Perimä on DNA:ta. DNA koodaa proteiineja Osa geeneistä on ns. RNA-geenejä. Ihmisen perimä. Periytymisen molekyylitason mekanismit

Transkriptio

1 GEENIT, GEENIEN JA YMPÄRISTÖN YHTEISVAIKUTUKSET JA MIELENTERVEYDEN HÄIRIÖT Periytymisen molekyylitason mekanismit Tiina Paunio Psykiatrian dosentti, erikoislääkäri ja professori HY, K on DNA:ta : 3.2x10 9 bp 23 kromosomiparia (22+X/Y) geeniä Geneettinen variaatio Mutaatiot Rekombinaatio sukusolujen muodostuessa DNA RNA Proteins DNA koodaa proteiineja Osa geeneistä on ns. RNA-geenejä Pituustoistojaksot Yhden emäksen variaatiot (SNP:t) Kopiolukuvariaatiot (CNV:t) Ihmisen perimä N geeniä, jotka koodaavat proteiinia >90%:ssa vaihteleva silmukoituminen (splicing) 2/3:lla vastineita (ortologeja) eri lajeilla 6% genomista toiminnallista 1,5% proteiineja koodaavia geenejä 4,5% konservoituneita ei-koodaavia elementtejä: transposoneja, pieniä ei-proteiineja koodaavia RNA:ita Suurin osa genomia löytyy primääritranskriptinä (RNA:na) hyvin matalina tasoina jossain solutyypeissä Koko perimän sekvensointi 179 yksilöllä koko perimä ns. low coverage - sekvensoinnilla 2 isä-äiti-lapsi -trioa 697 yksilöllä eksomin sekvensointi SNP:iä pieniä insertioita ja deleetioita rakenteellisia variantteja Suurin osa näistä uusia 95% ihmisten variaatioista Jokaisella ihmisellä keskimäärin loss-of-function mutaatiota geeneissään ja perinnöllistä sairautta aiheuttavaa mutaatiota Uusia mutaatioita keskimäärin 10-8 /bp / sukupolvi Tässä 35 ja 49 kpl 1

2 Omiikat Genetiikan uusi aikakausi skitsofrenian molekyyligeneettinen tutkimus DNA RNA Genome Transcriptome N. kolmannes tautialttiudesta aiheutuu tavallisista geenimuodoista Proteins Proteome Kukin lisää riskiä vain vähän Sugars Nucleotides Amino acids Metabolites Lipids (Lipidome) Metabolome Sairastumiseen myötävaikuttaa myös harvinaisemmat ns. korkean riskin geenimuodot Phenotype / Function potilaan ja kontrollin haravointi koko perimän asosiaatioanalyysillä Merkittäviä osumia yhteensä 7 eri alueelle Kaksi (MHC&TCF4) löydetty jo aiemmin. Uusista osumista kirkkain signaali MIR137:ään; myös kohdealueille assosiaatioita -> Uusi ja merkittävä molekyylipolku skitsofrenian taustalla MHC-aluetta lukuun ottamatta yksikään osumista ei kuulu klassiseen psykiatriseen ehdokasgeenikavalkadiin Koko perimän assosiaatioanalyysit osoittavat geneettisiä tekijöitä psykiatristen häriöiden taustalla Aineistokoon kasvaessa löydökset tarkentuvat epidemiologisesti loogista Uusien molekyylipolkujen identifiointi Vaikka löydökset vahvistuvat, edelleen suurin osa skitsofrenian perinnöllisestä komponentista selvittämättä Bipolaarihäiriön GWAS Depression GWAS GWAS: 7461 potilasta, 9250 kontrollia 18/34 variaatiosta replikaatui 4496 potilaalla ja kontrollilla Koko perimän laajuinen näyttö: CACNA1C, ODZ4 Kalsium-kanavapolku Osa signaaleista samoja kuin SZ:ssa: CACNA1C, NEK4-ITIH1-ITIH3-ITIH4 Ensimmäinen aineisto: 9240 tapausta, 9519 kontrollia Replikaatioaineisto: 6783 tapausta, kontrollia Ei perimän laajuisia merkittäviä assosiaatioita Depression geneettinen heterogeenisyys Myös heritabiliteetti matalampi 2

3 Missä periytyvyys piileksii? GWAS-menetelmät eivät kata koko perimän variaatiota Missä periytyvyys piileksii? Sairauksien heterogeenisyys Harvinaiset, väestöspesifit variantit Koko perimän sekvensointi Oiredimensioiden ja endofenotyyppien tutkimus Missä periytyvyys piileksii? Periytymisen mekanismit Geeni-geeni ja geeniympäristö vuorovaikutukset Suora periytyminen määrää piirteen Fysiologiset perusmekanismit Lajityypilliset piirteet Geneettinen variaatio Yksilölliset erot esimerkiksi perustemperamentissa tai silmien värissä Ns. monogeeniset mendeliaaniset sairaudet: geenimutaatio johtaa olosuhteista riippumatta sairauteen Psykiatrisissa sairauksissa tyypillisesti vaikutukseltaan pieniä ja vaikeasti toistettavia Vaikutus voi tosiasiallisesti välittyä yhteisvaikutuksessa joidenkin tiettyjen ympäristöjen kanssa. Periytymisen mekanismit Periytymisen mekanismit Geneettinen korrelaatio rge Geenit vaikuttavat yksilön ulkoiseen maailmaan ja psykososiaaliseen ympäristöön Geneettinen interaktio (GxE) Geneettinen variaatio (alttius) ilmenee tietyissä ympäristöissä Esim. lapsen kasvatusympäristö heijastelee myös vanhempien perimää (passiivinen rge) Yksilön perimä vaikuttaa hänen käyttäytymiseensä, vuorovaikutussuhteisiinsa ja niiden seurannaisvaikutuksiin (evokatiivinen rge ) Temperamenttipiirteet vaikuttavat siihen, minkälaiseen ympäristöön yksilö hakeutuu (aktiivinen rge) Riskiympäristön interaktio aivotoiminnan kannalta keskeisten geenien polymorfismien kanssa Esimerkiksi traumaattinen kasvuympäristö tai ajankohtainen stressi 3

4 Periytymisen mekanismit Kasvatus ja periytymisen mekanismit Geneettinen interaktio (GxE) Geneettinen variaatio (alttius) ilmenee tietyissä ympäristöissä Riskiympäristön interaktio aivotoiminnan kannalta keskeisten geenien polymorfismien kanssa Esimerkiksi traumaattinen kasvuympäristö tai ajankohtainen stressi Adoptiotutkimuksesta näyttöä evokatiivisesta rge:stä: mitä aggressivisempaa adoptiolapsen käytös oli, sitä vähemmän hoivaavaa adoptiovanhempien käytös Kun mittarina omatunnon kehittymistä, lempeä hoiva vaikutti edullisesti vain temperamentiltaan pelokkaisiin lapsiin - selkeä ja luja ote toimi paremmin pelottomien lasten kohdalla -> Lapsen synnynnäisillä temperamenttipiirteillä on merkitystä siinä, millainen vanhemmuus johtaa edulliseen lopputulokseen Geneettiset korrelaatiot ja interaktiot psykiatrian tutkimuksessa Intensiivisen tutkimuksen kohteena Yksittäisten tulosten merkityksen punnitseminen vaikeaa Haasteena poimia ympäristöstä (a) olennaiset tekijät (b) oikeaan ajankohtaan (c) rittävän luotettavasti (d) riittävän suuressa joukossa tutkittavia Yleensä aineistot voimaltaan riittämättömiä Meta-analyysit Vertaisarvioidut psykiatrian GxEtutkimukset (n=103) Riittämättömät aineistokoot Julkaisuharha Lähes kaikki (96%) alkuperäisjulkaisuista positiivisia Vain 27% toistoyrityksistä johtivat merkittävään tulokseen (P=10-11) Aineistoko positiivisissa replikaatioyrityksissä pienempi (mediaani=143) kuin negatiivisissa (n=377) (omana tutkimuksenaan julkaistuna n>1000) Aineiston koon kasvaessa pitäisi voiman parantua ja aidosti positiivisen löydöksen todennäköisemmin replikoitua Molekyylien mutkikas mieli Epigenetiikka uutena säätelymekanismina Epigeneettiset säätelymekanismit 4

5 Epigeneettiset tekijät Epigeneettiset tekijät Varsinaisen DNA:n emäsjärjestyksen ulkopuolisia säätelytekijöitä, jotka vaikuttavat geenien toimintaan Semistabiileja Solujen ja kudosten erilaistuminen ja toiminnan säätely n ja perimän vuorovaikutus DNA-rihmaston laskostumiseen ja aktiivisuuteen liittyvät DNA:n metylaation tai histoniproteiinien modifikaatioiden muutokset Tietyille perimän alueille ja soluille spesifejä, dynaamisia tasapainotiloja Vaikuttavat siihen, kuinka aktiivisesti geenit soluissa luetaan Esimerkiksi promoottorialueen CpG-dinukleotidien sytosiinin metyloituessa geenin ilmentyminen yleensä vähenee Epigeneettiset tekijät Metylaation vaikutus geenin luentaan H3/4 asetylaatio HDAC H3/4 (ei aset) AKTIIVINEN DNA DNMT1 INAKTIIVI DNA M c c c c c c c +1 Geeni ilmenee AKTIIVINEN DNA (eukromatiini) INAKTIIVINEN DNA (heterokromatiini) DNA:n sytosiini Hypometylaatio Metylaatio Histoni H3 Lys4:n metylaatio Lys9:n metylaatio HDAC Corepressor HDAC Corepressor MeCP2 MeCP2 M M M M c c c c c c c +1 Geeni hiljenee Histonit H3 ja H4 Asetylaatio Hypoasetylaatio The new genomic landscape The New Genomic Landscape Epigenetiikka ja varhainen kehitys Ituradan solut käyvät meioosin aikana läpi epigeneettisen uudelleen ohjelmoinnin Hypometylaatio -> metylaatio Toinen kriittinen koko perimän laajuinen demetylaatio tapahtuu fertilisaation jälkeen Osa geeneistä ohjelmoituu eri tavalla munasoluissa ja siittiöissä Imprinting: geenistä ilmentyy vain toinen, äidiltä tai isältä peritty alleelimuoto Esim. 15q11-13:n deleetio isältä perittynä Prader Willin, äidiltä perittynä Angelmanin syndroomaan Klassisesti tällaisia geenejä arveltu olevan satakunta kappaletta Tuoreessa hiiritutkimuksessa > 1000 geeniä, joiden ilmentymistä säätelivät eri aivoalueilla ja kehitysvaiheissa imprintingin liittyvät mekanismit 5

6 Epigenetiikka ja varhainen kehitys Rotilla emon hoiva vaikuttaa poikasen stressinsäätelyärjestelmän kehitykseen epigeneettisten muutosten kautta Hollantilaiskohortissa toisen maailmansodan aikainen nälänhätä raskauden aikana vaikutti jälkeläisten useiden eri geenien metylaatioon sekä lisäsi skitsofreniariskiä Epigenetiikka ja varhainen kehitys Äidin hoivakäytös vaikuttaa jälkeläisen hpa-akseliresponssiin Rottamalli: tylyt ja hoivaavat äidit Tylyjen äitien jälkeläisillä Glukokortikoidireseptorigeeni pysyy metyloituneena ja hiljenee Feedback mekanismi häiriintyy Hyperkortisolismi Hyvän hoivan ansiosta geenin metylaatio purkautuu Geenin ilmeneminen Feedback-mekanismi toimii (Weaver et al, 2004) Transgenerationaalinen periytyminen? Elinympäristö sukusolujen muodostumisen aikana voi myös vaikuttaa perimän epigeneettiseen muokkautumiseen Runsas alkoholin käyttö muutti miehillä siittiöiden metylaatiota (Ouko ym 2009) Pohjoisruotsalainen kohorttitutkimus: isovanhempien ravitsemus lapsuudessa vaikutti lasten lasten myöhempään mortaliteettiin (Kaati ym 2007) Yksilön terveyden kannalta merkitykseltään suhteessa vähäisempiä kuin kehityksen aikana tapahtuvat muutokset Aivojen kehitys adaptiivinen prosessi Aivojen muovautuvuus (plastisiteetti) Aivojen kehitys on monimuotoinen ja pitkä prosessi Sikiöaikana solut jakautuvat ja muodostavat runsaasti synapseja, joista osa vahvistuu, osa karsiutuu kehityksen myötä Aivot ovat muovautuva elin ihminen sopeutuu (adaptoituu) ympäristöönsä Uusia yhteyksiä syntyy jatkuvasti esimerkiksi oppimisen yhteydessä 6

7 Aivojen kehitys adaptiivinen prosessi Aivojen kehitys adaptiivinen prosessi n variaatiot tarjoavat adaptaatioon yksilöllisen vaihtelun ja lajinsisäisen käyttäytymismallien kirjon. P E R I M Ä Lajin säilymisen kannalta riittävän laaja sopeutumisrepertuaari on tärkeää. Tarkoituksenmukainen ei ole kuitenkaan aina hyvinvoinnin tai tulevan terveyden kannalta paras ratkaisu Esimerkiksi varhaislapsuuden traumaattisen kasvuympäristön provosoima käytöshäiriö voi auttaa suojautumaan kasvuympäristön vaaroilta mutta ilmetä myöhemmin joustamattomana ja ympäristön kannalta sopimattomana käytös- ja reaktiomallina. Y M P Ä R I S T Ö Aivojen kehitys adaptiivinen prosessi Epigeneettiset mekanismit ja oppiminen Hippokampuksen soluissa välittömiä oppimiseen liittyvien geenien metylaation muutos heti oppimistapahtuman jälkeen Pitkäkestoisessa oppimisessa vastaavantyyppisiä muutoksia isojen aivojen kuorialueilla vuorokauden kuluttua oppimisesta (Miller ym 2010) Stressiherkillä hiirillä ilmentyi nucleus accumbensissa vähemmän GDNF-kasvutekijää Ero selittyi epigeneettisillä mekanismeilla Hiiret stressille resistentimmäksi, kun niiden nucleus accumbseihin ruiskutettiin GDNF:ää ilmentäviä virusvektoreita tai epigeneettistä säätelymekanismejaan muokattiin Ehdollistunut pelko - oppimistapahtuma Kroonisen unettomuus stressin laukaisema aivojen toiminnan muutos Paunio & Porkka-Heiskanen, Duodecim 2007 Suomen Lääkärilehti 36/2011 vsk 66 7

8 DNA Methylation (% 5mC) Kroonisen unettomuus stressin laukaisema aivojen toiminnan muutos Epigeneettinen adaptaatio työstressiin Työterveyslaitoksen hoitaja-kohortti (n=53) Stressaavasta ja vähän stressaavasta työympäristöstä (Karasekin mallin mukaan) Stressinsäätelyyn liityvän geenin promoottorialueen bisulfiittisekvensointi veren valkosoluista Vireystilaa ylläpitävät hermoradat Alasaari ym, Plos One, in press 44 Epigeneettinen adaptaatio työstressiin DNA:n käsittely bisulfiitilla + sekvensointi Metylaation määritys nukleotidin tarkkuudella Epigeneettinen adaptaatio työstressiin Serotoniinigeenin hypometylaatio korkean stressiympäristön yksilöillä Hypometylaatio: Geenin ekspressio lisääntyy -> Proteiinin määrä lisääntyy -> Serotoniin soluun otto lisääntyy? Methylation of SLC6A4 at five CpG sites High work strain Low work strain CpG1 CpG2 CpG3 CpG4 CpG5 Alasaari ym, Plos One, in press CpG sites 46 Sopeutuva ihminen Geneettiset säätelymekanismit sopeutumisen taustalla Geneettiset säätelymekanismit: Yksilön kehityksen vakauttaminen yksiselitteisellä koodistolla <-> Muokkaaminen muuttuvan ympäristön tarpeita vastaaviksi Jatkuva dynaaminen tasapainotila muutoksen puolesta ja muutosta vastaan Tavat Kulttuuri Yhteisö 8

9 Sopeutuva ihminen Sopeutuva ihminen Stabiloivia tekijöitä n peruskoodi ja lajityypilliset perusominaisuudet Perinteet ja kulttuuri - kulttuurievoluutio Muutospaine n vaihtuvat tilanteet (stressaavat elämäntapahtumat, luonnonmullistukset) Yksilölliset erot perimässä ja kyvyssä adaptoitua ympäristöön: suuri lajinsisäinen muuntautumiskyvyn variaatio n uudelleen järjestäytyminen sukusolujen synnyssä ja ituradan solujen uudet mutaatiot: biologinen maaperä uusille, geneettisen koodin kautta välittyville adaptaatiomalleille Adaptoituminen muuttuviin tilanteisiin on välttämätöntä lajin säilymisen kannalta. Staattiset voimat PERINTEET, KULTTUURI GENEETTINEN KOODI Muuttuvat voimat MUUTTUVA YMPÄRISTÖ EPIGENEETTISET MODIFIKAATIOT UUDET MUTAATIOT Sopeutuva ihminen Joskus adaptaatio saavutetaan eristäytymällä ulkomaailmasta ja sosiaalisista suhteista (kuten depressiossa), joskus luomalla sisäiseen maailmaan uusia, ulkoisilta ärsykkeiltä suojaavia elementtejä (kuten psykoosissa) Lapsuudessa opitut reagointitavat eivät välttämättä ole enää hyödyllisiä aikuisiällä Terveyden kannalta adaptiiviset prosessit voivat siten olla myös haitallisia, mutta yksilön kokemusmaailman, perimän ja ympäristön kautta tarkasteltuna kuitenkin mielekkäitä 9