CNV-tautiyhdistykset
CNV-geenien vaikutus geenien ilmentymiseen ja niiden mahdollisesti häiritsevät vaikutukset geenien rakenteeseen ja toimintaan viittaavat siihen, että niillä on todennäköisesti huomattava vaikutus ihmisten sairauksiin. Koska CNV-tauteja on kuitenkin löydetty suhteellisen äskettäin ja koska suuret läpimenotekniikat ovat nykyisin rajallisia, CNV-tautiyhdistysten koko laajuus ei ole vielä selvillä. On kuitenkin todennäköistä, että yhä useammat tapaukset, joissa tällaiset yhteydet on osoitettu, edistävät merkittävästi ihmisten sairauksia.
kun otetaan huomioon CNVs: n päällekkäisten geenien suuri määrä (taulukko (Taulukko1),1), vaikutukset ovat todennäköisiä merkittävälle osalle biolääketieteellisesti merkittävistä geeneistä. Esimerkiksi CNV discovery-tutkimuksessamme lähes puolet risteävistä geeneistä oli edustettuna OMIM-tietokannassa, mukaan lukien Mendelin sairauksiin, genomihäiriöihin ja yleisiin sairauksiin liittyvät geenit (de Smith et al., 2007). Monet geenien kopiolukumuutokset johtavatkin suoraan monogeenisiin sairauksiin. Resessiivisissä sairauksissa geenin tai geenin osan poistosta johtuva hemizygositeetti voi paljastaa mutaation toisessa geenikopiossa. Vastaavasti terveen geenikopion kahdentaminen toisessa kromosomissa voisi teoriassa peittää geenissä olevan tautia aiheuttavan mutaation vaikutukset toiseen kromosomiin ja näin pelastaa fenotyypin. Itse asiassa on ennustettu, että osa monien hallitsevien geneettisten häiriöiden osoittamasta vaihtelevasta penetranssista voitaisiin selittää CNVs: llä (Beckmann et al., 2007).
autosomaalinen dominantti varhainen alkava Alzheimerin tauti (ADEOAD) tiedetään johtuvan missense-mutaatioista app-geeneissä kromosomissa 21, mutta App-lokuksen päällekkäisyyttä on havaittu myös tätä häiriötä sairastavilla potilailla (Rovelet-Lecrux et al., 2006). Tämän kopioluvun vahvistumisen arvellaan johtavan amyloidikertymien runsauteen aivoissa. Samoin snca-geenin triplaatio, joka johtaa Lewyn kappaleiden runsauteen, on yhdistetty autosomaalisesti dominoivalla Parkinsonin taudilla (Singleton et al., 2003). Kummankaan näistä geeneistä ei tiedetä olevan terveiden yksilöiden muunnosten päällekkäisiä, ja näiden kopiointimäärien lisääntymisen ajatellaan siksi olevan sairauksien taustalla: tällaisia ominaisuuksia kutsutaan kopiointimäärämutaatioiksi (CNMs). Eksonisen materiaalin häviäminen tai voitto voi myös johtaa missense-mutaatioihin tai kehyksensiirtoihin: Duchennen lihasdystrofia (DMD) johtuu yleensä de novo-poistoista ja päällekkäisyyksistä, jotka johtavat kehyksensiirtoihin. Jos nämä löydettäisiin ensimmäistä kertaa tänään, ne tunnettaisiin CNMs: nä. On tärkeää, että useimmista monogeenisia sairauksia aiheuttavien mutaatioiden tunnistusstrategioista puuttuisi tällaisia variantteja, jotka saattaisivat siten selittää merkittävän osan puuttuvista mutaatioista ja vaikeuttaa geneettistä neuvontaa.
samoin kuin monogeeniset sairaudet, suurten genomialueiden kopiomäärän vaihtelut ovat monien genomihäiriöiden perimmäinen syy, ja tällaiset poikkeamat voivat vaikuttaa useiden geenien kopiomääriin. Joissakin tapauksissa monien geenien annosmuutosten ajatellaan edistävän fenotyyppiä, esimerkiksi ∼1: llä.6-Mb: n poisto kromosomissa 7q11.23, joka johtaa Williams-Beurenin oireyhtymään (Peoples et al., 2000). Muissa sairauksissa, kuten CMT1A: ssa ja SMS: ssä, vain yhden geenin annosmuutosten arvellaan aiheuttavan sairauksia (Roa et al., 1991; Slager ym., 2003). Genomihäiriöepäilyjen perussyytä koskevista kliinisistä tutkimuksista saatujen tietojen tulkintaa vaikeuttaa usein CNV: n esiintyminen. Meillä ei ole vielä täyttä käsitystä kopioluvun normaalista vaihtelusta, erityisesti muissa kuin HapMap-väestöryhmissä (The International HapMap Consortium, 2003), joten hyvänlaatuisten CNV: iden ja tauteja aiheuttavien varianttien erottaminen toisistaan voi olla hyvin vaikeaa. Lisäkomplikaatioita voivat aiheuttaa CNV: t, jotka limittyvät suurempiin poikkeamiin, niin että erilaiset varianttiyhdistelmät lieventävät tai pahentavat fenotyyppejä. Tämä voi auttaa selittämään esimerkiksi trisomia 21 potilaalla Havaittujen fenotyyppien eri ilmenemismuotoja: esimerkiksi ∼40% potilaista on synnynnäinen sydänvika (Freeman et al., 1998) ja ∼1%: lla kehittyy leukemia (Zipursky et al., 1992).
monimutkaisen sairauden tilanne on vielä mutkattomampi. Viimeaikaiset edistysaskeleet monimutkaisessa tautianalyysissä, käyttäen genomin laajuisia SNP association lähestymistapoja, ovat korostaneet uusia geenejä ja mahdollisia patogeenisiä reittejä (Frayling et al., 2007; Sladek et al., 2007), mutta löydetyt SNP-merkit eivät vieläkään selitä näiden häiriöiden arvioitua heritabiliteettia. On siis todennäköistä, että yleisiin monimutkaisiin häiriöihin vaikuttavat muutkin perintötekijät, kuten harvinaiset variantit, epigeneettiset muunnokset ja kopioluvun vaihtelu. Vaikka CNV: t ovat päällekkäisiä monien biologisesti tärkeiden geenien kanssa, joista useat ovat jo liittyneet sairauksiin, tämä ei sinänsä todista, että niillä olisi osuutta sairauksiin. Siksi parhaillaan on käynnissä tutkimuksia tiettyjen tauteihin liittyvien CNV: iden tunnistamiseksi. Tämä on jo johtanut ilmoitettuihin tautiyhdistelmiin, joissa esiintyy variantteja, jotka ovat suhteellisen yleisiä ilmeisen terveissä populaatioissa. Huomattava osa näistä yhteyksistä on löydetty geeneistä, jotka osallistuvat immuunijärjestelmään ja puolustautuvat sairauksia vastaan. Ensimmäinen esimerkki tästä oli havainto, että alhainen kopio määrä usein CNV lukien FCGR3B geeni liittyy glomerulonefriitti rotilla ja ihmisillä (Aitman et al., 2006). Tämä geeni on keskeinen rooli säätelyssä tulehduksellinen ja immuunivaste, erityisesti kytkeminen neutrofiilien immuunikomplekseja ja puhdistuma näiden kompleksien, ja on sittemmin liittynyt systeeminen lupus erythematosus (SLE) ja muut systeemiset autoimmuunisairaudet, kuten ANCA-liittyvä vaskuliitti (Fanciulli et al., 2007).
kuten aiemmin on kuvattu, toisen geenin, komplementtikomponentti C4: n kopioluvun vaihtelut on jo pitkään yhdistetty SLE: hen. Tällä geenillä on myös rooli immuunikompleksien puhdistumisessa sekä hyökkääviä mikrobeja vastaan toimivien komplementtireittien aktivoitumisessa ja B-lymfosyyttien aktivaatiokynnyksen madaltumisessa. Äskettäin on vahvistettu, että C4: n pienet kopiomäärät lisäävät SLE: n riskiä, kun taas tämän geenin suurilla kopiomäärillä on suojaava rooli tautia vastaan (Yang et al., 2007).
toinen tautia vastaan puolustautuva geeni on CCL3L1, joka on myös sisällytetty erittäin yleiseen ja erittäin polymorfiseen CNV: hen. Tämä geeni on osallisena alttius ja taudin etenemistä HIV, koska CCL3L1 on tehokkain ligandi CC kemokiini reseptori 5 (CCR5), joka on tärkein HIV co-reseptori, joten se on tärkeä HIV-suppressiivinen kemokiini (Menten et al., 2002). Alhaisen ccl3l1-kopioluvun hallussapito on merkittävä HIV: n riskitekijä, joka liittyy korkeampaan viruskuormaan ja lisääntyneeseen T-solujen menetykseen (Gonzalez et al., 2005).
ehkä kiehtovin esimerkki tautiin liittyvästä CNV: stä, joka on päällekkäinen immuunijärjestelmään liittyvien geenien kanssa, ovat beetadefensiinigeenit, joiden alttius autoimmuunisairauksien ja tulehdusten häiriöille vaihtelee niiden anti-mikrobien ja tulehdusta edistävien roolien vuoksi. Nämä geenit vaihtelevat suuresti kopioluku sekä ihmisillä (Armour et al., 2007) ja myös makakeja, mikä viittaa siihen, että tämä on muinainen hotspot kopioiden lukumäärän vaihtelu (Lee et al., 2008). Suuri toistoyksikkö kromosomissa 8p23.1, mukaan lukien DEFB4, SPAG11, DEFB103, DEFB104 ja DEFB105 muun muassa, on erittäin vaihteleva kopio numero, yksilöiden kuljettaa välillä 2 ja 12 kopiota diploidi genomi. Tämän yksikön suuret kopiomäärät lisäävät alttiutta yleiselle tulehdukselliselle ihosairaudelle psoriaasille, mikä on sopusoinnussa liioitellun immuunivasteen kanssa, joka johtaa tulehdussairauteen (Hollox et al., 2008). Vastaavasti defb4-geenin pienet kopioluvut on yhdistetty paksusuolen Crohnin tautiin, jonka arvellaan johtuvan paksusuolen limakalvon antibakteerisen esteen heikkenemisestä beeta-defensiinien suhteellisen puutteen vuoksi (Fellermann et al., 2006). Tämä on ensimmäinen esimerkki yhteisestä CNV: stä, joka alhaisilla kopiointimäärillä voi johtaa yhteen sairauteen ja suurilla kopiointimäärillä toiseen fenotyyppisesti erilliseen sairauteen.
varianttien on myös osoitettu olevan päällekkäisiä syöpään liittyvien geenien kanssa, esimerkiksi 630 kb: n deleetioalue kromosomissa 3p21.3 poistetaan keuhkosyövässä, sisältää kolme tuumorisuppressorigeeniä TUSC2, TUSC4 ja NAT6, havaittiin päällekkäisyyttä suhteellisen yleinen deleetio CNV näennäisesti terveessä väestössä (Wong et al., 2007). Kopioluvun vaihtelu vaikuttaa moniin muihin onkogeeneihin ja kasvainvaimentimiin, kuten LPP, MLLT3, MEN1, APC, VAV2, TNFRSF25, BCAS1 ja HIC2 (Conrad et al., 2006; de Smith et al., 2007; Wong et al., 2007). Tutkimukset niiden seurauksista syöpäalttiudelle ovat käynnissä, mutta meillä on jo ainakin yksi esimerkki merkittävästä yhteydestä. UGT2B17-deleetiovariantti, jota esiintyy noin 11-12%: lla terveistä koehenkilöistä, on merkittävä yhteys valkoihoisten eturauhassyöpäriskiin. Seerumin testosteronin ja muiden androgeenien lisääntynyt taso on eturauhassyövän riskitekijä, ja arvellaan, että tämän androgeeniaineenvaihduntaan osallistuvan geenin poistaminen voi johtaa seerumin androgeenipitoisuuksien lisääntymiseen (Park et al., 2006). Yksi mielenkiintoinen kysymys, jota ei ole vielä tutkittu, on se, onko syövän kannalta merkityksellisillä genomialueilla periytyvien CNV: iden ja syövän etenemisen aikana esiintyvien erilaisten genomitappioiden ja-voittojen välillä mitään yhteyttä. Koska näillä muutoksilla on huomattava ennustava merkitys, tällaisella suhteella voi olla merkittäviä vaikutuksia varhaisiin hoitopäätöksiin.
kuvatulla tavalla aivojen kehitykseen osallistuvat geenit rikastuvat CNVs: ssä (de Smith et al., 2007), ja osa näistä variaatioista voi siten osaltaan vaikuttaa herkkyyteen neurologisille ja psyykkisille häiriöille, kuten kaksisuuntaiselle mielialahäiriölle ja skitsofrenialle. Jotkin tärkeimmistä BD-ja skitsofrenia-kandidaattigeeneistä, kuten PDE4ß, CHRNA7 ja DISC1, ovat päällekkäisiä tunnettujen muunnosten kanssa. Esimerkiksi BD-potilaiden kohortissa havaittiin merkittävä lisäys gsk3ßgenen päällekkäisen tunnetun CNV: n esiintymiselle verrattuna terveisiin kontrolleihin (Lachman et al., 2007). Tämä on uskottava kandidaattigeeni BD: lle, koska se osallistuu hermosolujen kehitykseen, ja siirtogeenisten hiirten, joilla on Gsk3ßoverekspressio, on osoitettu jäljittelevän kliinisen manian tekoja, joilla on lisääntynyt liikuntaelimistön aktiivisuus ja akustinen säpsähdysvaste (Prickaerts et al., 2006). Gsk3ßvariant on toistaiseksi dokumentoitu vain kahdessa terveessä kontrollinäytteessä, joten sitä voisi luonnehtia harvinaiseksi CNV: ksi. Joissakin tutkimuksissa, joiden tarkoituksena on tunnistaa tiettyihin sairauksiin liittyviä variantteja, on kuitenkin löydetty geenikopionumerovariantteja, joita esiintyy vain kyseisiä tauteja sairastavilla potilailla eikä koko väestössä. Näitä variantteja pitäisi siksi asianmukaisesti kutsua kopiomutaatioiksi (CNMs), koska niitä ei esiinny huomattavassa määrin (>1%) koko väestössä ja ne voivat olla taudin välitön syy sen sijaan, että ne toimisivat herkkyysalueina.
niiden yleisten CNV: iden lisäksi, joilla on merkitystä neurologisissa häiriöissä, myös useat de novo CNMs: t on yhdistetty tällaisiin sairauksiin. Variantteja, joissa on kolme aivojen ilmentämää geeniä, jotka osallistuvat glutamaattimerkinantoon, GLUR7, AKAP5 ja CACNG2, löydettiin vain skitsofreniapotilailla yhdessä tutkimuksessa (Wilson et al., 2006). On arveltu, että nämä geenit eroavat toisistaan ihmisen alkionkehityksen alkuvaiheessa ja että normaalin keskushermoston kehitys riippuu näiden geenien monimutkaisesta säätelystä (Wilson ym., 2006). Tuore tutkimus osoittaa myös, että harvinaiset de novo-muunnokset, joilla on korkea penetraatio, voivat joissakin tapauksissa olla skitsofrenian taustalla. Xu ym. (2008) todettiin 10%: n esiintymistiheys uusia variantteja potilailla, joilla on sporadinen skitsofrenia, mikä oli kahdeksan kertaa suurempi kuin verrokeilla. Näiden muunnosten päällekkäisten geenien määrä oli suhteellisen pieni, mutta GO-analyysi osoitti rikastuneimmat Kategoriat hermosolun kehitykseen liittyviksi väyliksi (Xu et al., 2008). Näitä tuloksia peilaa toinen tuore raportti yhteydestä harvinaisiin variantteihin, jotka vaikuttavat neurokehittyviin geeneihin skitsofreniatapauksissa (Walsh et al., 2008).
näiden skitsofreniatutkimusten löydöksillä on yhtäläisyyksiä autismin genetiikkaa koskevissa viimeaikaisissa tutkimuksissa, sillä de novo-varianttien yhteyksiä tähän neurologiseen häiriöön on myös määritetty (Sebat et al., 2007; Marshall et al., 2008). Sebat ym. (2007), esimerkiksi, todettiin spontaanien mutaatioiden esiintymistiheys on 10% satunnaisissa autismitapauksissa, verrattuna vain 1%: iin vaikuttamattomissa kontrolleissa, ja useita geenejä, kuten SHANK3, NLGN4 ja NRXN1, on liitetty autismin etiologiaan tutkimusten avulla kopioluvun vaihtelua. Näiden tietojen tulkintaa hankaloittaa kuitenkin se, että A) todistetaan, että tietty kopioluvun vaihtelu on itse asiassa de novo (useimmissa nykyisissä menetelmissä esiintyy suuria vääriä negatiivisia ja vääriä positiivisia tuloksia), ja B) määritetään de novo-kopioluvun muutosten ”normaali” tuottonopeus.
yleinen geenin kopiolukumuunnosten ja harvinaisten CNMs: ien välinen ero ei ole aina selvä. Erityinen esimerkki tästä ovat yhteinen kopio numero voitot ja tappiot alueen kromosomi 7 joka sisältää prss1 ja PRSS2 geenit, missense mutaatiot, joiden tiedetään aiheuttavan perinnöllistä haimatulehdusta. Tämä on autodigestiivinen sairaus, jossa haiman ruoansulatusentsyymien aktivaatiokaskadi johtuu trypsiinin ennenaikaisesta aktivoitumisesta (Le Marechal et al., 2006). Näiden kahden geenin päällekkäisiä CNV: itä on löydetty terveiltä yksilöiltä, mutta tämän alueen kolmijako liittyy sairauksiin. On arveltu, että triploituneiden PRSS1-ja PRSS2-geenien lisääntynyt annos voi häiritä haiman trypsiinin aktivaation ja inhibition välistä tasapainoa (Le Marechal et al., 2006), mikä viittaa siihen, että saman lokuksen päällekkäisyydellä molemmissa kromosomeissa voisi olla sama vaikutus. Kolmikertainen alue on siis taudin taustalla oleva kopiolukumutaatio, kun taas yhden kromosomin yhden kappaleen lisäys (eli kahdentuminen CNV) voidaan kuvata haitallisen fenotyypin esimutaationa CNV. Tilannetta mutkistaa kuitenkin se, että hiljattain havaittiin tämän lokuksen päällekkäisyys neljällä perinnöllistä haimatulehdusta sairastavalla potilaalla, jota ei löytynyt kontrolleista (Masson et al., 2008b): on siis mahdollista, että tämän lokuksen päällekkäisyys voi joillakin yksilöillä aiheuttaa sairauksia, mutta toisilla se toimii hyvänlaatuisena CNV: nä.
saman taudin on myös viime aikoina osoitettu johtuvan kokonaan toisesta geenimekanismista. Kuten aiemmin mainittiin, Masson et al. (2008a) tunnistettiin Hybridi PRSS2/PRSS1 geeni, jonka he kuvailevat olevan ”double gain-of-function” vaikutus, jolla on sekä laadullisia että määrällisiä seurauksia, ranskalaisessa perheessä, jolla on perinnöllinen haimatulehdus. Tämä fuusiogeeni koostuu pohjimmiltaan puolen kunkin geenin kahdentumisesta, mikä toimii ”kvantitatiivisena” CNM: nä ”kvalitatiivisen” missense-mutaation lisäksi, mikä on johtanut erittäin penetratiiviseen fenotyyppiin tässä perheessä. Tämä näyttää olevan Uusi genotyyppi-fenotyyppi suhde.
tähän mennessä on tehty hyvin vähän tutkimuksia CNV: n ja SNP: n kaksoisvaikutusten selvittämiseksi. Yksi esimerkki on kuitenkin komplementtitekijä H: n ja kalvokofaktorin (CFH) geenin analyysi, jossa on ikään liittyvälle silmänpohjan rappeumalle altistava aminohappomuunnos (Klein et al., 2005). Tämä geeni sisältyy CNV-alueeseen, joten on mahdollista, että tämän geenin tai sitä ympäröivän genomialueen kopiomäärän vaihtelut voivat muuttaa sairastumisriskiä. Tämän tueksi läheisten CFHR1-ja CFHR3-geenien poistoja kuljettavan haplotyypin on osoitettu suojaavan tautia vastaan (Hughes et al., 2006). Tämä esimerkki korostaa tarvetta arvioida molempien muunnostyyppien vaikutusta monimutkaisiin fenotyyppeihin ja sairauksiin, koska tällaiset tapaukset voivat olla vain jäävuoren huippu (Masson et al., 2008a).
on siis todennäköistä, että geenien kopioluvun vaihteluilla on tärkeä merkitys ihmisten terveydelle, ja jotkin yleiset geenien CNV: t lisäävät alttiutta tietyille monimutkaisille sairauksille, kun taas ns.CNM: t ovat Mendelin kaltaisten sairauksien suora aiheuttaja. Nykyiset arviot osoittavat, että kopiolukumuunnokset limittyvät enemmän ihmisen genomiin kuin SNPs (nykyiset arviot ∼29% bp cf. 0, 4% (http://projects.tcag.ca/variation)); on kuitenkin vielä todistettava, ovatko CNV: t tärkein lähde yksilöiden välisille eroille fysiologisessa fenotyypissä sekä yleisessä soveltuvuudessa ja sairausalttiudessa. Toiminnallisesti merkityksellisten kansallisten turvallisuusviranomaisten ja CNVs: n välinen vuorovaikutus lisää tutkimusten monimutkaisuutta.