OTİZMDE GENETİK Joachim Hallmayer, Stanford University School of Medicine
Otizm ve Genetik Yanlış İkilemlerin Hikayesi
#1 – Gen vs. Çevre
Buzdolab覺 Anne
Otizm – İkiz Çalışmaları
İkizler
66 İkiz – 3 Çalışma Monozigotik ikizlerde konkordans~ 66% Dizigotik ikizlerin hiçbirinde genetik benzerlik yoktu. Konkordansın, kardeşler arasındaki orana benzer olduğu varsayılır ~ 2-3%
Kalıtılabilirlik > 90%
Otizmde İkiz Çalışmaları ¨
“Karmaşık davranışlar göz önüne alındığında, genlerin yüksek oranda katkısı, kural dışı bir durumdur. Muhtemelen bunun nedeni, nisbeten az sayıda genin otizmden sorumlu olması ve diğer davranışların birçok genin etkisiyle oluşabilmesidir.” Michael Dougherty, ASHG
CATS
¨
Kalıtılabilirlik ¤
¨
37% (95% CI 8% to 84%)
Paylaşılmış çevresel faktörler ¤ 55%
(95% CI 9% to 81%)
Otizm - Kalıtım
Gaugler et al., Nature Genetics 46, 881–885 (2014)
#2 – Otizm vs. Otizm Olmayan
Kanner, 1949 ¨
¨
“Çoğu otistik çocukların ebeveynlerinde, kanıtlanmış yüksek zeka seviyesiyle birlikte ortak özelliklerinin olduğu göz ardı edilemez.” Kanner, ‘insan ilişkilerinin mekanikleşmesi’ ifadesinin tanımını yapar. Ebeveynlerin çoğu, insanların yanında rahat olmadığını net bir şekilde ifade eder. Hoşsohbet konuşması olanlar, bunu sıradan lafları kullanmadıklarını açıklayarak nitelendirme eğilimindedir. Bütün insanlar arasında, hafifliği çağrıştıran şeylerin küçümsenmesinden, ağırbaşlılıktan etkilenen ince ve olgun kişilerdir.
Geniş Fenotip Otistik çocukların akrabaları ¤ Geniş Otizm Fenotipi n Sosyal
beceriksizlik ve arkadaşlık kurma sorunları n Sosyal gafları anlama sorunları n Rutinlere sıkı sıkıya uyma n Takıntılı davranışlar ¤ Biliş n Akrabalarda
da bilişsel bozukluk n Düşük empati kurma becerisi
Otizm Spektrum Bozukluğu
Gelişimde Bozulmalar
Sosyal Etkileşim
Dil-İletişim
Tekrarlayıcı Kısıtlı İlgi
Çok etmenli Eşik Modeli
Kantitatif Özellik Açısından Otizm ¨
OSB, becerilerin normal dağılımının en uç kısmında yer alır. ¤ Sosyal
uyum
¤ İletişim ¤ Tekrarlayıcı ¨
Davranış
Bu özellikleri değerlendirmek için birçok ölçek geliştirilmiştir. Sosyal Cevaplılık Ölçeği ¤ Çocukluk Dönemi Otizm Spektrum Testi ¤
Sonuçlar ¨
¨
¨
¨
Genel popülasyonda ebeveynden alınan otistik özellikler, orta derece ile yüksek derece arasında kalıtsaldır. Kalıtsal genetik risk, eşik altı otistik özellikler ve klinik OSB fenotipi ile ilişkilidir. Sonuçlar, normal ve patolojik değişiklikler arasındaki net sınırı sorgular. Veriler, kantitatif özellik lokus teorisi ile uyumludur; ¤ ¤
Küçük etki büyüklüğünde çoğu gen, tüm fenotipik varyasyonu etkiler. OSB ‘na neden olan genetik etki, aynı zamanda otistik özellikleri oluşturabilir.
#3 – Nadir Görülen Ortak Alel
AA
AA
AC
Jon McClellan , Mary-Claire King Genetic Heterogeneity in Human Disease Cell, Volume 141, Issue 2, 2010, 210 - 217
Otizm ve Bilinen Genetik Hastal脹klar Kromozom
B端y端kl端k
Sendrom
17p11.2
3.7 Mb
Smith-Magenis sendrom (delesyon)
15q11-q13
4.6-5.6 Mb
15q-q13 duplikasyon
22q11.2
1.5-3 Mb
DiGeorge/Velo-cardiofasial sendrom (delesyon) 22q11.2 duplikasyon sendromu
7q11.23
1.55Mb
Williams-Beuren sendrom
22q13.3
100kb-9Mb
22q13 delesyon sendrom
İnsan Genomu
CNV Büyüklüğü – OSB /Kontrol Type All Deletions Duplications
Size range 30 – 500 kb ≥ 500 kb ≥ 1 mb 30 – 500 kb ≥ 500 kb ≥ 1 mb 30 – 500 kb ≥ 500 kb ≥ 1 mb
CNV (n) 10055 595 192 5329 165 60 4726 430 132
P-‐ value Case/control 0.04784 1.08 0.00004 2.91 0.00002 4.53 0.2589 1.07 0.0008 3.68 0.04918 4.78 0.02818 1.08 0.00034 2.67 0.00052 4.43
Otizmde “Ortak” CNVs Lokus
Cytoband
Combined # of events P-value in cases/controls (cases vs. controls)
Frequency in 2120 ASD cases
CNV-16p11.2
16p11.2
18/2120; 3/2159
0.001
0.80%
PTCHD1/PTCHD1AS
Xp22.11
10/1807; 0/786
0.038
0.50%
NRXN1 CNV-7q11.23 CNV-22q11.2 CNV-1q21.1 CNV-15q13.3 CNV-15q11- q13
2p16.3 7q11.23 22q11.2 1q21.1 15q13.3 15q11- q13
9/2120; 1/2159 4/2120; 0/2159 4/2120; 1/2159 4/2120; 3/2159 5/2120; 0/2159 2/2120; 0/2159
0.011 0.06 0.214 0.723 0.03 0.245
0.40% 0.20% 0.20% 0.20% 0.20% 0.10%
SHANK2 SHANK3 NLGN3 NLGN4X
11q13.3 22q13.33 Xq13.1 Xp22.3
2/2120; 0/2159 1/2120; 0/2159 1/1807; 0/786 1/1807; 0786
0.245 0.495 1 1
0.10% 0.05% 0.05% 0.05%
Otizmde Klinik Genetik Test ¨
Öneriler ¤
Amerikan Pediatrik Akademisi (AAP) OSB ve entelektüel yetersizlik vb. risk faktörleri olan olgularda genetik testler medikal değerlendirmenin bir parçası olmalıdır. n Sitogenetik analiz (karyotip), kromozomal mikroarray (CMA), and Fragile X testi; AAP ve diğer profesyonel örgütlerin önerdiği OSB olan bireylerde, genetik test batarya birincil bileşenidir. n
¤
2010 ‘da Amerikan Tıbbi Genetik Koleji’nden yayınlanan klavuzlar da dahil olmak üzere son klavuzlarda, OSB olan bireylerin ilk postnatal değerlendirmesinde birinci basamak test olarak G-bantlı karyotip, kopya sayısı varyantları için yapılan CMA testi ile yer değiştirmiştir.
De Novo Mutasyonlar - OSB Gen
Açık İsmi
Gözlenen
Beklenen
P değeri
DYRK1A
Dual-specificity tyrosine-(Y)-phosphorylation regulated kinase 1A
3
0.0072 6.15 × 10−8
SCN2A
Sodium channel, voltage-gated, type II, alpha subunit
3
0.018 9.20 × 10−7
CHD8
Chromodomain helicase DNA binding protein 8
3
0.022 1.76 × 10−6
KATNAL2
Katanin p60 subunit A-like 2
2
0.0049 1.19 × 10−5
POGZ
Pogo transposable element with ZNF domain
2
0.013 8.93 × 10−5
ARID1B
AT rich interactive domain 1B
2
0.018 1.57 × 10−4
Samocha et al., Nature Genetics, 2014
Otizm ve Nadir Görülen Mutasyonlar Gen
Bölge
Neuroligin 4 (NLGN4) Xp22.31-p22.32 Neurexin 1 (NRXN1)
2p16.3
SHANK2
11q13.3
SHANK3
22q13.33
CACNA1C
12p13.33
İşlev Nöronal adezyon molekülü NLGN için Presinaptik bağlanma yeri Postsinaptik iskele molekülü Postsinaptik iskele molekülü Voltaj Bağlı , L tipi, alfa 1C alt tipi Kalsiyum Kanalı
Nadir Görülen ‘Ortak Alel’
Gaugler et al., Nature Genetics 46, 881–885 (2014)
#4 – Tek Gen - Çok Genli
d D d #4 – Single Gene vs. Polygenic
Çoğul (Multiplex) - Tek Gen
d
d
Tekil (simplex) - Çok Genli
Mutasyonlar, Delesyonlar, Duplikasyonlar ¨
Özgünlük - Otizm 300'den fazla gen ilişkili bulunmuştur. ¤ Yüksek işlevli ve düşük işlevli bireylerde aynı CNV/mutasyon bulunmuştur ¤ Aynı CNV/mutasyon taşıyıcılarda hastalık şiddetinde büyük değişiklikler ¤ CNV/mutasyonlar belirli klinik bir alt tip ile ilişkili değil ¤ CNV/mutasyonlar sıklıkla sağlıklı bireylerde de bulunmaktadır ¤ CNV'ler veya mutasyonların çok azı (eğer varsa) otizme özgündür ¤ Zihinsel Engellilik ve epilepsi ile örtüşmektedir ¤
Tek Gen - Çok Genli Tek bir zararlı olayla hastadaki tüm hastalığı açıklamak olası değildir. ¨ Spontan mutasyonların olduğu çok fazla genin etkilendiği poligenik modele göre risk 5 - 20 kat artma ¨
¤ Genellikle
de novo tek nükleotid mutasyonlar ve CNV'ler hastalığın tamamen sebebi olmaktan ziyade diğer risk faktörleri ile birleştirilmektedir.
¨
Çoğul ve Tekil Otizm arasında fark bulunmamaktadır.
Otizm Genetiği ¨
Karmaşık Kalıtım ¤ Çevresel n Bu
faktörler
aşama sıklıkla bilinmemektedir
¤ Yaygın
Değişkenler
n Bilinen
¤ Nadir
oldukça azdır
Değişkenler
n 200’ün
üzerinde gen suçlanmaktadır.
¤ Yukarıdakilerin
tümü arasında etkileşim
Otizm GenetiÄ&#x;i - Zorluklar
#1 Kal覺t覺lan ne - Fenotip?
Andreas Chiocchetti izniyle
#2 – Genetik Yapı ¨
Nadir Mutasyonlar ¤ Nadir
birşey bulmak çok sayıda örnek gerektirir ¤ Sorun samanlıkta iğne aramaya benzer ¨
Yaygın Mutasyonlar ¤ Küçük
etkili genleri bulmak bir çok örnek gerektirir. ¤ İskoçlar mı daha uzun İngilizler mi? ¨
Çözüm: Büyük gruplarda Tüm Genom Sıralamadır.
#3 Otizmin Fonksiyonel HaritasÄą
Pinto et al., The American Journal of Human Genetics, Volume 94, Issue 5, 2014, 677 – 694, 2014
Pinto et al., The American Journal of Human Genetics, Volume 94, Issue 5, 2014, 677 – 694, 2014
Otizmin Fonksiyonel Haritası ¨
Etkilenmiş genler büyük işlevsel ağlar üzerinde birleşmektedir. ¤ Nöronal
Gelişim ¤ Akson Rehberliği ¤ Yolakların İşaretlenmesi ¤ Kromatin ve Transkripsiyon Düzenlenmesi
#4 Mekanizmalar – Kutsal Kase
¨
Hayvan Modelleri
¨
Uyarılmış Pluripotent Kök Hücreler
Nörogelişimsel Bozukluklarla Çalışma ¨
Hayvanlar ¤ İnsanlar
ve hayvanlarda belirtiler farklıdır ¤ Nöronlar insan nöronlarını temsil etmez ¤ Genetik arka plan farklıdır ¨
Ölüm sonrası dokular ¤ Hastalığın
başlangıcı ölümden onlarca yıl öncedir. ¤ Ölüm nedeni ¤ Hücresel fizyoloji çalışmaları için kısıtlı kullanım ¨
Periferik dokular ¤ Hedef
doku değildir
Uyarılmış Pluripotent Kök Hücreler
Hastalığa yol açan mekanizma cilt hücrelerinden türetilen nöronların fonksiyonel özelliklerinde yansıtılmaktadır. ¨ Ana Soru ¤ Bir
hücresel fenotip var mı? ¤ Hücresel fenotip kümeleri var mı? ¤ Hücresel fenotipler geri fenotiple bağlantılı olabilir mi? ¤ Hücresel fenotipte uyarılma ile değişiklikler fenotipte değişiklikler ile sonuçlanır mı?
Prensip Kanıtı– OSB'nin Sendromik Formları
¤ Timoti
Sendromu
¤ Phelan
McDermid Sendromu
¤ D22Q11
Delesyon Sendromu
Phelan-McDermid Sendromu ¨
22q13.3 delesyon ¤ %80–85
22. kromozun de novo delesyonu ¤ Delesyonların %70’i paternal ¤ Olguların %15–20’i 22. kromozomu içeren dengesiz kromozom yeniden düzenlemesi, n %50'si
dengeli taşıyıcı ebeveyninden miras kalır n Yeniden düzenlemenin anne veya babadan kalıtımsal olarak eşit olması olasıdır. ¨
100 gene kadar silinmiştir.
Phelan K. ·∙ McDermid H.E The 22q13.3 Deletion Syndrome (Phelan-McDermid Syndrome) Mol Syndromol 2011;2:186–201
Özet PMDS fenotipinin kurtarılması Control Patient
Control Patient
PMDS nöronlarındaki hücresel fenotiplerin tanımlanması
PMDS çalışmak için in-vitro platform geliştirmek
iPSCs
Neural progenitors
Neurons
Co-culture
Assa ys
Day 0
Day 10
Day31
Day50
Prensip Kanıtı- PMDS ¨
¨
¨ ¨
¨
PMDS nöronları uyarıcı sinaptik iletimde büyük yetersizliklere sahiptir, ancak bu eksiklikler inhibitör sinaptik uyarımda yoktur Uyarıcı sinaptik yetersizlikler uyarıcı sinapsların sayısında azalma sonucunda ortaya çıkar PMDS nöronları Shank3'ü azalmış düzeylerde eksprese ederler PMDS nöronlarında Shank3'ün fazla ekspresyonu tamamen AMPA'yı düzeltir, ancak sinaptik iletimle düzenlenen NMDA reseptörlerini düzenlemez IGF1 tedavisi PMDS nöronlarındaki sinaptik eksiklikleri düzeltir
Prensip Kanıtı- PMDS
¨
Klinik fenotip üzerine etkisi nedir??????
IPSC ve OSB’nin Sendromik Formları Bozukluğu olan bireylerin nöronlarının sınırsız kaynağı ¨ Bireyin genetik arka planı saklanmıştır ¨ Yeniden özetlenirse hücresel fenotipler fare modelleri ve ölüm sonrası çalışmalardan bilinmektedir ¨ Satır satır değişkenlikler önemlidir ¨ Geliştirme tamamen in vivo tekrarlanamaz ¨
IPSC’ler - Zorluklar ¨
Büyük Ölçekli ¤ Yoğun
iş gücü ¤ Deneyim gerektirir ¤ Pahalı ¤ İstatiksel güç ¤ Çalışmak için fenotiplerin seçimi ¤ Klinik semptomlarla ilişkisi
Teşekkürler:
• Ricardo Dolmetsch • Masayuki Yazawa • Thomas Portmann • Lessy Shcheglovitova • Rui Shu • Anna Krawisz • Vivian Vu and Grace Lin • Vittorio Sebastiano Finansman Autism Speaks
Jon Bernstein Ruth O’Harea Wendy Froehlich Renee Reijo-Pera Vittorio Sebastiano Ha Nam Nguyen Maria Fabian Sergiu Pasca
Phelan-McDermid Syndrome Foundation
AGP • Autism Genetics Cooperative (AGC) • Catalina Betancur (Paris), Joseph Buxbaum (Mt. Sinai), Jim Sutcliffe, Jonathan Haines (Vanderbilt), Veronica Vieland (Columbus), Tom Wassink (Iowa), Joe Piven (UNC), Margaret Pericak-Vance (Miami) • Autism Genetics Resource Exchange (AGRE) • Dan Geschwind, Stan Nelson, Rita Cantor (UCLA) • Can-a-gen • Steve Scherer, Dalila Pinto, Christian Marshall (Toronto/TCAG), Peter Szatmari (McMaster) • Collaborative Programs of Excellence in Autism (CPEA) • Jerry Schellenberg (Penn), Bernie Devlin, Nancy Minshew (Pitt), Hilary Coon, Bill McMahon (Utah), Ed Cook (Chicago) • International Molecular Gentics of Studies of Autism Consortium (IMGSAC) • Jeremy Parr, Anthony Monaco, Anthony Bailey (Oxford), Ed Cook (Chicago), Janine Lamb (Manchester), Elena Maestrini (Italy), Sabine Klauk (Germany) • Ireland: Louise Gallagher, Michael Gill (Trinity College Dublin), Sean Ennis (University College Dublin) • Portugal: Astrid Vincente (Gulbekian) • CHOP: Hakon Hakonarson • Funding: Autism Speaks (USA), Hilibrand Foundation Medical Research Council (UK), Health Research Board (Ireland), NIH (USA), Genome Canada