CNV-sjukdomsföreningar
effekten av CNV på genuttryck och deras potentiellt störande effekter på genstruktur och funktion, tyder på att de sannolikt kommer att ge ett betydande bidrag till mänskliga sjukdomar. På grund av den relativt nya upptäckten av CNV: er och nuvarande begränsningar i hög genomströmningstekniker är den fulla omfattningen av CNV-sjukdomsföreningar ännu inte klar. Från det växande antalet fall där sådana föreningar har visats är det dock troligt att de ger ett väsentligt bidrag till människors sjukdom.
med tanke på det stora antalet gener som överlappas av CNVs (tabell (Tabell1),1), kommer en betydande del av biomediskt relevanta gener sannolikt att påverkas. I vår CNV discovery-studie representerades till exempel nästan hälften av generna som skär varianterna i omim-databasen, inklusive gener associerade med Mendeliska sjukdomar, genomiska störningar och vanliga sjukdomar (De Smith et al., 2007). Faktum är att många förändringar i genkopianummer bidrar direkt till monogena sjukdomar. Vid recessiva sjukdomar kan hemizygositet på grund av radering av en gen, eller en del av en gen, avslöja en mutation på den andra genkopian. Omvänt kan duplicering av en frisk genkopia på en kromosom teoretiskt maskera effekterna av en sjukdomsframkallande mutation i genen på den andra kromosomen och därmed rädda fenotypen. Det har faktiskt förutsagts att en del av den variabla penetrationen som visas av många dominerande genetiska störningar kan förklaras av CNVs (Beckmann et al., 2007).
Autosomal dominant Alzheimers sjukdom (ADEOAD) är känd för att orsakas av missense-mutationer i APP-gener på kromosom 21, men duplicering av APP-locus har också hittats hos patienter med denna sjukdom (Rovelet-Lecrux et al., 2006). Denna kopianummerförstärkning tros leda till ett överflöd av amyloidavlagringar i hjärnan. På liknande sätt har triplicering av SNCA-genen, som leder till ett överflöd av Lewy-kroppar, associerats hos patienter med autosomal dominerande Parkinsons sjukdom (Singleton et al., 2003). Ingen av dessa gener är kända för att överlappas av varianter hos friska individer, och dessa kopianummervinster tros därför ligga till grund för sjukdom: sådana egenskaper kallas kopianummermutationer (CNMs). Förlust eller vinst av exoniskt material kan också leda till missense mutationer eller frameshifts: Duchenne muskeldystrofi (DMD) orsakas vanligtvis av de novo-raderingar och duplikationer som resulterar i frameshifts. Om dessa upptäcktes för första gången idag skulle de vara kända som CNMs. Viktigt är att de flesta sekvenseringsstrategier för identifiering av mutationer som orsakar monogenisk sjukdom skulle sakna sådana varianter, vilket därför kan redogöra för en betydande del av ’saknade’ mutationer och komplicera genetisk rådgivning.
såväl som monogena sjukdomar är variationer i kopiantal av stora genomiska regioner den bakomliggande orsaken till många genomiska störningar, och sådana avvikelser kan påverka kopiantalet för flera gener. I vissa fall tros dosförändringarna av många gener bidra till fenotyp, till exempel med 0-1.6-Mb-radering vid kromosom 7q11.23 som leder till Williams-Beuren syndrom (Peoples et al., 2000). Vid andra störningar, såsom CMT1A och SMS, antas dosförändringar i endast en enda gen ligga till grund för sjukdom (Roa et al., 1991; Slager et al., 2003). Tolkning av data som härrör från kliniska undersökningar av den bakomliggande orsaken till misstänkta genomiska störningar kompliceras ofta av närvaron av CNV. Vi har ännu inte en fullständig uppskattning av det normala spektrumet av kopianummervariation, särskilt i icke-HapMap (International HapMap Consortium, 2003) befolkningsgrupper, och det kan därför vara mycket svårt att skilja mellan godartade CNV och sjukdomsframkallande varianter. Ytterligare komplikationer kan orsakas av CNV som överlappar större avvikelser, så att olika kombinationer av varianter mildrar eller förvärrar fenotyper. Detta kan hjälpa till att förklara till exempel de olika manifestationerna av fenotyper som ses hos trisomi 21-patienter: till exempel har 40% av patienterna i xnumx xnumx medfödda hjärtfel (Freeman et al., 1998) och 1% av 1% utvecklar leukemi (Zipursky et al., 1992).
situationen med avseende på komplex sjukdom är ännu mindre enkel. Nya framsteg inom komplex sjukdomsanalys, med hjälp av genomomfattande SNP-associeringsmetoder, har markerat nya gener och potentiella patogena vägar (Frayling et al., 2007; Sladek et al., 2007), men de SNP-markörer som hittades tar fortfarande inte hänsyn till den uppskattade ärftligheten hos dessa störningar. Det är därför troligt att andra genetiska faktorer bidrar till vanliga komplexa störningar, inklusive sällsynta varianter, epigenetiska modifieringar och kopianummervariation. Även om CNV överlappar många biologiskt viktiga gener, varav flera redan var associerade med sjukdom, är detta inte i sig bevis för att de spelar en roll i sjukdom. Därför pågår nu studier för att identifiera specifika sjukdomsassocierade CNV. Detta har redan lett till rapporterade sjukdomsföreningar med varianter som är relativt vanliga i uppenbarligen friska populationer. En betydande del av dessa föreningar har hittats med gener som är involverade i immunsystemet och i försvar mot sjukdom. Det första exemplet på detta var upptäckten att lågt kopiantal av en frekvent CNV inklusive fcgr3b-genen är associerad med glomerulonefrit hos råttor och människor (Aitman et al., 2006). Denna gen spelar en nyckelroll i reglering av inflammatoriska och immunsvar, särskilt vid bindning av neutrofiler till immunkomplex och clearance av dessa komplex, och har sedan dess associerats med systemisk lupus erythematosus (SLE) och andra systemiska autoimmuna störningar, såsom ANCA-associerad vaskulit (Fanciulli et al., 2007).
som beskrivits tidigare har variationer i kopianummer av en annan gen, komplementkomponent C4, länge associerats med SLE. Denna gen spelar också en roll i clearance av immunkomplex, liksom i aktiveringen av komplementvägar som verkar mot invaderande mikrober och i minskningen av tröskeln för B-lymfocytaktivering. Det har nyligen bekräftats att låga kopiantal av C4 ökar risken för SLE, medan höga kopiantal av denna gen har en skyddande roll mot sjukdom (Yang et al., 2007).
en annan gen som är involverad i försvar mot sjukdom är CCL3L1, som också ingår i en extremt vanlig och mycket polymorf CNV. Denna gen har varit inblandad i mottaglighet för och sjukdomsprogression i HIV, eftersom CCL3L1 är den mest effektiva liganden för CC-kemokinreceptor 5 (CCR5), som är den viktigaste HIV-samreceptorn, så det är en viktig HIV-undertryckande kemokin (Menten et al., 2002). Innehav av lågt CCL3L1-kopianummer är en viktig riskfaktor för HIV, associerad med högre virusbelastningar och ökad efterföljande förlust av T-celler (Gonzalez et al., 2005).
möjligen det mest spännande exemplet på en sjukdomsassocierad CNV som överlappar gener relaterade till immunsystemet är beta-defensingenerna, som är kandidater för variation i mottaglighet för autoimmuna och inflammatoriska störningar på grund av deras antimikrobiella och proinflammatoriska Roller. Dessa gener varierar mycket i kopianummer både hos människor (Armour et al., 2007) och även makaker, vilket tyder på att detta är en gammal hotspot för kopianummervariation (Lee et al., 2008). En stor repetitionsenhet vid kromosom 8p23.1, inklusive DEFB4, SPAG11, DEFB103, DEFB104 och DEFB105 bland andra, är mycket varierande i kopianummer, med individer som bär mellan 2 och 12 kopior per diploid genom. Höga kopiantal av denna enhet ökar känsligheten för den vanliga inflammatoriska hudsjukdomen psoriasis, överensstämmer med ett överdrivet immunsvar som leder till en inflammatorisk sjukdom (Hollox et al., 2008). Omvänt har låga kopiantal av DEFB4-genen associerats med kolon Crohns sjukdom, vilket tros bero på en försvagning av den antibakteriella barriären i kolonslemhinnan på grund av relativ brist på beta-defensiner (Fellermann et al., 2006). Detta är det första exemplet på en vanlig CNV som i låga kopiantal kan leda till en sjukdom, och i höga kopiantal kan leda till en annan fenotypiskt distinkt sjukdom.
varianter har också visat sig överlappa cancerrelevanta gener, till exempel en 630-kb-deletionsregion på kromosom 3p21.3 borttagen i lungcancer, som innehåller tre tumörsuppressorgener TUSC2, TUSC4 och NAT6, befanns överlappa en relativt vanlig deletion CNV i en uppenbarligen frisk population (Wong et al., 2007). Många andra onkogener och tumörundertryckare påverkas av variationen i kopianummer, inklusive LPP, MLLT3, MEN1, APC, VAV2, TNFRSF25, BCAS1 och HIC2 (Conrad et al., 2006; De Smith et al., 2007; Wong et al., 2007). Studier för att bestämma deras konsekvenser för cancerkänslighet pågår, men vi har redan minst ett exempel på en betydande förening. En UGT2B17-deletionsvariant, som finns hos cirka 11-12% av friska försökspersoner, uppvisar en signifikant samband med risk för prostatacancer hos kaukasier. Ökade nivåer av serumtestosteron och andra androgener är en riskfaktor för prostatacancer, och man tror att radering av denna gen, som är involverad i androgenmetabolism, kan leda till ökade serumandrogennivåer (Park et al., 2006). En intressant fråga, som ännu inte har undersökts, är om det finns något samband mellan de ärftliga CNV: erna i cancerrelevanta genomiska regioner och förekomsten av de olika genomiska förlusterna och vinsterna som uppstår under cancerprogression. Eftersom dessa förändringar har betydande prognostisk betydelse kan ett sådant förhållande få viktiga konsekvenser för tidiga beslut om terapeutisk hantering.
som beskrivet berikas gener som är involverade i hjärnutveckling i CNVs (de Smith et al., 2007), och en del av dessa varianter kan därför bidra till mottaglighet för neurologiska och psykiatriska störningar, såsom bipolär sjukdom (BD) och schizofreni. Faktum är att några av de viktigaste BD-och schizofrenikandidatgenerna, såsom PDE4 Macau, CHRNA7 och DISC1, överlappas av kända varianter. I en kohort av BD-patienter, till exempel, hittades en signifikant ökning för närvaron av en känd CNV som överlappar GSK3-Bronkialgenen jämfört med friska kontroller (Lachman et al., 2007). Detta är en trovärdig kandidatgen för BD eftersom den är involverad i neuronal cellutveckling, och transgena möss med GSK3-Otuberuttryck har visat sig efterlikna handlingar av klinisk mani, med ökad lokomotorisk aktivitet och akustisk skrämselrespons (Prickaerts et al., 2006). GSK3-varianten har hittills bara dokumenterats i två friska kontrollprover, så det kan beskrivas som en sällsynt CNV. Vissa studier som syftar till identifiering av varianter associerade med särskilda sjukdomar har emellertid upptäckt genkopianummervarianter som endast finns hos patienter med dessa sjukdomar och inte i den allmänna befolkningen. Dessa varianter bör därför korrekt kallas kopianummermutationer (CNMs), eftersom de inte är närvarande vid Märkbar frekvens (>1%) i den allmänna befolkningen och kan vara den direkta orsaken till sjukdom, snarare än att fungera som mottaglighet loci.
förutom vanliga CNV som spelar en roll i neurologiska störningar har ett antal de novo CNM också associerats med sådana sjukdomar. Varianter som innehåller tre hjärnuttryckta gener involverade i glutamatsignalering, GLUR7, AKAP5 och CACNG2, hittades endast hos patienter med schizofreni i en studie (Wilson et al., 2006). Det spekuleras att dessa gener uttrycks differentiellt under tidig mänsklig embryonal utveckling, och att utvecklingen av ett normalt centrala nervsystemet beror på komplex reglering av dessa gener (Wilson et al., 2006). En ny studie indikerar också att sällsynta de novo-varianter med hög penetrans kan ligga till grund för schizofreni i vissa fall. Xu et al. (2008) fann en 10% frekvens av nya varianter hos patienter med sporadisk schizofreni, vilket var åtta gånger högre än i kontroller. Antalet gener som överlappades av dessa varianter var relativt litet, men Go-analys visade att de mest berikade kategorierna var vägar associerade med neuronal utveckling (Xu et al., 2008). Dessa resultat speglas av en annan ny rapport om ett samband med sällsynta varianter som påverkar neuroutvecklingsgener i fall av schizofreni (Walsh et al., 2008).
resultaten av dessa studier av schizofreni har paralleller i de senaste undersökningarna av autismens genetik, eftersom föreningar av de novo-varianter också har bestämts med denna neurodevelopmental störning (Sebat et al., 2007; Marshall et al., 2008). Sebat et al. (2007) fann till exempel frekvensen av spontana mutationer att vara 10% i sporadiska fall av autism, jämfört med endast 1% i opåverkade kontroller, och ett antal gener, inklusive SHANK3, NLGN4 och NRXN1, har varit inblandade i autismens etiologi genom studier av kopianummervariation. Tolkningen av dessa uppgifter är emellertid något komplicerad av de svårigheter som är förknippade med att A) bevisa att en viss kopianummervariation faktiskt är de novo (de flesta nuvarande metoder lider av höga falska negativa och falska positiva resultat) och b) fastställa den normala genereringsgraden för de novo-kopianummerändringar.
skillnaden mellan vanliga genkopianummervarianter och sällsynta CNMs är inte alltid en tydlig. Ett särskilt exempel på detta är de vanliga kopianummervinsterna och förlusterna i regionen på kromosom 7 som innehåller PRSS1-och PRSS2-generna, missense-mutationer som är kända för att orsaka ärftlig pankreatit. Detta är en autodigestiv sjukdom, varigenom en aktiveringskaskad av pankreatiska matsmältningsenzymer orsakas av för tidig aktivering av trypsin (Le Marechal et al., 2006). CNV: er som överlappar de två generna har hittats hos friska individer, men en triplicering av denna region är associerad med sjukdom. Man tror att den ökade dosen av de tredubblade PRSS1-och PRSS2-generna kan störa balansen mellan aktivering och hämning av trypsin i bukspottkörteln (Le Marechal et al., 2006), vilket antyder att en duplicering av samma plats på båda kromosomerna kan ha samma effekt. Den tredubblade regionen är därför en kopianummermutation som ligger till grund för sjukdom, medan en enda kopieringsförstärkning på en kromosom (dvs. duplicering CNV) kan beskrivas som en PREMUTATION CNV för den negativa fenotypen. Situationen kompliceras emellertid ytterligare av den senaste identifieringen av en duplicering av denna plats hos fyra patienter med ärftlig pankreatit, som inte hittades i kontroller (Masson et al., 2008b): det är därför möjligt att duplicering av denna plats hos vissa individer kan orsaka sjukdom men hos andra fungera som en godartad CNV.
samma sjukdom har också nyligen visat sig vara resultatet av en annan genetisk mekanism helt och hållet. Som tidigare nämnts, Masson et al. (2008a) identifierade en hybrid PRSS2/PRSS1-gen, som de beskriver som en dubbel vinstfunktionseffekt, med både kvalitativa och kvantitativa konsekvenser, i en fransk familj med ärftlig pankreatit. Denna fusionsgen består i huvudsak av en dubblering av hälften av varje gen, vilket fungerar som en ’kvantitativ’ CNM, förutom en ’kvalitativ’ missense-mutation, vilket har resulterat i en mycket penetrerande fenotyp i denna familj. Detta verkar vara ett nytt genotyp-fenotypförhållande.
mycket få undersökningar har hittills genomförts för att undersöka de dubbla effekterna av CNV och SNP. Ett exempel är emellertid analys av komplementfaktorn H och MEMBRANKOFAKTOR (CFH)-genen, som innehåller en aminosyravariant som predisponerar för åldersrelaterad makuladegeneration (Klein et al., 2005). Denna gen finns i en CNV-region; således är det möjligt att variationer i kopianummer av denna gen, eller dess omgivande genomiska region, kan modifiera risken för sjukdom. Till stöd för detta har en haplotyp som bär borttagningar av de närliggande CFHR1-och CFHR3-generna visat sig vara skyddande mot sjukdomen (Hughes et al., 2006). Detta exempel belyser behovet av att utvärdera bidraget från båda typerna av variant till komplexa fenotyper och sjukdomar, eftersom fall som dessa bara kan vara toppen av isberget (Masson et al., 2008a).
det är därför troligt att variationer i genkopianummer spelar en viktig roll för människors hälsa, med vissa vanliga Gen-CNV: er som ökar känsligheten för vissa komplexa sjukdomar, medan så kallade CNM är den direkta orsaken till Mendelian-liknande sjukdomar. Nuvarande uppskattningar tyder på att kopianummervarianter överlappar mer av det mänskliga genomet än SNP: er (nuvarande uppskattningar av 29% BP i 29% CF. 0, 4% (http://projects.tcag.ca/variation)); det återstår emellertid att bevisas om CNV är den huvudsakliga källan till interindividuella skillnader i fysiologisk fenotyp, såväl som övergripande kondition och sjukdomskänslighet. Samspelet mellan funktionellt relevanta SNP och CNV lägger till en ytterligare nivå av komplexitet i utredningarna.