Pia Soronen (FM, LK, väitellyt)

21.3.2013

Yleistä periytyvyydestä ja genetiikasta

Miten perinnöllisyyttä tutkitaan Kytkentäanalyyseistä nykypäivään

Tärkeimmät löydökset Ehdokasgeeni esimerkkejä

Uudet GWAS löydökset

Löydökset Suomessa

Yhteenveto

Kuinka paljon yksilölliset erot johtuvat geeneistä (ei ympäristötekijöistä)

Ominaisuus / sairaus yleisempi sairaan sukulaisilla kuin väestössä keskimäärin Kaksisuuntainen mielialahäiriö 85-93 %

Ensimmäisen asteen sukulaisella 8 kertainen riski verrattuna normaaliväestöön

Identtisellä kaksosella 60 kertainen riski

Tutkitaan hyödyntäen kaksosaineistoja tai adoptio aineistoja Kaksosaineistoissa verrataan identtisten ja ei-identtisten

kaksosten samankaltaisuutta (sairastavuutta) Identtisillä kaksosilla täysin samat geenit, ei-identtisillä vain puolet

geeneistä samoja

Adoptioaineistossa verrataan eri perheisiin adoptoitujen identtisten kaksosten sairastavuutta Kaikki erot johtuvat eri ympäristöistä, geenit ovat samat

Jos ominaisuus perinnöllinen ->

Mitkä perimän tekijät vaikuttavat sairauden puhkeamiseen

Kromosomi

Tuma

Solu

DNA

Geeni A T

G C

46 kromosomia

DNA muodostuu emäksistä

Geenit ovat DNA pätkiä jotka sisältävät geneettistä informaatiota, niistä voidaan esim. muodostaa proteiineja

DNA koodissa muuntelua ihmisten välillä, eli emäskoodi erilaista eri yksilöillä

Monen tasoista

Kromosomistomuutokset

Downin ja Turnerin oireyhtymät

Deleetiot ja insertiot

Monistumat

2-4 emäksen monistumia käytetty geneettisissä tutkimuksissa

SNP (Single Nucleotide Polymorphism) eli yhden nukleotidin muuntelu Yleinen (> 5%) SNP joka 300

emäsparin välein

Sairas isoisä Terve isoäiti

Terve lapsi Terve lapsi Terve lapsi Terve lapsi Sairas lapsi Sairas lapsi

Terve isä Terve äiti

Perheaineisto Mitkä perimän alueet periytyvät yhdessä sairauden

kanssa

SNP 1

SNP 2

= C

= G

= A

= T

Tapaus-verrokki aineisto Mitkä perimän tekijät esiintyvät useammin sairailla

verrattuna kontrolliaineiston terveisiin

Genotyyppi AA

Genotyyppi AG

Genotyyppi GG

Sairaat Verrokit

I: Kytkentäanalyysi:

Etsitään koko genomin alueelta yhdessä sairauden

kanssa periytyviä alueita 1990-luvulta lähtien

Tarvitaan perheaineistoja

Muutamia satoja monistumamarkkereita (STR)

Löydetyt alueet yleensä laajoja, kattavat satoja geenejä

Soveltuu parhaiten tutkittaessa sairauksia joiden syntyyn vaikuttaa vain muutama geeni, joilla kullakin on suuri vaikutus sairauden syntyyn

II: Ehdokasgeenitutkimukset:

Tutkitaan biologisesti mielekkäiden geenien yhteyttä sairauteen vertaamalla eri geenimuotojen yleisyyttä tapaus-verrokki aineistoissa Ehdokasgeenit valittu kytkentälöydösten tai pelkän

geenin tehtävän perusteella

Kummassakin tapauksessa tarvitaan yleensä tietoa tutkittujen ehdokasgeenien biologiasta ja toiminnasta elimistössä Kytkentäanalyyseissä löydetyt alueet laajoja, satojen

geenien joukosta tutkittu ne, joiden toiminta looginen mielialahäiriön biologian kannalta

Kytkentäanalyysit

Ei yhtään genomin aluetta joka periytyisi kaikissa tutkimuksissa yhdessä sairauden kanssa.

Kytkentäpiikkejä löydetty kaikista kromosomeista

Esimerkkejä vahvimmista löydöksistä:

2p12-p16

4p16

4q32

5q31

6q21

8q24

9q21

12q23-q24: esim. P2RX7

15q14

Kytkentäanalyysit Yli 30 vuotta tutkittu

Ei suuria läpimurtoja

-> Kaksisuuntaisen mielialahäiriön taustalla vaikuttaa todennäköisesti paljon eri geenejä, joilla kaikilla vain pieni vaikutus sairauden syntyyn

Ehdokasgeenitutkimukset Mikään geeni ei ole assosioitunut kaksisuuntaiseen

mielialahäiriöön kaikissa tutkituissa aineistoissa

Useista geeneistä löytyy kymmeniä julkaisuja, osa positiivisia, osa negatiivisia

Monista geeneistä tehty meta-analyysejä, eli on analysoitu uudestaan aiemmin julkaistut tutkimukset.

Serotoniin transportteri, säätelee serotoniinin pitoisuutta synapsiraossa Poistaa serotoniinia synapsiraosta -> serotoniini vaikutus

kohdesolussa vähenee

Serotoniini Säätelee emootioita, unta, ruokahalua, seksuaalisia toimintoja Serotonitason lasku -> masennusoireet Keskeinen lääkehoidon kohde masennuksen hoidossa

SSRI – serotoniin takaisinoton estäjät

Paljon löydöksiä geenin eri muotojen vaikutuksesta erityisesti masennuksen, mutta myös kaksisuuntaisen mielialahäiriön syntyyn Paljon tutkittu pituusvarianttia (5HTTLPR), joka vaikuttaa geenin

toimintaan

Canli et al. 2007

Monoamiini oksidaasi A

Geeni muodostaa entsyymiä joka hajottaa monoamineja (esim. serotoniini, dopamiini, noradrenaliini)

Nämä välittäjäaineet tärkeitä lääkehoidon vaikutuskohteita

Esim. dopamiinin agonistit aikaansaavat maniaa

Meta-analyysissä viitteitä geenin yhteydestä kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön (Fan et al. 2010)

Brain derived neurotrophic factor

Aivojen kasvutekijä joka säätelee mm. neuronien muodostusta ja aivojen plastisiteettia

Groves 2007

Plasman BDNF tasot ovat laskeneet sekä maniassa että masennuksessa verrattuna terveisiin kontrolleihin (Fernandes et al. 2011)

Pitkäaikainen antidepressanttilääkitys lisää BDNF:n ekspressiota (Gonul et al. 2005)

Litium ja valproaatti lisäävät BDNF:n määrää hippokampuksessa (Frey 2006)

Geenin toimintaa muuttava SNP val66met yhdistetty useissa tutkimuksissa kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön, mutta meta-analyysit ovat olleet negatiivisia

Valiini muoto lisää BDNF:n eritystä hippokampuksessa Valiini muoto yhdistetty sairauteen

Valiini muodolla positiivinen vaikutus muistin toimintaan (Egan et al. 2003)

Kalsiumkanava -geeni

Geenillä monia tehtäviä aivoissa: Vapauttaa aivovälittäjäaineita, esim glutamaattia (toimii aivojen

plastisiteetin, eli neuronien yhteyksien muodostumisen säätelyssä)

Glutamaattisignalointiin vaikuttavilla lääkeaineilla mielialaa tasaava vaikutus

Osallistuu tulehdusreaktioihin

Stressin aikaansaamilla tulehdusmekanismeilla yhteys masennukseen

Edesauttaa neuronien muodostumista ja tuhoutumista -> plastisiteetti

Ehdokasgeeni löydettiin alun perin kytkentäanalyysin perusteella

12q23-24 alue kytkeytyi sairauteen, lisäanalyyseissä löydettiin P2RX7

Meta-analyysit ovat olleet negatiivisia, mutta monia positiivisia assosiaatio löydöksiä sekä kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön, että masennukseen

D-amino acid oxidase activator

Toiminta vielä epäselvä, mutta näyttäisi toimivan ainakin: Glutamaatti reseptorin säätelijänä

Välittäjäaine joka säätelee mm. aivojen plastisiteettia

Mielialahäiriöpotilailla glutamaattipitoisuuden muutoksia

Glutamaatin toimintaan vaikuttavilla lääkeaineilla mielialaa tasaava vaikutus

Mitokondrioiden, eli solun energialähteen jakautumisen säätelijänä

Lisää neuronien dendriittien muodostumista ja siten tärkeä tekijä neuronien uusien yhteyksien muodostumisessa

Mielenkiintoinen geeni myös evolutiivisen näkökulman suhteen: yksi harvoja geenejä joka on vain kädellisillä

Alun perin löydetty skitsofrenian ehdokasgeeninä

Myös yhteys kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön Meta-analyysi positiivinen (Muller et al. 2011)

Viitteitä yhteydestä nuoruusiällä alkavaan bipolaarihäiriöön (Gomez et al. 2009)

Ehdokasgeeneillä vaikutusta moniin eri biologisiin toimintoihin

Serotoniini aineenvaihduntaan SLC6A4 – serotoniin transportteri joka säätelee serotoniinin määrää

synapsiraossa

TPH1 ja TPH2 geenit – Tryptofaani hydroksylaaseja, jotka valmistavat serotoniinia tryptofaanista

MAOA – Monoamini oksidaasi, hajottaa serotoniinia

Aivojen plastisiteettiin BDNF

P2RX7

DAOA

Dopamiini aiheenvaihduntaan MAOA

Glutamaatti aineenvaihduntaan DAOA

P2RX7

Monia teorioita mielialahäiriöiden biologisesta taustasta

Välttämättä ei olekaan yhtä totuutta, vaan ehkä mielialahäiriöstä on erotettavissa monia eri alatyyppejä joilla kullakin on erilainen biologinen tausta ja erilaiset taustalla vaikuttavat geenit

Uusi menetelmä:

III: Koko genomin laajuiset assosiaatiotutkimukset (GWAS Genome Wide Association Studies) Tutkitaan kerralla koko genomin laajuisesti assosiaatioita tapaus –

verrokki aineistoissa

Tutkittavien SNP:ien määrä 500 000 -> 2 milj. Jotta p-arvot merkitseviä (testausten määrä suuri!) p< 5x10-8

Tutkimuksilta odotettiin paljon, niiden toivottiin viimein paljastavan psykiatristen sairauksien geneettiset syyt

Ensimmäinen julkaisu 2007

Ensimmäisissä julkaisuissa yksikään SNP ei yltänyt genomin laajuiseen merkitsevyyteen (p<0.00000005)

Yhtään geeniä tai genomin aluetta ei ole löytynyt joka yhdistyisi sairastumisriskiin kaikissa tutkituissa aineistoissa

Kun n-määrää kasvatettu tarpeeksi löydetty SNP:ejä joiden p-arvot alittaneet genomin laajuisen merkitsevyysrajan

esim. Sklar et al. (2011) n=12000.

Löydettyjen geenien riskisuhteet erittäin pieniä (1.15-1.45)

Löydetyt geenit eivät siis aikaansaa sairautta, vaan riskimuodot vain lisäävät henkilön riskiä sairastua

Löytöjen merkitys?

Saadaan uutta tietoa sairauden taustalla vaikuttavista biologisista tekijöistä

ANK3 geeni Ferreira et al. 2008, n=4387 Monia tehtäviä aivoissa

Muodostaa hermosoluissa aksonin aloituskohdan Tarvitaan hermoimpulssin muodostumisessa

Uusimmissa eläinmalleissa saatu varmistusta geenin roolista psykologisissa prosesseissa (Leussis et al, in press) Geenin hiljentäminen vähensi hiirten ahdistuneisuutta sekä

lisäsi palkkiokäyttäytymistä (motivation for reward) ja nämä vaikutukset hävisivät litiumhoidon jälkeen.

Geenin hiljentäminen sai aikaan masennus-tyyppistä käyttäytymistä kun hiiriä altistettiin krooniselle stressille

CACNA1C – Muodostaa L-tyypin kalsiumkanavan Useissa tutkimuksissa, esim Sklar et al. 2011

Geeni ilmenee laajasti keskushermostossa Vaikuttaa mm. hermovälittäjäaineiden vapautumiseen,

oppimiseen ja muistiin

Näyttäisi olevan yhteinen riskigeeni usealle psykiatriselle sairaudelle (Lancet 2013 Feb 27) Kaksisuuntainen mielialahäiriö , autismi, ADHD,, masennus,

skitsofrenia

Geenin mutaatio aiheuttaa Timothy syndrooman, jonka taudinkuvan kirjoon sisältyy autismi

CACNA1C Aivokuvantamistutkimusten mukaan geenin eri muodot

vaikuttavat muistin, tarkkaavaisuuden ja tunteiden säätelyyn

Kalsiumkanavien merkitystä psykiatrisissa sairauksissa epäilty aiemminkin Kalsiumkanavan estäjillä mielialaa tasaava vaikutus (Levy &

Janicak 2000)

Kalsiumkanavan estäjillä myös antidepressiivisia vaikutuksia eläinmalleissa Kliinisissä testeissä näyttäisi tehoavan osaan mielialahäiriö

potilaista (Bhat et al. 2012 review)

Psykiatristen sairauksien geneettisten tekijöiden riskisuhteet pieniä Tarvitaan isoja aineistoja (n>> 1000) jotta geneettiset riskitekijät

löydetään

Arvio N=8000 – 20000 (Cichon et al. 2009)

Ei ole löytynyt yhtään geeniä joka yhdistyisi sairauteen kaikissa GWAS tutkimuksissa

Ongelmaksi muodostuu kaksisuuntaisen mielialahäiriön heterogeenisyys Kun aineiston koko pitää olla hyvin suuri, ei tutkittavia potilaita

voida ryhmitellä homogeenisempiin ryhmiin (esim. psykoottiset, aikainen puhkeamisikä)

Vuosina 1940-1969 syntyneet

Sairaalarekisterit (BPD I)

Kaksoskohortti -aineisto

Tiedot 1. asteen sukulaisista

180 perhettä - 723 henkilöä

227 bipolaarihäiriö tapausta

135 jokin muu psykiatrinen sairaus

361 tervettä perheenjäsentä

Verinäytteiden keräys

Tutkitut geenit ja SNP:it 11 Ehdokasgeeniä

76 SNP:iä ensimmäisistä GWAS töistä

Analysoinnit sekä kaksisuuntaista mielialahäiriötä, että sairauteen liittyviä ilmiasuja vasten

Sairauteen liittyvät ilmiasut Neurokognitiiviset testimuuttujat

Muistia, tarkkaavaisuutta, älyllistä suorituskykyä ym. mittaavat testit

Vuodenaikais – ja vuorokausimuuttujat Vuodenajan vaikutus mielialaan, sosiaalisuuteen ym.

Aamu-ilta tyyppisyys

Oletetaan yhdistyvän sairauteen ja olevan geneettisesti yksinkertaisempia ilmiasuja kuin itse sairaus

Tärkeimpiä tuloksia Ns. klassisista ehdokasgeeneistä

BDNF, SLC6A4 ja P2RX7 yhdistyivät sairauteen

BDNF assosiaatio samansuuntainen kuin aiemmissa julkaisuissa, eli riskialleeli oli valiini (val66met)

Sairauden riskiä lisäävä valiini alleeli paransi suoriutumista pitkäaikaista muistia mittaavassa neurokongnitiivisessa testissä

Tärkeimpiä tuloksia DAOA geeni yhdistyi moneen neurokognitiiviseen testimuuttujaan,

vahvimmin visuaalis-tilallista älykkyyttä mittaavaan testiin

Sama alleeli joka yhdistyi parempaan suoriutumiseen on aiemmissa julkaisuissa yhdistynyt skitsofreniaan

DAOA Kognitiiviseen suorituskykyyn yhdistyvä SNP muuttaa

aminohapon, eli muutoksella on vaikutusta proteiinin toimintaan

On evoluution aikana nopeasti muuttunut Geeni on vain kädellisillä

Ihmisen geeni puolet pidempi kuin lähisukulaisemme simpassin

Alleeli joka yhdistyy parempaan suoriutumiseen, on uudempi muoto, eli löytyy vain ihmisiltä

GWAS tulosten replikointiyritys Viisi genomin aluetta yhdistyivät kaksisuuntaiseen

mielialahäiriöön myös suomalaisessa aineistossa (13/76 SNP:istä)

Vahvimmat löydökset SORCS2 – Vaikuttaa aivojen plastisiteettiin DFNB31 – Retinassa ilmenevä geeni, vaikuttaa näkökykyyn

Yhdistyi sairauden lisäksi myös unen ja painon vuodenaikaisvaihteluun

CDH7 – Retinassa sekä näköradassa ilmenevä geeni Yhdistyi sairauden lisäksi vuodenaikaisvaihteluun ja visuaaliseen

muistiin ja tarkkaavaisuuteen Myös tässä sairauden riskiä lisäävä muoto yhdistyi parempaan

suoriutumiseen neurokognitiivisissa testeissä

Yhteenvetoa Usean geenin kohdalla sairausriskiä lisäävä geenimuoto

paransi tutkittujen henkilöiden neurokognitiivista suoriutumiskykyä Selitys mielialahäiriöiden säilymiselle?

Yhtään kaksisuuntaisen mielialahäiriön geenivirhettä ei ole löydetty Eli ei ole olemassa geeniä, jonka jokin muoto aikaansaa sairauden

Koko genomin laajuisilta assosiaatiotutkimuksilta odotettiin paljon Löydettyjen geenien riskisuhteet hyvin pieniä

Ongelmana sairauden heterogeenisyys Kokoelma oireita

Eri geeneillä vaikutus eri oirekuviin?

Tutkittavien potilaiden tarkempi karakterisointi Sairaus hyvin heterogeeninen kokoelma oireita

Potilasaineiston jakaminen homogeenisempiin ryhmiin Sairastumisiän

Psykoottisen oireilun

Litium-vasteen

Sairauteen liittyvien ilmiasujen eli endofenotyyppien mukaan

Geeniteknologia kehittyy Genomin rakenteen ja toiminnan selviäminen

Geenin käsite muuttunut pikkuhiljaa Samasta DNA-koodista voidaan lukea useampia eri proteiineja Säätelyalueet tärkeitä Epigenetiikka tärkeässä osassa

metylaatio

Kehitys on ollut huimaa viimeisen 20 vuoden aikana Kytkentäanalyysit 1990 -> Koko genomin sekvensoinnin jälkeen, eli 2000 ->

ehdokasgeenitutkimukset Koko genomin laajuiset assosiaatiotutkimukset 2007 ->

Koko genomin sekvensointi mahdollista isoille joukoille Saadaan selville kaikki geneettinen muuntelu potilaiden ja

terveiden välillä Tietomäärä valtava, miten hallita ja analysoida?

Kaksisuuntaisen mielialahäiriön periytyvyys voimakasta

Ei ole kuitenkaan löydetty sairauden syntyyn ehdottomasti vaadittavia geenimuotoja

Geenitutkimus kertoo sairauden biologiasta Tutkimuksella siten vaikutusta mahdollisesti tulevaisuuden

lääkehoitoihin

Monet geenit vaikuttavat aivojen plastisiteettiin -> terapioiden merkitys hoidossa

THL Tiina Paunio

Leena Peltonen-Palotie

Jouko Lönnqvist

Timo Partonen

Tuula Kieseppä

Annamari Tuulio-Henriksson

Kaisa Silander

Marika Palo

Mervi Antila