Selezione articoli Genetica Clinica/Umana Febbraio 2015

Scelta di articoli di Genetica Clinica/Umana pubblicati in Febbraio 2015 nelle seguenti riviste: British Medical Journal, Lancet, Lancet Neurology, Nature, Nature Biotechnology, Nature Genetics, Nature Medicine, Nature Neuroscience, Nature Reviews Genetics, Nature Reviews Neuroscience, NEJM, PNAS, Science & Cell.

ARTICOLI DA NON PERDERE

Are we ready for direct-to-consumer genetic testing? Lancet Neurology 2015;14:138. Come sappiamo (selezione articoli Gennaio 2015 Margaret McCartney: Direct to consumer genetic testing—is all knowledge power? BMJ 2015;350:h439 e Dicembre 2014 Personal genome service launches in UK. BMJ 2014;349:g7435) il 2 Dicembre 2014 la compagnia 23andMe ha lanciato la sua offerta di Personal genetic testing diretto al consumatore che al costo di € 158 fornisce una risposta che riguarda più di 100 malattie o caratteri, inclusi la presenza di alleli-malattia ma anche la stirpe, la risposta ad alcuni farmaci. Ti danno un kit per la raccolta della saliva e spedisci senza una valutazione preliminare del medico. Pareri vari, alcuni favorevoli (come anche nelle due pubblicazioni precedenti), i più scontati quello dalla mancanza di un counseling pre- e post-test. Se questo è ritenuto un dovere per i medici perché non deve valere per 23andMe? E se nella pratica comune applicando l’usuale procedura per un test genetico il genetista e il medico inviante non riescono ad interpretare una variante e forniscono un adeguato counseling post-test, è lecito che 23andMe spedisca a casa la sua risposta di una variante con una nota interpretativa e che può però essere mal interpretata? Questa nota informa che sono in corso studi longitudinali di oltre 1.600 utilizzatori di test diretti al consumatore, i cui risultati preliminari dicono che circa un quarto di questi “consumatori” ha discusso il risultato con il proprio medico di famiglia e un decimo ha richiesto ulteriori esami o test in base a quello che ha capito. Da sottolineare che la FDA ha bloccato in USA tale iniziativa della compagnia 23andMe, almeno nella parte dedicata all’interpretazione dei dati genetici, fornendo quindi solo dati sulla genealogia e dati grezzi. E’ possibile tutto questo in Europa perché la raccolta della saliva e quanto offre 23andMe non si possono considerare come parte della medicina e quindi non competono all’Agenzia europea del farmaco. E non può esserci anche alcuna obiezione dalla UK Medicines and Healthcare Products Regulatory Agency (MHRA) (ed altre noiosissime precisazione legali, ndr). Comunque le informazioni genetiche raccolte potrebbero, se centralizzate, almeno servire per avere dati genetici di popolazione. I fatti comunque sono che tale iniziativa è ora possibile in UK e lo diventerà presto in altri paesi. Dobbiamo sapere come regolamentarla, ed è tempo di decidere (in realtà sarebbe stato meglio farlo prima e darsi delle regole, perché era facilmente immaginabile, ndr)(vedi anche pagine “reclamistica” nella pagina Cronaca di Repubblica 10 Marzo 2015 di un’iniziativa privata veronese con costi, es. “lettura” esoma 3.000 euro, 7.000 del trio che ne affida il counseling pre e post al medico di fiducia).

Vedi anche: 23andMe sets sights on UK/Canada, signs up Genentech. Nature Biotechnology 2015;33:119.

MALATTIE NEUROLOGICHE/NEURODEGENERATIVE

Spreading of pathology in neurodegenerative diseases: a focus on human studies. Nature Reviews Neuroscience 2015:16:109. Si ritiene che molte malattie neurodegenerative siano dovute a malripiegamento di proteine malattie-specifiche, aggregazione, trasmissione cellula-cellula che porta alla disseminazione in sequenza di aggregati proteici patologici. Questa Review ci aggiorna su quanto si sa sulla propagazione della proteina da neurone a neurone con particolare riguardo agli aspetti neuropatologici e sulla immagini della PET nell’uomo.

Cold shock protects the brain. Nature 2015;518:177. Commento di una lettera (RBM3 mediates structural plasticity and protective effects of cooling in neurodegeneration. Pg. 236) in cui viene identificata una proteina rilasciata durante l’ipotermia che nel topo sembra interessare la progressione della malattia neurodegenerativa evitando la morte dei neuroni e preservandone la connessione. L’uso del freddo come agente terapeutico risale a millenni fa quando Galeno lo usava per curare la febbre e attenuare gli effetti della chirurgia dopo gravi ferite di guerra. L’interesse in questi ultimi anni si è concentrato su un piccolo gruppo di proteine la cui sintesi aumenta durante l’ipotermia, quando su riduce la sintesi di tutte le altre. Queste proteine da shock da freddo si legano all’RNA e mediano la produzione proteica. Una di queste, RBM3 (RNA-binding motif protein 3), ha un ruolo chiave nella protezione neuronale dopo periodi di ipotermia. In questo studio ricorrendo a un modello murino di Alzheimer e a topi infettati con prioni si è osservato che quando questi topi sono posti in ipotermia (16-18° per 45 m’) il numero di contatti interneuronali cala bruscamente nell’ippocampo, importante per la formazione della memoria. Quando gli animali giovani sono portati alla normale temperatura il numero di sinapsi torna ai valori normali. Mentre nei topi di età maggiore questo recupero dei contatti non avviene.

La stessa differenza è stata osservata per i livelli di RBM3, che aumenta nell’ipotermia nei giovani ma non negli anziani in cui la neurodegenerazione è in fase più avanzata. La sovraproduzione indotta di RBM3 negli animali infettati con prioni ha effetti neuroprotettivi e clinici (riduzione dei deficit comportamentali.). Questo ed altri esperimenti fanno pensare che questa proteina raggiunga alti livelli durante lo sviluppo cerebrale e che abbia un ruolo nel mantenimento neuronale, anche in epoca postnatale quando alcune sinapsi cerebrali sono perse e successivamente riformate e quindi un ruolo nella plasticità cerebrale dell’adulto.

Quanto descritto potrebbe avere effetti a distanza anche in altre patologie, come lesioni cerebrali da ictus e per malattie con alterata plasticità cerebrale come l’effetto dell’età o il deficit intellettivo.

Pivotal trials for b-secretase inhibitors in Alzheimer’s. Nature Biotechnology 2015;33:115. Nonostante gli insuccessi delle sperimentazioni cliniche nell’Alzheimer sono state recentemente annunciate ulteriori iniziative: nello scorso Dicembre è iniziato il reclutamento di 1.500 pz con Alzheimer in stadi precoci per una sperimentazione in fase 2/3 con un inibitore dell’enzima β-secretasi. E è stata annunciata una sperimentazione in fase 3 con un anticorpo anti β-amiloide, aducanumab, dopo una sperimentazione con risultati incoraggianti sugli aspetti cognitivi in pz con stato predemenziale.

Queste iniziative si avvalgono anche del ricorso a nuovi biomarcatori della malattia e dell’individuazione di pz in fase preclinica o con lievi segni clinici. La compagnia Lilly sta partendo con un’altra sperimentazione in fase 3 con Solanezumab che, dato per inefficace sugli obiettivi primari (deficit cognitivo) sembra, in base alla rivalutazione dei dati, avere invece qualche effetto.

Quindi ricerca molto attiva e molti fondi impiegati. Perché c’è la speranza che i farmaci possano essere efficaci in qualche sottogruppo di pz o se somministrati nel tempo giusto.

Marinesco-Sjögren syndrome protein SIL1 regulates motor neuron subtype-selective ER stress in ALS. Nature Neuroscience 2015;18:227. Pz con sclerosi laterale amiotrofica sporadica o familiare hanno in comune simili anomalie fisiopatologiche e molecolari, con degenerazione dei motoneuroni alfa, ad eccezione di alcuni muscoli (sfinterici pelvici ed extraoculari). L’analisi longitudinale del trascrittoma di topi che sovraesprimono una SOD1 mutata di ALS familiare hanno un aumentato stress ER (reticolo endoplasmatico) e inizio della risposta alla proteina malripiegata (UPR)(pathway che ne diminuisce la quantità e che riguarda l’omeostasi del ER) in alcuni sottotipi di motoneuroni (suscettibili alla fatica), aspetti che costituiscono il più precoce segno della malattia. Nel lavoro viene identificato un co-chaperone, SIL1, mutato nella sindrome Marinesco-Sjögren (MSS, MIM #248800)(cataratta congenita, atassia cerebellare, miopatia e ritardo psico-motorio), che è altamente espresso nel sottogruppo di motoneuroni resistenti, ma non in quelli sensibili alla malattia. Nel modello murino di MSS vi è un’aumentata omeostasi ER nei motoneuroni come risposta alla mancata funzione di SIL1.

Nel modello murino di ALS con mutazione SOD1 (G93A) la perdita di un allele Sil1 aumenta ancor di più lo stress ER e peggiora la gravità della malattia con i livelli di SIL1 che sono progressivamente e selettivamente ridotti nei motoneuroni affaticabili. La somministrazione di SIL1 mediata da adenovirus a motoneuroni con mutazione ALS familiare ha normalizzato l’omeostasi ER, ritardato la denervazione muscolare e ne ha prolungato la sopravvivenza.

Rectifying RNA splicing errors in hereditary neurodegenerative disease. PNAS 2015;112:2637. Commento dell’articolo sullo stesso fascicolo (Rectifier of aberrant mRNA splicing recovers tRNA modification in familial dysautonomia. Rectifier of aberrant mRNA splicing recovers tRNA modification in familial dysautonomia. Pg. 2664) sugli errori di splicing dell’RNA, in particolare in sede 5’, tappa critica nei meccanismi di creare una moltitudine di RNA, codificanti e non codificanti, necessari per funzioni specifiche sia cellulari che tissutali. Questi errori possono causare malattie come la Disautonomia autonomica sensitivo ereditaria (Disautonomia Familiare o s. Riley-Day, MIM #223900)(FD) che comporta un grave deficit di attività del sistema autonomico, che porta poi ad una disfunzione sistemica (difficoltosa deglutizione dalla nascita, polmonite da spirazione, instabilità della temperatura corporea e ritardo psico-motorio e poi altri e vari segni clinici in età adulta). E’ una malattia tipica degli ebrei askenaziti (Ashkenaz significa Germania, e sono ebrei dell’est Europa) in cui la frequenza di portatore è di 1:30. La mutazione tipica della FD è in omozigosi nell’introne 20 (IVS20 + 6T > C) del gene IKBKAP, che codifica una proteina chinasi IkB chinasi (IKAP), mutazione che modifica l’interazione tra IKBKAP pre-mRNA e una piccola proteina ribonucleoproteina (snRNP) con skipping dell’esone 20, frameshift e aumentato turnover di RNA tramite il pathway di decadimento del RNA nonsense-mediato. Con questa mutazione il grado di skipping dell’esone varia da tessuto a tessuto, ed è maggiore nel tessuto nervoso centrale e periferico spiegando almeno in parte il fenotipo di FD. Nel lavoro ricorrendo a uno screening di librerie chimiche usando uno specifico splicing reporter è stato identificato un composto, chiamato RECTAS (rectifier of aberrant splicing), che rettifica lo splicing anomalo di IKBKAP nelle cellule di pz con FD, aumenta l’espressione di IKAP, riduce le modificazioni di tRNA e migliora la vitalità delle cellule. Sembra quindi una sostanza promettente per la terapia di FD.

AUTISMO

Whole-genome sequencing of quartet families with autism spectrum disorder. Nature Medicine 2015;21:185. Risultati di WGS di 85 quartetti (genitori e due figli con Disordine Spettro Autistico, ASD)(n° 59 con 2 maschi affetti, n° 23 1 maschio e 1 femmina, e n°3 due femmine) con 170 persone con ASD per generare un data base di tutte le varianti genetiche, tra cui anche quelle non codificanti associate al fenotipo. Il progetto, che mette a disposizione di tutti i dati ottenuti per future analisi, sottolinea l’importante contributo della genetica e la grande eterogeneità genetica dell’ASD. Ma fa anche presente che sarà necessario, applicando sempre WGS, studiare campioni ben più ampi di pz per capire interamente l’architettura genetica di questa condizione. Identificate nel 42.4% dei casi mutazioni dell’ASD, frequenza simile a quella osservata negli studi di pz con deficit intellettivo usando la stessa piattaforma. Considerando le SNV de novo e le rare ereditate e le alterazioni strutturali di geni dell’autismo o di altre malattie del neurosviluppo si è visto che oltre il 69% dei fratelli affetti porta mutazioni ASD diverse. Questi fratelli discordanti per la mutazione hanno una maggior variabilità fenotipica rispetto a quelli con la stessa mutazione. Un altro dato utile da conoscere è che oltre il 95% delle piccole CNV non erano state identificate con array ad alta risoluzione. Come esempio viene riportata una delezione di 1.7 kb del gene SCN2A, piccola quindi con entrambi i punti di rottura in un introne.

Genetic modules for autism. Nature 2015;47:105. Research Highlight di un articolo (Integrated systems analysis reveals a molecular network underlying autism spectrum disorders. Molecular Systems Biology 2015;10:774) in cui si vogliono identificare i pathway comuni sregolati in questa condizione geneticamente estremamente eterogenea applicando un sistema che integra l’interattoma, l’espressione genica e i dati del sequenziamento genomico. Trovato un modulo di integrazione proteica con un’alta concentrazione di geni candidati dell’autismo. Il sequenziamento con WES o WGS di tessuto cerebrale di 25 pz e 5 controlli ha identificato 38 geni e ha confermato il coinvolgimento di questo modulo, coinvolgimento confermato in un campione indipendente di 500 pz con autismo. Il profilo di espressione di questi geni consente di suddividerli in due gruppi, uno prevalentemente espresso nel corpo calloso, che è un ponte di comunicazione tra i due emisferi, e l’altro ad espressione più diffusa. Nel modulo si osserva poi una significativa alterazione dei livelli di espressione dei geni in 6 pz rispetto ai controlli.

Questo studio ha delineato un network comune coinvolto nell’autismo e nuovi geni-malattia.

Genotype to phenotype relationships in autism spectrum disorders. Nature Neuroscience 2015;18:191. Sono probabilmente parecchie centinaia i geni dell’autismo e dei fenotipi correlati (ASD). Le mutazioni de novo funzionalmente importanti per l’ASD sono rare, ma insieme contribuiscono in modo considerevole alle forme sporadiche. Le mutazioni de novo sono CNV di dimensioni considerevoli (come es. 16p11.2, vedi in questa selezione Modelli animali) o SNV troncanti. E’ stato preparato un approccio computazionale (NETBAG+) per individuare i network biologici comuni che, anche in base ad altre ricerche, sono quelli coinvolti nella neurogenesi e nella funzione sinaptica. In questa ricerca dei geni implicati nell’autismo, utilizzando vari database, sono stati studiati i profili di espressione temporali, spaziali e specifici per tipi cellulari, e come le caratteristiche di espressione e funzionali di questi geni possono incidere sul fenotipo. Le mutazioni causative sono in preferenza geni sensibili al dosaggio. Sono coinvolti molti tipi cellulari e molte aree cerebrali, anche se l’impatto sembra maggiore per gli interneuroni corticali, piramidali e per i neuroni spinosi medi dello striato; questo indica il coinvolgimento dei circuiti cerebrali corticali e corticostriatali. Le mutazioni troncanti nelle femmine interessano geni con maggiore (del 50-100%) espressione nel SNC rispetto ai maschi. Questa osservazione di maggiore perturbazione funzionale nelle femmine è in analogia con quanto si ritiene, ma di cui non si conosce la base biologica, che in questo sesso vi sia un “effetto protettivo”. Altro dato: il  numero medio di mutazioni troncanti per persona è correlato con il livello di QI: per i pz ad alto funzionamento è uguale a quello dei fratelli non affetti, invece per coloro con QI<100 il valore è doppio. In sintesi al maggiore danno funzionale corrisponde un maggiore coinvolgimento intellettivo, sociale e comportamentale.

Autism-associated mutation inhibits protein kinase C-mediated neuroligin-4X enhancement of excitatory synapses. PNAS 2015;112:2551. Non è noto il meccanismo patogenetico dei geni noti dell’autismo. Le neuroligine (NLGN) è una famiglia di 5 geni (Nlgn1, 2, 3, 4X, and 4Y) codificanti proteine sinaptiche, molecole critiche per l’assemblaggio, mantenimento e plasticità sinaptica. Sono state individuate molte mutazioni di NLGN3 3 4X (puntiformi e CNV) nei pz con autismo, e le puntiformi risiedono nei domini extracellulari ad eccezione di una di 4X che è nel dominio cellulare (arginina sostituita da cisteina). Questa mutazione inibisce considerevolmente la modificazione post-traduzionale con conseguenti gravi alterazioni sinaptiche. Questo studio in vitro sottolinea come una semplice alterazioni di una proteina a livello sinaptico può interferire con la trasmissione sinaptica e favorisce il proposto modello patogenetico dell’autismo di uno sbilanciamento delle correnti eccitatorie/inibitorie.

The idiosyncratic brain: distortion of spontaneous connectivity patterns in autism spectrum disorder. Nature Neuroscience 2015;18:302. E’ stata studiata con RMI funzionale la connettività intra- ed interemisferica nei pz con autismo ad alta funzionalità per determinare e definire le atipicità funzionali nell’autismo (ASD). Vi è un pattern di connettività funzionale significativamente differente dai controlli e una distorsione individuale differente (idiosincratica) da pz a pz, quindi una alta variabilità di connettivale intra- ed interemisferica tra pz. L’ordine di grandezza della distorsione individuale di connettività nelle stesse aree interemisferiche correla significativamente con la sintomatologia comportamentale: la varianza di deviazione dai controlli è risultata maggiore nei pz con segni clinici più gravi.

GENETICA UMANA/CLINICA

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Genetic privacy: Trust is not enough. Science 2015;347:957. Lettera che fa riferimento all’articolo Trust me, I’m a medical researcher (Science 2015;347:501) in cui si sosteneva che “Scientists can no longer guarantee patients’ privacy. They’re looking for new ways to build trust”, quindi una mutua collaborazione e vantaggio, come il Sistema Uber per i taxi o Airbnb per scegliersi un albergo.

Ma non è così, dice la lettera perché mentre con questi due sistemi puoi interrompere la collaborazione, non puoi impedire che le tue informazioni genetiche vengano diffuse ovunque e in modo non prevedibile. Se uno che vive in un paese in cui c’è la protezione dei suoi dati genetici (GINA) e poi si sposta in un paese dove non c’è, si trova non protetto. E gli può essere rifiutata ad es. l’assicurazione malattia o vita se si viene a sapere che ha alleli a rischio di grave malattia (es. cancro o neurodegenerative). E anche dove c’è GINA (USA) non è protetto da discriminazione da parte delle banche o assicurazioni malattia o di invalidità.

Non esiste una soluzione semplice. Bisognerebbe che vi siano in tante altre nazioni buone leggi che consentano di evitare la discriminazione genetica.

Exome sequencing identifies rare LDLR and APOA5 alleles conferring risk for myocardial infarction. Nature Genetics 2015;518:102. Risultati di uno studio internazionale (quasi un centinaio gli AA, con partecipazione di 3 centri italiani) sull’applicazione di WES di 9.793 tra casi e controlli per individuare mutazioni rare che contribuiscono all’infarto miocardico precoce (≤ 50 anni per gli uomini e ≤ 60 per le donne). Nessuna differenza trovata tra casi e controlli per varianti a bassa frequenza (1-5%). Mutazioni in eterozigosi rare non sinonime di LDR (recettore delle lipoproteine a bassa densità) sono associate ad un rischio di 4.2 volte di infarto miocardico e mutazioni nulle associate ad un rischio ancora maggiore (13 volte). Il 2% dei pz ha una mutazione dannosa di LDR contro lo 0.5% dei controlli; questi dati confermano quanto risultato più di 40 anni fa dosando i livelli di colesterolo LDL (quello chiamato “cattivo”, ndr). I portatori di mutazioni rare non sinonime di APOA5 (apolipoproteina A-V) hanno un rischio di infarto miocardico aumentato (2.2 volte) ed hanno aumentati livelli di trigliceridi plasmatici.

In conclusione da questo studio risulta che non solo il colesterolo HDL ma anche alterazioni del metabolismo delle lipoproteine ricche in trigliceridi contribuisce al rischio di infarto miocardico.

Using iPSCs and genomics to catch CNVs in the act. Nature Genetics 2015;47. Editoriale che commenta l’articolo 7q11.23 dosage-dependent dysregulation in human pluripotent stem cells affects transcriptional programs in disease-relevant lineages. Nature Genetics 2015;47:132, già citato tra gli articoli del Dicembre 2014, sull’uso delle cellule staminali totipotenti per identificare il ruolo fenotipico dei geni inclusi nel segmento deleto o duplicato di due sindromi da geni contigui (s. Williams e s. Somerville–van der Aa da duplicazione della regione Williams): PDLIM1 associato al deficit di attenzione ed iperattività, sovracrescita neuritica, difetti cardiovascolari ed iperacusia; MYH14 associato al deficit uditivo; BEND4 che fa parte della famiglia recentemente caratterizzata di repressori neurali sensibile a GTF21 e LSD1.

Germline ETV6 mutations in familial thrombocytopenia and hematologic malignancy. Nature Genetics 2015;47:180. La sindrome mielodisplasica familiare (MDS) e la leucemia acuta (AML) sono causate dai seguenti geni: RUNX1, CEBPA2, GATA2, ANKRD26, SRP72. Quelli della leucemia linfoblastica acuta (ALL) sono PAX5e TP53. Ma molti casi familiari di MDS rimangono senza una causa nota. Con WES sono state studiate 3 famiglie con trombocitopenia e neoplasie ematologiche a trasmissione AD, sono state trovate mutazioni germinali del gene ETV6 definendo così una nuova malattia di trombocitopenia con suscettibilità a leucemia e altri tumori maligni ematologici. Le tre mutazioni risiedono in sedi hot spot mutazionali somatiche nei tumori maligni e una di queste tre mutazioni è nel dominio legante il DNA. Il sequenziamento di ETV6 in altri pz con leucemia familiare (n° 55) o MDS senza causa nota o citopenia idiopatica a/o insufficienza midollare (n° 1563) ha consentito di identificare due famiglie con trombocitopenia e neoplasie ematologiche con mutazione germinale di ETV6.

Studi funzionali dimostrano che le mutazioni eliminano la capacità legante il DNA, la localizzazione subcellulare e diminuiscono la repressione trascrizionale in modo dominante negativo bloccando l’ematopoiesi. Da tenere presente quanto riscontrato come screening mutazionale nel caso di trombocitopenia e cancro per il management delle persone a rischio.

Il lavoro termina dicendo che lo studio genetico nelle sindromi tumorali familiari affianca quello del sequenziamento genomico del cancro nell’identificazioni di mutazioni causa delle neoplasie.

Friedreich’s ataxia: the European consortium. Lancet Neurology 2015;14:130. Commento di un articolo sullo stesso fascicolo (Biological and clinical characteristics of the European Friedreich’s Ataxia Consortium for Translational Studies (EFACTS) cohort: a cross-sectional analysis of baseline data. Pg. 174) sulla storia naturale dell’Atassia Friedreich, m. neurodegenerativa con atassia progressiva, cardiomiopatia, scoliosi e altro ad insorgenza tra i 5 e i 15 anni, rara (1:50,000 persone in Europa) AR (MIM #229300) in genere da espansione trinucleotidica GGA nell’introne 1 del gene fratassina (FXN), mutazione che comporta una ridotta quantità di proteina e disfunzione mitocondriale. L’espansione della tripletta non modifica la sequenza genica ma silenzia il gene tramite la formazione di eterocromatina e una ridotta trascrizione di mRNA (vedi Epigenetic and neurological eff ects and safety of high-dose nicotinamide in patients with Friedreich’s ataxia: an exploratory, open-label, dose-escalation study. Lancet 2014;384:504)(Articoli Ottobre 2014). Sono presentati i risultati di uno studio collaborativo EFACTS (un centro italiano e altri 10 europei) con analisi degli aspetti neurologici con la scala per l’atassia SARA, di performance e misurazione della qualità di vita. Con questa analisi di dati sezionali (cross-sectional) di 592 pz si osserva una chiara relazione tra età di insorgenza e progressione con insorgenza precoce della malattia associata ad una sua rapida progressione. Questo in accordo con studi di altre popolazioni (USA, Canada). Risultati utili per la gestione dei pz, l’individuazione di biomarcatori e le sperimentazioni cliniche, anche se lo studio, come anche quello di altri paesi, ha un vizio di accertamento dei pz al loro reclutamento (pochi bambini ed età media all’insorgenza 13 anni) e non è uno studio longitudinale.

Beyond the genome. Nature 2015;518:273. Nel fascicolo del 19 Febbraio 2015 sono pubblicati una serie di articoli sulle modificazioni non genetiche (epigenetiche) del genoma che determinano quali geni sono espressi da quali tipi di cellule e quando. Sono pubblicati ora i risultati della Roadmap Epigenomics Project del NIH Americana riguardanti le cellule staminali, le cellule mature di vari tessuti di persone sane e di pz con malattie come il cancro, le neurodegenerative e le m. autoimmunitarie. Efficace il seguente paragone: “Tackling disease using information on the genome alone has been like trying to work with one hand tied behind the back”.

Roadmap for regulation. Pg. 314

Integrative analysis of 111 reference human epigenomes. Pg. 317

Chromatin architecture reorganization during stem cell differentiation. Pg. 331

Genetic and epigenetic fine mapping of causal autoimmune disease variants. Pg. 337

Transcription factor binding dynamics during human ES cell differentiation. Pg. 344

Integrative analysis of haplotyperesolved epigenomes across human tissues. Pg. 350

Dissecting neural differentiation regulatory networks through epigenetic footprinting. Pg. 355

Cell-of-origin chromatin organization shapes the mutational landscape of cancer. Pg. 360

Conserved epigenomic signals in mice and humans reveal immune basis of Alzheimer’s disease. Pg. 365.

Uncovering disease-disease relationships through the incomplete interactome. Science 2015;347:841. Anche se non conosciamo così bene l’interattoma è già possibile studiare le interazioni fisiche tra i vari componenti di una cellula. Le proteine associate ad una malattia costituiscono sottografici connessi, chiamati moduli di malattia. In questo articolo vengono rappresentati i network proteici di 3 diverse malattie, la Sclerosi multipla, le malattie perossisomiali e l’Artrite reumatoide. La Sclerosi multipla e l’Artrite reumatoide hanno moduli con una discreta sovrapposizione e mostrano una certa somiglianza fenotipica e un’alta comorbilità. Malattie senza sovrapposizione di modulo (Sclerosi multipla e m. persossisomiali) mancano anche di una relazione clinica. Bella e chiara la Figura dei 3 moduli.

Interessanti le conclusioni: la Medicina dei network (o dei moduli) può essere di considerevole aiuto e può andare dall’interpretazione della gran quantità di dati ottenuti nei vari studi GWAS (associazione genome-wide) all’individuazione di target farmacologici per la cura delle malattie.

BIOLOGIA

Crossovers are associated with mutation and biased gene conversion at recombination hotspots. PNAS 2015;112:2109. La ricombinazione meiotica, situata in hotspot di ricombinazione, aumenta la diversità genetica con la formazione di nuovi aplotipi e ha un effetto anche sull’evoluzione. Differenze di sequenza nella specie e tra specie correla positivamente con le regioni ad alta attività di ricombinazione, nella specie umana e in altri eucarioti. In questo lavoro sequenziando molecole di DNA di cellule spermatiche si dimostra nell’uomo che la ricombinazione associata al crossing-over è mutagenica, la meiosi risulta quindi una fonte importante delle mutazioni germinali. Inoltre si osserva che in siti polimorfici vi è una preferenziale trasmissione di alleli GC rispetto a AT. Sia la mutagenesi che la trasmissione preferenziale sono quindi importanti modificatori di sequenza negli hotspot ricombinazionali.

Double-stranded RNA made in C. elegans neurons can enter the germline and cause transgenerational gene silencing. PNAS 2015;112:2133. Sappiamo che fattori ambientali possono determinare modificazioni in organismi che possono essere trasmesse alle successive generazioni, ma non si sa se questi fattori agiscano direttamente sulle cellule germinali o agiscano sulle cellule somatiche e da qui alle germinali. Nella C. elegans è stata indotta la produzione di RNA mobile, frammenti di dsRNA (doppio filamento), che possono portare a modificazioni non solo tra cellule somatiche ma anche da cellule somatiche a cellule germinali determinando silenziamento genico. Si dimostra quindi che fattori ambientali determinano alterazioni delle cellule somatiche che possono essere trasmesse alle successive generazioni tramite il passaggio di RNA mobile dalle cellule somatiche alle cellule germinali.

MODELLI ANIMALI E NUOVE TERAPIE

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Therapeutic genome editing: prospects and challenges. Nature Medicine 2015;21:121. Bella e sintetica introduzione alla terapia genica, che sottolinea che le due tecniche in uso, la terapia genica con l’acquisizione funzionale del gene mutato con espressione transgenica virale e l’interferenza dell’RNA che silenzia il gene mutato tramite KO dell’RNA bersaglio, hanno delle limitazioni che rendono impossibile il loro impiego per moltissime malattie. La prima può avere effetti mutageni nella sede di inserzione e sregolare l’espressione transgenica, la seconda può non reprimere completamente l’espressione del gene mutato ed essere inefficace quando si richiede la sua completa repressione, ha poca specificità e può avere effetti indesiderati.

In questa review vengono descritte le varie tecnologie di genome editing (tra cui CRISR e Talen), i meccanismi con cui vengono prodotte le modificazioni genetiche, le loro potenzialità terapeutiche (vedi Tabella 2 con sperimentazione nell’Emofilia B, HIV, D. Duchenne, Epatite B, SCID, cataratta, Fibrosi cistica, Tirosinemia ereditaria) ed i principali problemi per il loro impiego in sperimentazioni cliniche (sicurezza ed efficacia). In più, teoricamente è possibile prevedere il loro uso non solo per le malattie monogeniche ma anche per le malattie complesse.

Contribution of mGluR5 to pathophysiology in a mouse model of human chromosome 16p11.2 microdeletion. Nature Neuroscience 2015;18:182. Studi di sindromi monogeniche con alta frequenza di segni dello spettro autistico (ASD), come Sclerosi Tuberosa e la s. FragileX, hanno consentito di conoscere il ruolo di mGluR5 (recettore del glutammato metabotropico 5) nella patogenesi della s. FragileX e di verificare un effetto terapeutico della modulazione genetica o farmacologica di mGluR sulla sintomatologia neuro-comportamentale dei modelli animali di questa malattia. Il 5-10% dei pz con ASD ha una variante del numero di copie, la più frequente di queste (0.5-1% dei casi con ASD) è la microdelezione 16p11.2, che contiene circa 27 geni codificanti una proteina, caratterizzata da deficit di linguaggio e cognitivo, ASD, ADHD ed epilessia. Nel modello murino di questa CNV si è osservato che nell’ippocampo è alterata la plasticità sinaptica dipendente da mGluR5 e la sintesi proteica ed anche la memoria ippocampo-dipendente. Il trattamento cronico con un modulatore allosterico (che modifica la struttura del recettore) negativo di mGluR5 è in grado di annullare il deficit cognitivo.

Restoring balance in Huntington disease. Nature Reviews Neuroscience 2015;16. Commento di un lavoro (Reinstating aberrant mTORC1 activity in Huntington’s disease mice improves disease phenotypes. Neuron 2015;85:303) sull’attività di mTORC1 nella m. Huntington (HC). Si era ipotizzato che tale pathway fosse implicato nella patogenesi di HC e che la sua inibizione potesse ridurre la neurodegenerazione in questa malattia. Nel lavoro su Neuron si osserva una riduzione dell’attività di mTORC1 nello striato di pz con m. Huntington e nel topo transgenico modello della malattia. Si è voluto verificare cosa succede nel modello animale se si aumenta l’attività di mTORC1 iniettando un virus che esprime un regolatore positivo di mTORC1, Rheb (Ras Homolog Enriched in Brain) nello striato di una parte dell’encefalo del topo transgenico. Vi è un aumento dei livelli di proteine coinvolte nel segnale dopaminico, nella funzione mitocondriale e dei geni dei pathway antiossidanti, oltre ad aumentare l’espressione di geni della sintesi lipidica, sintesi che sappiamo essere deficitaria nella HC.

Invece l’esposizione ad un inibitore di mTORC1 nelle colture di cellule striatali che esprimono la proteina mutante (mHTT) determina una riduzione dei livelli delle proteine e dei geni su citati.

Sappiamo che mHTT viene eliminata per autofagia, che l’alterazione di questo processo con l’accumulo di proteine mutante fa parte della patogenesi della malattia e che mTORC1 è un inibitore dei processi autofagici. Ma gli AA hanno trovato che l’iniezione di Rheb nello striato aumenta i livelli delle proteine autofagiche e il numero di autofagosomi e autolisosomi. In più Rheb, quando espresso nell’ippocampo, riduce i livelli di proteine legate all’aggregazione di mHTT e la quantità di aggregati mHTT. E stato anche osservato nell’animale un positivo effetto clinico in vivo stimolando mTORC1. Si poi visto che l’espressione di Rhes (Ras Homolog Enriched in Striatum), un attivatore di mTORC1 presente soprattutto nello striato, è ridotta nell’encefalo di pz e nei topi HD e che la sua somministrazione migliora il fenotipo cellulare e clinico (motorio) dei topi.

In sintesi la ridotta attività di Rhes/mTORC1 nell’encefalo di pz con HD potrebbe indicare una particolare suscettibilità dello striato e quindi indicare una promettente strategia terapeutica.

Factoring in astrocytes. Nature Reviews Neuroscience 2015;16. Commento di un lavoro (NFκB-activated astroglial release of complement C3 compromises neuronal morphology and function associated with Alzheimer’s disease. Neuron 2015;85:101) in cui, sempre nel topo, si dimostra che la prolungata attivazione di NF‑κB (un fattore di trascrizione che regola la neuroinfiammazione) negli astrociti porta alla produzione ed alla liberazione di C3 (fattore 3 del complemento), che altera la normale funzione neuronale. E che l’amiloide β, ben noto nella fisiopatologia della m. Alzheimer, è un attivatore di NF‑κB. Questi risultati, che identificano il gene C3 come un target di NF‑κB, suggeriscono che l’attivazione di questo fattore di trascrizione può alterare la morfologia e la funzione neuronale. Ancora risultati che possono avere rilevanza terapeutica per una malattia così comune.

NADPH oxidase 4 is a critical mediator in Ataxia telangiectasia disease. PNAS 2015;112:2121. L’Atassia-teleangectasia (A-T) è una malattia AR (MIM #208900) il cui gene, ATM, assicura l’integrità del genoma controllando il checkpoint del ciclo cellulare e promuovendo l’arresto del ciclo, il riparo del DNA e la morte cellulare da apoptosi in risposta a agenti genotossici. Ha anche un ruolo nella regolazione delle specie dell’ossigeno reattivo (ROS). Clinicamente vi è una neurodegenerazione del SNC con coinvolgimento delle cellule di Purkinje e delle cellule granulari del cervelletto.

In questo lavoro si dimostra, in vitro nei fibroblasti e nel tessuto cerebrale dell’uomo e in vivo nel modello animale, che la NADPH 4 ossidasi (NOX4), che produce ROS in prossimità del nucleo di molti tipi cellulari umani, è coinvolta nella manifestazione della malattia. Il topo “nullo” per Atm ha una clinica differente da quello dell’uomo e muore di solito per linfoma, mentre nella specie umana la causa di morte è la neurodegenerazione. Questi topi A-T nulli, nutriti con antiossidanti vivono più a lungo, hanno una minor frequenza di linfoma e una più rallentata perdita di cellula staminali ematopoietiche rispetto ai controlli. In più la somministrazione in loro di un inibitore di NOX4 è in grado di ridurre il rischio di linfoma.

Quindi la sottoregolazione di NOX4, nell’uomo e nel topo, migliora gli effetti negativi della perdita di ATM. La conclusione quindi. NOX4 è in mediatore critico nella malattia A-T.

Contribution of reactive oxygen species to cerebral amyloid angiopathy, vasomotor dysfunction, and microhemorrhage in aged Tg2576 mice. PNASS 2015;112:E881. L’angiopatia amiloide cerebrale (CAA) è caratterizzata da depositi di amiloide nella parete delle leptomeningi e delle arteriole corticali. I depositi di amiloide sono in gran parte formati da amiloide fibrillare β (Aβ). Queste forme patologiche di Aβ sono i principali costituenti anche delle placche neuritiche dell’Alzheimer. CAA sono, con un meccanismo non ben noto, un indipendente e forte fattore di rischio per l’emorragia cerebrale, l’ictus ischemico e la demenza. In questo lavoro, utilizzando il topo transgenico per il gene APP (precursore della proteina β-amiloide), si dimostra che lo stress ossidativo vascolare ha un ruolo nella disfunzione cerebrovascolare indotta da CAA, nell’emorragia cerebrale sempre indotta da CAA e nella stessa formazione di CAA. In più si dimostra che l’ossidasi NADPH è la causa dello stress ossidativo e che inibirla può avere effetto terapeutico nell’Alzheimer e nella CAA.

iASPP, a previously unidentified regulator of desmosomes, prevents arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy (ARVC)-induced sudden death. PNAS 2015;112:E973. La displasia/cardiomiopatia del ventricolo ds (ARVC) è una malattia ereditaria caratterizzata da patologica infiltrazione adiposa con perdita (apoptosi) di cardiomiociti del ventricolo ds, che è associata a aritmie ventricolari anche letali. La malattia è dovuta a mutazioni di uno dei geni del desmosoma (giunzione specializzata che si forma fra le cellule all’interno dei tessuti e che consente a gruppi di cellule di funzionare come unità strutturali) cardiaco che comprende PKP2 (oltre 50% dei casi), DSP, desmogleina-2 and desmocollina-2. I processi patogenetici che portano alla displasia sono poco conosciuti perché la diagnosi avviene tardivamente (età media 26 anni) o come riscontro autoptico e perché la biopsia cardiaca nei casi sintomatici comporta il rischio di perforazione. E i modelli animali non sono idonei (vedi anche Articoli Febbraio 2013: Studying arrhythmogenic right ventricular dysplasia with patient-specific iPSCs. Nature 2013;494:105). Sono state osservate mutazioni spontanee di un gene chiamato inibitore di p 53 (iASPP) causa di una miocardiopatia letale a trasmissione AR in una razza bovina (Poll Hereford) e in topi Wa3. Si dimostra che in vivo e in vitro iASPP è espresso nei dischi intercalari (giunzioni intercellulari, ndr) nei miocardiociti postmitotici dell’uomo e del topo. Il suo prodotto interagisce con la desmoplachina e la desmina per mantenere l’integrità dei desmosomi e degli intrecci dei filamenti intermedi. Il topo carente di iASPP ha ARVC e muore di morte improvvisa. I miocardiociti di pz con ARVC hanno ridotti livelli di iASPP nei miocariociti a livello delle giunzioni cellulari e questo suggerisce un ruolo critico di questa proteina nella patogenesi della malattia. Questo gene (iASPP) è quindi un potenziale gene candidato di ARVC e, come per la γ-catenina, la mancanza del suo prodotto a livello dei dischi intercalari dei cardiomiociti potrebbe essere un buon biomarcatore della malattia.

E’ possibile che nel topo affetto la stimolazione di p53 possa mitigare il quadro clinico (prossima ricerca? Ndr).

CARATTERI-MALATTIE COMPLESSE/STUDI ASSOCIAZIONE

High-density mapping of the MHC identifies a shared role for HLA-DRB1*01:03 in inflammatory bowel diseases and heterozygous advantage in ulcerative colitis. Nature Genetics 2015;47:172. Gli studi di associazione genome wide (GWAS) hanno consentito di osservare una forte associazione tra malattie come la infiammatoria intestinale (IBD), come la colite ulcerosa e la m. Crohn, e il complesso maggiore di istocompatibilità (MHC), regione che contiene un gran numero di candidati del sistema immunitario tra cui le molecole HLA. Nella IBD sono state trovate più associazioni indipendenti di gene HLA e non HLA, ma le associazioni trovate mancano del potere statistico per consentire di capirne la base genetica. Questo studio con SNP ad alta densità di MHC in oltre 32.000 pz con IBD ha individuato più alleli HLA associati, soprattutto HLA-DRB1*01:03 nella m. Crohn e nella colite ulcerosa, suggerendo per questo allele un ruolo nella risposta immunitaria alla flora locale.

Con differenze tra queste due malattie, in particolare con coinvolgimento nella colite ulcerosa delle varianti HLA classe II e una ridotta eterozigosità di varianti in MHC e dei geni HLA (viene suggerito quindi un vantaggio per la condizioni di eterozigosi). Tutto questo fa pensare che nell’ambiente colico la risposta immunitaria adattiva sia significativamente coinvolta nella patogenesi di IBD.

New genetic loci link adipose and insulin biology to body fat distribution. Nature 2015;518:187. La distribuzione del grasso corporeo è ereditabile e un elemento utile per prevedere l’insorgenza di malattie metaboliche. Lo studio di associazione mediante GWAS del rapporto circonferenza della vita e di fianchi corretta con l’indice di massa corporea ha riguardato 224.459 persone. Identificati 49 loci, di cui 33 nuovi. Venti dei 49 loci hanno un significativo dimorfismo sessuale, 19 di questi con maggior effetto nelle femmine. I geni individuati sono espresso nel tessuto adiposo e coinvolti nella reolazione adipocitaria. I pathway sono quelli dell’adipogenesi, angiogenesi, nella regolazione trascrizionale e della resistenza insulinica.

Vedi anche: Genetic studies of body mass index yield new insights for obesity biology. Nature 2015;518:197.