asociații de boli CNV
efectul cnv asupra expresiei genelor și efectele lor potențial perturbatoare asupra structurii și funcției genelor sugerează că este probabil ca acestea să aducă o contribuție considerabilă la bolile umane. Cu toate acestea, datorită descoperirii relativ recente a cnv-urilor și a limitărilor actuale în tehnicile de transfer ridicat, amploarea completă a asociațiilor de boli CNV nu este încă clară. Cu toate acestea, din numărul tot mai mare de cazuri în care astfel de asociații au fost demonstrate, este probabil ca acestea să aducă o contribuție substanțială la boala umană.
având în vedere numărul mare de gene care sunt suprapuse de cnv (tabelul (tabelul 1),1), este probabil să fie afectată o proporție semnificativă de gene relevante din punct de vedere Biomedical. În studiul nostru de descoperire CNV, de exemplu, aproape jumătate din genele care intersectează variantele au fost reprezentate în baza de date OMIM, inclusiv genele asociate cu bolile mendeliene, tulburările genomice și bolile comune (de Smith și colab., 2007). Într-adevăr, multe modificări ale numărului de copii ale genelor contribuie direct la bolile monogene. În bolile recesive, hemizigozitatea datorată ștergerii unei gene sau a unei părți a unei gene ar putea demasca o mutație pe cealaltă copie a genei. În schimb, duplicarea unei copii genetice sănătoase pe un cromozom ar putea masca teoretic efectele unei mutații cauzatoare de boli în gena de pe celălalt cromozom, salvând astfel fenotipul. Într-adevăr, s-a prezis că o proporție din penetranța variabilă arătată de multe tulburări genetice dominante ar putea fi explicată prin cnv-uri (Beckmann și colab., 2007).
se știe că boala Alzheimer cu debut precoce autosomal dominant (ADEOAD) este cauzată de mutații missense în genele APP de pe cromozomul 21, dar duplicarea locusului APP a fost găsită și la pacienții cu această tulburare (Rovelet-Lecrux și colab., 2006). Se crede că această creștere a numărului de copii duce la o abundență de depozite de amiloid în creier. În mod similar, triplarea genei SNCA, care duce la o abundență de corpuri Lewy, a fost asociată la pacienții cu boală Parkinson dominantă autosomală (Singleton și colab., 2003). Niciuna dintre aceste gene nu este cunoscută a fi suprapusă de variante la indivizii sănătoși, iar aceste câștiguri ale numărului de copii sunt, prin urmare, considerate a sta la baza bolii: astfel de caracteristici sunt denumite mutații ale numărului de copii (CNMs). Pierderea sau câștigul de material exonic ar putea duce, de asemenea, la mutații missense sau schimbări de cadre: într-adevăr, distrofia musculară Duchenne (DMD) este de obicei cauzată de ștergeri de novo și duplicări care duc la schimbări de cadre. Dacă acestea ar fi descoperite pentru prima dată astăzi, ar fi cunoscute sub numele de CNMs. Important, majoritatea strategiilor de secvențiere pentru identificarea mutațiilor care cauzează boala monogenică ar rata astfel de variante, ceea ce ar putea, prin urmare, să reprezinte o proporție semnificativă a mutațiilor lipsă și să complice consilierea genetică.
pe lângă bolile monogene, variațiile numărului de copii ale regiunilor genomice mari sunt cauza principală a multor tulburări genomice, iar astfel de aberații pot afecta numărul de copii ale mai multor gene. În unele cazuri, se consideră că modificările de dozare ale multor gene contribuie la fenotip, de exemplu cu 1-ul de la 7.Ștergerea 6-Mb la cromozomul 7q11.23 care duce la sindromul Williams-Beuren (Peoples și colab., 2000). În alte tulburări, cum ar fi CMT1A și SMS, se crede că modificările dozei într-o singură genă stau la baza bolii (Roa și colab., 1991; Slager și colab., 2003). Interpretarea datelor obținute din investigațiile clinice asupra cauzei care stă la baza tulburărilor genomice suspectate este frecvent complicată de prezența cnv. Nu avem încă o apreciere deplină a spectrului normal al variației numărului de copii, în special în grupurile de populație non-HapMap (consorțiul internațional HapMap, 2003) și, prin urmare, poate fi foarte dificil să se facă distincția între cnv benigne și variantele cauzatoare de boli. Alte complicații pot fi cauzate de cnv-uri care se suprapun aberațiilor mai mari, astfel încât diferite combinații de variante atenuează sau agravează fenotipurile. Acest lucru ar putea ajuta la explicarea, de exemplu, a diferitelor manifestări ale fenotipurilor observate la pacienții cu trisomie 21: de exemplu, 40% dintre pacienți au defecte cardiace congenitale (Freeman și colab., 1998) și 1% din numărul de cazuri de leucemie (zipursky et al., 1992).
situația cu privire la boala complexă este și mai puțin simplă. Progresele recente în analiza complexă a bolii, folosind abordări de asociere SNP la nivelul genomului, au evidențiat noi gene și căi patogene potențiale (Frayling și colab., 2007; Sladek și colab., 2007), dar markerii SNP găsiți încă nu țin cont de heritabilitatea estimată a acestor tulburări. Prin urmare, este probabil ca alți factori genetici să contribuie la tulburări complexe comune, inclusiv variante rare, modificări epigenetice și variații ale numărului de copii. Deși cnv se suprapun multor gene importante din punct de vedere biologic, dintre care mai multe au fost deja asociate cu boala, aceasta nu este o dovadă în sine că acestea joacă un rol în boală. Prin urmare, sunt în curs de desfășurare studii pentru identificarea cnv-urilor specifice asociate bolii. Acest lucru a dus deja la asocieri de boli raportate cu variante care sunt relativ frecvente la populațiile aparent sănătoase. O proporție substanțială a acestor asociații a fost găsită cu gene implicate în sistemul imunitar și în apărarea împotriva bolilor. Primul exemplu în acest sens a fost descoperirea că numărul redus de copii ale unui CNV frecvent, inclusiv gena FCGR3B, este asociat cu glomerulonefrita la șobolani și oameni (aitman și colab., 2006). Această genă joacă un rol cheie în reglarea răspunsurilor inflamatorii și imune, în special în legarea neutrofilelor la complexele imune și clearance-ul acestor complexe și de atunci a fost asociată cu lupus eritematos sistemic (LES) și alte tulburări autoimune sistemice, cum ar fi vasculita asociată ANCA (Fanciulli și colab., 2007).
după cum s-a descris anterior, variațiile numărului de copii ale unei alte gene, componenta complementară C4, au fost asociate de mult timp cu LES. Această genă joacă, de asemenea, un rol în eliminarea complexelor imune, precum și în activarea căilor de complement care acționează împotriva microbilor invadatori și în reducerea pragului de activare a limfocitelor B. S-a confirmat recent că un număr scăzut de copii de C4 crește riscul de Les, în timp ce un număr mare de copii ale acestei gene au un rol protector împotriva bolii (Yang și colab., 2007).
o altă genă implicată în apărarea împotriva bolii este CCL3L1, care este, de asemenea, încorporată într-un CNV extrem de comun și foarte polimorf. Această genă a fost implicată în susceptibilitatea și progresia bolii la HIV, deoarece CCL3L1 este cel mai eficient ligand pentru receptorul de chemokină CC 5 (CCR5), care este principalul co-receptor HIV, deci este un important chemokină supresivă HIV (Menten și colab., 2002). Deținerea unui număr scăzut de copii CCL3L1 este un factor de risc major pentru HIV, asociat cu încărcături virale mai mari și pierderea ulterioară crescută a celulelor T (Gonzalez și colab., 2005).
probabil cel mai interesant exemplu de CNV asociat bolii care se suprapune peste genele legate de sistemul imunitar este cel al genelor beta defensinei, care sunt candidate pentru variația susceptibilității la tulburări autoimune și inflamatorii, datorită rolurilor lor antimicrobiene și pro-inflamatorii. Aceste gene variază foarte mult ca număr de copii atât la om (Armour și colab., 2007) și, de asemenea, macaci, sugerând că acesta este un hotspot antic pentru variația numărului de copii (Lee și colab., 2008). O unitate mare de repetare la cromozomul 8p23.1, inclusiv DEFB4, SPAG11, DEFB103, DEFB104 și DEFB105, printre altele, este foarte variabil în numărul de copii, indivizii transportând între 2 și 12 copii pe genom diploid. Numărul mare de copii ale acestei unități crește susceptibilitatea la psoriazisul comun al bolii inflamatorii a pielii, în concordanță cu un răspuns imun exagerat care duce la o boală inflamatorie (Hollox și colab., 2008). În schimb, numărul redus de copii ale genei DEFB4 a fost asociat cu boala Crohn a colonului, care se crede că se datorează unei slăbiri a barierei antibacteriene din mucoasa colonului din cauza deficienței relative a beta-defensinelor (Fellermann și colab., 2006). Acesta este primul exemplu de CNV comun care, în număr redus de copii, poate duce la o boală, iar în număr mare de copii poate duce la o altă boală distinctă fenotipic.S-a demonstrat, de asemenea, că variantele
se suprapun genelor relevante pentru cancer, de exemplu o regiune de ștergere de 630 kb pe cromozomul 3p21.3 eliminat în cancerul pulmonar, încorporând trei gene supresoare tumorale TUSC2, TUSC4 și NAT6, sa constatat că se suprapun unei deleții relativ comune CNV într-o populație aparent sănătoasă (Wong și colab., 2007). Multe alte oncogene și supresoare tumorale sunt afectate de variația numărului de copii, inclusiv LPP, MLLT3, MEN1, APC, VAV2, TNFRSF25, BCAS1 și HIC2 (Conrad și colab., 2006; de Smith și colab., 2007; Wong și colab., 2007). Studiile pentru a determina consecințele lor asupra susceptibilității la cancer sunt în curs de desfășurare, dar avem deja cel puțin un exemplu de asociere semnificativă. O variantă de ștergere UGT2B17, găsită la aproximativ 11-12% dintre subiecții sănătoși, prezintă o asociere semnificativă cu riscul de cancer de prostată la caucazieni. Nivelurile crescute de testosteron seric și alți androgeni sunt un factor de risc pentru cancerul de prostată și se crede că ștergerea acestei gene, care este implicată în metabolismul androgen, poate duce la creșterea nivelului seric de androgeni (Park și colab., 2006). O întrebare interesantă, care nu a fost încă investigată, este dacă există vreo relație între cnv-urile moștenite în regiunile genomice relevante pentru cancer și incidența diferitelor pierderi și câștiguri genomice care apar în timpul progresiei cancerului. Deoarece aceste schimbări au o semnificație prognostică considerabilă, o astfel de relație poate avea consecințe importante pentru deciziile timpurii privind managementul terapeutic.
după cum este descris, genele implicate în dezvoltarea creierului sunt îmbogățite În cnv-uri (de Smith și colab., 2007) și, prin urmare, o parte din aceste variante pot contribui la susceptibilitatea la tulburări neurologice și psihiatrice, cum ar fi tulburarea bipolară (BD) și schizofrenia. Într-adevăr, unele dintre cele mai importante gene candidate la BD și schizofrenie, cum ar fi PDE4 XV, CHRNA7 și DISC1, sunt suprapuse de variante cunoscute. Într-o cohortă de pacienți cu BD, de exemplu, s-a constatat o creștere semnificativă a prezenței unui CNV cunoscut care se suprapune peste Gsk3, comparativ cu controalele sănătoase (Lachman și colab., 2007). Aceasta este o genă candidată credibilă pentru BD, deoarece este implicată în dezvoltarea celulelor neuronale, iar șoarecii transgenici cu Gsk3 s-au dovedit a imita acte de manie clinică, cu activitate locomotorie crescută și răspuns acustic de tresărire (Prickaerts și colab., 2006). Varianta Gsk3 a fost documentată doar în două probe de control sănătoase până în prezent, deci ar putea fi descrisă ca un CNV rar. Unele studii care vizează identificarea variantelor asociate cu anumite boli, cu toate acestea, au descoperit variante ale numărului de copii genetice care sunt prezente numai la pacienții cu aceste boli și nu în populația generală. Prin urmare, aceste variante ar trebui denumite în mod corespunzător mutații ale numărului de copii (CNMs), deoarece nu sunt prezente la o frecvență apreciabilă (>1%) în populația generală și pot fi cauza directă a bolii, mai degrabă decât să acționeze ca loci de susceptibilitate.
pe lângă cnv-urile comune care joacă un rol în tulburările neurologice, o serie de CNM-uri de novo au fost, de asemenea, asociate cu astfel de boli. Variantele care încorporează trei gene exprimate în creier implicate în semnalizarea glutamatului, GLUR7, AKAP5 și CACNG2, au fost găsite numai la pacienții cu schizofrenie într-un studiu (Wilson și colab., 2006). Se speculează că aceste gene sunt exprimate diferențiat în timpul dezvoltării embrionare umane timpurii și că dezvoltarea unui sistem nervos central normal depinde de reglarea complexă a acestor gene (Wilson și colab., 2006). Un studiu recent indică, de asemenea, că variantele rare de novo cu penetrare ridicată pot sta la baza schizofreniei în unele cazuri. Xu și colab. (2008) a găsit o frecvență de 10% a variantelor noi la pacienții cu schizofrenie sporadică, care a fost de opt ori mai mare decât în grupurile de control. Numărul de gene suprapuse de aceste variante a fost relativ mic, dar analiza GO a arătat că cele mai îmbogățite categorii sunt căi asociate cu dezvoltarea neuronală (Xu și colab., 2008). Aceste rezultate sunt reflectate de un alt raport recent al unei asocieri cu variante rare care afectează genele neurodezvoltării în cazurile de schizofrenie (Walsh și colab., 2008).
rezultatele acestor studii de schizofrenie au paralele în investigațiile recente asupra geneticii autismului, deoarece asociațiile variantelor de novo au fost, de asemenea, determinate cu această tulburare neurodezvoltată (Sebat și colab., 2007; Marshall și colab., 2008). Sebat și colab. (2007), de exemplu, a constatat că frecvența mutațiilor spontane este de 10% în cazurile sporadice de autism, comparativ cu doar 1% în controalele neafectate, iar un număr de gene, inclusiv SHANK3, NLGN4 și NRXN1, au fost implicate în etiologia autismului prin studii de variație a numărului de copii. Interpretarea acestor date este oarecum complicată, totuși, de dificultățile inerente (a) dovedirii faptului că o anumită variație a numărului de copii este de fapt de novo (majoritatea metodologiilor actuale suferă de rezultate fals negative ridicate, precum și de rezultate fals pozitive) și (b) stabilirii ratei normale de generare a modificărilor numărului de copii de novo.
distincția dintre variantele comune ale numărului de copii ale genei și CNM-urile rare nu este întotdeauna una clară. Un exemplu particular în acest sens sunt câștigurile și pierderile comune ale numărului de copii ale regiunii pe cromozomul 7 care încorporează genele PRSS1 și PRSS2, mutații missense în care se știe că provoacă pancreatită ereditară. Aceasta este o boală autodigestivă, prin care o cascadă de activare a enzimelor digestive pancreatice este cauzată de activarea prematură a tripsinei (Le Marechal și colab., 2006). Cnv-urile care se suprapun celor două gene au fost găsite la indivizi sănătoși, dar o triplare a acestei regiuni este asociată cu boala. Se crede că doza crescută a genelor triplicate PRSS1 și PRSS2 poate perturba echilibrul dintre activarea și inhibarea tripsinei în pancreas (Le Marechal și colab., 2006), ceea ce sugerează că o duplicare a aceluiași locus pe ambii cromozomi ar putea avea același efect. Regiunea triplicată este, prin urmare, o mutație a numărului de copii care stă la baza bolii, în timp ce un singur câștig de copie pe un cromozom (adică duplicarea CNV) ar putea fi descris ca un CNV premutație pentru fenotipul advers. Situația este complicată și mai mult, totuși, prin identificarea recentă a unei duplicări a acestui locus la patru pacienți cu pancreatită ereditară, care nu a fost găsită în controale (Masson și colab., 2008b): este posibil, prin urmare, ca duplicarea acestui locus să poată provoca, la unii indivizi, boli, dar la alții să acționeze ca un CNV benign.
aceeași boală s-a dovedit recent că rezultă dintr-un alt mecanism genetic. Așa cum am menționat mai devreme, Masson și colab. (2008a) a identificat o genă hibridă PRSS2/PRSS1, pe care o descriu ca având un efect dublu de câștig-funcție, cu consecințe atât calitative, cât și cantitative, într-o familie franceză cu pancreatită ereditară. Această genă de fuziune constă în esență dintr-o duplicare a jumătății fiecărei gene, acționând astfel ca un CNM cantitativ, pe lângă o mutație missense calitativă, care a dus la un fenotip foarte penetrant în această familie. Aceasta pare a fi o nouă relație genotip-fenotip.
foarte puține investigații au fost efectuate până în prezent pentru a examina efectele duale ale cnv-urilor și SNP-urilor. Cu toate acestea, un exemplu este analiza factorului complementar H și a cofactorului cu membrană (CFH), care conține o variantă de aminoacizi care predispune la degenerescența maculară legată de vârstă (Klein și colab., 2005). Această genă este conținută într-o regiune CNV; astfel, este posibil ca variațiile numărului de copii ale acestei gene sau ale regiunii genomice înconjurătoare să poată modifica riscul de boală. În sprijinul acestui fapt, un haplotip care poartă ștergeri ale genelor CFHR1 și CFHR3 din apropiere s-a dovedit a fi protector împotriva bolii (Hughes și colab., 2006). Acest exemplu evidențiază necesitatea de a evalua contribuția ambelor tipuri de variante la fenotipuri și boli complexe, deoarece astfel de cazuri pot fi doar vârful aisbergului (Masson și colab., 2008a).
prin urmare, este probabil ca variațiile numărului de copii ale genelor să joace un rol important în sănătatea umană, unele cnv-uri genetice comune crescând susceptibilitatea la anumite boli complexe, în timp ce așa-numitele CNM-uri sunt cauza directă a bolilor asemănătoare Mendelienilor. Estimările actuale indică faptul că variantele numărului de copii se suprapun mai mult din genomul uman decât SNP-urile (estimările actuale de 29% BP cf. 0,4% (http://projects.tcag.ca/variation)); cu toate acestea, rămâne de dovedit dacă cnv-urile sunt principala sursă de diferențe interindividuale în fenotipul fiziologic, precum și aptitudinea generală și susceptibilitatea la boli. Interacțiunea dintre SNP-urile relevante din punct de vedere funcțional și cnv-urile adaugă un nivel suplimentar de complexitate investigațiilor.