CNV związki chorobowe
wpływ CNV na ekspresję genów i ich potencjalnie destrukcyjny wpływ na strukturę i funkcję genów sugeruje, że prawdopodobnie wniosą znaczący wkład w choroby ludzkie. Jednak ze względu na stosunkowo niedawne odkrycie CNVs i obecne ograniczenia w technikach o wysokiej przepustowości, pełny zakres związków chorobowych CNV nie jest jeszcze jasny. Niemniej jednak, ze względu na rosnącą liczbę przypadków, w których wykazano takie związki, jest prawdopodobne, że wnoszą one znaczący wkład w choroby ludzkie.
biorąc pod uwagę dużą liczbę genów nakładających się na siebie przez CNVs (tabela (Table1),1), znaczna część genów istotnych biomedycznie może być dotknięta. W naszym badaniu CNV discovery, na przykład, prawie połowa genów krzyżujących się wariantów były reprezentowane w bazie danych OMIM, w tym genów związanych z chorobami Mendla, zaburzenia genomowe i wspólne choroby (De Smith et al., 2007). Rzeczywiście, wiele zmian liczby kopii genów przyczynia się bezpośrednio do chorób monogennych. W chorobach recesywnych, hemizygosity z powodu delecji genu, lub część genu, może zdemaskować mutację na drugiej kopii genu. Odwrotnie, powielanie zdrowej kopii genu na jednym chromosomie może teoretycznie maskować skutki chorobotwórczej mutacji w genie na drugim chromosomie, ratując w ten sposób fenotyp. Rzeczywiście, przewiduje się, że część zmiennej penetracji wykazanej przez wiele dominujących zaburzeń genetycznych może być wyjaśniona przez CNVs (Beckmann et al., 2007).
autosomalna dominująca wczesna choroba Alzheimera (ADEOAD) jest znana jako spowodowana mutacjami missense w genach APP na chromosomie 21, ale powielanie locus APP stwierdzono również u pacjentów z tym zaburzeniem (Rovelet-Lecrux et al., 2006). Uważa się, że ten przyrost liczby kopii prowadzi do obfitości złogów amyloidu w mózgu. Podobnie, triplikacja genu SNCA, która prowadzi do obfitości ciał Lewy ’ ego, była związana u pacjentów z autosomalną dominującą chorobą Parkinsona(Singleton et al., 2003). Żaden z tych genów nie jest znany z pokrywania się przez warianty u zdrowych osób, a te przyrosty liczby kopii są zatem uważane za podstawę choroby: takie cechy są określane jako mutacje liczby kopii (CNMs). Utrata lub przyrost materiału egzonicznego może również skutkować mutacjami missense lub przesunięciami ramki: rzeczywiście dystrofia mięśniowa Duchenne ’ a (DMD) jest zwykle spowodowana de novo delecjami i duplikacjami powodującymi przesunięcia ramki. Gdyby zostały one odkryte po raz pierwszy dzisiaj, byłyby znane jako CNMs. Co ważne, większość strategii sekwencjonowania w celu identyfikacji mutacji powodujących choroby monogenowe pomija takie warianty, które mogą zatem stanowić znaczną część „brakujących” mutacji i komplikować poradnictwo genetyczne.
oprócz chorób monogennych, różnice w liczbie kopii dużych regionów genomowych są przyczyną wielu zaburzeń genomowych, a takie aberracje mogą wpływać na liczbę kopii wielu genów. W niektórych przypadkach uważa się, że zmiany dawkowania wielu genów przyczyniają się do fenotypu, na przykład z ∼1.Delecja 6 Mb na chromosomie 7q11. 23, która prowadzi do zespołu Williamsa-Beurena (Peoples et al., 2000). W innych zaburzeniach, takich jak CMT1A i SMS, uważa się, że zmiany dawkowania w tylko jednym genie leżą u podstaw choroby (Roa et al., 1991; Slager et al., 2003). Interpretacja danych pochodzących z badań klinicznych dotyczących przyczyny podejrzewanych zaburzeń genomowych jest często skomplikowana przez obecność CNVs. Nie mamy jeszcze pełnej oceny normalnego spektrum zmienności liczby kopii, szczególnie w grupach populacji innych niż HapMap (The International HapMap Consortium, 2003), a więc rozróżnienie łagodnych CNV od wariantów powodujących choroby może być bardzo trudne. Dalsze komplikacje mogą być spowodowane przez CNV, które nakładają się na większe aberracje, tak że różne kombinacje wariantów łagodzą lub pogarszają fenotypy. Może to pomóc w wyjaśnieniu na przykład różnych przejawów fenotypów obserwowanych u pacjentów z trisomią 21: na przykład, ∼40% pacjentów ma wrodzone wady serca (Freeman et al., 1998) i ∼1% rozwija się białaczka (Zipursky i wsp., 1992).
sytuacja w odniesieniu do choroby złożonej jest jeszcze mniej prosta. Ostatnie postępy w złożonej analizie chorób, z wykorzystaniem podejść SNP dla całego genomu, zwróciły uwagę na nowe geny i potencjalne ścieżki patogenne(Frayling et al., 2007; Sladek et al., 2007), ale znalezione markery SNP nadal nie uwzględniają szacowanej dziedziczności tych zaburzeń. Jest zatem prawdopodobne, że inne czynniki genetyczne przyczyniają się do częstych złożonych zaburzeń, w tym rzadkich wariantów, modyfikacji epigenetycznych i zmiany liczby kopii. Chociaż CNV nakładają się na wiele biologicznie ważnych genów, z których kilka było już związanych z chorobą, nie jest to samo w sobie dowodem na to, że odgrywają one rolę w chorobie. W związku z tym obecnie prowadzone są badania mające na celu identyfikację specyficznych CNV związanych z chorobą. Doprowadziło to już do doniesień o związkach chorobowych z wariantami, które są stosunkowo powszechne w pozornie zdrowych populacjach. Znaczna część tych związków została znaleziona z genami zaangażowanymi w układ odpornościowy i obronę przed chorobą. Pierwszym tego przykładem było odkrycie, że niska liczba kopii częstego CNV, w tym genu FCGR3B, jest związana z kłębuszkowym zapaleniem nerek u szczurów i ludzi (aitman et al., 2006). Gen ten odgrywa kluczową rolę w regulacji reakcji zapalnych i immunologicznych, zwłaszcza w wiązaniu neutrofili do kompleksów immunologicznych i klirensu tych kompleksów, i od tego czasu był związany z toczniem rumieniowatym układowym (SLE) i innymi układowymi zaburzeniami autoimmunologicznymi, takimi jak zapalenie naczyń związane z ANCA (Fanciulli et al., 2007).
jak opisano wcześniej, zmiany w liczbie kopii innego genu, składnika dopełniacza C4, od dawna są związane z SLE. Gen ten odgrywa również rolę w usuwaniu kompleksów immunologicznych, a także w aktywacji szlaków dopełniacza, które działają przeciwko inwazyjnym drobnoustrojom, oraz w obniżeniu progu aktywacji limfocytów B. Niedawno potwierdzono, że niska liczba kopii C4 zwiększa ryzyko SLE, podczas gdy wysoka liczba kopii tego genu pełni rolę ochronną przed chorobą (Yang et al., 2007).
innym genem biorącym udział w obronie przed chorobą jest CCL3L1, który jest również włączony do niezwykle częstego i wysoce polimorficznego CNV. Gen ten jest zaangażowany w podatność na i progresję choroby w HIV, ponieważ CCL3L1 jest najskuteczniejszym ligandem dla receptora CC chemokine 5 (CCR5), który jest głównym receptorem HIV, dlatego jest ważną chemokiną hamującą HIV (Menten et al., 2002). Posiadanie niskiej liczby kopii CCL3L1 jest głównym czynnikiem ryzyka HIV, związanym z wyższym mianem wirusa i zwiększoną późniejszą utratą komórek T(Gonzalez i wsp ., 2005).
prawdopodobnie najbardziej intrygującym przykładem CNV związanego z chorobą, który pokrywa się z genami związanymi z układem odpornościowym, jest geny beta defenzyny, które są kandydatami do zmiany podatności na choroby autoimmunologiczne i zapalne, ze względu na ich rolę antybakteryjną i prozapalną. Geny te różnią się znacznie pod względem liczby kopii zarówno u ludzi (Armor et al., 2007), a także makaki, sugerując, że jest to starożytny hotspot dla zmiany liczby kopii (Lee et al., 2008). Duża jednostka powtórzeń na chromosomie 8p23.1, w tym między innymi DEFB4, SPAG11, DEFB103, DEFB104 i DEFB105, jest bardzo zmienna pod względem liczby kopii, przy czym osoby noszące od 2 do 12 kopii na diploidalny Genom. Wysoka liczba kopii tej jednostki zwiększa podatność na powszechną zapalną chorobę skóry łuszczycę, zgodną z przesadną odpowiedzią immunologiczną prowadzącą do choroby zapalnej (Hollox et al., 2008). Odwrotnie, niska liczba kopii genu DEFB4 była związana z chorobą Leśniowskiego-Crohna okrężnicy, która jest uważana za spowodowaną osłabieniem bariery antybakteryjnej w błonie śluzowej okrężnicy z powodu względnego niedoboru beta-defensyn (Fellermann et al., 2006). Jest to pierwszy przykład wspólnej CNV, która przy małej liczbie kopii może prowadzić do jednej choroby, a przy dużej liczbie kopii może prowadzić do innej fenotypowo odrębnej choroby.
warianty również nakładają się na geny istotne dla raka, na przykład delecję 630 kb na chromosomie 3p21.3 delecja w raku płuca, zawierająca trzy geny supresorowe guza TUSC2, TUSC4 i NAT6, stwierdzono pokrywanie się stosunkowo częstej delecji CNV w pozornie zdrowej populacji (Wong et al., 2007). Zmienność liczby kopii wpływa na wiele innych onkogenów i supresorów nowotworowych, w tym na LPP, MLLT3, MEN1, APC, VAV2, TNFRSF25, BCAS1 i HIC2 (Conrad et al., 2006; de Smith et al., 2007; Wong et al., 2007). Trwają badania mające na celu określenie ich konsekwencji dla podatności na raka, ale mamy już co najmniej jeden przykład znaczącego związku. Wariant delecji UGT2B17, znaleziony u około 11-12% zdrowych osób, wykazuje znaczący związek z ryzykiem raka prostaty u osób rasy kaukaskiej. Zwiększone poziomy testosteronu w surowicy i innych androgenów są czynnikiem ryzyka raka prostaty i uważa się, że delecja tego genu, który bierze udział w metabolizmie androgenów, może prowadzić do zwiększenia poziomu androgenów w surowicy (Park et al., 2006). Jednym z interesujących pytań, które nie zostały jeszcze zbadane, jest to, czy istnieje jakikolwiek związek między dziedzicznymi CNVs w odpowiednich dla raka regionach genomowych a częstością różnych strat i zysków genomowych, które występują podczas progresji raka. Ponieważ zmiany te mają duże znaczenie prognostyczne, taki związek może mieć istotne konsekwencje dla wczesnych decyzji dotyczących postępowania terapeutycznego.
jak opisano, geny zaangażowane w rozwój mózgu są wzbogacone w CNVs (de Smith et al., 2007), a część tych wariantów może zatem przyczynić się do podatności na zaburzenia neurologiczne i psychiatryczne, takie jak choroba afektywna dwubiegunowa (BD) i schizofrenia. Niektóre z najważniejszych genów kandydujących na BD i schizofrenię, takich jak PDE4ß, CHRNA7 i DISC1, pokrywają się ze znanymi wariantami. Na przykład w kohorcie pacjentów BD stwierdzono znaczny wzrost obecności znanego CNV nakładającego się na GSK3ßgene w porównaniu ze zdrowymi kontrolami (Lachman et al., 2007). Jest to wiarygodny Gen kandydujący do BD, ponieważ bierze udział w rozwoju komórek neuronalnych, a transgeniczne myszy z Gsk3ßoverexpresją wykazywały naśladowanie aktów manii klinicznej, ze zwiększoną aktywnością lokomotoryczną i reakcją akustyczną (Prickaerts et al., 2006). GSK3ßvariant został do tej pory udokumentowany tylko w dwóch zdrowych próbkach kontrolnych, więc można go opisać jako rzadki CNV. Niektóre badania mające na celu identyfikację wariantów związanych z konkretnymi chorobami ujawniły jednak warianty liczby kopii genów, które występują tylko u pacjentów z tymi chorobami, a nie w populacji ogólnej. Warianty te powinny zatem być właściwie określane jako mutacje z liczbą kopii (CNM), ponieważ nie występują z znaczną częstością (>1%) w populacji ogólnej i mogą być bezpośrednią przyczyną choroby, a nie działać jako loci wrażliwości.
oprócz powszechnych CNV odgrywających rolę w zaburzeniach neurologicznych, wiele CNM de novo było również związanych z takimi chorobami. Warianty zawierające trzy geny ekspresji mózgu zaangażowane w sygnalizację glutaminianu, GLUR7, AKAP5 i CACNG2, stwierdzono tylko u pacjentów ze schizofrenią w jednym badaniu(Wilson i wsp ., 2006). Spekuluje się, że geny te ulegają zróżnicowanej ekspresji we wczesnym rozwoju embrionalnym człowieka, a rozwój normalnego ośrodkowego układu nerwowego zależy od złożonej regulacji tych genów (Wilson et al., 2006). Niedawne badania wskazują również, że rzadkie warianty de novo o dużej penetracji mogą w niektórych przypadkach leżeć u podstaw schizofrenii. Xu i in. (2008) stwierdził 10% częstość nowych wariantów u pacjentów ze sporadyczną schizofrenią, która była osiem razy większa niż w grupie kontrolnej. Liczba genów pokrywających się z tymi wariantami była stosunkowo niewielka, ale analiza GO wykazała, że najbardziej wzbogacone kategorie to szlaki związane z rozwojem neuronów (Xu et al., 2008). Wyniki te są odzwierciedlone w innym niedawnym raporcie o związku z rzadkimi wariantami wpływającymi na geny neurorozwojowe w przypadkach schizofrenii (Walsh et al., 2008).
wyniki tych badań schizofrenii mają paralele w ostatnich badaniach nad genetyką autyzmu, ponieważ skojarzenia wariantów de novo zostały również określone z tym zaburzeniem neurorozwojowym (Sebat et al., 2007; Marshall et al., 2008). Sebat i in. (2007), na przykład, stwierdzono, że częstość spontanicznych mutacji wynosi 10% w sporadycznych przypadkach autyzmu, w porównaniu z tylko 1% w niezakłóconych kontroli, a wiele genów, w tym SHANK3, NLGN4 i NRXN1, zostało zaangażowanych w etiologię autyzmu poprzez badania zmienności liczby kopii. Interpretacja tych danych jest jednak nieco skomplikowana ze względu na trudności związane z: a) udowodnieniem, że dana zmiana liczby kopii jest rzeczywiście de novo (większość obecnych metod cierpi z powodu wysokich wyników fałszywie ujemnych i fałszywie dodatnich) oraz b) ustaleniem „normalnego” tempa generowania zmian liczby kopii de novo.
rozróżnienie między powszechnymi wariantami liczby kopii genu i rzadkimi CNM nie zawsze jest jednoznaczne. Szczególnym tego przykładem są wspólne przyrosty liczby kopii i straty regionu na chromosomie 7, który zawiera geny PRSS1 i PRSS2, mutacje missense, w których wiadomo, że powodują dziedziczne zapalenie trzustki. Jest to choroba autodigestoinowa, w której kaskada aktywacji enzymów trawiennych trzustki jest spowodowana przedwczesną aktywacją trypsyny (Le Marechal et al., 2006). CNVs nakładające się na dwa geny stwierdzono u zdrowych osób, ale potrójne zastosowanie tego regionu jest związane z chorobą. Uważa się, że zwiększone dawki trójplikowanych genów PRSS1 i PRSS2 mogą zaburzać równowagę między aktywacją a hamowaniem trypsyny w trzustce (Le Marechal et al., 2006), co sugeruje, że powielanie tego samego locus na obu chromosomach może mieć ten sam efekt. Triplikowany region jest zatem mutacją liczby kopii, która leży u podstaw choroby, podczas gdy pojedyncza kopia na jednym chromosomie (tj. duplikacja CNV) może być opisana jako premutacja CNV dla niekorzystnego fenotypu. Sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana przez niedawną identyfikację powielenia tego miejsca u czterech pacjentów z dziedzicznym zapaleniem trzustki, którego nie stwierdzono w grupie kontrolnej (Masson i wsp ., 2008b): jest zatem możliwe, że powielanie tego locus może u niektórych osób powodować choroby, ale u innych działać jako łagodny CNV.
ostatnio wykazano, że ta sama choroba wynika z zupełnie innego mechanizmu genetycznego. Jak wspomniano wcześniej, Masson et al. (2008A) zidentyfikował Hybrydowy Gen PRSS2/PRSS1, który opisują jako mający efekt „podwójnego wzmocnienia funkcji”, z konsekwencjami zarówno jakościowymi, jak i ilościowymi, we francuskiej rodzinie z dziedzicznym zapaleniem trzustki. Ten gen fuzyjny zasadniczo składa się z duplikacji połowy każdego genu, działając w ten sposób jako „ilościowy” CNM, oprócz „jakościowej” mutacji missense, która doprowadziła do wysoce penetrującego fenotypu w tej rodzinie. Wydaje się, że jest to nowa relacja genotyp-fenotyp.
do tej pory przeprowadzono bardzo niewiele dochodzeń w celu zbadania podwójnego wpływu CNV i SNP. Jednym z przykładów jest jednak analiza czynnika dopełniacza H I genu kofaktora błonowego (CFH), który zawiera wariant aminokwasowy predysponujący do związanego z wiekiem zwyrodnienia plamki żółtej (Klein et al., 2005). Gen ten jest zawarty w obrębie regionu CNV; tak więc jest możliwe, że zmiany w liczbie kopii tego genu lub otaczającego go regionu genomowego mogą modyfikować ryzyko choroby. Na poparcie tego wykazano, że haplotyp przenoszący delecje pobliskich genów cfhr1 i cfhr3 chroni przed chorobą (Hughes et al., 2006). Ten przykład podkreśla potrzebę oceny wkładu obu typów wariantu w złożone fenotypy i choroby, ponieważ takie przypadki mogą być tylko wierzchołkiem góry lodowej(Masson et al., 2008a).
jest zatem prawdopodobne, że zmiany w liczbie kopii genu odgrywają ważną rolę w zdrowiu człowieka, przy czym niektóre wspólne geny CNV zwiększają podatność na niektóre złożone choroby, podczas gdy tak zwane CNM są bezpośrednią przyczyną chorób podobnych do Mendla. Obecne szacunki wskazują, że warianty liczby kopii pokrywają się bardziej z ludzkim genomem niż SNP (obecne szacunki ∼29% bp cf. 0,4% (http://projects.tcag.ca/variation)); jednak pozostaje do udowodnienia, czy CNV są głównym źródłem międzyosobniczych różnic w fenotypie fizjologicznym, a także ogólnej sprawności i podatności na choroby. Interakcja między istotnymi funkcjonalnie SNP i CNV zwiększa poziom złożoności dochodzeń.