CNV-sygdomsforeninger
virkningen af CNV ‘ er på genekspression og deres potentielt forstyrrende virkninger på genstruktur og funktion antyder, at de sandsynligvis vil yde et betydeligt bidrag til menneskelige sygdomme. På grund af den relativt nylige opdagelse af CNV ‘ er, imidlertid, og nuværende begrænsninger i teknikker med høj kapacitet, det fulde omfang af CNV-sygdomsforeninger er endnu ikke klart. Ikke desto mindre er det sandsynligt, at de fra det stigende antal tilfælde, hvor sådanne foreninger er blevet påvist, yder et væsentligt bidrag til menneskers sygdom.
i betragtning af det store antal gener,der overlappes af CNV ‘ er (Tabel (Tabel1), 1), vil en betydelig andel af biomedicinsk relevante gener sandsynligvis blive påvirket. I vores CNV discovery-undersøgelse var for eksempel næsten halvdelen af generne, der skærer varianter, repræsenteret i omim-databasen, herunder gener forbundet med Mendelske sygdomme, genomiske lidelser og almindelige sygdomme (de Smith et al., 2007). Faktisk bidrager mange genkopieringsnummerændringer direkte til monogene sygdomme. Ved recessive sygdomme kan hemisygositet på grund af deletion af et gen eller en del af et gen afsløre en mutation på den anden genkopi. Omvendt kunne duplikering af en sund genkopi på et kromosom teoretisk maskere virkningerne af en sygdomsfremkaldende mutation i genet på det andet kromosom og dermed redde fænotypen. Det er faktisk blevet forudsagt, at en andel af den variable penetrans, der er vist ved mange dominerende genetiske lidelser, kunne forklares med CNV ‘ er (Beckmann et al., 2007).
Autosomal dominant tidlig debut sygdom (ADEOAD) er kendt for at være forårsaget af missense mutationer i APP-gener på kromosom 21, men duplikering af APP locus er også fundet hos patienter med denne lidelse., 2006). Denne kopi nummer gevinst menes at føre til en overflod af amyloidaflejringer i hjernen. Tilsvarende er triplikation af SNCA-genet, som fører til en overflod af uhyggelige kroppe, blevet forbundet hos patienter med autosomal dominerende Parkinsons sygdom (Singleton et al., 2003). Ingen af disse gener vides at være overlappet af varianter hos raske individer, og disse kopiantalgevinster menes derfor at ligge til grund for sygdom: sådanne træk kaldes kopiantalmutationer (CNMs). Tab eller gevinst af eksonisk materiale kan også resultere i missense mutationer eller frameshifts: faktisk er Duchenne muskeldystrofi (DMD) normalt forårsaget af de novo sletninger og duplikationer, der resulterer i frameshifts. Hvis disse blev opdaget for første gang i dag, ville de blive kendt som CNMs. Det er vigtigt, at de fleste sekventeringsstrategier til identifikation af mutationer, der forårsager monogen sygdom, går glip af sådanne varianter, hvilket derfor kan tegne sig for en betydelig andel af ‘manglende’ mutationer og komplicere genetisk rådgivning.
såvel som monogene sygdomme er variationer i kopiantal af store genomiske regioner den underliggende årsag til mange genomiske lidelser, og sådanne afvigelser kan påvirke kopiantallet af flere gener. I nogle tilfælde, dosisændringer af mange gener menes at bidrage til fænotype, for eksempel med kr1.6-Mb deletion ved kromosom 7k11. 23, der fører til Uilams-Beuren syndrom (Peoples et al., 2000). I andre lidelser, såsom CMT1A og SMS, menes dosisændringer i kun et enkelt gen at ligge til grund for sygdom (Roa et al., 1991; Slager et al., 2003). Fortolkning af data fra kliniske undersøgelser af den underliggende årsag til mistænkte genomiske lidelser kompliceres ofte af tilstedeværelsen af CNV ‘ er. Vi har endnu ikke en fuld forståelse af det normale spektrum af kopiantalvariation, især i ikke-HapMap (International HapMap Consortium, 2003) befolkningsgrupper, og det kan derfor være meget vanskeligt at skelne mellem godartede CNV ‘ er og sygdomsfremkaldende varianter. Yderligere komplikationer kan være forårsaget af CNV ‘ er, der overlapper større afvigelser, så forskellige kombinationer af varianter mildner eller forværrer fænotyper. Dette kan hjælpe med at forklare for eksempel de forskellige manifestationer af fænotyper, der ses hos trisomi 21 patienter: for eksempel har karrus 40% patienter medfødte hjertefejl (Freeman et al. 1998) og 1% udvikler leukæmi (Sipursky et al., 1992).
situationen med hensyn til kompleks sygdom er endnu mindre ligetil. Nylige fremskridt inden for kompleks sygdomsanalyse ved hjælp af genomdækkende SNP-associeringsmetoder har fremhævet nye gener og potentielle patogene veje (Frayling et al., 2007; Sladek et al., 2007), men de fundne SNP-markører tegner sig stadig ikke for den estimerede arvelighed af disse lidelser. Det er derfor sandsynligt, at andre genetiske faktorer bidrager til almindelige komplekse lidelser, herunder sjældne varianter, epigenetiske modifikationer og kopi nummer variation. Selvom CNV ‘ er overlapper mange biologisk vigtige gener, hvoraf flere allerede var forbundet med sygdom, er dette ikke i sig selv bevis for, at de spiller en rolle i sygdom. Derfor er der nu undersøgelser i gang for at identificere specifikke sygdomsassocierede CNV ‘ er. Dette har allerede ført til rapporterede sygdomsforeninger med varianter, der er relativt almindelige i tilsyneladende sunde populationer. En væsentlig del af disse foreninger er fundet med gener involveret i immunsystemet og i forsvar mod sygdom. Det første eksempel på dette var opdagelsen af, at lavt kopiantal af en hyppig CNV inklusive fcgr3b-genet er forbundet med glomerulonephritis hos rotter og mennesker (aitman et al., 2006). Dette gen spiller en nøglerolle i reguleringen af inflammatoriske og immunresponser, især i tethering af neutrofiler til immunkomplekser og clearance af disse komplekser, og har siden været forbundet med systemisk lupus erythematosus (SLE) og andre systemiske autoimmune lidelser, såsom ANCA-associeret vaskulitis (Fanciulli et al., 2007).
som beskrevet tidligere har variationer i kopiantal af et andet gen, komplementkomponent C4, længe været forbundet med SLE. Dette gen spiller også en rolle i clearance af immunkomplekser såvel som i aktiveringen af komplementveje, der virker mod invaderende mikrober, og i reduktionen af tærsklen for B-lymfocytaktivering. Det er for nylig blevet bekræftet, at lave kopiantal af C4 øger risikoen for SLE, mens høje kopiantal af dette gen har en beskyttende rolle mod sygdom (Yang et al., 2007).
et andet gen involveret i forsvar mod sygdom er CCL3L1, som også er inkorporeret i en ekstremt almindelig og meget polymorf CNV. Dette gen er blevet impliceret i modtagelighed for og sygdomsprogression i HIV, da CCL3L1 er den mest effektive ligand for CC chemokinreceptor 5 (CCR5), som er den største HIV-co-receptor, og derfor er det et vigtigt HIV-undertrykkende kemokin (Menten et al., 2002). Besiddelse af lavt ccl3l1-kopinummer er en vigtig risikofaktor for HIV, forbundet med højere virale belastninger og øget efterfølgende tab af T-celler., 2005).
muligvis det mest spændende eksempel på en sygdomsassocieret CNV, der overlapper gener relateret til immunsystemet, er beta defensin-generne, som er kandidater til variation i modtagelighed for autoimmune og inflammatoriske lidelser på grund af deres antimikrobielle og proinflammatoriske roller. Disse gener varierer meget i kopiantal både hos mennesker (Armour et al., 2007) og også makakker, hvilket tyder på, at dette er et gammelt hotspot for kopi nummer variation (Lee et al., 2008). En stor gentagelsesenhed ved kromosom 8p23.1, herunder DEFB4, SPAG11, DEFB103, DEFB104 og DEFB105 blandt andre, er meget variabel i kopi nummer, med individer bærer mellem 2 og 12 kopier pr diploid genom. Høje kopiantal af denne enhed øger følsomheden over for den almindelige inflammatoriske hudsygdom psoriasis, i overensstemmelse med et overdrevet immunrespons, der fører til en inflammatorisk sygdom., 2008). Omvendt har lave kopiantal af DEFB4-genet været forbundet med Colon Crohns sygdom, hvilket menes at skyldes en svækkelse af den antibakterielle barriere i colon mucosa på grund af relativ mangel på beta-defensiner (fellermann et al., 2006). Dette er det første eksempel på en almindelig CNV, der i lave kopiantal kan føre til en sygdom, og i høje kopiantal kan føre til en anden fænotypisk særskilt sygdom.
varianter har også vist sig at overlappe kræftrelevante gener, for eksempel en 630 kb deletion region på kromosom 3p21.3 slettet i lungekræft, der inkorporerer tre tumorundertrykkende gener TUSC2, TUSC4 og NAT6, viste sig at overlappe en relativt almindelig deletion CNV i en tilsyneladende sund population., 2007). Mange andre onkogener og tumor-suppressorer påvirkes af kopi nummer variation, herunder LPP, MLLT3, MEN1, APC, VAV2, TNFRSF25, BCAS1 og HIC2 (Conrad et al., 2006; De Smith et al., 2007; Jens et al., 2007). Undersøgelser for at bestemme deres konsekvenser for kræftfølsomhed er i gang, men vi har allerede mindst et eksempel på en betydelig forening. En UGT2B17-sletningsvariant, der findes hos omkring 11-12% af raske forsøgspersoner, udviser en signifikant sammenhæng med risikoen for prostatacancer hos kaukasiere. Øgede niveauer af serumtestosteron og andre androgener er en risikofaktor for prostatacancer, og det antages, at sletning af dette gen, som er involveret i androgenmetabolisme, kan føre til øgede serumandrogenniveauer (Park et al., 2006). Et interessant spørgsmål, som endnu ikke er undersøgt, er, om der er nogen sammenhæng mellem de arvelige CNV ‘ er i kræftrelevante genomiske regioner og forekomsten af de forskellige genomiske tab og gevinster, der opstår under kræftprogression. Da disse ændringer har betydelig prognostisk betydning, kan et sådant forhold have vigtige konsekvenser for tidlige beslutninger om terapeutisk styring.
som beskrevet er gener involveret i hjerneudvikling beriget i CNV ‘ er (de Smith et al., 2007), og en del af disse varianter kan derfor bidrage til modtagelighed for neurologiske og psykiatriske lidelser, såsom bipolar lidelse (BD) og schisofreni. Faktisk overlappes nogle af de vigtigste BD-og schisofreni-kandidatgener, såsom PDE4-Krar, CHRNA7 og DISC1, af kendte varianter. I en kohorte af BD-patienter blev der for eksempel fundet en signifikant stigning for tilstedeværelsen af en kendt CNV, der overlappede Gsk3-Kursten sammenlignet med sunde kontroller (Lachman et al., 2007). Dette er et troværdigt kandidatgen for BD, da det er involveret i neuronal celleudvikling, og transgene mus med Gsk3-Kuroverekspression har vist sig at efterligne handlinger af klinisk mani med øget lokomotorisk aktivitet og akustisk skræmmende respons (Prickaerts et al., 2006). Gsk3-Krisvarianten er hidtil kun dokumenteret i to sunde kontrolprøver, så den kunne beskrives som en sjælden CNV. Nogle undersøgelser, der sigter mod identifikation af varianter forbundet med bestemte sygdomme, har imidlertid afdækket genkopiantalvarianter, der kun er til stede hos patienter med disse sygdomme og ikke i den generelle befolkning. Disse varianter bør derfor korrekt betegnes copy number mutations (CNMs), da de ikke er til stede med mærkbar frekvens (>1%) i den generelle befolkning og kan være den direkte årsag til sygdom snarere end at fungere som følsomhedslok.
ud over almindelige CNV ‘er, der spiller en rolle i neurologiske lidelser, har et antal de novo CNM’ er også været forbundet med sådanne sygdomme. Varianter, der inkorporerer tre hjerneudtrykte gener involveret i glutamatsignalering, GLUR7, AKAP5 og CACNG2, blev kun fundet hos patienter med schisofreni i en undersøgelse., 2006). Det spekuleres i, at disse gener udtrykkes differentielt under tidlig menneskelig embryonal udvikling, og at udviklingen af et normalt centralnervesystem afhænger af kompleks regulering af disse gener., 2006). En nylig undersøgelse indikerer også, at sjældne de novo-varianter med høj penetrans i nogle tilfælde kan ligge til grund for schisofreni. Et al. (2008) fandt en frekvens på 10% af nye varianter hos patienter med sporadisk schisofreni, hvilket var otte gange højere end i kontroller. Antallet af gener overlappet af disse varianter var relativt lille, men GO-analyse viste, at de mest berigede kategorier var veje forbundet med neuronal udvikling., 2008). Disse resultater afspejles af en anden nylig rapport om en forbindelse med sjældne varianter, der påvirker neuroudviklingsgener i tilfælde af schisofreni., 2008).
resultaterne af disse undersøgelser af schisofreni har paralleller i nylige undersøgelser af autismens genetik, da foreninger af de novo-varianter også er blevet bestemt med denne neuroudviklingsforstyrrelse (Sebat et al., 2007; Marshall et al., 2008). Sebat et al. (2007) fandt for eksempel hyppigheden af spontane mutationer at være 10% i sporadiske tilfælde af autisme sammenlignet med kun 1% i upåvirkede kontroller, og et antal gener, herunder SHANK3, NLGN4 og NRKSN1, er blevet impliceret i autismens ætiologi gennem undersøgelser af kopi nummer variation. Fortolkning af disse data er dog noget kompliceret af de vanskeligheder, der er forbundet med (A) at bevise, at en bestemt kopiantalvariation faktisk er de novo (de fleste nuværende metoder lider af høje falske negative såvel som falske positive resultater) og (B) etablering af den ‘normale’ generation af de novo kopiantalændringer.
sondringen mellem almindelige genkopieringsnummervarianter og sjældne CNMs er ikke altid klar. Et særligt eksempel på dette er de almindelige kopiantalgevinster og-tab i regionen på kromosom 7, der inkorporerer PRSS1-og PRSS2-generne, missense-mutationer, hvor det vides at forårsage arvelig pancreatitis. Dette er en autodigestiv sygdom, hvorved en aktiveringskaskade af fordøjelsessymer i bugspytkirtlen er forårsaget af for tidlig aktivering af trypsin (Le Marechal et al., 2006). CNV ‘ er, der overlapper de to gener, er fundet hos raske individer, men en triplikation af denne region er forbundet med sygdom. Det antages, at den øgede dosis af de triplicerede PRSS1-og PRSS2-gener kan forstyrre balancen mellem aktivering og inhibering af trypsin i bugspytkirtlen (Le Marechal et al., 2006), hvilket antyder, at en duplikering af det samme locus på begge kromosomer kunne have den samme effekt. Den tredobbelte region er derfor en kopi nummer mutation, der ligger til grund for sygdom, hvorimod en enkelt kopi gevinst på et kromosom (dvs.duplikering CNV) kunne beskrives som en premutation CNV for den ugunstige fænotype. Situationen er imidlertid yderligere kompliceret ved den nylige identifikation af en duplikering af dette locus hos fire patienter med arvelig pancreatitis, som ikke blev fundet i kontroller (Masson et al., 2008b): det er derfor muligt, at duplikering af dette locus hos nogle individer kan forårsage sygdom, men i andre fungere som en godartet CNV.
den samme sygdom har også for nylig vist sig at skyldes en anden genetisk mekanisme helt. Som nævnt tidligere, Masson et al. (2008a) identificerede et hybrid PRSS2/PRSS1-gen, som de beskriver som at have en ‘dobbelt forstærkning af funktion’-effekt, med både kvalitative og kvantitative konsekvenser, i en fransk familie med arvelig pancreatitis. Dette fusionsgen består i det væsentlige af en duplikering af halvdelen af hvert gen og fungerer således som en ‘kvantitativ’ CNM ud over en ‘kvalitativ’ missense-mutation, hvilket har resulteret i en meget penetrerende fænotype i denne familie. Dette ser ud til at være et nyt genotype-fænotype-forhold.
meget få undersøgelser er hidtil blevet udført for at undersøge de dobbelte virkninger af CNV ‘er og SNP’ er. Et eksempel er imidlertid analyse af komplementfaktoren H og membrancofaktor (CFH) genet, som indeholder en aminosyrevariant, der disponerer for aldersrelateret makuladegeneration (Klein et al., 2005). Dette gen er indeholdt i en CNV-region; det er således muligt, at variationer i kopiantal af dette gen eller dets omgivende genomiske region kan ændre risikoen for sygdom. Til støtte for dette har en haplotype, der bærer sletninger af de nærliggende CFHR1-og CFHR3-gener, vist sig at være beskyttende mod sygdommen (Hughes et al., 2006). Dette eksempel fremhæver behovet for at evaluere bidraget fra begge typer varianter til komplekse fænotyper og sygdomme, da tilfælde som disse kun kan være toppen af isbjerget (Masson et al., 2008a).
det er derfor sandsynligt, at variationer i genkopienummer spiller en vigtig rolle i menneskers sundhed, hvor nogle almindelige Gen-CNV ‘er øger følsomheden over for visse komplekse sygdomme, mens såkaldte CNM’ er er den direkte årsag til Mendelian-lignende sygdomme. Nuværende estimater indikerer, at kopiantalvarianter overlapper mere af det humane genom end SNP ‘ er (nuværende estimater på 29% BP cf. 0,4% (http://projects.tcag.ca/variation)); det er imidlertid stadig at bevise, om CNV ‘ er er den vigtigste kilde til interindividuelle forskelle i fysiologisk fænotype såvel som generel fitness og sygdomsfølsomhed. Samspillet mellem funktionelt relevante SNP ‘er og CNV’ er tilføjer undersøgelser et yderligere niveau af kompleksitet.