUĆA DNA – “JUNK” ??

ŠTO ČINI NAJVEĆI DIO TRANSKRIPTOMA?

NEKODIRAJUĆA DNA (ncDNA): polimorfna i dinamična -pokretač evolucijskih promjena

INTRONI (25-30% genoma)

INTERGENSKA PODRUČJA

POKRETNI GENETIČKI ELEMENTI (transpozoni, <40% genoma)

PSEUDOGENI...

ncDNA sadrži na tisuće regulacijskih sljedova koji mogu gene “uključiti” ili “isključiti”

različitoj evoluciji čovjekolikih majmuna i čovjeka pridonijele su promjene u genskoj ekspresiji u većoj mjeri negoli promjene u primarnom slijedu nukleotida

aktivnost ncDNA ovisi o epigenetičkim modifikacijama – ncDNA je potencijalno mjesto interakcije genoma s čimbenicima okoline

GENI BEZ ULOGE KODIRANJA PROTEINA KODIRAJU MALE REGULACIJSKE RNA MOLEKULE: ncRNA

engl. noncoding RNAs: miRNA, siRNA, snoRNA, snRNA, antisense RNA...

utišavanje gena (RNA interferencija); heterokromatinizacija, utišavanje transpozona,

regulacija genske ekspresije tijekom normalnih fizioloških procesa i razvoja organizma

regulacija proliferacije somatskih i embrionalnih matičnih stanica

asimetrična ekspresije gena na lijevoj i desnoj strani tijela, morfogeneza mozga

diferencijaciji neurona, inaktivacija X-kromosoma, aktivnost steroidnih receptora...

humani kromosom

del 22q11.2

(sadrži gen DGCR8 za RNazu III)

mišji kromosom

16q

poremećaj procesiranja miRNA

kognitivni deficiti i poremećaji ponašanja

Izvor: Columbia University Medical Center (2008, May 13). Digging

Deeper Into The Genetics Of Schizophrenia By Evaluating

microRNAs.

VELO-KARDIO-FACIJALNI SINDROMili

SINDROM DiGEORGE –uobičajeni genetički defekt nakon sindroma

Down(delecija 1,5 – 3 Mb)

ncRNA čine složenu mrežu molekula:(na post-transkripcijskoj razini reguliraju ekspresiju gena s ulogom

kodiranja proteina; neke miRNA reguliraju veći broj mRNA molekula, ili više miRNA“radi” na jednoj mRNA molekuli)

ncRNA mreža molekula specifična je za pojedine stanice i tkiva:(moguće određuju čitav niz složenih osobina svake osobe, kao i podložnost nastaku bolesti, uključujući neurološke i maligne bolesti)

ncRNA imaju bitnu ulogu u evoluciji čovjeka te razvoju i funkciji njegova kompleksnog živčanog sustava: (u mozgu je izražena većina gena koju posjedujemo u svom genomu)

RASPODJELA I UČESTALOST CNV-a U GENOMU ČOVJEKA

obuhvaćaju oko 20% svakoga kromosoma

rašireni su po cijelome genomu

mogu se naslijediti ili nastati de novo

njihov položaj nije slučajan (segmentne duplikacije - evolucija

novih gena i genskih varijanata)

nastaju učestalošću 10-4

(učestalost supstitucije nukleotida je 10-8)

Broj kopija gena AMY1 – amilaza(utjecaj okolišnih čimbenika)

čovjek

čimpanza

čovjek

10 kopija

4 kopije

3 kopije

3 kopije

1 kopija

1 kopija

Izvor: Nat Genet 2007; 39:1256-60

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, imuni 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 trisomija kromosoma 21

SINDROM DOWN trisomija kromosoma 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 DiGEORGE del (22)(p11.2)

SINDROM WILLIAMS-BEUREN

del (7)(p11.23)

NEUROPATIJA CHARCOT- MARIE-

TOOTH 1A dup(17)(p12)

Izvor: Wain LW et al. Lancet 2009; published online

STRUKTURNE VARIJACIJE UDRUŽENE

S NORMALNIM FENOTIPOM

*mogući klinički učinci

STRUKTURNE VARIJACIJE UDRUŽENE

S PODLOŽNOŠĆU PREMA BOLESTIMA

CCL3L1/CCL4L1

dup(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

BOLEST GEN CNV značajkaLOKUS

NEUROPSIHIJATRIJSKE BOLESTI UDRUŽENE S CNV-om

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 intragenska delecijaXq28Xq28

Parkinsonova bolest Parkinsonova bolest SNCASNCA multialelni učinak

genske doze

multialelni učinak genske doze4q224q22

Izvor: Cook & Scherer, Nature 2008; 455:919-23

AutizamAutizamSHANK3SHANK3 rijetke delecijerijetke delecije22q1322q13

NEUROPSIHIJATRIJSKE BOLESTI UDRUŽENE S CNV-om

Autism spectrum dosorder

Autism spectrum dosorder NLGN4NLGN4 rijetke delecijerijetke delecijeXp22.33Xp22.33

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

PCDH10¶PCDH10¶ rijetka homozigotna delecija

rijetka homozigotna delecija4q28.34q28.3

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

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

ShizofrenijaShizofrenijaERBB4¶ERBB4¶ rijetka delecijarijetka delecija2q342q34

Izvor: Cook & Scherer, Nature 2008; 455:919-23

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

SHIZOFRENIJARIJETKI CNV-i

(de novo slučajevi)

890 CNV-a nađeno je samo u jednom slučaju, tih je 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.,

Schizophrenia Bull 2009, 35:851-4)

PATOGENEZA SHIZOFRENIJE UKLJUČUJE UČINKE RIJETKIH STRUKTURNIH VARIJACIJA DUŽ GENOMA, ALI I NA SPECIFIČNIM LOKUSIMA

hemizigotet na 22q11.2 (najčešća delecija 3 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

nepoznato je da li je taj rizik specifičan za shizofreniju ili predstavlja općenit rizik za pojavu neuropsihijatrijskih bolesti

CNV lokusi sadrže neke proteine sinapse

AKTIVNOST L1 I Alu RETROTRANSPOZONAPOSREDUJE PRI NASTAJANJU STRUKTURNIH PROMJENA U GENOMU ČOVJEKA

Alu sljedovi se nalaze u blizini svih opisanih točaka loma u području 22q11

L1 elementi posreduju pri nastanku strukturnih aberacija genoma INSERCIJAMA de

novo i POST-INSERCIJSKIM PROMJENAMA(delecije, inverzije, translokacije ili duplikacije)

Alu Alu

EVOLUCIJA GENOMA ČOVJEKA

JE U TIJEKU ???

RETROTRANSPOZONI SU SE INTEGRIRALI U SLOŽENU MREŽU REGULACIJE GENSKE EKSPRESIJE

Izvor: Muotri et al., Human Molecular Genetics 2007; 16:R159-R167

L1 elementi – čine 20% genoma, sadrže promotorski slijed; mogu mijenjati uzorak ekspresije gena u čijoj su blizini (promjene

epigenetičkih modifikacija)

Alu sljedovi – čine 13% genoma, reguliraju alternativno prekrajanje, RNA

uređivanje i translaciju (post-transkripcijska kontrola genske ekspresije)

850 000 kopija

1.500 000 kopija

LINE – Long INterspersed Elements

SINE - Short INterspersed Elements

Izvor: Muotri et al., Human Molecular Genetics 2007; 16:R159-R167

de novo insercija transpozona u primordijalnoj germinativnoj stanici se

prenosi na slijedeće generacije

RETROTRANSPOZICIJA SE DOGAĐA TIJEKOM GAMETOGENEZE, RANIH STUPNJEVA EMBRIONALNOG RAZVOJA, I U NEURALNIM MATIČNIM STANICAMA

Izvor: Muotri et al., Human Molecular Genetics 2007; 16:R159-R167

de novo insercija transpozona u stanicama germinativne linije prenosi

se na potomstvo

de novo insercija u drugim embrionalnim matičnim stanicama

stanicama rezultira GENETIČKIM MOZAICIZMOM; ne nasljeđuje se

de novo insercija transpozona u primordijalnoj germinativnoj stanici se

prenosi na slijedeće generacije

RETROTRANSPOZICIJA SE DOGAĐA TIJEKOM GAMETOGENEZE, RANIH STUPNJEVA EMBRIONALNOG RAZVOJA, I U NEURALNIM MATIČNIM STANICAMA

Izvor: Muotri et al., Human Molecular Genetics 2007; 16:R159-R167

de novo insercija transpozona u neuralnim matičnim stanicama

rezultira GENETIČKIM MOZAICIZMOM; ne nasljeđuje se

de novo insercija transpozona u primordijalnoj germinativnoj stanici se

prenosi na slijedeće generacije

de novo insercija transpozona u stanicama germinativne linije prenosi

se na potomstvo

de novo insercija u drugim embrionalnim matičnim stanicama

stanicama rezultira GENETIČKIM MOZAICIZMOM; ne nasljeđuje se

RETROTRANSPOZICIJA SE DOGAĐA TIJEKOM GAMETOGENEZE, RANIH STUPNJEVA EMBRIONALNOG RAZVOJA, I U NEURALNIM MATIČNIM STANICAMA

NEURONI SU GENETIČKI MOZAICI S OBZIROM NA SADRŽAJ I RASPODJELU L1 ELEMENATA

UTJECAJ NA PONAŠANJE, INDIVIDUALNU VARIJABILNOST KOGNITIVNIH OSOBINA, OSOBINE LIČNOSTI, I OSTALA SLOŽENA SVOJSTVA

UKLJUČUJUĆI PODLOŽNOST PSIHIJATRIJSKIM BOLESTIMA

MOGUĆNOST SOMATSKOG MOZAICIZMA

Coufal i sur., Nature, 2009 - multipleks PCR-om otkrili povećanje broja kopija L1 elemenata u hipokampusu i drugim dijelovima mozga odraslih

ljudi, u usporedbi s brojem L1 u organima poput srca ili jetre

...de novo TRANSPOZICIJA U MOZGU ČOVJEKA

Muotri i sur., Nature, 2005 – dokazali sposobnost transpozicije L1 elemenata u neuralnim matičnim stanicama – uloga u sazrijevanju matičnih stanica u neurone ili potporne astrocite ili oligodendrocite

aktivnost L1 elemenata pridonosi jedinstvenosti svake osobe

KONSTITUTIVNA ANEUPLOIDIJA JE UOBIČAJENA ZNAČAJKA MOZGA MIŠA I ČOVJEKA

aneuploidni neuroni kore velikog mozga funkcionalno su povezani s

euploidnim neuronima u mozgu miša

X XY

Izvor: Kingsbury et al., PNAS 2005; 102:16143-7

aneuploidija spolnih kromosoma: 0.2%

aneuploidija humanih kromosoma 17 i 21: 4-19% u neuronima i dr.

stanicama mozga

pretpostavlja se da je opseg konstitutivne aneuploidije u mozgu

još i veći (mnogi autosomi nisu ispitani)

FUNKCIJSKA VAŽNOST MOZAICIZMA U MOZGU ZASAD NIJE POZNATA

(značajan učinak na staničnu fiziologiju)

MONOZIGOTNI BLIZANCI NISU GENETIČKI IDENTIČNI

Bruder i sur., 2008. su predočili dokaze o genetičkim razlikama u MZ blizanaca, somatskom mozaicizmu s obzirom

na CNV, koji je, čini se, znatno više uobičajena pojava negoli se to ranije mislilo

različitost se u monozigotnih blizanaca tumačila djelovanjem čimbenika okoline, odnosno, nakupljanjem

epigenetičkih modifikacija (metilacija i dr.)

MZ blizanci vrlo su korisni za otkrivanje kromosomskih područja u kojima se nalaze genetički lokusi povezani sa specifičnim svojstvima ili bolestima

ARHITEKTURA GENOMA JE JEDINSTVENA ZA SVAKOG POJEDINCA

varijacije koje nastaju ulijed dinamike genoma specifične su za pojedinca

svaka zdrava, kao i bolesna osoba posjeduje specifičnu individualnu genomsku arhitekturu (delecije, inverzije, duplikacije...)

neuropsihijatrijske bolesti, za koje se prikuplja sve više dokaza da bi ih mogle uzrokovati brojne submikroskopske strukturne varijacije u

genomu, mogli bismo nazvati GENOMSKIM POREMEĆAJIMA

u živčanim stanicama arhitektura genoma mogla bi biti specifična za svaku pojedinu stanicu (somatski mozaicizam)

DINAMIČNA PRIRODA GENOMA ČOVJEKA

MOŽE OBJASNITI:

interindividualnu raznolikost

interpopulacijske razlike

podložnost mnogim bolestima (uključujući neuropsihijatrijske bolesti )

NAMEĆE BROJNA PITANJA O:

kliničkoj dijagnozi i klasifikaciji neuropsihijatrijskih

bolesti

modelima nasljeđivanja

genetičkom savjetovanju

OMOGUĆIT ĆE:

razvitak novih terapijskih postupaka

napredak u medicini usmjerenoj prema pojedincu