OTİZMDE GENETİK. Joachim Hallmayer, Stanford University School of Medicine

Transkript

1 OTİZMDE GENETİK Joachim Hallmayer, Stanford University School of Medicine

2 Otizm ve Genetik Yanlış İkilemlerin Hikayesi

3 #1 Gen vs. Çevre

4 Buzdolabı Anne

5 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%

6 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

7 CATS Kalıtılabilirlik 37% (95% CI 8% to 84%) Paylaşılmış çevresel faktörler 55% (95% CI 9% to 81%)

8 Otizm - Kalıtım Gaugler et al., Nature Genetics 46, (2014)

9 #2 Otizm vs. Otizm Olmayan

10 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.

11 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

12 Otizm Spektrum Bozukluğu Gelişimde Bozulmalar Sosyal Etkileşim Dil-İletişim Tekrarlayıcı Kısıtlı İlgi

13 Çok etmenli Eşik Modeli

14 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

15 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.

16 #3 Nadir Görülen Ortak Alel AA AA AC Jon McClellan, Mary-Claire King Genetic Heterogeneity in Human Disease Cell, Volume 141, Issue 2, 2010,

17 Otizm ve Bilinen Genetik Hastalıklar Kromozom Büyüklük Sendrom 17p Mb Smith-Magenis sendrom (delesyon) 15q11-q Mb 15q-q13 duplikasyon 22q Mb DiGeorge/Velo-cardiofasial sendrom (delesyon) 22q11.2 duplikasyon sendromu 7q Mb Williams-Beuren sendrom 22q kb-9Mb 22q13 delesyon sendrom

18 İnsan Genomu

19 CNV Büyüklüğü OSB /Kontrol Type Size range CNV (n) P- value Case/control All kb kb mb Deletions kb kb mb Duplications kb kb mb

20 Otizmde Ortak CNVs Lokus Cytoband Combined # of events in cases/controls P-value (cases vs. controls) Frequency in 2120 ASD cases CNV-16p p /2120; 3/ % PTCHD1/PTCHD1AS Xp /1807; 0/ % NRXN1 2p16.3 9/2120; 1/ % CNV-7q q /2120; 0/ % CNV-22q q11.2 4/2120; 1/ % CNV-1q21.1 1q21.1 4/2120; 3/ % CNV-15q q13.3 5/2120; 0/ % CNV-15q11- q13 15q11- q13 2/2120; 0/ % SHANK2 11q13.3 2/2120; 0/ % SHANK3 22q /2120; 0/ % NLGN3 Xq13.1 1/1807; 0/ % NLGN4X Xp22.3 1/1807; %

21 Otizmde Klinik Genetik Test Öneriler Amerikan Pediatrik Akademisi (AAP) n 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 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.

22 De Novo Mutasyonlar - OSB Gen Açık İsmi Gözlenen Beklenen P değeri DYRK1A Dual-specificity tyrosine-(y)-phosphorylation regulated kinase 1A SCN2A Sodium channel, voltage-gated, type II, alpha subunit CHD8 Chromodomain helicase DNA binding protein KATNAL2 Katanin p60 subunit A-like POGZ Pogo transposable element with ZNF domain ARID1B AT rich interactive domain 1B Samocha et al., Nature Genetics, 2014

23 Otizm ve Nadir Görülen Mutasyonlar Gen Bölge İşlev Neuroligin 4 (NLGN4) Xp22.31-p22.32 Neurexin 1 (NRXN1) 2p16.3 SHANK2 11q13.3 SHANK3 22q13.33 CACNA1C 12p13.33 Nöronal adezyon molekülü NLGN için Presinaptik bağlanma yeri Postsinaptik iskele molekülü Postsinaptik iskele molekülü Voltaj Bağlı, L tipi, alfa 1C alt tipi Kalsiyum Kanalı

24 Nadir Görülen Ortak Alel Gaugler et al., Nature Genetics 46, (2014)

25 #4 Tek Gen - Çok Genli d D #4 Single Gene vs. Polygenic d Çoğul (Multiplex) - Tek Gen Tekil (simplex) - Çok Genli d d

26 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

27 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.

28 Otizm Genetiği Karmaşık Kalıtım Çevresel faktörler n Bu aşama sıklıkla bilinmemektedir Yaygın Değişkenler n Bilinen oldukça azdır Nadir Değişkenler n 200 ün üzerinde gen suçlanmaktadır. Yukarıdakilerin tümü arasında etkileşim

29 Otizm Genetiği - Zorluklar

30 #1 Kalıtılan ne - Fenotip? Andreas Chiocchetti izniyle

31 #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.

32 #3 Otizmin Fonksiyonel Haritası Pinto et al., The American Journal of Human Genetics, Volume 94, Issue 5, 2014, , 2014

33 Pinto et al., The American Journal of Human Genetics, Volume 94, Issue 5, 2014, , 2014

34 Otizmin Fonksiyonel Haritası Etkilenmiş genler büyük işlevsel ağlar üzerinde birleşmektedir. Nöronal Gelişim Akson Rehberliği Yolakların İşaretlenmesi Kromatin ve Transkripsiyon Düzenlenmesi

35 #4 Mekanizmalar Kutsal Kase Hayvan Modelleri Uyarılmış Pluripotent Kök Hücreler

36 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

37

38 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?

39 Prensip Kanıtı OSB'nin Sendromik Formları Timoti Sendromu Phelan McDermid Sendromu D22Q11 Delesyon Sendromu

40 Phelan-McDermid Sendromu 22q13.3 delesyon % 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.

41 Phelan K. McDermid H.E The 22q13.3 Deletion Syndrome (Phelan-McDermid Syndrome) Mol Syndromol 2011;2:

42 Özet PMDS fenotipinin kurtarılması PMDS nöronlarındaki hücresel fenotiplerin tanımlanması Control Patient Control Patient PMDS çalışmak için in-vitro platform geliştirmek ipscs Neural progenitors Neurons Co-culture Day 0 Day 10 Day31 Day50 Assa ys

43 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

44 Prensip Kanıtı- PMDS Klinik fenotip üzerine etkisi nedir??????

45 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

46 IPSC ler - Zorluklar Büyük Ölçekli Yoğun iş gücü Deneyim gerektirir Pahalı İstatiksel güç Çalışmak için fenotiplerin seçimi Klinik semptomlarla ilişkisi

47 Teşekkürler: Ricardo Dolmetsch Masayuki Yazawa Thomas Portmann Lessy Shcheglovitova Rui Shu Anna Krawisz Vivian Vu and Grace Lin Vittorio Sebastiano Jon Bernstein Ruth O Harea Wendy Froehlich Renee Reijo-Pera Vittorio Sebastiano Ha Nam Nguyen Maria Fabian Sergiu Pasca Finansman Autism Speaks Phelan-McDermid Syndrome Foundation

48 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