Pia Soronen (FM, LK, väitellyt)

Transkriptio

1 Pia Soronen (FM, LK, väitellyt)

2 Yleistä periytyvyydestä ja genetiikasta Miten perinnöllisyyttä tutkitaan Kytkentäanalyyseistä nykypäivään Tärkeimmät löydökset Ehdokasgeeni esimerkkejä Uudet GWAS löydökset Löydökset Suomessa Yhteenveto

3 Kuinka paljon yksilölliset erot johtuvat geeneistä (ei ympäristötekijöistä) Ominaisuus / sairaus yleisempi sairaan sukulaisilla kuin väestössä keskimäärin Kaksisuuntainen mielialahäiriö % Ensimmäisen asteen sukulaisella 8 kertainen riski verrattuna normaaliväestöön Identtisellä kaksosella 60 kertainen riski

4 Tutkitaan hyödyntäen kaksosaineistoja tai adoptio aineistoja Kaksosaineistoissa verrataan identtisten ja ei-identtisten kaksosten samankaltaisuutta (sairastavuutta) Identtisillä kaksosilla täysin samat geenit, ei-identtisillä vain puolet geeneistä samoja Adoptioaineistossa verrataan eri perheisiin adoptoitujen identtisten kaksosten sairastavuutta Kaikki erot johtuvat eri ympäristöistä, geenit ovat samat Jos ominaisuus perinnöllinen -> Mitkä perimän tekijät vaikuttavat sairauden puhkeamiseen

5 Kromosomi Tuma 46 kromosomia DNA muodostuu emäksistä Geenit ovat DNA pätkiä jotka sisältävät geneettistä informaatiota, niistä voidaan esim. muodostaa proteiineja DNA koodissa muuntelua ihmisten välillä, eli emäskoodi erilaista eri yksilöillä A T C G Solu DNA Geeni

6 Monen tasoista Kromosomistomuutokset Downin ja Turnerin oireyhtymät Deleetiot ja insertiot Monistumat 2-4 emäksen monistumia käytetty geneettisissä tutkimuksissa SNP (Single Nucleotide Polymorphism) eli yhden nukleotidin muuntelu Yleinen (> 5%) SNP joka 300 emäsparin välein

7 Perheaineisto Mitkä perimän alueet periytyvät yhdessä sairauden kanssa Sairas isoisä Terve isoäiti = C SNP 1 SNP 2 Terve isä Terve äiti = G = A = T Terve lapsi Terve lapsi Sairas lapsi Terve lapsi Sairas lapsi Terve lapsi

8 Tapaus-verrokki aineisto Mitkä perimän tekijät esiintyvät useammin sairailla verrattuna kontrolliaineiston terveisiin Sairaat Verrokit Genotyyppi AA Genotyyppi AG Genotyyppi GG

9 I: Kytkentäanalyysi: Etsitään koko genomin alueelta yhdessä sairauden kanssa periytyviä alueita 1990-luvulta lähtien Tarvitaan perheaineistoja Muutamia satoja monistumamarkkereita (STR) Löydetyt alueet yleensä laajoja, kattavat satoja geenejä Soveltuu parhaiten tutkittaessa sairauksia joiden syntyyn vaikuttaa vain muutama geeni, joilla kullakin on suuri vaikutus sairauden syntyyn

10 II: Ehdokasgeenitutkimukset: Tutkitaan biologisesti mielekkäiden geenien yhteyttä sairauteen vertaamalla eri geenimuotojen yleisyyttä tapaus-verrokki aineistoissa Ehdokasgeenit valittu kytkentälöydösten tai pelkän geenin tehtävän perusteella

11 Kummassakin tapauksessa tarvitaan yleensä tietoa tutkittujen ehdokasgeenien biologiasta ja toiminnasta elimistössä Kytkentäanalyyseissä löydetyt alueet laajoja, satojen geenien joukosta tutkittu ne, joiden toiminta looginen mielialahäiriön biologian kannalta

12 Kytkentäanalyysit Ei yhtään genomin aluetta joka periytyisi kaikissa tutkimuksissa yhdessä sairauden kanssa. Kytkentäpiikkejä löydetty kaikista kromosomeista Esimerkkejä vahvimmista löydöksistä: 2p12-p16 4p16 4q32 5q31 6q21 8q24 9q21 12q23-q24: esim. P2RX7 15q14

13 Kytkentäanalyysit Yli 30 vuotta tutkittu Ei suuria läpimurtoja -> Kaksisuuntaisen mielialahäiriön taustalla vaikuttaa todennäköisesti paljon eri geenejä, joilla kaikilla vain pieni vaikutus sairauden syntyyn

14 Ehdokasgeenitutkimukset Mikään geeni ei ole assosioitunut kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön kaikissa tutkituissa aineistoissa Useista geeneistä löytyy kymmeniä julkaisuja, osa positiivisia, osa negatiivisia Monista geeneistä tehty meta-analyysejä, eli on analysoitu uudestaan aiemmin julkaistut tutkimukset.

15 Serotoniin transportteri, säätelee serotoniinin pitoisuutta synapsiraossa Poistaa serotoniinia synapsiraosta -> serotoniini vaikutus kohdesolussa vähenee Serotoniini Säätelee emootioita, unta, ruokahalua, seksuaalisia toimintoja Serotonitason lasku -> masennusoireet Keskeinen lääkehoidon kohde masennuksen hoidossa SSRI serotoniin takaisinoton estäjät Paljon löydöksiä geenin eri muotojen vaikutuksesta erityisesti masennuksen, mutta myös kaksisuuntaisen mielialahäiriön syntyyn Paljon tutkittu pituusvarianttia (5HTTLPR), joka vaikuttaa geenin toimintaan

16 Canli et al. 2007

17 Monoamiini oksidaasi A Geeni muodostaa entsyymiä joka hajottaa monoamineja (esim. serotoniini, dopamiini, noradrenaliini) Nämä välittäjäaineet tärkeitä lääkehoidon vaikutuskohteita Esim. dopamiinin agonistit aikaansaavat maniaa Meta-analyysissä viitteitä geenin yhteydestä kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön (Fan et al. 2010)

18 Brain derived neurotrophic factor Aivojen kasvutekijä joka säätelee mm. neuronien muodostusta ja aivojen plastisiteettia Groves 2007

19 Plasman BDNF tasot ovat laskeneet sekä maniassa että masennuksessa verrattuna terveisiin kontrolleihin (Fernandes et al. 2011) Pitkäaikainen antidepressanttilääkitys lisää BDNF:n ekspressiota (Gonul et al. 2005) Litium ja valproaatti lisäävät BDNF:n määrää hippokampuksessa (Frey 2006) Geenin toimintaa muuttava SNP val66met yhdistetty useissa tutkimuksissa kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön, mutta metaanalyysit ovat olleet negatiivisia Valiini muoto lisää BDNF:n eritystä hippokampuksessa Valiini muoto yhdistetty sairauteen Valiini muodolla positiivinen vaikutus muistin toimintaan (Egan et al. 2003)

20 Kalsiumkanava -geeni Geenillä monia tehtäviä aivoissa: Vapauttaa aivovälittäjäaineita, esim glutamaattia (toimii aivojen plastisiteetin, eli neuronien yhteyksien muodostumisen säätelyssä) Glutamaattisignalointiin vaikuttavilla lääkeaineilla mielialaa tasaava vaikutus Osallistuu tulehdusreaktioihin Stressin aikaansaamilla tulehdusmekanismeilla yhteys masennukseen Edesauttaa neuronien muodostumista ja tuhoutumista -> plastisiteetti

21 Ehdokasgeeni löydettiin alun perin kytkentäanalyysin perusteella 12q23-24 alue kytkeytyi sairauteen, lisäanalyyseissä löydettiin P2RX7 Meta-analyysit ovat olleet negatiivisia, mutta monia positiivisia assosiaatio löydöksiä sekä kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön, että masennukseen

22 D-amino acid oxidase activator Toiminta vielä epäselvä, mutta näyttäisi toimivan ainakin: Glutamaatti reseptorin säätelijänä Välittäjäaine joka säätelee mm. aivojen plastisiteettia Mielialahäiriöpotilailla glutamaattipitoisuuden muutoksia Glutamaatin toimintaan vaikuttavilla lääkeaineilla mielialaa tasaava vaikutus Mitokondrioiden, eli solun energialähteen jakautumisen säätelijänä Lisää neuronien dendriittien muodostumista ja siten tärkeä tekijä neuronien uusien yhteyksien muodostumisessa Mielenkiintoinen geeni myös evolutiivisen näkökulman suhteen: yksi harvoja geenejä joka on vain kädellisillä

23 Alun perin löydetty skitsofrenian ehdokasgeeninä Myös yhteys kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön Meta-analyysi positiivinen (Muller et al. 2011) Viitteitä yhteydestä nuoruusiällä alkavaan bipolaarihäiriöön (Gomez et al. 2009)

24 Ehdokasgeeneillä vaikutusta moniin eri biologisiin toimintoihin Serotoniini aineenvaihduntaan SLC6A4 serotoniin transportteri joka säätelee serotoniinin määrää synapsiraossa TPH1 ja TPH2 geenit Tryptofaani hydroksylaaseja, jotka valmistavat serotoniinia tryptofaanista MAOA Monoamini oksidaasi, hajottaa serotoniinia Aivojen plastisiteettiin BDNF P2RX7 DAOA Dopamiini aiheenvaihduntaan MAOA Glutamaatti aineenvaihduntaan DAOA P2RX7

25 Monia teorioita mielialahäiriöiden biologisesta taustasta Välttämättä ei olekaan yhtä totuutta, vaan ehkä mielialahäiriöstä on erotettavissa monia eri alatyyppejä joilla kullakin on erilainen biologinen tausta ja erilaiset taustalla vaikuttavat geenit

26 Uusi menetelmä: III: Koko genomin laajuiset assosiaatiotutkimukset (GWAS Genome Wide Association Studies) Tutkitaan kerralla koko genomin laajuisesti assosiaatioita tapaus verrokki aineistoissa Tutkittavien SNP:ien määrä > 2 milj. Jotta p-arvot merkitseviä (testausten määrä suuri!) p< 5x10-8 Tutkimuksilta odotettiin paljon, niiden toivottiin viimein paljastavan psykiatristen sairauksien geneettiset syyt Ensimmäinen julkaisu 2007

27 Ensimmäisissä julkaisuissa yksikään SNP ei yltänyt genomin laajuiseen merkitsevyyteen (p< ) Yhtään geeniä tai genomin aluetta ei ole löytynyt joka yhdistyisi sairastumisriskiin kaikissa tutkituissa aineistoissa Kun n-määrää kasvatettu tarpeeksi löydetty SNP:ejä joiden p-arvot alittaneet genomin laajuisen merkitsevyysrajan esim. Sklar et al. (2011) n= Löydettyjen geenien riskisuhteet erittäin pieniä ( ) Löydetyt geenit eivät siis aikaansaa sairautta, vaan riskimuodot vain lisäävät henkilön riskiä sairastua Löytöjen merkitys? Saadaan uutta tietoa sairauden taustalla vaikuttavista biologisista tekijöistä

28 ANK3 geeni Ferreira et al. 2008, n=4387 Monia tehtäviä aivoissa Muodostaa hermosoluissa aksonin aloituskohdan Tarvitaan hermoimpulssin muodostumisessa Uusimmissa eläinmalleissa saatu varmistusta geenin roolista psykologisissa prosesseissa (Leussis et al, in press) Geenin hiljentäminen vähensi hiirten ahdistuneisuutta sekä lisäsi palkkiokäyttäytymistä (motivation for reward) ja nämä vaikutukset hävisivät litiumhoidon jälkeen. Geenin hiljentäminen sai aikaan masennus-tyyppistä käyttäytymistä kun hiiriä altistettiin krooniselle stressille

29 CACNA1C Muodostaa L-tyypin kalsiumkanavan Useissa tutkimuksissa, esim Sklar et al Geeni ilmenee laajasti keskushermostossa Vaikuttaa mm. hermovälittäjäaineiden vapautumiseen, oppimiseen ja muistiin Näyttäisi olevan yhteinen riskigeeni usealle psykiatriselle sairaudelle (Lancet 2013 Feb 27) Kaksisuuntainen mielialahäiriö, autismi, ADHD,, masennus, skitsofrenia Geenin mutaatio aiheuttaa Timothy syndrooman, jonka taudinkuvan kirjoon sisältyy autismi

30 CACNA1C Aivokuvantamistutkimusten mukaan geenin eri muodot vaikuttavat muistin, tarkkaavaisuuden ja tunteiden säätelyyn Kalsiumkanavien merkitystä psykiatrisissa sairauksissa epäilty aiemminkin Kalsiumkanavan estäjillä mielialaa tasaava vaikutus (Levy & Janicak 2000) Kalsiumkanavan estäjillä myös antidepressiivisia vaikutuksia eläinmalleissa Kliinisissä testeissä näyttäisi tehoavan osaan mielialahäiriö potilaista (Bhat et al review)

31 Psykiatristen sairauksien geneettisten tekijöiden riskisuhteet pieniä Tarvitaan isoja aineistoja (n>> 1000) jotta geneettiset riskitekijät löydetään Arvio N= (Cichon et al. 2009) Ei ole löytynyt yhtään geeniä joka yhdistyisi sairauteen kaikissa GWAS tutkimuksissa Ongelmaksi muodostuu kaksisuuntaisen mielialahäiriön heterogeenisyys Kun aineiston koko pitää olla hyvin suuri, ei tutkittavia potilaita voida ryhmitellä homogeenisempiin ryhmiin (esim. psykoottiset, aikainen puhkeamisikä)

32

33 Vuosina syntyneet Kaksoskohortti - aineisto Sairaalarekisterit (BPD I) Tiedot 1. asteen sukulaisista Verinäytteiden keräys 180 perhettä henkilöä 227 bipolaarihäiriö tapausta 135 jokin muu psykiatrinen sairaus 361 tervettä perheenjäsentä

34 Tutkitut geenit ja SNP:it 11 Ehdokasgeeniä 76 SNP:iä ensimmäisistä GWAS töistä Analysoinnit sekä kaksisuuntaista mielialahäiriötä, että sairauteen liittyviä ilmiasuja vasten

35 Sairauteen liittyvät ilmiasut Neurokognitiiviset testimuuttujat Muistia, tarkkaavaisuutta, älyllistä suorituskykyä ym. mittaavat testit Vuodenaikais ja vuorokausimuuttujat Vuodenajan vaikutus mielialaan, sosiaalisuuteen ym. Aamu-ilta tyyppisyys Oletetaan yhdistyvän sairauteen ja olevan geneettisesti yksinkertaisempia ilmiasuja kuin itse sairaus

36 Tärkeimpiä tuloksia Ns. klassisista ehdokasgeeneistä BDNF, SLC6A4 ja P2RX7 yhdistyivät sairauteen BDNF assosiaatio samansuuntainen kuin aiemmissa julkaisuissa, eli riskialleeli oli valiini (val66met) Sairauden riskiä lisäävä valiini alleeli paransi suoriutumista pitkäaikaista muistia mittaavassa neurokongnitiivisessa testissä

37 Tärkeimpiä tuloksia DAOA geeni yhdistyi moneen neurokognitiiviseen testimuuttujaan, vahvimmin visuaalis-tilallista älykkyyttä mittaavaan testiin Sama alleeli joka yhdistyi parempaan suoriutumiseen on aiemmissa julkaisuissa yhdistynyt skitsofreniaan

38 DAOA Kognitiiviseen suorituskykyyn yhdistyvä SNP muuttaa aminohapon, eli muutoksella on vaikutusta proteiinin toimintaan On evoluution aikana nopeasti muuttunut Geeni on vain kädellisillä Ihmisen geeni puolet pidempi kuin lähisukulaisemme simpassin Alleeli joka yhdistyy parempaan suoriutumiseen, on uudempi muoto, eli löytyy vain ihmisiltä

39 GWAS tulosten replikointiyritys Viisi genomin aluetta yhdistyivät kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön myös suomalaisessa aineistossa (13/76 SNP:istä) Vahvimmat löydökset SORCS2 Vaikuttaa aivojen plastisiteettiin DFNB31 Retinassa ilmenevä geeni, vaikuttaa näkökykyyn Yhdistyi sairauden lisäksi myös unen ja painon vuodenaikaisvaihteluun CDH7 Retinassa sekä näköradassa ilmenevä geeni Yhdistyi sairauden lisäksi vuodenaikaisvaihteluun ja visuaaliseen muistiin ja tarkkaavaisuuteen Myös tässä sairauden riskiä lisäävä muoto yhdistyi parempaan suoriutumiseen neurokognitiivisissa testeissä

40 Yhteenvetoa Usean geenin kohdalla sairausriskiä lisäävä geenimuoto paransi tutkittujen henkilöiden neurokognitiivista suoriutumiskykyä Selitys mielialahäiriöiden säilymiselle?

41 Yhtään kaksisuuntaisen mielialahäiriön geenivirhettä ei ole löydetty Eli ei ole olemassa geeniä, jonka jokin muoto aikaansaa sairauden Koko genomin laajuisilta assosiaatiotutkimuksilta odotettiin paljon Löydettyjen geenien riskisuhteet hyvin pieniä Ongelmana sairauden heterogeenisyys Kokoelma oireita Eri geeneillä vaikutus eri oirekuviin?

42 Tutkittavien potilaiden tarkempi karakterisointi Sairaus hyvin heterogeeninen kokoelma oireita Potilasaineiston jakaminen homogeenisempiin ryhmiin Sairastumisiän Psykoottisen oireilun Litium-vasteen Sairauteen liittyvien ilmiasujen eli endofenotyyppien mukaan

43 Geeniteknologia kehittyy Genomin rakenteen ja toiminnan selviäminen Geenin käsite muuttunut pikkuhiljaa Samasta DNA-koodista voidaan lukea useampia eri proteiineja Säätelyalueet tärkeitä Epigenetiikka tärkeässä osassa metylaatio Kehitys on ollut huimaa viimeisen 20 vuoden aikana Kytkentäanalyysit > Koko genomin sekvensoinnin jälkeen, eli > ehdokasgeenitutkimukset Koko genomin laajuiset assosiaatiotutkimukset > Koko genomin sekvensointi mahdollista isoille joukoille Saadaan selville kaikki geneettinen muuntelu potilaiden ja terveiden välillä Tietomäärä valtava, miten hallita ja analysoida?

44 Kaksisuuntaisen mielialahäiriön periytyvyys voimakasta Ei ole kuitenkaan löydetty sairauden syntyyn ehdottomasti vaadittavia geenimuotoja Geenitutkimus kertoo sairauden biologiasta Tutkimuksella siten vaikutusta mahdollisesti tulevaisuuden lääkehoitoihin Monet geenit vaikuttavat aivojen plastisiteettiin -> terapioiden merkitys hoidossa

45 THL Tiina Paunio Leena Peltonen-Palotie Jouko Lönnqvist Timo Partonen Tuula Kieseppä Annamari Tuulio-Henriksson Kaisa Silander Marika Palo Mervi Antila