OTİZMDE GENETİK (Joachim Hallmayer, Stanford University School of Medicine)

OTİZMDE GENETİK Joachim Hallmayer, Stanford University School of Medicine

Otizm ve Genetik Yanlış İkilemlerin Hikayesi

#1 – Gen vs. Çevre

Buzdolab覺 Anne

Otizm – İkiz Çalışmaları 

İkizler    



66 İkiz – 3 Çalışma Monozigotik ikizlerde konkordans~ 66% Dizigotik ikizlerin hiçbirinde genetik benzerlik yoktu.

Konkordansın, kardeşler arasındaki orana benzer olduğu varsayılır ~ 2-3%

Kalıtılabilirlik > 90%

Otizmde İkiz Çalışmaları ¨

“Karmaşık davranışlar göz önüne alındığında, genlerin yüksek oranda katkısı, kural dışı bir durumdur. Muhtemelen bunun nedeni, nisbeten az sayıda genin otizmden sorumlu olması ve diğer davranışların birçok genin etkisiyle oluşabilmesidir.”

Michael Dougherty, ASHG

CATS

¨

Kalıtılabilirlik ¤

¨

37% (95% CI 8% to 84%)

Paylaşılmış çevresel faktörler ¤ 55%

(95% CI 9% to 81%)

Otizm - Kalıtım

Gaugler et al., Nature Genetics 46, 881–885 (2014)

#2 – Otizm vs. Otizm Olmayan

Kanner, 1949 ¨

¨

“Çoğu otistik çocukların ebeveynlerinde, kanıtlanmış yüksek zeka seviyesiyle birlikte ortak özelliklerinin olduğu göz ardı edilemez.”

Kanner, ‘insan ilişkilerinin mekanikleşmesi’ ifadesinin tanımını yapar. Ebeveynlerin çoğu, insanların yanında rahat olmadığını net bir şekilde ifade eder. Hoşsohbet konuşması olanlar, bunu sıradan lafları kullanmadıklarını açıklayarak nitelendirme eğilimindedir. Bütün insanlar arasında, hafifliği çağrıştıran şeylerin küçümsenmesinden, ağırbaşlılıktan etkilenen ince ve olgun kişilerdir.

Geniş Fenotip Otistik çocukların akrabaları ¤ Geniş Otizm Fenotipi n Sosyal

beceriksizlik ve arkadaşlık kurma sorunları n Sosyal gafları anlama sorunları n Rutinlere sıkı sıkıya uyma n Takıntılı davranışlar ¤ Biliş n Akrabalarda

da bilişsel bozukluk n Düşük empati kurma becerisi

Otizm Spektrum Bozukluğu

Gelişimde Bozulmalar

Sosyal Etkileşim

Dil-İletişim

Tekrarlayıcı Kısıtlı İlgi

Çok etmenli Eşik Modeli

Kantitatif Özellik Açısından Otizm ¨

OSB, becerilerin normal dağılımının en uç kısmında yer alır. ¤ Sosyal

uyum

¤ İletişim ¤ Tekrarlayıcı ¨

Davranış

Bu özellikleri değerlendirmek için birçok ölçek geliştirilmiştir.

Sosyal Cevaplılık Ölçeği ¤ Çocukluk Dönemi Otizm Spektrum Testi ¤

Sonuçlar ¨

¨

¨

¨

Genel popülasyonda ebeveynden alınan otistik özellikler, orta derece ile yüksek derece arasında kalıtsaldır.

Kalıtsal genetik risk, eşik altı otistik özellikler ve klinik OSB fenotipi ile ilişkilidir.

Sonuçlar, normal ve patolojik değişiklikler arasındaki net sınırı sorgular.

Veriler, kantitatif özellik lokus teorisi ile uyumludur; ¤ ¤

Küçük etki büyüklüğünde çoğu gen, tüm fenotipik varyasyonu etkiler.

OSB ‘na neden olan genetik etki, aynı zamanda otistik özellikleri oluşturabilir.

#3 – Nadir Görülen Ortak Alel

AA

AA

AC

Jon McClellan , Mary-Claire King Genetic Heterogeneity in Human Disease Cell, Volume 141, Issue 2, 2010, 210 - 217

Otizm ve Bilinen Genetik Hastal脹klar Kromozom

B端y端kl端k

Sendrom

17p11.2

3.7 Mb

Smith-Magenis sendrom (delesyon)

15q11-q13

4.6-5.6 Mb

15q-q13 duplikasyon

22q11.2

1.5-3 Mb

DiGeorge/Velo-cardiofasial sendrom (delesyon) 22q11.2 duplikasyon sendromu

7q11.23

1.55Mb

Williams-Beuren sendrom

22q13.3

100kb-9Mb

22q13 delesyon sendrom

İnsan Genomu

CNV Büyüklüğü – OSB /Kontrol Type All

Deletions

Duplications

Size range 30 – 500 kb ≥ 500 kb ≥ 1 mb 30 – 500 kb ≥ 500 kb ≥ 1 mb 30 – 500 kb ≥ 500 kb ≥ 1 mb

CNV (n) 10055 595 192 5329 165 60 4726 430 132

P-­‐ value Case/control 0.04784 1.08 0.00004 2.91 0.00002 4.53 0.2589 1.07 0.0008 3.68 0.04918 4.78 0.02818 1.08 0.00034 2.67 0.00052 4.43

Otizmde “Ortak” CNVs Lokus

Cytoband

Combined # of events P-value in cases/controls (cases vs. controls)

Frequency in 2120 ASD cases

CNV-16p11.2

16p11.2

18/2120; 3/2159

0.001

0.80%

PTCHD1/PTCHD1AS

Xp22.11

10/1807; 0/786

0.038

0.50%

NRXN1 CNV-7q11.23 CNV-22q11.2 CNV-1q21.1 CNV-15q13.3 CNV-15q11- q13

2p16.3 7q11.23 22q11.2 1q21.1 15q13.3 15q11- q13

9/2120; 1/2159 4/2120; 0/2159 4/2120; 1/2159 4/2120; 3/2159 5/2120; 0/2159 2/2120; 0/2159

0.011 0.06 0.214 0.723 0.03 0.245

0.40% 0.20% 0.20% 0.20% 0.20% 0.10%

SHANK2 SHANK3 NLGN3 NLGN4X

11q13.3 22q13.33 Xq13.1 Xp22.3

2/2120; 0/2159 1/2120; 0/2159 1/1807; 0/786 1/1807; 0786

0.245 0.495 1 1

0.10% 0.05% 0.05% 0.05%

Otizmde Klinik Genetik Test ¨

Öneriler ¤

Amerikan Pediatrik Akademisi (AAP) OSB ve entelektüel yetersizlik vb. risk faktörleri olan olgularda genetik testler medikal değerlendirmenin bir parçası olmalıdır. n Sitogenetik analiz (karyotip), kromozomal mikroarray (CMA), and Fragile X testi; AAP ve diğer profesyonel örgütlerin önerdiği OSB olan bireylerde, genetik test batarya birincil bileşenidir. n

¤

2010 ‘da Amerikan Tıbbi Genetik Koleji’nden yayınlanan klavuzlar da dahil olmak üzere son klavuzlarda, OSB olan bireylerin ilk postnatal değerlendirmesinde birinci basamak test olarak G-bantlı karyotip, kopya sayısı varyantları için yapılan CMA testi ile yer değiştirmiştir.

De Novo Mutasyonlar - OSB Gen

Açık İsmi

Gözlenen

Beklenen

P değeri

DYRK1A

Dual-specificity tyrosine-(Y)-phosphorylation regulated kinase 1A

3

0.0072 6.15 × 10−8

SCN2A

Sodium channel, voltage-gated, type II, alpha subunit

3

0.018 9.20 × 10−7

CHD8

Chromodomain helicase DNA binding protein 8

3

0.022 1.76 × 10−6

KATNAL2

Katanin p60 subunit A-like 2

2

0.0049 1.19 × 10−5

POGZ

Pogo transposable element with ZNF domain

2

0.013 8.93 × 10−5

ARID1B

AT rich interactive domain 1B

2

0.018 1.57 × 10−4

Samocha et al., Nature Genetics, 2014

Otizm ve Nadir Görülen Mutasyonlar Gen

Bölge

Neuroligin 4 (NLGN4) Xp22.31-p22.32 Neurexin 1 (NRXN1)

2p16.3

SHANK2

11q13.3

SHANK3

22q13.33

CACNA1C

12p13.33

İşlev Nöronal adezyon molekülü NLGN için Presinaptik bağlanma yeri Postsinaptik iskele molekülü Postsinaptik iskele molekülü Voltaj Bağlı , L tipi, alfa 1C alt tipi Kalsiyum Kanalı

Nadir Görülen ‘Ortak Alel’

Gaugler et al., Nature Genetics 46, 881–885 (2014)

#4 – Tek Gen - Çok Genli

d D d #4 – Single Gene vs. Polygenic

Çoğul (Multiplex) - Tek Gen

d

d

Tekil (simplex) - Çok Genli

Mutasyonlar, Delesyonlar, Duplikasyonlar ¨

Özgünlük - Otizm 300'den fazla gen ilişkili bulunmuştur. ¤ Yüksek işlevli ve düşük işlevli bireylerde aynı CNV/mutasyon bulunmuştur ¤ Aynı CNV/mutasyon taşıyıcılarda hastalık şiddetinde büyük değişiklikler ¤ CNV/mutasyonlar belirli klinik bir alt tip ile ilişkili değil ¤ CNV/mutasyonlar sıklıkla sağlıklı bireylerde de bulunmaktadır ¤ CNV'ler veya mutasyonların çok azı (eğer varsa) otizme özgündür ¤ Zihinsel Engellilik ve epilepsi ile örtüşmektedir ¤

Tek Gen - Çok Genli Tek bir zararlı olayla hastadaki tüm hastalığı açıklamak olası değildir. ¨ Spontan mutasyonların olduğu çok fazla genin etkilendiği poligenik modele göre risk 5 - 20 kat artma ¨

¤ Genellikle

de novo tek nükleotid mutasyonlar ve CNV'ler hastalığın tamamen sebebi olmaktan ziyade diğer risk faktörleri ile birleştirilmektedir.

¨

Çoğul ve Tekil Otizm arasında fark bulunmamaktadır.

Otizm Genetiği ¨

Karmaşık Kalıtım ¤ Çevresel n Bu

faktörler

aşama sıklıkla bilinmemektedir

¤ Yaygın

Değişkenler

n Bilinen

¤ Nadir

oldukça azdır

Değişkenler

n 200’ün

üzerinde gen suçlanmaktadır.

¤ Yukarıdakilerin

tümü arasında etkileşim

Otizm GenetiÄ&#x;i - Zorluklar

#1 Kal覺t覺lan ne - Fenotip?

Andreas Chiocchetti izniyle

#2 – Genetik Yapı ¨

Nadir Mutasyonlar ¤ Nadir

birşey bulmak çok sayıda örnek gerektirir ¤ Sorun samanlıkta iğne aramaya benzer ¨

Yaygın Mutasyonlar ¤ Küçük

etkili genleri bulmak bir çok örnek gerektirir. ¤ İskoçlar mı daha uzun İngilizler mi? ¨

Çözüm: Büyük gruplarda Tüm Genom Sıralamadır.

#3 Otizmin Fonksiyonel HaritasÄą

Pinto et al., The American Journal of Human Genetics, Volume 94, Issue 5, 2014, 677 – 694, 2014

Pinto et al., The American Journal of Human Genetics, Volume 94, Issue 5, 2014, 677 – 694, 2014

Otizmin Fonksiyonel Haritası ¨

Etkilenmiş genler büyük işlevsel ağlar üzerinde birleşmektedir. ¤ Nöronal

Gelişim ¤ Akson Rehberliği ¤ Yolakların İşaretlenmesi ¤ Kromatin ve Transkripsiyon Düzenlenmesi

#4 Mekanizmalar – Kutsal Kase

¨

Hayvan Modelleri

¨

Uyarılmış Pluripotent Kök Hücreler

Nörogelişimsel Bozukluklarla Çalışma ¨

Hayvanlar ¤ İnsanlar

ve hayvanlarda belirtiler farklıdır ¤ Nöronlar insan nöronlarını temsil etmez ¤ Genetik arka plan farklıdır ¨

Ölüm sonrası dokular ¤ Hastalığın

başlangıcı ölümden onlarca yıl öncedir. ¤ Ölüm nedeni ¤ Hücresel fizyoloji çalışmaları için kısıtlı kullanım ¨

Periferik dokular ¤ Hedef

doku değildir

Uyarılmış Pluripotent Kök Hücreler

Hastalığa yol açan mekanizma cilt hücrelerinden türetilen nöronların fonksiyonel özelliklerinde yansıtılmaktadır. ¨ Ana Soru ¤ Bir

hücresel fenotip var mı? ¤ Hücresel fenotip kümeleri var mı? ¤ Hücresel fenotipler geri fenotiple bağlantılı olabilir mi? ¤ Hücresel fenotipte uyarılma ile değişiklikler fenotipte değişiklikler ile sonuçlanır mı?

Prensip Kanıtı– OSB'nin Sendromik Formları

¤ Timoti

Sendromu

¤ Phelan

McDermid Sendromu

¤ D22Q11

Delesyon Sendromu

Phelan-McDermid Sendromu ¨

22q13.3 delesyon ¤ %80–85

22. kromozun de novo delesyonu ¤ Delesyonların %70’i paternal ¤ Olguların %15–20’i 22. kromozomu içeren dengesiz kromozom yeniden düzenlemesi, n %50'si

dengeli taşıyıcı ebeveyninden miras kalır n Yeniden düzenlemenin anne veya babadan kalıtımsal olarak eşit olması olasıdır. ¨

100 gene kadar silinmiştir.

Phelan K. ·∙ McDermid H.E The 22q13.3 Deletion Syndrome (Phelan-McDermid Syndrome) Mol Syndromol 2011;2:186–201

Özet PMDS fenotipinin kurtarılması Control Patient

Control Patient

PMDS nöronlarındaki hücresel fenotiplerin tanımlanması

PMDS çalışmak için in-vitro platform geliştirmek

iPSCs

Neural progenitors

Neurons

Co-culture

Assa ys

Day 0

Day 10

Day31

Day50

Prensip Kanıtı- PMDS ¨

¨

¨ ¨

¨

PMDS nöronları uyarıcı sinaptik iletimde büyük yetersizliklere sahiptir, ancak bu eksiklikler inhibitör sinaptik uyarımda yoktur Uyarıcı sinaptik yetersizlikler uyarıcı sinapsların sayısında azalma sonucunda ortaya çıkar PMDS nöronları Shank3'ü azalmış düzeylerde eksprese ederler PMDS nöronlarında Shank3'ün fazla ekspresyonu tamamen AMPA'yı düzeltir, ancak sinaptik iletimle düzenlenen NMDA reseptörlerini düzenlemez IGF1 tedavisi PMDS nöronlarındaki sinaptik eksiklikleri düzeltir

Prensip Kanıtı- PMDS

¨

Klinik fenotip üzerine etkisi nedir??????

IPSC ve OSB’nin Sendromik Formları Bozukluğu olan bireylerin nöronlarının sınırsız kaynağı ¨ Bireyin genetik arka planı saklanmıştır ¨ Yeniden özetlenirse hücresel fenotipler fare modelleri ve ölüm sonrası çalışmalardan bilinmektedir ¨ Satır satır değişkenlikler önemlidir ¨ Geliştirme tamamen in vivo tekrarlanamaz ¨

IPSC’ler - Zorluklar ¨

Büyük Ölçekli ¤ Yoğun

iş gücü ¤ Deneyim gerektirir ¤ Pahalı ¤ İstatiksel güç ¤ Çalışmak için fenotiplerin seçimi ¤ Klinik semptomlarla ilişkisi

Teşekkürler:

• Ricardo Dolmetsch • Masayuki Yazawa • Thomas Portmann • Lessy Shcheglovitova • Rui Shu • Anna Krawisz • Vivian Vu and Grace Lin • Vittorio Sebastiano Finansman Autism Speaks

Jon Bernstein Ruth O’Harea Wendy Froehlich Renee Reijo-Pera Vittorio Sebastiano Ha Nam Nguyen Maria Fabian Sergiu Pasca

Phelan-McDermid Syndrome Foundation

AGP • Autism Genetics Cooperative (AGC) • Catalina Betancur (Paris), Joseph Buxbaum (Mt. Sinai), Jim Sutcliffe, Jonathan Haines (Vanderbilt), Veronica Vieland (Columbus), Tom Wassink (Iowa), Joe Piven (UNC), Margaret Pericak-Vance (Miami) • Autism Genetics Resource Exchange (AGRE) • Dan Geschwind, Stan Nelson, Rita Cantor (UCLA) • Can-a-gen • Steve Scherer, Dalila Pinto, Christian Marshall (Toronto/TCAG), Peter Szatmari (McMaster) • Collaborative Programs of Excellence in Autism (CPEA) • Jerry Schellenberg (Penn), Bernie Devlin, Nancy Minshew (Pitt), Hilary Coon, Bill McMahon (Utah), Ed Cook (Chicago) • International Molecular Gentics of Studies of Autism Consortium (IMGSAC) • Jeremy Parr, Anthony Monaco, Anthony Bailey (Oxford), Ed Cook (Chicago), Janine Lamb (Manchester), Elena Maestrini (Italy), Sabine Klauk (Germany) • Ireland: Louise Gallagher, Michael Gill (Trinity College Dublin), Sean Ennis (University College Dublin) • Portugal: Astrid Vincente (Gulbekian) • CHOP: Hakon Hakonarson • Funding: Autism Speaks (USA), Hilibrand Foundation Medical Research Council (UK), Health Research Board (Ireland), NIH (USA), Genome Canada