CNV ziekte verenigingen
Het effect van CNVs op gen-expressie, en hun potentieel verstorende effecten op gen structuur en functie, suggereert dat zij waarschijnlijk een aanzienlijke bijdrage aan ziekten van de mens. Door de relatief recente ontdekking van CNVs, echter, en de huidige beperkingen in hoge productie technieken, de volledige omvang van CNV ziekte associaties is nog niet duidelijk. Gezien het groeiende aantal gevallen waarin dergelijke associaties zijn aangetoond, is het echter waarschijnlijk dat zij een aanzienlijke bijdrage leveren aan de ziekte bij de mens.
gezien het grote aantal genen dat door CNVs wordt overlapt (Tabel (Tabel 1),1), is het waarschijnlijk dat een significant deel van de biomedisch relevante genen wordt beïnvloed. In onze CNV discovery studie, bijvoorbeeld, bijna de helft van de genen kruisende varianten werden vertegenwoordigd in de OMIM database, met inbegrip van genen geassocieerd met Mendeliaanse ziekten, genomische stoornissen en gemeenschappelijke ziekten (de Smith et al., 2007). Inderdaad, vele veranderingen van het aantal genexemplaren dragen rechtstreeks bij aan monogene ziekten. Bij recessieve ziekten kan hemizygositeit als gevolg van deletie van een gen, of een deel van een gen, een mutatie op het andere genexemplaar ontmaskeren. Omgekeerd, zou duplicatie van een gezonde genkopie op één chromosoom theoretisch de gevolgen van een ziekte-veroorzakende mutatie in het gen op het andere chromosoom kunnen maskeren, waardoor het fenotype wordt gered. Inderdaad, er is voorspeld dat een deel van de variabele penetrantie aangetoond door vele dominante genetische stoornissen kan worden verklaard door CNVs (Beckmann et al., 2007).
autosomaal dominante early-onset Alzheimer ‘ s disease (ADEOAD) wordt veroorzaakt door missense mutaties in APP-genen op chromosoom 21, maar duplicatie van de app-locus is ook gevonden bij patiënten met deze aandoening (Rovelet-Lecrux et al., 2006). Deze winst van het exemplaaraantal wordt verondersteld om tot een overvloed van amyloid deposito ‘ s in de hersenen te leiden. Evenzo is triplicatie van het snca-gen, wat leidt tot een overvloed aan Lewy-lichamen, geassocieerd bij patiënten met autosomaal dominante ziekte van Parkinson (Singleton et al., 2003). Geen van deze genen is gekend om door varianten in gezonde individuen worden overlapt, en deze de aanwinsten van het exemplaaraantal zijn, daarom, gedacht aan ten grondslag aan ziekte: dergelijke eigenschappen worden genoemd de veranderingen van het exemplaaraantal (CNMs). Verlies of winst van exonisch materiaal kan ook resulteren in missense mutaties of frameshifts: inderdaad Duchenne spierdystrofie (DMD) wordt meestal veroorzaakt door de novo deleties en duplicaties resulterend in frameshifts. Als deze vandaag voor het eerst ontdekt zouden worden, zouden ze CNMs genoemd worden. Belangrijk is dat de meeste sequencingstrategieën voor de identificatie van mutaties die monogene ziekten veroorzaken dergelijke varianten missen, die daarom een significant deel van de “ontbrekende” mutaties kunnen uitmaken, en genetische counseling bemoeilijken.
naast monogene ziekten zijn variaties in het aantal kopieën van grote genomische regio ‘ s de onderliggende oorzaak van vele genomische stoornissen, en dergelijke afwijkingen kunnen het aantal kopieën van meerdere genen beïnvloeden. In sommige gevallen wordt gedacht dat de dosisveranderingen van veel genen bijdragen aan het fenotype, bijvoorbeeld met de ∼1.6-Mb schrapping bij chromosoom 7q11. 23 dat leidt tot Williams-Beuren syndroom (Peoples et al., 2000). Bij andere aandoeningen, zoals CMT1A en SMS, worden doseringsveranderingen in slechts één enkel gen verondersteld ten grondslag te liggen aan de ziekte (Roa et al., 1991; Slager et al., 2003). De interpretatie van de gegevens die uit klinisch onderzoek naar de onderliggende oorzaak van vermoede genomic wanorde worden afgeleid wordt vaak gecompliceerd door de aanwezigheid van CNVs. We hebben nog geen volledige waardering voor het normale spectrum van copy number variatie, met name in non-HapMap (The International HapMap Consortium, 2003) bevolkingsgroepen, en dus kan het erg moeilijk zijn om een onderscheid te maken tussen goedaardige CNV ‘ s en ziekteveroorzakende varianten. Verdere complicaties kunnen worden veroorzaakt door CNV ‘ s die grotere afwijkingen overlappen, zodat verschillende combinaties van varianten fenotypen verminderen of verergeren. Dit zou bijvoorbeeld kunnen helpen om de verschillende manifestaties van fenotypen te verklaren die bij trisomie 21-patiënten worden gezien: bijvoorbeeld, ∼40% patiënten hebben aangeboren hartafwijkingen (Freeman et al., 1998) en ∼1% Ontwikkelen leukemie (Zipursky et al., 1992).
de situatie met betrekking tot complexe ziekten is nog minder eenvoudig. Recente ontwikkelingen in complexe ziekteanalyse, met behulp van genoombrede SNP associatie benaderingen, hebben gewezen op nieuwe genen en potentiële pathogene routes (Frayling et al., 2007; Sladek et al., 2007), maar de gevonden SNP-markers houden nog steeds geen rekening met de geschatte erfelijkheid van deze aandoeningen. Het is daarom waarschijnlijk dat andere genetische factoren bijdragen tot veelvoorkomende complexe aandoeningen, waaronder zeldzame varianten, epigenetische modificaties en variatie in het aantal exemplaren. Hoewel CNV ‘ s veel biologisch belangrijke genen overlappen, waarvan er verschillende Al geassocieerd waren met ziekte, is dit op zich geen bewijs dat ze een rol spelen bij ziekte. Daarom zijn er nu studies aan de gang om specifieke ziekte-geassocieerde CNV ‘ s te identificeren. Dit heeft al geleid tot gemelde ziekte associaties met varianten die relatief gebruikelijk zijn in ogenschijnlijk gezonde populaties. Een aanzienlijk deel van deze associaties is gevonden met genen die betrokken zijn bij het immuunsysteem en bij de verdediging tegen ziekten. Het eerste voorbeeld hiervan was de ontdekking dat een laag aantal kopieën van een frequente CNV met inbegrip van het fcgr3b gen geassocieerd is met glomerulonefritis bij ratten en mensen (Aitman et al., 2006). Dit gen speelt een sleutelrol in de regulatie van inflammatoire en immuunresponsen, met name in het binden van neutrofielen aan immuuncomplexen en de klaring van deze complexen, en is sindsdien geassocieerd met systemische lupus erythematosus (SLE) en andere systemische auto-immuunziekten, zoals Anca-geassocieerde vasculitis (Fanciulli et al., 2007).
zoals eerder beschreven, zijn variaties in het aantal kopieën van een ander gen, complementcomponent C4, al lang geassocieerd met SLE. Dit gen speelt ook een rol in de klaring van immune complexen, evenals in de activering van complementwegen die tegen het binnenvallen van microben handelen, en in de vermindering van de drempel voor de lymphocyteactivering van B. Het is onlangs bevestigd dat lage kopieeraantallen van C4 het risico van SLE verhogen, terwijl hoge kopieeraantallen van dit gen een beschermende rol hebben tegen ziekte (Yang et al., 2007).
een ander gen dat betrokken is bij de verdediging tegen ziekten is CCL3L1, dat ook is opgenomen in een zeer veel voorkomende en zeer polymorfe CNV. Dit gen is betrokken bij gevoeligheid voor en ziekteprogressie bij HIV, aangezien CCL3L1 de meest effectieve ligand is voor CC chemokine receptor 5 (CCR5), de belangrijkste HIV co-receptor, dus het is een belangrijke HIV-suppressieve chemokine (menten et al., 2002). Bezit van een laag ccl3l1-kopieeraantal is een belangrijke risicofactor voor HIV, geassocieerd met hogere virale ladingen en verhoogd daaropvolgende verlies van T-cellen (Gonzalez et al., 2005).
mogelijk het meest intrigerende voorbeeld van een ziektegerelateerde CNV die genen met betrekking tot het immuunsysteem overlapt, is dat van de bèta-defensingenen, die in aanmerking komen voor variatie in gevoeligheid voor auto-immuunziekten en inflammatoire aandoeningen, vanwege hun antimicrobiële en pro-inflammatoire rol. Deze genen variëren sterk in aantal exemplaren zowel bij mensen (Armour et al., 2007) en ook makaken, wat suggereert dat dit een oude hotspot is voor variatie in het aantal exemplaren (Lee et al., 2008). Een grote herhaaleenheid op chromosoom 8p23.1, met inbegrip van DEFB4, SPAG11, DEFB103, DEFB104 en DEFB105 onder anderen, is hoogst veranderlijk in exemplaaraantal, met individuen die tussen 2 en 12 exemplaren per diploïde genoom dragen. Hoge kopieeraantallen van deze eenheid verhogen de gevoeligheid voor de gemeenschappelijke inflammatoire huidziekte psoriasis, consistent met een overdreven immuunrespons die leidt tot een ontstekingsziekte (Hollox et al., 2008). Omgekeerd zijn lage kopieeraantallen van het DEFB4-gen geassocieerd met de ziekte van Crohn in de dikke darm, waarvan wordt gedacht dat het te wijten is aan een verzwakking van de antibacteriële barrière in het dikke darmslijmvlies als gevolg van relatieve deficiëntie van beta-defensines (Fellermann et al., 2006). Dit is het eerste voorbeeld van een gemeenschappelijke CNV die in lage aantallen exemplaar tot één ziekte kan leiden, en in hoge aantallen exemplaar tot een andere fenotypisch verschillende ziekte kan leiden.Er is ook aangetoond dat varianten van
kankerrelevante genen overlappen, bijvoorbeeld een deletiegebied van 630 kb op chromosoom 3p21.3 verwijderd in longkanker, waarin drie tumor suppressor genen TUSC2, TUSC4 en NAT6, werd gevonden om een relatief veel voorkomende deletie CNV overlappen in een ogenschijnlijk gezonde populatie (Wong et al., 2007). Veel andere oncogenen en tumoronderdrukkers worden beïnvloed door variatie in het aantal kopieën, waaronder Lpp, MLLT3, MEN1, APC, VAV2, TNFRSF25, BCAS1 en HIC2 (Conrad et al., 2006; de Smith et al., 2007; Wong et al., 2007). Er zijn Studies aan de gang om hun gevolgen voor de gevoeligheid voor kanker te bepalen, maar we hebben al minstens één voorbeeld van een significante associatie. Een UGT2B17 deletievariant, gevonden in rond 11-12% van gezonde onderwerpen, vertoont een significante associatie met risico van prostate kanker in Kaukasiërs. Verhoogde niveaus van serum testosteron en andere androgenen zijn een risicofactor voor prostaatkanker, en er wordt gedacht dat verwijdering van dit gen, dat betrokken is bij androgeenmetabolisme, kan leiden tot verhoogde serum androgeenspiegels (Park et al., 2006). Een interessante vraag, die nog moet worden onderzocht, is of er om het even welke verhouding tussen de geërfte CNVs in kanker-relevante genomic gebieden en de weerslag van de diverse genomic verliezen en aanwinsten is die tijdens kankervooruitgang voorkomen. Aangezien deze veranderingen een aanzienlijke prognostische betekenis hebben, kan een dergelijke relatie belangrijke gevolgen hebben voor vroege beslissingen over therapeutische behandeling.
zoals beschreven, worden genen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van de hersenen verrijkt in CNVs (de Smith et al., 2007), en een deel van deze varianten kan daarom bijdragen aan de gevoeligheid voor neurologische en psychiatrische stoornissen, zoals bipolaire stoornis (BD) en schizofrenie. Inderdaad, sommige van de belangrijkste BD en schizofrenie kandidaat genen, zoals PDE4ß, CHRNA7 en DISC1, worden overlapt door bekende varianten. In een cohort van BD patiënten, bijvoorbeeld, werd een significante toename gevonden voor de aanwezigheid van een bekende CNV overlappende de GSK3ßgene in vergelijking met gezonde controles (Lachman et al., 2007). Dit is een geloofwaardig kandidaat-gen voor BD omdat het betrokken is bij neuronale celontwikkeling, en transgene muizen met Gsk3ßoverexpressie zijn aangetoond dat ze handelingen van klinische manie nabootsen, met verhoogde bewegingsactiviteit en akoestische schrikreactie (Prickaerts et al., 2006). De GSK3ßvariant is tot nu toe alleen gedocumenteerd in twee gezonde controlemonsters, dus het kan worden beschreven als een zeldzame CNV. Sommige studies gericht op de identificatie van varianten geassocieerd met bepaalde ziekten, echter, hebben het aantal varianten van het genexemplaar ontdekt die alleen aanwezig zijn bij patiënten met deze ziekten, en niet in de algemene bevolking. Deze varianten moeten daarom correct copy number mutations (CNMs) worden genoemd, omdat ze niet met een merkbare frequentie (>1%) in de algemene populatie voorkomen en de directe oorzaak van de ziekte kunnen zijn, in plaats van als gevoeligheidsloci te fungeren.
naast vaak voorkomende CNV ’s die een rol spelen bij neurologische aandoeningen, is een aantal de novo CNM’ s ook in verband gebracht met dergelijke ziekten. Varianten waarin drie hersensgedrukte genen zijn verwerkt die betrokken zijn bij de glutamaatsignalering, GLUR7, AKAP5 en CACNG2, werden alleen gevonden bij patiënten met schizofrenie in één studie (Wilson et al., 2006). Er wordt gespeculeerd dat deze genen differentieel tot uitdrukking komen tijdens de vroege menselijke embryonale ontwikkeling, en dat de ontwikkeling van een normaal centraal zenuwstelsel afhangt van complexe regulatie van deze genen (Wilson et al., 2006). Een recente studie geeft ook aan dat zeldzame De novo varianten met hoge penetrantie kan ten grondslag liggen aan schizofrenie in sommige gevallen. Xu et al. (2008) vond een 10% frequentie van nieuwe varianten bij patiënten met sporadische schizofrenie, die acht keer hoger was dan in de controlegroep. Het aantal genen dat door deze varianten wordt overlapt was relatief klein, maar de analyse van GO toonde de meest verrijkte categorieën om wegen te zijn die met neuronale ontwikkeling worden geassocieerd (Xu et al., 2008). Deze resultaten worden weerspiegeld door een ander recent rapport van een associatie met zeldzame varianten die neurologische ontwikkelingsgenen beïnvloeden in gevallen van schizofrenie (Walsh et al., 2008).
de bevindingen van deze onderzoeken naar schizofrenie hebben parallellen in recente onderzoeken naar de genetica van autisme, aangezien associaties van de novo-varianten ook zijn vastgesteld met deze neurologische ontwikkelingsstoornis (Sebat et al., 2007; Marshall et al., 2008). Sebat et al. (2007), bijvoorbeeld, vond de frequentie van spontane veranderingen om 10% in sporadische gevallen van autisme te zijn, vergeleken met slechts 1% in onaangetaste controles, en een aantal genen, met inbegrip van SHANK3, NLGN4 en NRXN1, zijn betrokken bij de etiologie van autisme door studies van variatie van het exemplaaraantal. De interpretatie van deze gegevens is echter enigszins gecompliceerd door de moeilijkheden die inherent zijn aan (A) het aantonen dat een bepaalde variatie in het kopieeraantal daadwerkelijk de novo is (de meeste huidige methodologieën lijden aan hoge foutnegatieve en foutpositieve resultaten) en (b) het vaststellen van het ‘normale’ tempo van het genereren van de novo kopieeraantal veranderingen.
het onderscheid tussen gemeenschappelijke varianten van het genexemplaar en zeldzame CNMs is niet altijd duidelijk. Een bijzonder voorbeeld van dit zijn de gemeenschappelijke aanwinsten en verliezen van het exemplaaraantal van het gebied op chromosoom 7 dat de genen PRSS1 en PRSS2, missense veranderingen in die gekend zijn om erfelijke pancreatitis te veroorzaken omvat. Dit is een autodigestieve ziekte, waarbij een activeringscascade van pancreatische spijsverteringsenzymen wordt veroorzaakt door de voortijdige activering van trypsine (Le Marechal et al., 2006). CNVs overlappende de twee genen zijn gevonden in gezonde individuen, maar een triplicatie van dit gebied wordt geassocieerd met ziekte. Men denkt dat de verhoogde dosering van de drievoudige PRSS1-en PRSS2-genen de balans tussen activering en remming van trypsine in de alvleesklier kan verstoren (Le Marechal et al., 2006), die suggereert dat een duplicatie van dezelfde locus op beide chromosomen hetzelfde effect zou kunnen hebben. Het drievoudige gebied is daarom een mutatie van het aantal exemplaren die ten grondslag ligt aan de ziekte, terwijl een enkele kopieerwinst op één chromosoom (d.w.z. duplicatie CNV) kan worden omschreven als een premutatie CNV voor het ongunstige fenotype. De situatie wordt echter verder gecompliceerd door de recente identificatie van een duplicatie van deze locus bij vier patiënten met erfelijke pancreatitis, die niet werd gevonden in controles (Masson et al., 2008b): het is daarom mogelijk dat duplicatie van deze locus, in sommige individuen, ziekte kan veroorzaken, maar in anderen als goedaardige CNV handelen.
onlangs is ook aangetoond dat dezelfde ziekte het gevolg is van een geheel ander genetisch mechanisme. Zoals eerder vermeld, Masson et al. (2008a) identificeerde een hybride PRSS2/PRSS1 gen, dat zij beschrijven als een ‘double gain-of-function’ effect, met zowel kwalitatieve als kwantitatieve gevolgen, in een Franse familie met erfelijke pancreatitis. Dit fusiegen bestaat in wezen uit een duplicatie van de helft van elk gen, en werkt dus als een ‘kwantitatieve’ CNM, naast een ‘kwalitatieve’ missense mutatie, die heeft geresulteerd in een zeer penetrant fenotype in deze familie. Dit blijkt een nieuwe genotype-fenotype relatie te zijn.
tot nu toe zijn zeer weinig onderzoeken uitgevoerd om de dubbele effecten van CNV ’s en SNP’ s te onderzoeken. Een voorbeeld is echter de analyse van het complementfactor H-en membraancofactor (CFH) – gen, dat een aminozuurvariant bevat die vatbaar is voor leeftijdsgebonden maculadegeneratie (Klein et al., 2005). Dit gen is opgenomen binnen een CNV-gebied; aldus is het mogelijk dat variaties in exemplaaraantal van dit gen, of zijn omringende genomic gebied, het risico van ziekte konden wijzigen. Ter ondersteuning hiervan is aangetoond dat een haplotype met deleties van de nabijgelegen CFHR1-en CFHR3-genen beschermend is tegen de ziekte (Hughes et al., 2006). Dit voorbeeld benadrukt de noodzaak om de bijdrage van beide types van variant aan complexe fenotypen en ziekte te evalueren, aangezien gevallen zoals deze slechts het topje van de ijsberg kunnen zijn (Masson et al., 2008a).
het is daarom waarschijnlijk dat variaties in het aantal genkopieën een belangrijke rol spelen in de menselijke gezondheid, waarbij sommige gemeenschappelijke Gen-CNV ’s de gevoeligheid voor bepaalde complexe ziekten vergroten, terwijl zogenaamde CNM’ s de directe oorzaak zijn van Mendeliaanse ziekten. De huidige schattingen geven aan dat de varianten van het aantal exemplaren meer van het menselijke genoom overlappen dan SNPs (huidige schattingen van ∼29% bp cf. 0,4% (http://projects.tcag.ca/variation)); het moet echter nog worden bewezen of CNV ‘ s de belangrijkste bron zijn van interindividuele verschillen in fysiologische fenotype, evenals de algehele geschiktheid en ziektegevoeligheid. De interactie tussen functioneel relevante SNP ’s en CNV’ s maakt het onderzoek nog complexer.