Mitä ovat perinnölliset taudit ja miten molekyyligenetiikka niitä selvittää?

Transkriptio

1 Mitä ovat perinnölliset taudit ja miten molekyyligenetiikka niitä selvittää? Teppo Varilo Dosentti, erikoislääkäri HY Lääketieteellisen genetiikan osasto 1

2 Yhteenveto ja tavoitteet Genetiikan historiaa Perusteet Genomin (perimän) rakenne Käsitteet artikkeleiden lukemista varten Periytyvät sairaudet Molekyyligeneettiset tutkimusmenetelmät 2

3 Genetiikan historiaa 1859 The Orgin of Species: Luonnonvalinta 1865 Mendelin lait: Periytyminen 1902 Ensimmäisen sairauden karakterisointi 1953 DNA: Muuntelu 1956 Karyotyyppi 1959 Downin syndrooma 1961 Geneettinen koodi 1976 Ensimmäinen molekyyligeneettinen dg 1977 Ensimmäinen sairausgeeni 1990 Ensimmäinen geenihoito 2001 Human Genome Project 3

4 ... ja Suomessa 1951 Perinnöllisyysneuvonta (Väestöliitto, HY) 1966 Suomalaisen tautiperinnön prototyyppitauti 1972 Suomalainen tautiperintö Genetiikan professuuri (HY) Sikiön kromosomitutkimus 1976 Kliininen genetiikka yliopistosairaaloihin 1981 Perinnöllisyyslääketieteen erikoisala 2010 Kaikki suomalaisen tautiperinnön geenivirheet tunnistettu 4

5 DNA 1953: kohti muuntelua Maailman merkillisin molekyyli Geneettinen koodi 1961 U U U 5

6 Human Genome Project 2001 Sanger-sekvensointi bp geeniä 2 % eksoneissa (proteiinia koodaava alue) Intronien (ei-koodava alue) merkitys???? 6

7 AACATGGCCGCGGGCTGGAAGTGCGCATGAGCAGCTGTCTATGGAGATACCTAGGCC GGGAGAGGGAGAACACAGTTGGAGAAAATCGGCAGCTGAGACGGCCTTGGCCGGTG AGTGTAGGATGCGGCAGAAGTCTGGAAACTGGGTGGACTGGCAAGGCAGGGCAGCT TTGATTTTGTTTCCGTTTTTCAAGTTAGAGAACACTGCTGGGGAGGAAGCCTTTGTTTT GGGGGAGGGGGCTGTGCTGGTTCTTTATCTCATACCCTGCTTTGTGGGCCAAACTCTC TCCCTTCCCCAGAGCGCGAGCGTCCCAGCCCTCCTGCGCTGTCCAGCTGCGCGCCGCA GCCGCCGGCACCGGGCGCTTGAGCTAATACGTCCCCGAGGCCCTTTCCTGCCTCCTCC GCGGAGCAGCTGGGGCGCGGGGCTAAGACTGCGGGGCTGCGGGGTCACGGCGCAG GCTCCCGGGCTCGCGCCTGGCGGGCGCTCAGCTCCGTAAGCGCCTTCTGGTTGGTGA GCCTGCAGGGAGACGCCTCATTCTAAGGCAAGGTCTAGGTGCCTGACTTCTTTCGGGA GTTGATTTTTTTTCCCTTATGTGTCCAGCTTAGCAAGGGCTCTTACTGGGCCCTTCTGG CCTGAGCGTGCACACCACACAGAGCGCGAGCGTCCCAGCCCTCCTGCGCTGTCCAGCT GCGCGCCGCAGCCGCCGGCACCGGGCGCTTGAGCTCCCTAGTCCCCGAGGCCCTTTCC TGCCTCCTCCGCGGAGCAGCTGGGGCGGCGGGGCTAAGACTGCGGGGCTGCGGGGT CACGGCGCAGGCTCCCGGGCTAGCGAGGACCGGGCAGAAGTCTGGAAACAGCGCGA GCGTCCCAGCCCTCCTGCGCTGTCCAGCTGCGCGCCGCAGCCGCCGGCACCGGGCGCT TGAGCTCCCTAGTCCCCGAGGCCCTTTCCTGCCTCCTCCGCGGAGCAGCTGGGGCGCG GGGCTAAGACTGCGGGGCTGCGGGGTCACGGCGCAGGCTCCCGGGCTCGCGCCTGG CGGGCGCTCAGCTCCGTAAGCGCCTTCTGGTTGGTGAGCCTGCAGGGAGACGCCTCAT TCTAAGGCAAGGTCTCCGTTTTTCAAGTTAGAGAACACTGCTGGGGAGGAAGCCTTTG TTTTGGGGGAGGGGGCTGTGCTGGTTCTTTATCTCATACCCTGCTTTGTGGGCCAAAC TCTCTCCCTTCCCCAGATGCGCGAGCGTCCCAGCCCTCCTGCGCTGTCCAGCTGCGCGC CGCAGCCGCCGGCACCGGGCGCTTGAGCTCCCTAGTCCCCGAGGCCCTTTCCTGCCTC CTCCGCGGAGCAGCTGGGGCCGGGGCTAAGACTGCGGGGCTGCGGGGTCACGGCGC 7 AGGCTCCCGGGCTCGCGCCTGGCGGGCGCTCCGTGTGATGAGTCCAGTGTGGTATA

8 Mitä ovat perinnölliset sairaudet? 1650 Varilo 2008

9 Perinnöllisyys (Herediteetti) - Periytyvyys (Heritabiliteetti) Monitekijäisesti määräytyvässä ominaisuudessa H2=Vg/Vp. Fenotyyppisen varianssin (V) geneettisen komponentin (Vg) osuutta fenotyypin kokonaisvarianssista (Vp). Kongenitaalinen Familiaalinen Sporadinen (Synnynnäinen Suvuttainen Satunnainen)

10 Lokus - Alleeli NCBI Map Viewer

11 Genotyyppi Fenotyyppi - Penetranssi revisescience.co.uk Aa aa A a aa aa Aa aa aa Aa

12 Genetic Traits Simplex or monogenic Complex or multifactorial Disease gene Modifying gene Susceptibility gene Susceptibility gene Susceptibility gene Chance? Environment Life Style etc. Phenotype Phenotype Dia: Akateemikko Leena Palotie 12

13 Geneettinen riski? YMPÄRISTÖ GEENIT Down Hemofilia AGU Sydänvika Huuli-suulakihalkio Alzheimer Verenpaine Diabetes Sepelvaltimotauti Infektio Tapaturma 13

14 Periytyvien tautien yleisyys (25-vuotiaaksi mennessä, monitekijäiset elinaikana) Monogeeniset Autosomiset vallitsevat 1,4 % Autosomiset peittyvät 0,2 % X-kromosomiset 0,2 % Kromosomisairaudet (SIC! Harvoin perittyjä) 0,6 % Monitekijäiset Synnynnäiset epämuodostumat 1 % Yhteensä 3 % Monitekijäiset kansantaudit (alttiudet periytyvät) 65 % Kromosomisairaudet ja syöpätaudit johtuvat virheestä perintötekijöissä, mutta eivät yleensä periydy 14

15 Monogeeniset sairaudet (Mutaatio yhdessä geenissä aiheuttaa sairauden) Dominoiva - toisessa alleelissa homotsygoottisena dominantti negatiivinen haploinsuffisienssi Resessiivinen - molemmissa alleeleissa heterotsygoottisena (tai yhdistelmäheterotsygoottisena (compound heterotsygote)) Autosomisia ja X-kromosomisia (hemitsygoottisena) Yleensä riippumattomia ympäristöstä mendelöivää sairautta Suomessa ihmistä sairastaa harvinaista tautia 15

16 Suhteellisen yleisiä periytyviä sairauksia Monogeeniset autosomiset vallitsevat Familiaalinen hyperkolesterolemia (FH) 1/500 Heterotsygootilla Fs-kol BRCA, perinnöllinen rinta- ja munasarjasyöpä 1/600 Kardiomyopatia, hypertrofinen ja dilatoiva 1/1000 Sydämen vajaatoiminta, rytmihäiriöt Aikuisiän polykystinen munuaistauti 1/1000 Keski-iässä verenpainetta, kylkikipua, hematuriaa, oireettomasta munuaisinsuffisienssiin Periytyvä ei-polypoottinen paksusuolisyöpä (HNPCC) 1/1250 Pitkä-QT-syndrooma 1/3000 Synkopee, äkkikuolemavaara Neurofibromatoosi 1/3500 Vaihteleva, cafe au lait, kyhmyt, hermokudoskasvaimet, oppimisvaikeudet 16

17 A) Epätäydellinen penetranssi B) Uusi mutaatio C) Vaihteleva ekspressiviteetti 17

18 Suhteellisen yleisiä periytyviä sairauksia Monogeeniset autosomiset peittyvät Suomalainen tautiperintö 1/1000 HFE-Hemokromatoosi 1/ v. alkava raudankertymäsairaus: nivel-, maksa- ja sydänoireet, diabetes Kystinen fibroosi 1/2500 (1/25000) X-kromosomiset - lyonisaatio Fragiili X (toistojaksosairaus - esimutaatio) 1/3500 keskivaikea tai vaikea kehitysvamma; lievä Duchenne 1/3500 leikki-iässä lihasheikkous 18

19 GRACILE (death in infancy) LAAHD (intrauterine death) FSH-RO (fertility disturbance) EPMR (progressive retardation) PEHO (progressive retardation) TMD (muscle disease) dominant RAPADILINO (growth disturbance with malformations) LCCS (intrauterine death) IOSCA, OHAHA (progressive retardation) CHS (progressive retardation) vlincl (progressive retardation) HYDROLET (intrauterine death) SALLA (progressive retardation) MKS (intrauterine death) MEB (severe retardation) TCD, CHM (eye disease), X -recessive INCL (progressive retardation) HOGA (eye disease) DTD (growth disturbance) JNCL (progressive retardation) CHH (growth disturbance) MUL (growth disturbance) FAF (eye, nerve and skin disease) dominant Suomalainen tautiperintö USH3 (ear and eye disease) PLOSL (progressive retardation) AGU (progressive retardation) CLD (watery diarrhea) NKH (severe retardation) LPI (metabolic disease) CCD (watery diarrhea) APECED (autoimmune polyendocrinopathy) RESCH, RS (eye disease), X- recessive PME (neurological disease) SMB12 (anemia) CNA2 (eye disease) CNF (kidney disease) Geeni kloonattu Palotien laboratoriossa tai yhteistyössä meidän kanssa - Mutaatio(t) tunnettu Geeni kloonattu muualla - Mutaatio(t) tunnettu 19 Varilo 1999

20 ... ja suomalainen tautiperinnöttömyys Talassemiat Sirppisoluanemia Kystinen fibroosi Huntingtonin tauti Fenyyliketonuria Galactosemia G6PD Varilo 2004

21 Miten molekyyligenetiikka selvittää perinnöllisiä sairauksia? Varilo

22 Mutaatio Edullinen Harmiton Voidaan käyttää geenimerkkinä (esim. SNP, MS) Henkilö 1. Henkilö 2. AACATGGACGCGGGCTGGA AACATGGGCGCGGGCTGGA Haitallinen Henkilö 1. Henkilö 2. AACATGGATATATATATATGGA AACATGGATATATATGGA Sairauteen johtava geenivirhe Monitekijäiselle taudille altistava variaatio Sairaus Variaatio Tautimutaatio Polymorfismi 22

23 Sekvensointi RNA-sekvensointi (transkriptomi) DNA-sekvensointi Eksoni 12, 1264C>T Pistemutaatio CAG = gln, TAG = stop GLN4242X Stop Verrokilla CC sininen Kantajalla CT sininen ja punainen Sairaalla TT punainen 23

24 Uusi työkalu tautigeenien tunnistamiseen: Komparatiivinen genetiikka DNA kertoo historiamme 4 miljardin vuoden ajalta, silloin eläneellä arkilla elämän kannalta tärkeimpiä toimintoja koodaavat 200 geeniä samoja (esim. kromosomissa 6 EEF1α1). Yhteiset DNA-alueet tärkeitä molemmille: ihminen ja hiiva jakavat 30 %, ihminen ja kana 80 %, ihminen ja simpanssi 96 %, ihminen ja Cro-Magnon 99 % 24 (elänyt v sitten) perimästään.

25 Mutaatioiden kirjo geneettisissä taudeissa Geeni, mutaatio, tauti (perustajamutaatio) Suomalainen tautiperintö Geeni, monta mutaatiota, tauti (alleelinen heterogeenisuus) Kystinen fibroosi Monta geeniä, monta mutaatiota, tauti (lokus heterogeenisuus) Polykystinen munuaistauti Geeni, monta mutaatiota, monta tautia Beetaglobiinin mutaatiot Geeni, mutaatio, monta tautia Pään alueen oireyhtymät (Apertin ja Crouzonin) 25

26 Mutaatioiden perustyypit Duplikaatio (kahdentuma) Deleetio (häviämä) Insertio (lisäys) Pistemutaatio (korvautuminen) Inversio (kääntymä) Vaikutus Hiljainen (variaatio) Missense Nonsense (stop) Frameshift (lukukehyksen muuttuminen) 26

27 Mutaation paikka Koodaava alue (eksoni) Loss of function (toiminnan loppuminen) Gain of function (uusi tai lisääntynyt toiminta) RNA:n silmukointi alue Säätelyalue Ei-koodaava alue (introni) 27

28 AACATGGCCGCGGGCTGGAAGTGCGCATGAGCAGCTGTCTATGGAGATACCTAGGCC GGGAGAGGGAGAACACAGTTGGAGAAAATCGGCAGCTGAGACGGCCTTGGCCGGTG Koko genomin assosiaatiotutkimus (GWA) AGTGTAGGACCGGGCAGAAGTCTGGAAACTGGGTGGACTGGCAAGGCAGGGCAGCT TTGATTTTGTTTCCGTTTTTCAAGTTAGAGAACACTGCTGGGGAGGAAGCCTTTGTTT (Genome-wide association study) TGGGGGAGGGGGCTGTGCTGGTTCTTTATCTCATACCCTGCTTTGTGGGCCAAACTCT CTCCCTTCCCCAGAGCGCGAGCGTCCCAGCCCTCCTGCGCTGTCCAGCTGCGCGCCGC AGCCGCCGGCACCGGGCGCTTGAGCTCCCTAGTCCCCGAGGCCCTTTCCTGCCTCCTC CGCGGAGCAGCTGGGGCGCGGGGCTAAGACTGCGGGGCTGCGGGGTCACGGCGCA Yleensä tapaus-verokki-tutkimus GGCTCCCGGGCTCGCGCCTGGCGGGCGCTCAGCTCCGTAAGCGCCTTCTGGTTGGTG AGCCTGCAGGGAGACGCCTCATTCTAAGGCAAGGTCTAGGTGCCTGACTTCTTTCGGG SNP:iä AGTTGATTTTTTTTCCCTTTGTGTCCAGACTTAGCAAGGGCTCTTACTGGGCCCTTCTG GCCTGAGCGTGCACACCACACAGAGCGCGAGCGTCCCAGCCCTCCTGCGCTGTCCAGC Esim. Affymetrix, Illumina TGCGCGCCGCAGCCGCCGGCACCGGGCGCTTGAGCTCCCTAGTCCCCGAGGCCCTTTC CTGCCTCCTCCGCGGAGCAGCTGGGGCGGCGGGGCTAAGACTGCGGGGCTGCGGGG TCACGGCGCAGGCTCCCGGGCTCGCGAGGACCGGGCAGAAGTCTGGAAACAGCGCG AGCGTCCCAGCCCTCCTGCGCTGTCCAGCTGCGCGCCGCAGCCGCCGGCACCGGGCG CTTGAGCTCCCTAGTCCCCGAGGCCCTTTCCTGCCTCCTCCGCGGAGCAGCTGGGGCG CGGGGCTAAGACTGCGGGGCTGCGGGGTCACGGCGCAGGCTCCCGGGCTCGCGCCT GGCGGGCGCTCAGCTCCGTAAGCGCCTTCTGGTTGGTGAGCCTGCAGGGAGACGCCT CATTCTAAGGCAAGGTCTCCGTTTTTCAAGTTAGAGAACACTGCTGGGGAGGAAGCCT TTGTTTTGGGGGAGGGGGCTGTGCTGGTTCTTTATCTCATACCCTGCTTTGTGGGCCA AACTCTCTCCCTTCCCCAGAGCGCGAGCGTCCCAGCCCTCCTGCGCTGTCCAGCTGCGC GCCGCAGCCGCCGGCACCGGGCGCTTGAGCTCCCTAGTCCCCGAGGCCCTTTCCTGCC TCCTCCGCGGAGCAGCTGGGGCGCGGGGCTAAGACTGCGGGGCTGCGGGGTCACGG 28 CGCAGGCTCCCGGGCTCGCGCCTGGCGGGCGCTCATGTGTCCAGACTCATGTGTCCA

29 Kansantaudit (Kompleksitaudit, Multifaktoriaaliset taudit, Monitekijäiset sairaudet) Verenkiertoelimistön sairaudet: sepelvaltimotauti ym. Syöpätaudit Dementia Tuki- ja liikuntaelinten sairaudet: nivelreuma, nivelrikko, osteoporoosi ym. Mielenterveyden ongelmat: psykoosit ja depressio ym. Krooninen keuhkoputken tulehdus ja keuhkoahtaumatauti Allergiat ja astma Diabetes Näkövammat Kuulovammat Hammassairaudet Insidenssi 650/1000 Tarttuvat taudit Tapaturmat 29

30 Kansantaudit Dia: Professori Markus Perola THL 30

31 Genome-wide association results (Manhattan plot) for 946 ileal Crohn disease cases and 977 control samples John D Rioux et al. (2007) Nature Genetics (GWA) 31

32 (GWA) Tunnetaan 1500 lokusta (altistavaa genomipaikkaa yli 225:stä monitekijäisestä taudista (2012). Sukupuut ja periytymistavat 32

33 n = cases, controls (GWA) 33

34 Sullivan PF (2005) The Genetics of Schizophrenia. PLoS Med Kumulatiivinen riski? Kathiresan S et al. (2008) Common variants at 30 loci contribute to polygenic dyslipidemia. Nature Genetics 34

35 Todellisuus? Dia: Professori Markus Perola THL 35

36 Farmakogenetiikka CYP2C9 VKORC1 CYP2D6 Varfariini, fenytoiini Varfariini Kodeiini Tramadoli Trisyliset Masennuslääkkeet Tamoksifeeni HLA-B Abakaviiri SLCO1B1 Statiinit TMPT 6-MP (6- merkaptopuriini) Atsatiopriini FV ja FII Ehkäisytabletit Epigenetiikka Periytyvä muutos geenin ekspressiossa (ilmenemisessä), johon ei liity DNA:n muutosta 36

37 Miten perinnöllisiä sairauksia selvitetään käytännössä? Perinnöllisyysneuvontayksiköt Yliopistolliset keskussairaalat (1976) Väestöliitto (1952) Norio-keskus (2013) Folkhälsan 37

38 Geenitestaus Tulleet osaksi käytännön lääkärin työtä, vastaus: Kyllä/ei Pysyvä Voi olla ennustava Koskee usein lähisukulaisia Diagnostinen geenitesti Ennustava geenitesti Prediktiivinen diagnostiikka (ennustaa tulevan taudin todennäköisyyttä) Presymptomaattinen diagnostiikka (monogeenisen taudin ennakoimista) Neuvonta Verikoe Tulosten kuuleminen -kontrollikäyntejä tarpeen mukaan -tukihenkilö Ei halua testiä Ei halua vastausta Seuranta

39 Koko genomin sekvensointi ja eksomisekvensointi Tautimutaatiot (perinnölliset ja de novo) Kantajuudet Alttiudet yleisille taudeille Lääkeaineenvaihdunnan erot ES Ensimmäinen diagnoosi 2009 (Choi ym PNAS) ES epäselvissä monogeenisen taudin epäilyissä diagnostinen peräti 25%:ssa (Yang ym NEJM) Hinta jyrkässä laskussa Tutkimusmenetelmästä kliiniseksi menetelmäksi Informaation määrä ja merkitys? Eettiset ja yhteiskunnalliset aspektit 39

40 Vertaileva Genominen Hybridisaatio (VGH) (CGH) (array-cgh) (Molekyylikaryotyyppaus) Kuva: dosentti Tiina Alitalo CNV (Copy number variation) Duplikaatiot Deleetiot mm. Rinnekodissa Epäselvä kehitysvammaisuus 2 v 9 kk kehitys jäljessä kiltti vauva ; 18 kk ei nuku Persoonalliset kasvonpiirteet Rehevä kääntynyt kolmiomainen ylähuuli Nenä lyhyt, pysty, matala ja leveä 40 VGH: Smith-Magenis-oireyhtymä

41 WWW-sivuja Kliininen ajan tasalla oleva tietämys perinnöllistä sairauksista Tieteellinen