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