Neurogenetiikkaa Lääketieteellinen genetiikka, L3, Syksy 2012 23.8. 2012 Anna-Elina Lehesjoki, LKT Professori, tutkimusjohtaja Neurotieteen tutkimuskeskus, Helsingin yliopisto Lääketieteellisen genetiikan osasto ja Molekyylilääketieteen tutkimusohjelma, Helsingin yliopisto Folkhälsanin perinnöllisyystieteen laitos www.helsinki.fi/yliopisto 23.8.2012
Neurogenetiikka selvittää hermoston kehitykseen ja toimintaan vaikuttavia geneettisiä tekijöitä hermosolujen toiminta, hermosoluverkkojen toiminta, motoriikka, psyykkiset ominaisuudet, persoonallisuus, käyttäytyminen neurologiset sairaudet
Neurogenetiikan eri näkökulmat NEUROBIOLOGI: Miten aivot toimivat? NEUROLOGI: Miksi aivot eivät toimi? GENEETIKKO: Onko taudin taustalla geenivirhe?
Neurologisten sairauksien geenitutkimus Potilas/perhemateriaali ê Virheellinen geeni ê Tautimekanismit ê ê Geenidiagnostiikka Diagnostiikka Preventio Hoito
Sairauksiemme geenitausta Perinnöllinen sairaus - harvinainen - yksi geeni - mutaatio - valkuaisaineen rakenne ja toiminta muuttuu merkittävästi Monitekijäinen sairaus - yleinen - useita geenejä + ympäristötekijät - DNA:n vaihtelu - muutos geenin luennassa, valkuaisaineen toiminnan pieni häiriö Geenit Ympäristötekijät perinnölliset sairaudet monitekijäiset sairaudet ympäristön aiheuttamat sairaudet
Neurologisten sairauksien yleisyys Suomessa Sairaus Prevalenssi Dementia 60-80 000 Henkinen jälkeenjääneisyys 50 000 Epilepsia 40-50 000 Aivohalvaus 30 000 Aivovamma 10 000 Parkinsonin tauti >9 000 MS-tauti 6 000 CP-vamma 5 000 Aivokasvaimet 3 000
Esimerkkejä geneettisistä neurologisista sairauksista Sairaus Periytyminen Geeni Neurofibromatoosi 1 AD NF1 Tuberoosiskleroosi AD TSC1, TSC2 Huntingtonin tauti AD / toistojakso HD INCL-tauti AR PPT1 PME-Unverricht-Lundborg AR / toistojakso CSTB Fragiili X-oireyhtymä XD / toistojakso FMR1 Rettin oireyhtymä XD MECP2 Alzheimerin tauti; AD APP1, PSEN1, PSEN2 perinnölliset muodot (5%) Epilepsia AD SCN1A, KCNQ2, perinnölliset muodot (1%) GABRG2, CHRNA4
Epilepsia aivojen sairaus toistuvat epileptiset kohtaukset epileptinen kohtaus: kohtauksittain esiintyvä, tahdosta riippumaton ilmiö, joka johtuu hermosolujen poikkeavan synkronoidusta purkausaktiviteetista kohtaukset voivat ilmentyä motorisina, sensorisina, autonomisina, kognitiivisina ja/tai psyykkisinä häiriöinä
Epilepsian epidemiologia aktiivisen epilepsian prevalenssi: 1% kumulatiivinen insidenssi 80 ikävuoteen: 2-3% Suomessa n. 45 000 henkilöä saa antiepileptistä lääkitystä
Epilepsiat - etiologinen luokittelu RAKENTEELLINEN/ METABOLINEN GENEETTINEN NORMAALI MRI POIKKEAVA MRI TUNTEMATON PAIKALLISALKUINEN EPILEPSIA YLEISTYVÄ EPILEPSIA
Figure 1. Incidence of epilepsy by age, Rochester, MN, 1935-1984. Rowan A J Neurology 1998;51:S28-S33 1998 by Lippincott Williams & Wilkins
Tuberoosiskleroosi (TSC) oireiltaan vaihteleva synnynnäinen oireyhtymä autosominen dominantti periytyminen yleisyys 1/6000 henkilöä tyypillisesti useita hyvänlaatuisia kasvaimia, hamartoomia, eri elimissä keskushermostossa tyypillisesti: kortikaalisia kyhmyjä (tuber) subependymaalisia noduleita voi esiintyä jättisoluastrosytoomia vakavimmat oireet: epilepsia (80-90%); usein vaikea, hoitoresistentti oppimisvaikeudet ja kehitysvammaisuus autismi
Tuberoosiskleroosi Iho-oireita valkoläikät (80%) kasvojen sidekudosverisuonikasvaimia eli angiofibroomia (85%) kynsialueen sidekudoskasvaimia eli fibroomia (50%) säämiskäläiskiä eli sidekudosluomia (40-50%) otsan alueella fibroottisia plakkeja (noin 25%) Munuaisissa angiomyolipoomia ja kystia Sydämessä hyvänlaatuisia rabdomyoomia
Tuberoosiskleroosi - genetiikka 9q34: TSC1 - hamartin 16p13: TSC2 - tuberin kasvunrajoitegeenejä, osallistuvat solunsisäisiin signalointitapahtumiin, jotka vaikuttavat solun kasvuun ja kokoon 80% tapauksista uusi mutaatio, 20% AD periytyminen lähes jokaisella potilaalla (perheellä) oma mutaatio - > DNAdiagnostiikka käytännössä työlästä diagnostiikka perustuu kliiniseen kuvaan
Potilastapaus lastenneurologien seuranta vauvaiästä epilepsian vuoksi 2 hypopigmentoitunutta laikkua TSC2 ja TSC1 mutaatiohaku ja MLPA MLPA analyysissa koko TSC2 deleetio, myös geenin viereinen koetin vanhemmilla ei mutaatiota
Vallitseva periytyminen vs. uusi mutaatio AD de novo 50%
Neurodegeneratiivisia epilepsiaoireyhtymiä SAIRAUS PERIYTYMINEN GEENI Unverricht-Lundborgin tauti AR CSTB (Kystatiini B) Laforan tauti AR EPM2A; EPM2B/NHLRC1 Neuronaaliset seroidilipofuskinoosit AR Synnynnäinen CTSD (Katepsiini D) Imeväisiän NCL-tauti (INCL) PPT1 Leikki-iän NCL-tauti (LINCL) TPP1 Suomalainen LINCL variantti CLN5 Variantti LINCL CLN6 Variantti LINCL MFSD8 Nuoruusiän NCL CLN3 Pohjoisen epilepsia CLN8
Unverricht-Lundborgin tauti (EPM1) alkamisikä: 6-15 vuotta tahdottomat, ärsykeherkät lihasnykinät, myokloniat; vaikeasti kontrolloitavissa lääkityksellä epilepsia valoherkkyys ataksia etenevä taudinkuva ei juurikaan henkistä taantumista taudin vaikeusasteessa suuri vaihtelu Courtesy of the Finnish Epilepsy Association
EPM1: CSTB-geenin mutaatiot yksi valtamutaatio maailmassa: 12-nukleotidin toistojakson (dodekameeri) laajentuma CSTB-geenin säätelyalueella normaalisti 2-3 kopiota, potilailla yli 30 meioottinen instabiliteetti ei premutaatioita ei antisipaatiota geenin luenta mrna:ksi heikentynyt; alle 10% normaalista CCCCGCCCCGCG >30 11 valkuaisaineen rakennetta muuttavaa mutaatiota: missense, nonsense, deleetio, splice-mutaatio; harvinaisia Lalioti et al. Nature 1997
EPM1:n geenidiagnostiikka Dodekameeriekspansio noin 99% alleeleista Suomessa noin 90% alleeleista maailmassa geenitesti laajasti saatavilla PCR Southern analyysi Harvinaiset CSTB-mutaatiot targetoitu analyysi geenin sekvensointi Doc. Arto Orpana; HUSLAB
EPM1: genotyyppi-fenotyyppi korrelaatiot TAUTIGEENI Dodekameeriekspansion suhteen homotsygootit potilaat ei korrelaatiota ekspansion koon ja taudin alkamisiän tai vaikeusasteen välillä taudin vaikeusaste vaihtelee suuresti - > muiden geneettisten ja/tai ympäristötekijöiden vaikutus ilmiasuun MODIFIOIVA GEENI Dodekameeriekspansio / R68X yhdistelmäheterotsygooteilla vaikeampi taudinkuva, huonompi prognoosi SAIRAUS
SCN1A-geeni ja epilepsia SCN1A koodittaa hermosolukalvolla toimivaa jännitevälitteistä natrium-kanavaa mutaatiot assosioituvat useisiin epilepsiamuotoihin GEFS+ = kuumekohtauksin alkava yleistynyt epilepsia SMEI = imeväisiän vaikea myokloninen epilepsia
Natriumkanavaproteiinit George JCI 2005 kanava muodostuu 1 α- ja 1-2 β-alayksiköstä Epilepsiaan liittyvät alayksiköt SCN1B SCN1A SCN2A SCN3A
SCN1A sijaitsee 2q24.3 26 eksonia, koodaava alue hyvin samanlainen kuin SCN2A eksoni 5 kaksi vaihtoehtoista muotoa: neonataali- ja aikuismuoto
Ensimmäinen GEFS+ perhe: vaihteleva expressiviteetti; fenokopiot punainen - kuumekouristukset (FS), keltainen - FS+ (>6y), sininen - myoklonisastaattinen epilepsia, vihreä - FS+ ja poissaolokohtauksia Wallace et al. Nature Genet 1998
Epätäydellinen penetranssi Penetranssi on vähentynyt, jos oireita ilmenee vain osalla geenivirheen kantajista
Potilaiden kliininen kuva GEFS+ AD, 50-60% penetranssi vaihteleva taudinkuva kuumeeseen liittyvät kohtaukset poissaolo-, myokloniset, atooniset kohtaukset jopa epileptinen enkefalopatia SCN1A mutaatio noin 10% SCN1B, GABRG2 SMEI eli Dravetin oireyhtymä alkaa 6 kk iässä aikaisemmin terveellä lapsella ensimmäinen kohtaus pitkittynyt kuumekouristus 1-4 v muut kohtaustyypit vaikeahoitoisuus, kehityksen viive, ataksia Na-kanavia salpaavat lääkkeet (lamotrigiini, karbamatsepiini) voivat pahentaa oireita stiripentoli, valproaatti, topiramaatti... Sopivia SCN1A mutaatio noin 70-80% SCN1B, GABRG2
SCN1A: tähän mennessä tärkein epilepsiageeni kuvattu noin 400 mutaatiota; 50 % trunkoivia mutaatioita suomalaisilta potilailta tunnistettu noin 30 mutaatiota missense muutoksia eniten N- ja C- päissä sekä S5-S6 eli kanavan ydinalueella 95 % de novo; 5 % periytyy jommalta kummalta vanhemmalta ja liittyy GEFS+ I II III IV
K2-perhe SMEI ja kuumekouristuksia sopien GEFS+ kytkentään viittaava alue 2q24 eksoni 26 de novo c.5488_5489delca p.gln1830valfsx6
K9-perhe GEFS+ eksonissa 15 c.2855g>a p.trp952x mutaatiotietokanta: sama mutaatio kuvattu aikaisemmin de novo (?) SMEIpotilaalla (Fujiwara et al., 2003) nonsense-mutaatiot eivät yleensä liity GEFS+
Glucose transporter-1 deficiency syndrome (GLUT1-DS) aivojen energia-aineenvaihdunta häiriintynyt huonontuneen glukoosin saannin vuoksi glukoosi aivojen tärkein polttoaine; ketoaineet glukoosi kulkeutuu aivoihin pääasiassa veriaivoesteen endoteelissä sijaitsevan GLUT1-proteiinin välittämänä geeni SLC2A1 familiaaliset tapaukset: AD suurin osa mutaatioista de novo Mullen et al. Neurology 2010
SCL2A1 ja tavallista varhaisemmin ilmenevä lapsuusiän poissaoloepilepsia Suls et al. Ann Neurol 2009
SCL2A1 mutaatiot voivat johtaa myös tavalliseen suvuittaiseen IGE:hen c.694c>t/p.r232c penetranssi 67% Striano et al., Neurology 2012
Tavallisten, monitekijäisten epilepsioiden geenitausta?
Geneettiset mallit monitekijäisissä epilepsioissa Tavallinen epilepsia, tavallinen variantti Tavallinen epilepsia, harvinainen variantti Mulley et al. HMG, 2005
Kopioluvun vaihtelu (Copy Number Variation, CNV) perimän rakenteellisia, submikroskooppisia muutoksia deleetio, duplikaatio, insertio esiintyy täysin terveilläkin henkilöillä voivat toimia tavallisille sairauksille altistavina harvinaisina variantteina 2-3% IGE-potilaista kantaa mikrodeleetiota kromosomissa 15q13.3, 15q11.2 tai 16p13.11
Geneettiset mallit monitekijäisissä epilepsioissa Tavallinen epilepsia, tavallinen variantti è Eksomin (genomin) läpiluenta Tavallinen epilepsia, harvinainen variantti -CNVt - CACNA1H - EFHC1 - GABRD
Yhteenveto Neurologiset sairaudet ovat keskeisellä sijalla kliinisen geneetikon työssä Harvinaisten sairauksien kohdalla löytyy jo paljon työkaluja molekyylitason diagnostiikkaan Tulevaisuuden haaste: yleisten neurologisten sairauksien molekyylitausta.s. Department of Energy Genome Programs http://genomics.energy.gov