Genetyka molekularna schizofrenii i zaburzeń afektywnych – czy już zastosowanie kliniczne? Joanna Hauser, Zakład Genetyki w Psychiatrii Listopad 2015 Znaczenie badań genetycznych • Diagnoza zaburzeń psychicznych- genetyczne markery? • Patofizjologia zaburzeń psychicznych • Farmakoterapia Dziedziczenie jednogenowe Jeden gen fenotyp (ch.Huntingtona) Dziedziczenie złożone Geny i czynniki środowiskowe fenotyp (nadciśnienie, cukrzyca …) Wspólne geny % 1 2 2 populacja ogólna kuzynostwo 1 stopnia wujowie/ciotki siostrzeńcy populacja ogólna 12,5% krewni III stopnia 25% krewni II stopnia 50% krewni I stopnia 100% pokrewieństwa 4 5 6 6 wnuki przyrodnie rodzeństwo rodzice rodzeństwo 9 dzieci 13 bliźniak DZ 17 bliźniak MZ 48 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Badania rodzin- ryzyko zachorowania na schizofrenię w zależności od stopnia pokrewieństwa z osobą chorą (Gottesman 1991) Odziedziczalność H (0-100) : SCH- 50-80%; CHAD-60-85% 50 Badania molekularne Badania asocjacyjne całego genomu (GWAS) • Bez hipotez wstępnych – nie „wybieramy” genu • Badanie asocjacyjne całego genomu- 500 tys-1mln SNPAffymetrix, Illumina • Wyniki – istotne gdy p<5x10 -8 • Mikromacierze: SNP „flagowe” w LD z SNP sąsiadującymi (wspólnie dziedziczone) - asocjacja dotyczy regionu na chromosomie a nie konkretnego genu ( loci jednego/wielu genów) • SNP – obejmują 80% częstych wariantów genów SCH - meta analiza GWAS - istotne statystycznie gen pacjenci/kontrola OR MIR137 (microRNA) miRNA - reguluje ekspresje genów CACNA1, TCF4- regulator neurogenezy - rozwój aksonów, dendrytów, synaptygeneza - ekspresja kora, hipokamp) 17.838/33.859 1.12 CACNA1C , CACNB2 (calcium chanel, voltage dependent, L type 1C subunit) – kanał wapniowy (padaczka, migrena) 18.206/42.539 1.09 ZNF804 (zinc finger protein) - regulacja transkrypcji wielu genów układu dopaminergicznego; połączenia neuronalne :hipokamp/PC (MRI) 18.945/38.675 1.10 MHC region (6p) (major histocompaptibility complex) - geny u. immunologicznego (BTN3A2, PRSS16, HIST1H2AH) 18.206/42.539 1.22 ANK3 (ankyrin 3 protein kinase) - rozwój OUN, wpływ na przekaźnictwo dopaminergiczne 17.839/33.68 1.15 AMBRA1 (autophagy/beclin-1 regulator 1) - zaburzenia proliferacji komórek, apoptoza, znaczenie w embriogenezie 3.738/7.802 1.25 NRGN (neurogranin -post synaptic protein) - wpływ na wrażliwość synapsy 18.206/42.536 1.12 TCF4 (cz.transkrypcyjny 4) - neurogeneza w okresie płodowym (upośledzenie umysłowe) 18.206/42.537 1.20 Allel ryzyka nieznacznie zwiększa ryzyko choroby OR 1.09-1.25 !!!!!! GWAS- procent wariancji wyjaśniającej zmienność fenotypu 23% Sullivan Schizophrenia Genetic Consortium, 2012 SCH n= 34,241 ; Kontrola n= 45,604 ( pochodzenie europejskie, azjatyckie); 1.235 trios - chory i rodzice - PGC GWAS; deCODE n=1.513/66 236 (pochodzenie europejskie) Ogółem: SCH- 36.986 kontrola-113.075 ; MAF>0.01 108 loci: 83 „nowe” (75% kodujące białka) Wskazano na loci genów : układ dopaminergiczny- DRD2; układ glutaminergiczny- GRM3, GRIN2A, GRIA1 ; SRR (ko-agonista NMDA); CLCN3 (chlorid channel w synapsie glutaminergicznej hipokampa); neuronalne przekazywanie sygnału - kanały wapniowe- CACNA1C (plastyczność neuronalna, LPP blokują T – type kanały), CACNB2, CACNA11; Funkcja i plastyczność synapsy: NLGN4X ( neuroligins – uwalnianie neuroprzekaźników w synapsach glutaminergicznych); IGSF9B (adhezja molekuł w GABA interneuronach); CTN4 ( adhezja molekuł – plastyczność); MEF2C ( cz.transkrypcyjny – regulator neurogenezy); PTN, PAK6, Kanały : HCN1 ( kanał potasowy); CHRNA3, CHRNA5, CHRNB4 ( receptory nikotynowe) Neurorozwojowe : FXR1 ( mutacja FRMRP – zespól Fragile X syndrome) Immunologia: CD9, CD20 (limfocyty B) Polygenic Risk Score – status „chory” – nie ma zastosowania predykcyjnego CHAD - GWAS - istotne statystycznie n gen autor 4 387/ 6208 ANK3 (ankyrin3, node Ranvier - membrane protein ) - aktywacja, proliferacja domen membran, kanały sodowe, potasowe, zab.funkcji poznawczych Ferreira, 2008 7 481/9520 CACNAC1 (calcium chanel ) - kanał wapniowy ( L-type voltage calcium channel) PGC-BP 2011 1 462/ 2 oo8 TSPAN8 (tetraspanin 8) - procesy wewnątrzkomórkowe) Sklar, 2008 6 658/8187 TRANK1 (mechanizm działania kwasu walproinowego) Chen 2013 1 461/2 008 MYO5B (myosin) - receptor glutaminergiczny (n=1461/2008) Sklar, 2008 8 411/3 613 NCAN (neurocan) - adhezja i migracja komórek MooDS ;Cichon, 2011 (polska populacja) 9 250/42 422 ODZ 4– przekazywanie sygnału w synapsie, rozwój neuronów, mielinizacja aksonów GWAS-Consortium, 2012 ANK3, ODZ4, TRANK1 dwa nowe loci (ADCY2, MIR2113 i POU3F2) ; ADCY2 – enzym przekaźnictwa cAMP,G-protein coupled receptors- przekażnictwo dopaminy, noradrenalina, serotonina ( dotychczas analizowano receptory monoamin) rs12202969- MIR2113 i czynnik transkrypcyjny-POU3F2( rozwój neocortex – model zwierzęcy ( Kwan 2012) Muhleisen ,2015 (populacja polska) 9.747 / 14.278 40 % fenotypowej zmienności CHAD –wyjaśnia kumulacyjny efekt wielu częstych alleli o niewielkim efekcie działania (OR<1.2) (Lee, 2011) Heterogenność genetyczna/kliniczna • Obraz i przebieg kliniczny choroby • Fenotypy pośrednie (zaburzenia funkcji poznawczych, neurofizjologiczne..) CHAD n=514, MDD n=193, Kon n=723 ; 8 SNP, haplotypy Asocjacja trzy SNP : rs 6191 (stabilizacja mRNA), 6198 (zab.hamowania deksametazonem), 33388 (intron SNPtagowy NR3C1) asocjacja z MDD , te same rs asocjacja CHAD z dominującymi w przebiegu depresjami (haplotypy ns). NR3C1 polimorfizm - depresja i dominacja depresji w przebiegu CHAD N=516; 42 polimorfizmy genów: CLOCK, ARNTL, TIMELESS,PER3 – funkcjonalność, opisana asocjacja, tag SNP Haploview V.42 Wymiary: depresja, zab.apetytu, zab.snu, pobudzenie, psychotyczne, funkcjonowanie społeczne (OPCRIT) ARNTL – depresja ARNTL- zaburzenia apetytu ; Interakcja : ARNTL i CLOCK – zaburzenia snu (geny CLOCK - GWAS Le Niculescu 2009) Neuroobrazowanie + geny „neuroimaging genetics” (Weinberger 2010) Genotyp - system neuronalny - zachowanie (emocje, procesy poznawcze…); poziom aktywacji struktur mózgu - (test psychologiczny) w zależności od genotypu - znaczenie genu w neurobiologii zaburzeń psychicznych Mocniejszy związek genu z diagnostyczną fenotypem „funkcji mózgu” niż kategorią • CACNA1C – rs1006737 asocjacja DEP, CHAD i SCH (GWAS: Ferreira, 2008; Green, 2009; Wray, 2002) • Zespół Timothy - mutacja genu( zab. poznawcze, autystyczne, arytmia) • Gen związany z różnymi kategoriami diagnostycznymi !!! • CACNA1C - kanał wapniowy - szlaki przekazywania sygnału: kora przedczołowa, hipokamp, ciało migdałowate, układ mezolimbiczny regulacja emocji i motywacji (Pierce 2006) Allel ryzyka rs 1006737 DEP, CHAD i SCH (GWAS) • Osoby zdrowe – fMRI allel ryzyka A (homozygota AA) większa aktywacja - hipokamp przy negatywnych emocjonalnych wspomnieniach • Allel ryzyka A (homozygota AA) większa aktywacja - kora przedczołowa (niewydoloność PC) - testy kognitywne • Plejotropowy efekt genotypu „ryzyka” - różne systemy neuronalne – różne fenotypy (Arch Gen Psychiatry, 2010), replikacja w CHAD - aktywacja lewe ciało migdałowate (Tesli, 2013) • • GWAS (SCH i CHAD) allel ryzyka – a wyniki badań MRI (40 prac) ( ANK3, CACNA1C, MHC, TCF4, NRGN, DGKH, PBRMI, NCAN, ZNF804) • • Struktura: istota biała: objętość ( CACNA1C, ZNF804), istota szara- objętość (CACNA1C, NRGN, TCF4, ZNF804), Aktywacja struktur mózgu w czasie badania neuropsychologicznego: funkcje poznawcze ( pamięć operacyjna) : aktywacja hipokampa i DLPC ( ANK3, CACNA1C, DGKH, NRGN, ZNF804); Rozpoznawanie twarzy ( CACNA1C, ZNF804) • • • • • Geny (warianty) : związane z funkcją określonych systemów neuronalnych – co pośrednio związek z zaburzeniami psychicznymi (fenotyp pośredni) Wyniki badań niejednoznaczne Fenotyp może być związany z konsekwencją choroby a nie z jej przyczyną Badania GWAS – potencjalna wskazówka do badań farmakologicznych • Schizofrenia PGC- GWAS locus DRD2- od dawna znany mechanizm działania LPP • Pytanie czy inne geny wskazane w GWAS nie są potencjalnymi wskazówkami do farmakoterapii schizofrenii Grover, 2014 GWAS- PGC – lista genów z tego 40 (11%) na liście Drug Bank/update, z tego 20 genów koduje białka związane z mechanizmem już stosowanych leków. DRD2 – w GWAS OR-1,08 (38 pozycja na liście) Schizofrenia GWAS- implikacje terapeutyczne Badania kliniczne - leki dołączone do LPP • CACNA1C/CACNB1 – Verapamil (antagonista L-type calcium channel) – poprawa objawów pozytywnych (Price,1987), nieskuteczny (Grebb,1986); • Nifedipine (antagonista)- poprawa funkcji poznawczych (Schwartz, 1997), nieskuteczny (Suddath, 1991) • CHRN4- Xanomeline (receptor nikotynowy- agonista) monoterapia – poprawa objawów negatywnych i pozytywnych (Shekhar, 2008) • GRIA1 – Piracetam (receptor glutaminergiczny modulator) – poprawa PANSS vs haldol+placebo (de Bartolomeis 2012) • GRIN2A – Memantine (NMDA, antagonista) – wyniki sprzeczne (Rezael, 2103 Barkus, 2014) • GRM3 – LY2140023 (agonista receptora glutaminergicznego ) – wyniki sprzeczne (Kinon, 2011, Stauffer2013, Adams, 2014) GWAS- leki – umiarkowany optymizm: genetyczna ‚podstawa’ do dalszych badan ścieżek biologicznych, gen/środowisko- patofizjologia – badania nowych leków Analiza ścieżek biologicznych- GWAS – schizofrenia • Analiza ścieżek biologicznych – grupowanie genów- wg ich funkcjonalnego znaczenia ( pathway analysis) ( bazy danych np. KEGG- ) – ścieżki wskazane a priori • Szlak genów związanych z DRD2A; GABA, MHC; układ glutaminergiczny (NMDA-R); geny kompleksu ARC (regulator plastyczności synapsy) • Kumulacyjny efekt wielu wariantów genów – dysfunkcja biologicznego systemu np. przekazywanie sygnału w synapsie.. Pojedynczy SNP (ns.), Istotne statystycznie połączenie SNPs • SCH - indywidualne różnice - różne SNP powodują tę samą dysfunkcję biologiczną - heterogenność genetyczna choroby (Lips, 2012, PGC 2015, Chang 2015,, Docherty, 2015, Kennedy, 2015, Pocklington 2015, McAllister 2014 • Meta analiza GWAS (n=12127 replikacja n=8369) • szlaki biologiczne - (GO, KEGG) 226 genów (p<0.05) • przekaźnictwo- glutaminergiczne (GRM7, GRM1, GNG2)- (Riluzole – modulator glutaminergiczny – efekt przeciwdepresyjny Zarate, 2005); • przekaźnictwo- fosfolipaza C (PLCE1, ITPR2, CREBBP, MEFC2,GNG2) • (mechanizm działania litu, kwasu walproinowego, karbamazepiny- Wiliams 2002) • regulacja hormonalna: CRH (GL13, ITPR2, PLCG2,) oś stresu • cardiac hypertrophy signaling – (PLCE1, PLCG2, CACNA1C, GNG2) • układ kanałów wapniowych, G-protein second messengers system • (kanał wapniowy – mechanizm działania lamotriginy (Grunze 1998) Analiza zmienności liczby kopii fragmentów DNA (CNV) • Zmienność struktury genetycznej, segmentalne delecje lub duplikacje sekwencji DNA. Genomy ludzi różnią się fragmentami DNA do 2 mln. pz. występują u 2.5% chorych na schizofrenię; 0.5%= 1% kontrola, 0.5-1% CHAD • Delecja miliona pz chromosom 22 q11 (velocardiofacial syndrome, zespół DiGeorge) ryzyko -schizofrenia (Karayiorgou, 1995) • • • de novo/ odziedziczona : CNV - regiony regulatorowe, sekwencje kodujące • Ryzyko choroby większe gdy CNV występuje rzadko (OR 2-50) • (Costain 2013, Georgieva 2014, Rees, 2014, Xu 2011, Former, 2014, Kirov 2015) CNV – wiele fenotypów Gershon , Rodrigues 2013 CNV – wiele zaburzeń neurorozwojowych 11 CNV związane z SCH i innymi zaburzeniami neurorozwojowymi CNVs- (small ins/del kilku nukleotydów) – często de novo – związek z zab.poznawczymi Nosiciele CNV – ryzyko zaburzeń funkcji poznawczych nawet w grupie osób zdrowych ( Stefansson 2014) u osób chorych na SCH - zaburzenia funkcji poznawczych częściej gdy CNV (Kirov, 2015) Rzadko występujące CNV- znaczenie kliniczne wskazane CNV występują bardzo rzadko <1% populacji CNV locus typ CHAD (ryzyko%) 1q21 delecja 7.91 3q29 delecja 33.56 15q11 delecja 2.09 16.p11 duplikacja 17.p12 delecja 22.q11 delecja 4.19 SCH (ryzyko%) 9.45 6.60 26.37 68.25 Potencjalne znaczenie w przyszłości - konsultacja rodzinna: CNV u chorego –jakie jest ryzyko choroby u jego siostry i jej dzieci? CNV de novo u chorego - brak ryzyka choroby u rodzeństwa chorego Problemy etyczne- stygmatyzacja rodziny, poczucie winy rodziny – nosiciele „genów” (Gershon, Alliey-Rodriguez, 2013) Sekwencjonowanie nowej generacji • Sekwencjonowanie ekzomów - obecnie 180 000 egzomów - 30 milionów pz ( spośród 3 miliardów pz) • SCH- n= 623 trios • de novo mutacje kilku nukleotydów: 637 wariantów (1.03 mutacja/ trios) 155 „ciche”, 482 zmiana aminokwasu „nonsynonymus” – SCHgorsze wyniki w nauce- przed chorobą zab. funkcji poznawczych, wiek rodziców • Geny - postsynaptyczne białka synapsy glutaminergicznej kompleks- ARC, NMDAR- – zaburzenia plastyczności synapsy glutaminergicznej w SCH (Fromer i wsp. 2104, ARC- replikacja Huentelman 2015) • CHAD n= 191/107 mutacja genu ZNF259 u 5 chorych a nie u zdrowych (Chen, 2013) Interakcja gen/środowisko (GxE) Interakcja GxE w patogenzie choroby = jeden lub wiele wariantów genów (G) x jeden lub wiele czynników środowiskowych (E) Stres/ gen transportera serotoniny a ryzyko depresji • Stresujące wydarzenia życiowe - znaczenie w etiologii depresji: wpływ na początek choroby, nawroty choroby (Brown, 1978; Kendler, 2000) • Serotoninowa koncepcja depresji- regulacja nastroju, snu, apetytu, aktywności seksualnej, cyklów okołodobowych - geny kandydujące: kodujące receptory serotoninowe, transporter serotoniny • Gen transporter serotoniny: 5HTTLPR w promotorze genu delecja 44pz allel s – mniejsza aktywność transkrypcyjna vs allel l (Lesch, 1996) Interakcja genotypu 5HTTLPR (s/s, s/l, ll ) czynnik środowiskowy (Caspi, 2003) Przemoc w dzieciństwie Ryzyko depresji u osób w wieku 26 lat wzrasta u osób doświadczających przemocy w okresie dzieciństwa szczególnie u osób z genotypem s/s Wydarzenie stresujące 1.5 roku Ryzyko depresji wzrasta wraz z liczbą wydarzeń stresujących szczególnie u osób z genotypem s/s 5HTTLPR - heterogenność depresji Depresja występuje u osób z allelm s i allelm l ale: • Osoby z allelm s czynniki stresujące zwiększają ryzyko depresji (tzw. depresja reaktywna) , depresji nawracającej, osoby z allelem s - bardziej wrażliwe na wsparcie społeczne - czy szczególnie u nich wskazana psychoterapia? Osoby z allelm l depresja mniej związana ze stresem? (tzw. endogenna) (Kaufman, 2004; Wilhelm, 2006, Uher i Caspi 2010, negatywne- Lazary 2008) Interakcja gen x środowisko gen środowisko skutek Ref. BDNF (Val/Met allel ryzyka Met) CRHR1 (oś stresu) Stresujące zdarzenia depresja Kim i wsp.2006 Bradley i wsp. 2007 COMT (allel Metprotekcyjnie) Kanabinole Psychoza Caspi i wsp.2005 Przemoc w dzieciństwie Van Vinkel i wsp.2013 ATK1 (kinaza związana z receptorami kanabinoidowymi, rs2494732 C/C ) kanabinole Psychoza GRIN2B (rs1805529, rs1806205) CTNNA3 (koduje cadherin , związana z kardiomiopatią) Herpes simplex virus /2 in utero Cytomegalovirus in utero Psychoza/schizofrenia Demontis i wsp. 2011 Borglum i wsp.2013 Psychoza/schizofrenia Mało badań, nie replikowane, metodologia zróżnicowana Dalsze badania- duża populacja, dokładny opis np. „kanabinoli” ( kiedy, czas itp.) 5HTTLPR – genotyp ll/ls vs ss 5HTTLPR – stresujace wydarzenia (SLE) + genotyp ss – gorszy wynik terapii escitalopramem, Brak SLE + genotyp – brak efektu Nortryptylina: SLE + genotyp - nie modyfikuje efeku terapii Interakcja gen/środowisko : znaczenie nie tylko w etiologii depresji ale i w efekcie terapii (pierwsze badanie farmakogenetyczne GXE ) (Mandelli 2009 – FluwoksaminaxSLAxSS) Testy genetyczne – zwykle zamawiane bezpośrednio przez pacjenta (internet) więcej szkody niż korzyści SSRI- procent wariancji – 5HTTLPR = 2.8% (Serretti i wsp. 2008) Co myślą pacjenci ? • Pozytywnie nastawieni do genetycznych badań naukowych, nie mają moralnych wątpliwości, co do ich celowości oraz popierają badania na zasadzie dobrowolności • Przyczyna schizofrenii – 40% „tylko geny” (DeLisi 2006) • Nierealistyczne oczekiwania dotyczące badań genetycznych w psychiatrii • Pacjenci przywiązują nadmierną wagę do badań genetycznych, od testów uzależniali by decyzje życiowe • (M. Kaczmarkiewicz-Fass - „Opinie na temat badań genetycznych wyrażane przez pacjentów z chorobą afektywną dwubiegunową, ich rodziny i pracowników służby zdrowia „ 750 osób w tym 200 CHAD) Kliniczne /praktyczne implikacje ? • Nie ma podstaw naukowych do stosowania genetycznych testów diagnostycznych w zaburzeniach psychicznych • Potencjalne zagrożenia związane z przedwczesnym stosowaniem testów w praktyce klinicznej (zaniechanie farmakoterapii, zmiana planów życiowych) • Komercyjne stosowanie testów genetycznych – rzetelnie uzasadnione badaniami naukowymi (Genetic Testing for Psychiatric Disorders : A Statement by the Board of Directors of the ISPG) • Badania genetyczne – znaczenie w poznaniu psychicznych neurobiologii zab. Polskie Towarzystwo Genetyki Człowieka • „Wykonywanie testów genetycznych poza publiczną służbą zdrowia, wprowadzanych na rynek jako forma usługi, która nie podlega żadnej kontroli rodzi zagrożenia : • Udostępnianie wyników badań pacjentowi bez ich interpretacji i porady genetycznej związane – z „kosztami psychologicznymi, jakie może ponieść pacjent • Wykorzystanie testów przez towarzystwa ubezpieczeniowe • Brak zapewnienia wysokich standardów poufności danych genetycznych” Dalsze badania • Badania duże populacje - 100.tys chorych na SCH (PGC) Sekwencjonowanie nowej generacji - 180 tys ekzomów - Bipolar Sequencing Consortium • Biologiczna interpretacja wyników badań genetycznych (komórka/mózg, modele zwierzęce) • Fizjologiczne zmiany u chorych i zdrowych z wariantem genu – neuroobrazowanie, testy neuropsychologiczne • Warianty genów (częste i rzadkie) + obraz kliniczny (wiek początku, objawy) - homogenne j grupy pacjentów – spersonalizowana farmakoterapia • Interakcja genów, interakcja gen/ środowisko - epigenetyka Podsumowanie – model badań gen (natura) x środowisko (kultura) • Zakład Genetyki w Psychiatrii : M.Skibińska, P. Czerski, M. Dmitrzak A. Szczepankiewicz, P.Kapelski, A.Leszczyńska, J.Pawlak, D. Zaremba, M.Maciukiewicz, J. Hauser • Klinika Psychiatrii Dorosłych : J. Rybakowski i wsp. • Klinika Psychiatrii Dzieci i Młodzieży : A. Rajewski, A. Słopień i wsp. • Pracownia Neuropsychologiczna: J.Jaracz i wsp. • Katedra Psychiatrii PAM : Jerzy Samochowiec i wsp. • Katedra Psychiatrii Wrocław : Aleksander Beszłej, Dorota Frydecka • Instytut Psychologii UAM : Eżbieta Hornowska, • Instytut Psychiatrii Londyn: Peter McGuffin i wsp. • Instytut Genetyki Bonn: Marcus Nothen, i wsp • Instytut Genetyki Manheim – Marcella Rietschel i wsp. • Analiza baz danych i publikacji (SCH n=11 355 kont-16 416) • 11 CNV-- geny związane z białkami synapsy- kompleks genów receptora glutaminergicznego NMDAR, gabaergicznego GABAa , neuronal activity-regulated cytoskeleton-associated (ARC)) – plastyczność synapsy, funkcje poznawcze – model zwierzęcy. SCH – zaburzenia funkcji poznawczych (Pocklington 2014)