CNV-Krankheitsassoziationen
Die Wirkung von CNVs auf die Genexpression und ihre potenziell störenden Auswirkungen auf die Genstruktur und -funktion legt nahe, dass sie wahrscheinlich einen erheblichen Beitrag zu menschlichen Krankheiten leisten. Aufgrund der relativ neuen Entdeckung von CNVs, jedoch, und aktuelle Einschränkungen bei Hochdurchsatztechniken, Das volle Ausmaß der CNV-Krankheitsassoziationen ist noch nicht klar. Aufgrund der wachsenden Zahl von Fällen, in denen solche Assoziationen nachgewiesen wurden, ist es jedoch wahrscheinlich, dass sie einen wesentlichen Beitrag zur menschlichen Krankheit leisten.
Aufgrund der großen Anzahl von Genen, die von CNVs überlappt werden (Tabelle (Table1),1), ist ein signifikanter Anteil biomedizinisch relevanter Gene wahrscheinlich betroffen. In unserer CNV Discovery-Studie zum Beispiel war fast die Hälfte der Gene, die Varianten schneiden, in der OMIM-Datenbank vertreten, einschließlich Gene, die mit Mendelschen Krankheiten, genomischen Störungen und Volkskrankheiten assoziiert sind (de Smith et al., 2007). In der Tat tragen viele Veränderungen der Genkopie direkt zu monogenen Erkrankungen bei. Bei rezessiven Erkrankungen kann die Hemizygotie aufgrund der Deletion eines Gens oder eines Teils eines Gens eine Mutation auf der anderen Genkopie entlarven. Umgekehrt könnte die Duplikation einer gesunden Genkopie auf einem Chromosom theoretisch die Auswirkungen einer krankheitsverursachenden Mutation im Gen auf dem anderen Chromosom maskieren und so den Phänotyp retten. In der Tat wurde vorhergesagt, dass ein Teil der variablen Penetranz, die von vielen dominanten genetischen Störungen gezeigt wird, durch CNVs erklärt werden könnte (Beckmann et al., 2007).
Es ist bekannt, dass die autosomal dominante früh einsetzende Alzheimer-Krankheit (ADEOAD) durch Missense-Mutationen in APP-Genen auf Chromosom 21 verursacht wird, aber auch bei Patienten mit dieser Störung wurde eine Duplikation des APP-Locus gefunden (Rovelet-Lecrux et al., 2006). Es wird angenommen, dass dieser Kopienzahlgewinn zu einer Fülle von Amyloidablagerungen im Gehirn führt. In ähnlicher Weise wurde die Verdreifachung des SNCA-Gens, die zu einer Fülle von Lewy-Körpern führt, bei Patienten mit autosomal dominanter Parkinson-Krankheit assoziiert (Singleton et al., 2003). Es ist bekannt, dass keines dieser Gene bei gesunden Individuen von Varianten überlappt wird, und es wird daher angenommen, dass diese Kopienzahlgewinne der Krankheit zugrunde liegen: Solche Merkmale werden als Kopienzahlmutationen (CNMs) bezeichnet. Der Verlust oder Gewinn von exonischem Material könnte auch zu Missense-Mutationen oder Frameshifts führen: In der Tat wird die Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) normalerweise durch De-Novo-Deletionen und Duplikationen verursacht, die zu Frameshifts führen. Wenn diese heute zum ersten Mal entdeckt würden, wären sie als CNMs bekannt. Wichtig ist, dass die meisten Sequenzierungsstrategien zur Identifizierung von Mutationen, die monogene Erkrankungen verursachen, solche Varianten vermissen würden, die daher einen signifikanten Anteil der fehlenden Mutationen ausmachen und die genetische Beratung erschweren könnten.
Neben monogenen Erkrankungen sind Variationen in der Kopienzahl großer Genomregionen die zugrunde liegende Ursache vieler genomischer Störungen, und solche Aberrationen können die Kopienzahl mehrerer Gene beeinflussen. In einigen Fällen wird angenommen, dass die Dosisänderungen vieler Gene zum Phänotyp beitragen, zum Beispiel mit dem ∼1.6-Mb-Deletion auf Chromosom 7q11.23, die zum Williams-Beuren-Syndrom führt (Peoples et al., 2000). Bei anderen Erkrankungen wie CMT1A und SMS wird angenommen, dass Dosisänderungen in nur einem einzigen Gen der Krankheit zugrunde liegen (Roa et al., 1991; Slager et al., 2003). Die Interpretation der Daten aus klinischen Untersuchungen zur zugrunde liegenden Ursache von vermuteten genomischen Störungen wird häufig durch das Vorhandensein von CNVs erschwert. Wir haben noch keine vollständige Einschätzung des normalen Spektrums der Kopienzahlvariation, insbesondere in Nicht-HapMap-Populationsgruppen (The International HapMap Consortium, 2003), und daher kann es sehr schwierig sein, zwischen gutartigen CNVs und krankheitsverursachenden Varianten zu unterscheiden. Weitere Komplikationen können durch CNVs verursacht werden, die größere Aberrationen überlappen, so dass verschiedene Kombinationen von Varianten Phänotypen mildern oder verschlechtern. Dies könnte beispielsweise helfen, die verschiedenen Manifestationen von Phänotypen bei Trisomie-21-Patienten zu erklären: zum Beispiel ∼40% Patienten haben angeborene Herzfehler (Freeman et al., 1998) und ∼1% entwickeln Leukämie (Zipursky et al., 1992).
Die Situation in Bezug auf komplexe Krankheiten ist noch weniger einfach. Jüngste Fortschritte in der komplexen Krankheitsanalyse unter Verwendung genomweiter SNP-Assoziationsansätze haben neue Gene und potenzielle pathogene Wege aufgezeigt (Frayling et al., 2007; Sladek et al., 2007), aber die gefundenen SNP-Marker berücksichtigen immer noch nicht die geschätzte Erblichkeit dieser Störungen. Es ist daher wahrscheinlich, dass andere genetische Faktoren zu häufigen komplexen Störungen beitragen, einschließlich seltener Varianten, epigenetischer Modifikationen und Variation der Kopienzahl. Obwohl CNVs viele biologisch wichtige Gene überlappen, von denen einige bereits mit Krankheiten assoziiert waren, ist dies an sich kein Beweis dafür, dass sie eine Rolle bei Krankheiten spielen. Daher laufen derzeit Studien zur Identifizierung spezifischer krankheitsassoziierter CNVs. Dies hat bereits zu gemeldeten Krankheitsassoziationen mit Varianten geführt, die in scheinbar gesunden Populationen relativ häufig sind. Ein erheblicher Teil dieser Assoziationen wurde mit Genen gefunden, die am Immunsystem und an der Abwehr von Krankheiten beteiligt sind. Das erste Beispiel hierfür war die Entdeckung, dass eine niedrige Kopienzahl eines häufigen CNV einschließlich des FCGR3B-Gens mit Glomerulonephritis bei Ratten und Menschen assoziiert ist (Aitman et al., 2006). Dieses Gen spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulation von Entzündungs- und Immunantworten, insbesondere bei der Bindung von Neutrophilen an Immunkomplexe und der Clearance dieser Komplexe, und wurde seitdem mit systemischem Lupus erythematodes (SLE) und anderen systemischen Autoimmunerkrankungen in Verbindung gebracht, wie ANCA-assoziierte Vaskulitis (Fanciulli et al., 2007).
Wie bereits beschrieben, sind Variationen in der Kopienzahl eines anderen Gens, der Komplementkomponente C4, seit langem mit SLE assoziiert. Dieses Gen spielt auch eine Rolle bei der Clearance von Immunkomplexen sowie bei der Aktivierung von Komplementwegen, die gegen eindringende Mikroben wirken, und bei der Verringerung der Schwelle für die Aktivierung von B-Lymphozyten. Es wurde kürzlich bestätigt, dass niedrige Kopienzahlen von C4 das Risiko für SLE erhöhen, während hohe Kopienzahlen dieses Gens eine schützende Rolle gegen Krankheiten spielen (Yang et al., 2007).
Ein weiteres Gen, das an der Abwehr von Krankheiten beteiligt ist, ist CCL3L1, das ebenfalls in einem extrem häufigen und hochpolymorphen CNV enthalten ist. Dieses Gen wurde mit der Anfälligkeit für und dem Fortschreiten der Krankheit bei HIV in Verbindung gebracht, da CCL3L1 der effektivste Ligand für den CC-Chemokinrezeptor 5 (CCR5) ist, der der wichtigste HIV-Co-Rezeptor ist, und somit ein wichtiges HIV-suppressives Chemokin ist (Menten et al., 2002). Der Besitz einer niedrigen CCL3L1-Kopienzahl ist ein Hauptrisikofaktor für HIV, verbunden mit höheren Viruslasten und einem erhöhten nachfolgenden Verlust von T-Zellen (Gonzalez et al., 2005).
Das möglicherweise faszinierendste Beispiel für ein krankheitsassoziiertes CNV, das Gene im Zusammenhang mit dem Immunsystem überlappt, sind die Beta-Defensin-Gene, die aufgrund ihrer antimikrobiellen und proinflammatorischen Rolle Kandidaten für eine unterschiedliche Anfälligkeit für Autoimmun- und Entzündungsstörungen sind. Diese Gene variieren stark in der Kopienzahl sowohl beim Menschen (Armour et al., 2007) und auch Makaken, was darauf hindeutet, dass dies ein uralter Hotspot für die Variation der Kopienzahlen ist (Lee et al., 2008). Eine große Wiederholungseinheit auf Chromosom 8p23.1, einschließlich DEFB4, SPAG11, DEFB103, DEFB104 und DEFB105 unter anderem, ist in der Kopienzahl sehr variabel, wobei Individuen zwischen 2 und 12 Kopien pro diploidem Genom tragen. Hohe Kopienzahlen dieser Einheit erhöhen die Anfälligkeit für die häufige entzündliche Hauterkrankung Psoriasis, was mit einer übertriebenen Immunantwort einhergeht, die zu einer entzündlichen Erkrankung führt (Hollox et al., 2008). Umgekehrt wurden niedrige Kopienzahlen des DEFB4-Gens mit Morbus Crohn im Dickdarm in Verbindung gebracht, was vermutlich auf eine Schwächung der antibakteriellen Barriere in der Dickdarmschleimhaut aufgrund eines relativen Mangels an Beta-Defensinen zurückzuführen ist (Fellermann et al., 2006). Dies ist das erste Beispiel für ein häufiges CNV, das in niedrigen Kopienzahlen zu einer Krankheit führen kann, und in hohen Kopienzahlen kann zu einer anderen phänotypisch unterschiedlichen Krankheit führen.
Es wurde auch gezeigt, dass Varianten krebsrelevante Gene überlappen, beispielsweise eine 630-kb-Deletionsregion auf Chromosom 3p21.3 deletiert bei Lungenkrebs mit drei Tumorsuppressorgenen TUSC2, TUSC4 und NAT6 überlappte sich eine relativ häufige Deletion CNV in einer scheinbar gesunden Population (Wong et al., 2007). Viele andere Onkogene und Tumorsuppressoren sind von Kopienzahlvariationen betroffen, darunter LPP, MLLT3, MEN1, APC, VAV2, TNFRSF25, BCAS1 und HIC2 (Conrad et al., 2006; de Schmidt et al., 2007; Wong et al., 2007). Studien zur Bestimmung ihrer Folgen für die Krebsanfälligkeit sind im Gange, aber wir haben bereits mindestens ein Beispiel für einen signifikanten Zusammenhang. Eine UGT2B17-Deletionsvariante, die bei etwa 11-12% der gesunden Probanden gefunden wurde, weist einen signifikanten Zusammenhang mit dem Prostatakrebsrisiko bei Kaukasiern auf. Erhöhte Serumtestosteronspiegel und andere Androgene sind ein Risikofaktor für Prostatakrebs, und es wird angenommen, dass die Deletion dieses Gens, das am Androgenstoffwechsel beteiligt ist, zu erhöhten Serumandrogenspiegeln führen kann (Park et al., 2006). Eine interessante Frage, die noch untersucht werden muss, ist, ob es einen Zusammenhang zwischen den vererbten CNVs in krebsrelevanten genomischen Regionen und der Inzidenz der verschiedenen genomischen Verluste und Gewinne gibt, die während des Fortschreitens von Krebs auftreten. Da diese Veränderungen erhebliche prognostische Bedeutung haben, kann ein solcher Zusammenhang wichtige Konsequenzen für frühe Entscheidungen über das therapeutische Management haben.
Wie beschrieben, werden Gene, die an der Gehirnentwicklung beteiligt sind, in CNVs angereichert (de Smith et al., 2007), und ein Teil dieser Varianten kann daher zur Anfälligkeit für neurologische und psychiatrische Störungen wie bipolare Störung (BD) und Schizophrenie beitragen. Tatsächlich werden einige der wichtigsten BD- und Schizophrenie-Kandidatengene wie PDE4ß, CHRNA7 und DISC1 von bekannten Varianten überlappt. In einer Kohorte von BD-Patienten wurde beispielsweise ein signifikanter Anstieg für das Vorhandensein eines bekannten CNV, das das GSK3ßGEN überlappt, im Vergleich zu gesunden Kontrollen festgestellt (Lachman et al., 2007). Dies ist ein glaubwürdiges Kandidatengen für BD, da es an der Entwicklung neuronaler Zellen beteiligt ist, und es wurde gezeigt, dass transgene Mäuse mit GSK3ß-Überexpression klinische Manie mit erhöhter lokomotorischer Aktivität und akustischer Schreckreaktion nachahmen (Prickaerts et al., 2006). Die GSK3ßVARIANTE wurde bisher nur in zwei gesunden Kontrollproben nachgewiesen, so dass sie als seltene CNV beschrieben werden konnte. Einige Studien, die auf die Identifizierung von Varianten abzielen, die mit bestimmten Krankheiten assoziiert sind, haben jedoch Varianten der Genkopiezahl aufgedeckt, die nur bei Patienten mit diesen Krankheiten und nicht in der Allgemeinbevölkerung vorhanden sind. Diese Varianten sollten daher ordnungsgemäß als Kopienzahlmutationen (CNMs) bezeichnet werden, da sie in der Allgemeinbevölkerung nicht mit nennenswerter Häufigkeit (> 1%) vorhanden sind und die direkte Ursache von Krankheiten sein können, anstatt als Suszeptibilitätsloci zu fungieren.
Zusätzlich zu den üblichen CNVs, die bei neurologischen Störungen eine Rolle spielen, wurden auch eine Reihe von De-novo-CNMs mit solchen Erkrankungen in Verbindung gebracht. Varianten mit drei im Gehirn exprimierten Genen, die an der Glutamatsignalisierung beteiligt sind, GLUR7, AKAP5 und CACNG2, wurden nur bei Patienten mit Schizophrenie in einer Studie gefunden (Wilson et al., 2006). Es wird spekuliert, dass diese Gene während der frühen menschlichen Embryonalentwicklung differentiell exprimiert werden und dass die Entwicklung eines normalen Zentralnervensystems von einer komplexen Regulation dieser Gene abhängt (Wilson et al., 2006). Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigt auch, dass seltene De-Novo-Varianten mit hoher Penetranz in einigen Fällen einer Schizophrenie zugrunde liegen können. In: Xu et al. (2008) fanden eine Häufigkeit von 10% neuartiger Varianten bei Patienten mit sporadischer Schizophrenie, die achtmal höher war als bei Kontrollen. Die Anzahl der Gene, die von diesen Varianten überlappt wurden, war relativ gering, aber die GO-Analyse zeigte, dass die am stärksten angereicherten Kategorien Wege sind, die mit der neuronalen Entwicklung assoziiert sind (Xu et al., 2008). Diese Ergebnisse spiegeln sich in einem anderen kürzlich veröffentlichten Bericht über eine Assoziation mit seltenen Varianten wider, die neurologische Entwicklungsgene bei Schizophrenie beeinflussen (Walsh et al., 2008).
Die Ergebnisse dieser Studien zur Schizophrenie weisen Parallelen zu neueren Untersuchungen zur Genetik des Autismus auf, da auch Assoziationen von De-novo-Varianten mit dieser neurologischen Entwicklungsstörung festgestellt wurden (Sebat et al., 2007; Marshall et al., 2008). In: Sebat et al. (2007), zum Beispiel, fand die Häufigkeit von spontanen Mutationen zu 10% in sporadischen Fällen von Autismus, verglichen mit nur 1% in nicht betroffenen Kontrollen, und eine Reihe von Genen, einschließlich SHANK3, NLGN4 und NRXN1, wurden in die Ätiologie von Autismus durch Studien der Kopienzahlvariation verwickelt. Die Interpretation dieser Daten ist jedoch etwas kompliziert durch die Schwierigkeiten, die damit verbunden sind, (a) nachzuweisen, dass eine bestimmte Variation der Kopienzahl tatsächlich de novo ist (die meisten aktuellen Methoden leiden unter hohen falsch negativen sowie falsch positiven Ergebnissen) und (b) die ’normale‘ Rate der Erzeugung von De Novo-Kopienzahländerungen festzustellen.
Die Unterscheidung zwischen häufigen Genkopien und seltenen CNMs ist nicht immer eindeutig. Ein besonderes Beispiel hierfür sind die häufigen Kopienzahlgewinne und -verluste der Region auf Chromosom 7, die die PRSS1- und PRSS2-Gene enthält, Missense-Mutationen, von denen bekannt ist, dass sie eine erbliche Pankreatitis verursachen. Hierbei handelt es sich um eine autodigestive Erkrankung, bei der durch die vorzeitige Aktivierung von Trypsin eine Aktivierungskaskade pankreatischer Verdauungsenzyme ausgelöst wird (Le Marechal et al., 2006). CNVs, die die beiden Gene überlappen, wurden bei gesunden Personen gefunden, aber eine Verdreifachung dieser Region ist mit einer Krankheit verbunden. Es wird angenommen, dass die erhöhte Dosierung der triplizierten PRSS1- und PRSS2-Gene das Gleichgewicht zwischen Aktivierung und Hemmung von Trypsin im Pankreas stören kann (Le Marechal et al., 2006), was darauf hindeutet, dass eine Duplikation desselben Locus auf beiden Chromosomen den gleichen Effekt haben könnte. Die triplizierte Region ist daher eine Kopienzahlmutation, die der Krankheit zugrunde liegt, während ein einzelner Kopiengewinn auf einem Chromosom (d. H. Duplikations-CNV) als Prämutations-CNV für den nachteiligen Phänotyp beschrieben werden könnte. Die Situation wird jedoch durch die kürzlich erfolgte Identifizierung einer Duplikation dieses Locus bei vier Patienten mit hereditärer Pankreatitis, die bei Kontrollen nicht gefunden wurde, weiter erschwert (Masson et al., 2008b): Es ist daher möglich, dass die Duplikation dieses Locus bei einigen Personen Krankheiten verursachen kann, bei anderen jedoch als gutartiges CNV wirkt.
Es wurde kürzlich auch gezeigt, dass dieselbe Krankheit auf einen anderen genetischen Mechanismus zurückzuführen ist. Wie bereits erwähnt, Masson et al. (2008a) identifizierten ein hybrides PRSS2 / PRSS1-Gen, von dem sie beschreiben, dass es in einer französischen Familie mit erblicher Pankreatitis einen doppelten Funktionsgewinn mit qualitativen und quantitativen Konsequenzen hat. Dieses Fusionsgen besteht im Wesentlichen aus einer Duplikation der Hälfte jedes Gens und wirkt somit als ‚quantitatives‘ CNM zusätzlich zu einer ‚qualitativen‘ Missense-Mutation, die zu einem hoch penetranten Phänotyp in dieser Familie geführt hat. Dies scheint eine neuartige Genotyp-Phänotyp-Beziehung zu sein.
Bisher wurden nur sehr wenige Untersuchungen durchgeführt, um die Doppelwirkungen von CNVs und SNPs zu untersuchen. Ein Beispiel ist jedoch die Analyse des Komplementfaktor-H- und Membran-Cofaktor (CFH) -Gens, das eine Aminosäurenvariante enthält, die für eine altersbedingte Makuladegeneration prädisponiert (Klein et al., 2005). Dieses Gen ist in einer CNV-Region enthalten; Daher ist es möglich, dass Variationen in der Kopienzahl dieses Gens oder seiner umgebenden genomischen Region das Krankheitsrisiko verändern könnten. Ein Haplotyp, der Deletionen der nahegelegenen CFHR1- und CFHR3-Gene trägt, hat sich als schützend gegen die Krankheit erwiesen (Hughes et al., 2006). Dieses Beispiel unterstreicht die Notwendigkeit, den Beitrag beider Variantentypen zu komplexen Phänotypen und Krankheiten zu bewerten, da Fälle wie diese möglicherweise nur die Spitze des Eisbergs sind (Masson et al., 2008a).
Es ist daher wahrscheinlich, dass Variationen in der Anzahl der Genkopien eine wichtige Rolle für die menschliche Gesundheit spielen, wobei einige häufige Gen-CNVs die Anfälligkeit für bestimmte komplexe Krankheiten erhöhen, während sogenannte CNMs die direkte Ursache für Mendelsche ähnliche Krankheiten sind. Aktuelle Schätzungen deuten darauf hin, dass Kopienzahlvarianten das menschliche Genom stärker überlappen als SNPs (aktuelle Schätzungen von ∼29% bp vgl. 0,4% (http://projects.tcag.ca/variation)); Es muss jedoch noch nachgewiesen werden, ob CNVs die Hauptquelle für interindividuelle Unterschiede im physiologischen Phänotyp sowie in der allgemeinen Fitness und Krankheitsanfälligkeit sind. Die Interaktion zwischen funktionell relevanten SNPs und CNVs erhöht die Komplexität der Untersuchungen.