Genetyka molekularna schizofrenii i zaburzeń afektywnych czy już zastosowanie kliniczne?

Transkrypt

1 Genetyka molekularna schizofrenii i zaburzeń afektywnych czy już zastosowanie kliniczne? Joanna Hauser, Zakład Genetyki w Psychiatrii Listopad 2015

2 Znaczenie badań genetycznych Diagnoza zaburzeń psychicznych- genetyczne markery? Patofizjologia zaburzeń psychicznych Farmakoterapia

3 Dziedziczenie jednogenowe Jeden gen fenotyp (ch.huntingtona) Dziedziczenie złożone Geny i czynniki środowiskowe fenotyp (nadciśnienie, cukrzyca )

4 populacja ogólna kuzynostwo 1 stopnia wujowie/ciotki % Wspólne geny 1 siostrzeńcy wnuki przyrodnie rodzeństwo rodzice rodzeństwo dzieci bliźniak DZ bliźniak MZ populacja ogólna 12,5% krewni III stopnia 25% krewni II stopnia 50% krewni I stopnia 100% pokrewieństwa Badania rodzin- ryzyko zachorowania na schizofrenię w zależności od stopnia pokrewieństwa z osobą chorą (Gottesman 1991) Odziedziczalność H (0-100) : SCH %; CHAD-60-85%

5 Badania molekularne

6 Badania asocjacyjne całego genomu (GWAS) 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

7 SCH - meta analiza GWAS - istotne statystycznie gen pacjenci/kontrola OR MIR137 (microrna) mirna - reguluje ekspresje genów CACNA1, TCF4- regulator neurogenezy - rozwój aksonów, dendrytów, synaptygeneza - ekspresja kora, hipokamp) CACNA1C, CACNB2 (calcium chanel, voltage dependent, L type 1C subunit) kanał wapniowy (padaczka, migrena) ZNF804 (zinc finger protein) - regulacja transkrypcji wielu genów układu dopaminergicznego; połączenia neuronalne :hipokamp/pc (MRI) MHC region (6p) (major histocompaptibility complex) - geny u. immunologicznego (BTN3A2, PRSS16, HIST1H2AH) ANK3 (ankyrin 3 protein kinase) - rozwój OUN, wpływ na przekaźnictwo dopaminergiczne AMBRA1 (autophagy/beclin-1 regulator 1) - zaburzenia proliferacji komórek, apoptoza, znaczenie w embriogenezie / / / / / / NRGN (neurogranin -post synaptic protein) - wpływ na wrażliwość synapsy / TCF4 (cz.transkrypcyjny 4) - neurogeneza w okresie płodowym (upośledzenie umysłowe) / Allel ryzyka nieznacznie zwiększa ryzyko choroby OR !!!!!! GWAS- procent wariancji wyjaśniającej zmienność fenotypu 23% Sullivan Schizophrenia Genetic Consortium, 2012

8 SCH n= 34,241 ; Kontrola n= 45,604 ( pochodzenie europejskie, azjatyckie); trios - chory i rodzice - PGC GWAS; decode n=1.513/ (pochodzenie europejskie) Ogółem: SCH kontrola ; MAF>0.01

9 108 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

10 4 387/ /9520 CHAD - GWAS - istotne statystycznie n gen autor ANK3 (ankyrin3, node Ranvier - membrane protein ) - aktywacja, proliferacja domen membran, kanały sodowe, potasowe, zab.funkcji poznawczych CACNAC1 (calcium chanel ) - kanał wapniowy ( L-type voltage calcium channel) Ferreira, 2008 PGC-BP / 2 oo8 TSPAN8 (tetraspanin 8) - procesy wewnątrzkomórkowe) Sklar, /8187 TRANK1 (mechanizm działania kwasu walproinowego) Chen /2 008 MYO5B (myosin) - receptor glutaminergiczny (n=1461/2008) Sklar, /3 613 NCAN (neurocan) - adhezja i migracja komórek 9 250/ ODZ 4 przekazywanie sygnału w synapsie, rozwój neuronów, mielinizacja aksonów / 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) rs MIR2113 i czynnik transkrypcyjny-pou3f2( rozwój neocortex model zwierzęcy ( Kwan 2012) MooDS ;Cichon, 2011 (polska populacja) GWAS-Consortium, 2012 Muhleisen,2015 (populacja polska) 40 % fenotypowej zmienności CHAD wyjaśnia kumulacyjny efekt wielu częstych alleli o niewielkim efekcie działania (OR<1.2) (Lee, 2011)

11 Heterogenność genetyczna/kliniczna Obraz i przebieg kliniczny choroby Fenotypy pośrednie (zaburzenia funkcji poznawczych, neurofizjologiczne..)

12 CHAD n=514, MDD n=193, Kon n=723 ; 8 SNP, haplotypy Asocjacja trzy SNP : rs 6191 (stabilizacja mrna), 6198 (zab.hamowania deksametazonem), (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

13 N=516; 42 polimorfizmy genów: CLOCK, ARNTL, TIMELESS,PER3 funkcjonalność, opisana asocjacja, tag SNP Haploview V.42 Wymiary: depresja, zab.apetytu, zab.snu, pobudzenie, psychotyczne, funkcjonowanie społeczne (OPCRIT) ARNTL depresja ARNTL- zaburzenia apetytu ; Interakcja : ARNTL i CLOCK zaburzenia snu (geny CLOCK - GWAS Le Niculescu 2009)

14 Neuroobrazowanie + geny neuroimaging genetics (Weinberger 2010) Genotyp - system neuronalny - zachowanie (emocje, procesy poznawcze ); poziom aktywacji struktur mózgu - (test psychologiczny) w zależności od genotypu - znaczenie genu w neurobiologii zaburzeń psychicznych Mocniejszy związek genu z fenotypem funkcji mózgu niż kategorią diagnostyczną

15 CACNA1C rs 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)

16 Allel ryzyka rs 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 (niewydoloność PC) - testy kognitywne Plejotropowy efekt genotypu ryzyka - różne systemy neuronalne różne fenotypy (Arch Gen Psychiatry, 2010), replikacja w CHAD - aktywacja lewe ciało migdałowate (Tesli, 2013)

17 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

18 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

19 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)

20 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 LY (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

21 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

22 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)

23 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)

24 CNV wiele fenotypów Gershon, Rodrigues 2013 CNV wiele zaburzeń neurorozwojowych 11 CNV związane z SCH i innymi zaburzeniami neurorozwojowymi CNVs- (small ins/del kilku nukleotydów) często de novo związek z zab.poznawczymi Nosiciele CNV ryzyko zaburzeń funkcji poznawczych nawet w grupie osób zdrowych ( Stefansson 2014) u osób chorych na SCH - zaburzenia funkcji poznawczych częściej gdy CNV (Kirov, 2015)

25 Rzadko występujące CNV- znaczenie kliniczne wskazane CNV występują bardzo rzadko <1% populacji CNV locus typ CHAD (ryzyko%) SCH (ryzyko%) 1q21 delecja q29 delecja q11 delecja p11 duplikacja p12 delecja q11 delecja 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)

26 Sekwencjonowanie nowej generacji Sekwencjonowanie ekzomów - obecnie 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 SCHgorsze 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)

27 Interakcja gen/środowisko (GxE) Interakcja GxE w patogenzie choroby = jeden lub wiele wariantów genów (G) x jeden lub wiele czynników środowiskowych (E)

28 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)

29 Interakcja genotypu 5HTTLPR (s/s, s/l, ll ) czynnik środowiskowy (Caspi, 2003) Przemoc w dzieciństwie Wydarzenie stresujące 1.5 roku Ryzyko depresji u osób w wieku 26 lat wzrasta u osób doświadczających przemocy w okresie dzieciństwa szczególnie u osób z genotypem s/s Ryzyko depresji wzrasta wraz z liczbą wydarzeń stresujących szczególnie u osób z genotypem s/s

30 5HTTLPR - heterogenność depresji 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)

31 Interakcja gen x środowisko gen środowisko skutek Ref. BDNF (Val/Met allel ryzyka Met) CRHR1 (oś stresu) COMT (allel Metprotekcyjnie) ATK1 (kinaza związana z receptorami kanabinoidowymi, rs C/C ) GRIN2B (rs , rs ) CTNNA3 (koduje cadherin, związana z kardiomiopatią) Stresujące zdarzenia Przemoc w dzieciństwie Kanabinole kanabinole Herpes simplex virus /2 in utero Cytomegalovirus in utero depresja Psychoza Psychoza Psychoza/schizofrenia Psychoza/schizofrenia Kim i wsp.2006 Bradley i wsp Caspi i wsp.2005 Van Vinkel i wsp.2013 Demontis i wsp Borglum i wsp.2013 Mało badań, nie replikowane, metodologia zróżnicowana Dalsze badania- duża populacja, dokładny opis np. kanabinoli ( kiedy, czas itp.)

32 5HTTLPR genotyp ll/ls vs ss 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)

33 Testy genetyczne zwykle zamawiane bezpośrednio przez pacjenta (internet) więcej szkody niż korzyści

34 SSRI- procent wariancji 5HTTLPR = 2.8% (Serretti i wsp. 2008)

35 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)

36 Kliniczne /praktyczne implikacje? Nie ma podstaw naukowych do stosowania genetycznych testów diagnostycznych w zaburzeniach psychicznych Potencjalne zagrożenia związane z przedwczesnym stosowaniem testów w praktyce klinicznej (zaniechanie farmakoterapii, zmiana planów życiowych) Komercyjne stosowanie testów genetycznych rzetelnie uzasadnione badaniami naukowymi (Genetic Testing for Psychiatric Disorders : A Statement by the Board of Directors of the ISPG) Badania genetyczne znaczenie w poznaniu neurobiologii zab. psychicznych

37 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

38 Dalsze badania Badania duże populacje tys chorych na SCH (PGC) Sekwencjonowanie nowej generacji 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

39 Podsumowanie model badań gen (natura) x środowisko (kultura)

40 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.

41

42 Analiza baz danych i publikacji (SCH n= kont ) 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)