Articoli Genetica Umana/Clinica Settembre 2015. R. Tenconi

Scelta di articoli di Genetica Clinica/Umana pubblicati in Settembre 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

Fluent in DNA. Nature 2015;526:151. Commento molto personale a questa nota: al termine del liceo volevo iscrivermi a Biologia, ma mia cugina, chimica, mi ha detto “se vuoi fare il biologo, iscriviti a Medicina e poi, se vorrai, potrai soddisfare questo tuo desiderio”. L’altro giorno, dopo aver letto questa nota, ho ripetuto questo consiglio al figlio di un amico che mi aveva chiesto un parere su quale facoltà scegliere. Il sottotitolo della nota è As genomics migrates to the clinic, job options are emerging for genetic counsellors to explain the meaning in mutations. Aggiungo, ancora come nota personale, che sarebbe auspicabile che vi fossero anche in Italia lauree brevi di Genetic counseling, magari sul modello inglese più che americano (conosco sufficientemente ambedue i sistemi), ma comunque oltre alle job options si tratta di un nuovo modo di esercitare la medicina con un’occupazione affascinante, varia e stimolante, che richiede un lungo training medico, biologico e comunicativo perché è verissimo che “It is exquisitely important how you deliver that information”.

Return of genetic testing results in the era of whole-genome sequencing. Nature Reviews Genetics 2015;16:553. Quale risultati comunicare dopo l’esecuzione di WGS, che fornisce un’impressionante quantità di dati, alcuni di questi di difficile interpretazione di impatto clinico? Il ricorso a pannelli di geni riduce significativamente le difficoltà interpretative anche se non elimina gli incidental findings (IF), che possono essere validati ed avere significato clinico, o validati senza la possibilità di adozione di misure terapeutiche o preventive o possono avere un significato clinico non chiaro o non precisabile. Da qui la necessità di sapere quando, a chi e come riportare questi risultati ed anche i riscontri accidentali. Ma come sappiamo vi sono anche altri aspetti da definire come la possibilità di informazioni rilevanti ai familiari e altri aspetti etici.

Per alcuni di questi già prima del NGS erano state preparate linee guida nazionali o di società scientifiche ma il WGS ne ha posti alcuni molto specifici. In questa Perspective vengono discussi i diversi approcci di comunicazione dei risultati ottenuti dall’applicazione del WGS in ricerca e nella sua applicazione clinica. Vengono fornite le linee guida proposte nei vari paesi per l’esecuzione di WGS in clinica e/o ricerca (Tab. 1/2), in Europa quelle di ESHG per la clinica ed anche per la ricerca per Germania e Danimarca, oltre a quelle del Regno Unito. Alcuni paesi hanno anche legiferato sulla comunicazione di WES in ricerca (Estonia, Finlandia, Spagna e Taiwan). Interessante la Tab. 3 che riassume le varie posizioni a proposito della comunicazione dei risultati di WES, con la generale possibilità di opt-out di ricevere gli IF, con eccezione per i minori e per alcune condizioni. In questa panoramica delle direttive internazionali e delle leggi nazionali che riguardano l’applicazione di questa tecnica viene sottolineato che mancano linee comuni non solo tra i vari paesi ma anche nella stessa nazione (vedi ACMG e AJHG per opt-out da parte di genitori di minori per condizione con “childhood medical actionability”) nella comunicazione dei risultati e che vi è necessità di armonizzare quelle esistenti. Considerazione finale: con la crescente applicazione sia in ricerca che in clinica di WGS dalle domande che ora ci facciamo (“how to return, who should return and when to return”) si passerà rapidamente a “what should we not return?”.

Interessante l’ipotesi di cui si discute da qualche anno di introdurre NGS in sostituzione dell’attuale test di screening dei neonati asintomatici per condizioni immediatamente trattabili. Dice la Perspective che ogni iniziativa in questo senso non deve essere guidata dalla tecnologia ma da quello che riteniamo possa essere l’impatto sulla salute pubblica e l’interesse del bambino. Quindi Sì, ma targeted o con sequenziamento di specifici geni per evitare IF e consentire l’identificazione di varianti di alto rischio per condizioni trattabili o prevenibili, il cui trattamento deve iniziare nel periodo neonatale o nella prima infanzia (http://dx.doi.org/10.1038/ejhg.2014.289).

Medicina di precisione non a parole, nella pratica.

Genetics and neonatal diabetes: towards precision medicine. Lancet 2015;386:934. Commento di uno studio internazionale sui vantaggi, terapia, prevenzione e prognosi, dovuti ad una precoce diagnosi genetica di screening per il diabete neonatale (The effect of early, comprehensive genomic testing on clinical care in neonatal diabetes: an international cohort study. Pg. 957). Mutazione di geni codificanti glucochinasi (HNF1A e HNF4A) sono causa di diversi tipi di diabete giovanile con esordio nella maturità con penetranza e gravità variabile. Il diabete neonatale è raro (1:100.000 nati), diagnosticato entro i primi 6 mesi di vita ed è dovuto a mutazione di più di 20 geni. Come per molte malattie monogeniche è stata documentato che la diagnosi genetica consente di indirizzare la specifica terapia migliorandone il decorso come ad esempio un adeguato follow-up senza necessità di trattamento insulinico. In questo studio internazionale (79 nazioni) sono state impiegate prima la sola analisi Sanger e poi NGS mirato ai 21 geni noti del diabete ed anche l’analisi di metilazione del cromosoma 6 (6q24) di 1.020 bambini di età < 6 mesi la cui diagnosi di diabete era stata posta poco prima del reclutamento, analisi genetica offerta gratuitamente in quanto nell’ambito di un progetto di ricerca (che bello, ndr). Trovate mutazioni nell’82% dei bambini, più frequentemente in geni del canale del potassio (390 bambini). A seconda del gene si applica la specifica terapia e soprattutto si verifica la presenza di anomalie extra-pancreatiche. Nel commento si sottolinea che il NGS targeted può valere non solo per il diabete neonatale, ma anche per altre forme di diabete, se ritenute monogeniche. Ma per queste sarebbe opportuno il NGD dell’intero genoma (porta esempi).

MALATTIE NEUROLOGICHE/NEUROMUSCOLARI/NEURODEGENERATIVE/ PSICHIATRICHE

Parkin loss leads to PARIS-dependent declines in mitochondrial mass and respiration. PNAS 2015;112:11696. Mutazioni o inattivazione di Parkina sono una delle cause del Parkinson. In questo lavoro si sottolinea il ruolo di Parkina nel regolare i molti meccanismi di controllo di qualità mitocondriale e si suggerisce che il mantenimento della biogenesi mitocondriale sia critico per la sopravvivenza dei neuroni dopaminici. Vedi anche CHCHD2 mutations in autosomal dominant late-onset Parkinson’s disease: a genome-wide linkage and sequencing study. Lancet Neurology 2014;14:274 (Articoli Marzo 2015). La proteina codificata da CHCHD2 è localizzata nei mitocondri.

Expanding the prion disease repertoire. PNAS 2015;112:11748. E’ ormai accertato che i prioni infettanti si replicano mediante un malripiegamento autocatalitico di proteine normali dell’ospite (PrP^C) nella conformazione PrP^Sc causando un gruppo di encefalopatie spongiformi trasmissibili (TSE), tra cui la m. Creutzfeldt–Jakob. Ma il meccanismo prionico è causa di altre malattie. I depositi di una α-sinucleina malripiegata nei neuroni o nelle cellule gliali sono un aspetto neuropatologico comune a differenti malattie (Parkinson, demenza con corpi Lewy, Insufficienza autonomica pura e l’Atrofia multisistema -MSA). Nel lavoro sullo stesso fascicolo (Evidence for α-synuclein prions causing multiple system atrophy in humans with parkinsonism. Pg. E5308) si dimostra che l’α-sinucleina malripiegata agisce come prioni causando MSA. A differenza della MSA estratti cerebrali di pz con Parkinson non hanno comportato una trasmissibilità in vitro se iniettati in cellule o in topi ingegnerizzati nonostante il comune accumulo di α-sinucleina in ambedue le malattie neurodegenerative. Questo suggerisce che i ceppi (o varianti) di α-sinucleina nella MSA e nel Parkinson sono differenti.

Vedi anche precedenti selezioni di articoli Giugno/Agosto 2015: Propagation of prions causing synucleinopathies in cultured cells. PNAS 2015;112:E4949. α -Synuclein strains cause distinct synucleinopathies after local and systemic administration. Pg. 340. Alzheimer’s and Parkinson’s diseases: The prion concept in relation to assembled Aβ, tau, and α-synuclein. Science 2015;349:601

ALZHEIMER

Alzheimer’s fear in hormone patients. Nature 2015;525:165. News in focus sugli effetti sul SNC della terapia con ormone della crescita (GH) ottenuto da ghiandole ipofisarie di cadavere: non solo, come noto, la malattia neurodegenerativa Creutzfeldt–Jakob (CJD), ma anche alcuni aspetti neuropatologici tipici dell’Alzheimer (Evidence for human transmission of amyloid-β pathology and cerebral amyloid angiopathy. Pg. 247 e Amyloid-β pathology induced in humans. Pg 193). Prima del 1985 sono stati trattati 30.000 bambini con deficit di GH con ormone estratto da cadavere e dopo un periodo molto variabile (5-40 anni) il 6.3% di questi hanno sviluppato CJD (dopo il 1985 si usa il GH umano ricombinante). Ora sappiamo che nell’estratto di ipofisi che ha causato la m. neurodegenerativa erano presenti prioni, una proteina normalmente prodotta che diventa infettante e neurotossica quando adotta una configurazione anomala che è in grado di provocare la stessa conformazione nelle altre proteine prioniche.

La caratteristica patologica nell’Alzheimer è costituita da aggregati insolubili di proteina β-amiloide (Aβ), chiamate placche, tra i neuroni. Ma è oggetto di ricerca se persone con diffusi depositi cerebrali di Aβ svilupperanno l’Alzheimer. Ed è noto che negli animali di laboratorio si ottengono aggregati di Aβ se nel loro encefalo vengono iniettate proteine Aβ malripiegate, che sembrano comportarsi con meccanismo simile a quello dei prioni. In questo lavoro è stato studiato l’encefalo di 8 persone decedute per CJF all’età 36-51 anni trattate 30 anni prima con GH da cadavere. Oltre alle lesioni della CJD sono stati trovati considerevoli diffusi aggregati Aβ in 4 di questi e in quantità meno rilevante in 2. Da sottolineare che questi pz non avevano mutazioni dei geni associati all’Alzheimer, che tali aggregati molto raramente si trovano nelle persone di questa età e che non si trovano nell’encefalo di casi di CJD non trattati con GH estratto. Questo lavoro conferma che nelle ghiandole ipofisarie di pz con Alzheimer sono presenti depositi di Aβ e suggerisce che nelle persone trattate con GH estratto da cadavere gli aggregati sono provocati da una disseminazione di Aβ. I risultati di questo lavoro sono uno stimolo a studiare i meccanismi di formazione, la trasmissibilità e la tossicità delle proteine malripiegate nelle malattie neurodegenerative.

A proposito di propagazione transcellulare di aggregati di proteine malripiegate nelle m. neurodegenerative.

Transcellular spreading of huntingtin aggregates in the Drosophila brain. PNAS 2015;112:5427. In questo studio si è ricorsi al monitoraggio della diffusione di aggregati di huntingtina umana con espansione poliglutaminica  nell’encefalo della Drosofila, come modello della m. Huntigton. Si dimostra, ricorrendo anche a controlli con huntingtina non espansa, che gli aggregati si diffondono rapidamente con perdita di neuroni vulnerabili. E’ possibile impedire la diffusione degli aggregati e la perdita neuronale bloccando l’esocitosi o l’endocitosi sinaptica. L’impiego di farmaci modificatori potrebbe portare ad una correzione della diffusione degli aggregati proteici nelle malattie neurodegenerative.

Phospholipid dysregulation contributes to ApoE4-associated cognitive deficits in Alzheimer’s disease pathogenesis. PNAS 2015;112:11965. L’allele apoproteina E4 (ApoE4) è un importante fattore di rischio di Alzheimer sporadico: nella popolazione generale il 20% della persone è portatrice di questa variante con un 60% dei pz con Alzheimer che ne è portatore. Non chiari i meccanismi patogenetici, suggerito tra gli atri un meccanismo di ridotta clearance di β-amiloide (Aβ). In questo lavoro si mette in relazione il genotipo ApoE4, che comporta specifiche alterazioni dell’omeostasi fosfolipidica, con l’aumentata suscettibilità all’Alzheimer legata a tale genotipo. Sono stati trovati livelli ridotti di fosfoinotisolo bifosfato (PIP2) in tessuti cerebrali autoptici di pz con Alzheimer associato a ApoE4, nell’encefalo di topi ApoE4 knok-in e in neuroni primari con espressione di ApoE4, confrontati con i livelli dei controlli. I ridotti livelli di PIP2 erano dovuti ad un’aumentata espressione dell’enzima degradante PIP2 (synj1). La riduzione di espressione di synj1 in topi ApoE4 porta a valori normali i livelli di PIP2 e, ancor più importante, normalizza le capacità cognitive legate all’Alzheimer presenti in questi topi. Possibili opzioni terapeutiche per questa comune e devastante malattia dell’uomo.

AUTISMO

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A molecular tightrope. Nature 2015;526:50. Commento di un lavoro su un’altra rivista (An Autism-Linked Mutation Disables Phosphorylation Control of UBE3A. Cell 2015;162:795) sul legame esistente tra autismo (sindrome dup15q) e s. Angelman dovuto l’uno ad una duplicazione dell’allele materno di UBE3A e l’altro a una sua inattivazione mediante differenti meccanismi molecolari. Ci devono essere quindi meccanismi preposti ad uno stretto controllo di espressione di questo gene a livello neuronale durante lo sviluppo neurologico. Conosciamo alcuni meccanismi di stimolazione di UBE3A come alcuni virus che tramite la sovraespressione di UBE3A stimolano la degradazione di p53 e quindi favoriscono la sviluppo di cancro o la proteina HERC2 che si lega a UBE3A e che, quando mutata in omozigosi, riduce l’attività ligasica di UBE3A e causa deficit intellettivo-autismo (MIM #615516) con lo stesso meccanismo molecolare della s. Angelman. Ma poco sappiamo sui meccanismi inibitori di UBE3A. In questo lavoro mediante studi in vitro di cellule di pz si dimostra che PKA (protein chinasi A) inattiva UBE3A tramite fosforilazione di un suo residuo treoninico (T485) e  nelle cellule normali UBE3A passa da uno stato inattivo ad uno attivo per assicurare opportuni livelli di attività. Mutazioni di quel residuo aminoacidico impediscono la fosforilazione determinando un’attivazione  permanente di UBE3A, causa di autismo, mentre mutazioni con perdita di funzione inattivano il gene e sono causa di s. Angelman. Per verificare questa ipotesi gli AA hanno provocato una mutazione del residuo aminoacidico T485 per prevenire la fosforilazione e come effetto si è ottenuto un’iperattivazione di UBE3A. In vitro neuroni con questa mutazione mostrano una grave alterazione della formazione delle sinapsi. Recentemente poi è stato individuato mediante WES in un ampio campione pz con autismo un bambino con autismo e normale quoziente intellettivo portatore di una mutazione missenso del residuo T485, ulteriore prova della rilevante funzionale di questo meccanismo regolatorio. Un dato rilevante quindi per incominciare a capire il ruolo di questo gene e del pathway di PKA, del delicato equilibrio di attivazione per il normale neurosviluppo, di come sia possibile che modifiche di attività di UBE3A possano comportare condizioni cliniche differenti e se sia ipotizzabile il ricorso ad inibitori della fosfodiestarasi (peraltro già in commercio per altre patologie), che stimolano il pathway PKA, da usare come terapia dell’autismo. Ed altre ottime considerazioni del commento.

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From the genetic architecture to synaptic plasticity in autism spectrum disorder. Nature Reviews Neuroscience 2015;16:551. Conosciamo molti geni regolatori della plasticità sinaptica coinvolti nell’autismo (ASD), geni che codificano proteine dello scaffolding sinaptico, recettori, molecole di adesione cellulare o proteine coinvolte nel rimodellamento cromatinico, trascrizione, sintesi o degradazione proteica o nelle dinamiche dell’actina del citoscheletro. In questa Review viene presentata l’architettura genetica del ASD e il ruolo delle varianti comuni e rare in questa patologia, l’effetto delle mutazioni a vari livelli della plasticità sinaptica e il ruolo nel ASD dell’omeostasi sinaptica recentemente suggerito dalle più recenti ricerche. Viene proposto che mutazioni di questi geni possono comportare un’aumentata o una ridotta efficienza con cui la sinapsi trasferisce l’informazione (forza sinaptica) o il loro numero e quindi la connettività cerebrale. Oltre a questo effetto diretto viene discussa l’ipotesi che quando sono insufficienti i meccanismi compensatori del “genetic buffering”, cioè i network genetici  che mantengono costante la funzione e l’omeostasi sinaptica, le mutazioni causano un’atipica connettività e la comparsa dei segni della malattia. La grande variabilità fenotipica del ASD potrebbe allora dipendere dal gran numero di differenti mutazioni causative e dalla capacità del background genetico della persona di tamponare l’effetto della mutazione. Interessante la Fig. 1 con il rischio relativo di sviluppare ASD in base alla percentuale di genoma condiviso con un pz con autismo (da lezione, ndr). Come interessanti i database dei geni dell’autismo (https://gene.sfari.org/autdb/Welcome.do oppure https://gene.sfari.org/autdb/Welcome.do) che presentano i geni associati al ASD, più di 400 con mutazioni rare, de novo e altamente penetranti. In ogni modo il 10-25% dei pz con ASD ha una alterazione genetica, CVV o SNV. Poco si conosce invece dell’effetto delle varianti comuni suggerite dall’analisi con GWAS, che potrebbero essere coinvolte nel causare un insufficiente “genetic buffering”. Interessante anche l’ipotesi patogenetica: le mutazioni comportano un’anomalia di gemmazione e/o di sfoltimento delle sinapsi poco usate durante lo sviluppo cerebrale, responsabile di una anomala coordinazione e competizione tra i network neuronali e di conseguenza un’alterata integrazione delle informazioni attraverso diverse modalità sensoriali, come succede appunto nel ASD.

GENETICA UMANA/CLINICA

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Exome sequencing identifies recurrent mutations in NF1 and RASopathy genes in sun-exposed melanomas. Nature Genetics 2015;47:996. L’applicazione del NGS nei melanoma ha confermato la frequente presenza in questi tumori di mutazioni somatiche della superfamiglia RAS (BRAF, NRAS e RAC1). In questo lavoro l’analisi WES di 213 melanomi ha identificato mutazioni inattivanti di NF1 con l’effetto di attivazione RAS. Quindi la perdita biallelica di questo oncosoppressore è un’anomalia genetica frequente nel melanoma che se è associata a mutazioni di altri geni delle RASopatie potenzia la formazione di melanomi. Da qui l’interessante possibilità che i melanomi da mutazione NF1 richiedano ulteriori alterazioni per una forte attivazione del pathway MAPK. In questo senso potrebbe essere interpretato il fenotipo Noonan letale o molto grave per mutazioni concomitanti NF1 e PTPN11 e il caso pubblicato di mutazione NF1 e PTPN11 con glioma bilaterale del nervo ottico mentre altri membri della famiglia con mutazione NF1 avevano una forma lieve di NF1 (macchie caffè-latte).

Come per il retinoblastoma con il tumore polmonare a piccole cellule, la mutazione costituzionale di NF1 determina il fenotipo classico e mutazioni somatiche successive accompagnate da altre mutazioni sono causa di una varietà di forme di cancro (tra cui il melanoma, ndr)(molto interessante, il che vuol dire che in caso di NF1 o Noonan molto grave non ci si deve accontentare della mutazione del gene atteso ma applicare con NGS il pannello RAS).

A genetic cause of Alzheimer disease: mechanistic insights from Down syndrome. Nature Reviews Neuroscience 2015;16:564. Persone con sindrome Down sono a rischio di sviluppare l’Alzheimer precoce (AD-DS)(5-10% per pz di età 40-49 anni e >30% per età 50-59 anni), attribuito, almeno in parte, al fatto che il gene codificante la proteina precursore dell’amiloide (APP) è sul cromosoma 21. Ma altri geni del cromosoma 21 potrebbero contribuire a causare tale patologia neurologica. In questo Opinion article si vuole presentare una panoramica degli aspetti clinici e patologici di AD-DS con un confronto con altre forme di Alzheimer, in particolare quelle indotte da duplicazione di APP (Dup-APP)(piccola CNV familiare con Alzheimer e cerebropatia cerebrale amiloide, con dimensioni molto variabili della dup nei 20 pz pubblicati e differenti i geni coinvolti)(Fig. 2). Capire perché nella Trisomia 21 vi sia rischio significativo di Alzheimer potrebbe aiutarci ad identificare i meccanismi (geni e pathway) della demenza nella popolazione generale. Viene confrontata la clinica e la neuropatologia dei soggetti AD-DS e Dup-APP). Nella AD-DS l’età di insorgenza è più avanzata e sono minori i rischi di emorragia intracerebrale, che invece è frequente (20-50% dei casi) nella Dup-APP. L’ipotesi formulata è di un effetto protettivo di un gene (geni) triplicato nel cromosoma 21. Le anomalie neuropatologiche, con la riserva dei pochi dati disponibili per Dup-APP, sembrano simili nelle due condizioni.

Vengono presentati (Fig. 3) i meccanismi ed i geni ritenuti importanti per lo sviluppo della demenza in pz AD-DS. Da chiarire comunque con ulteriori studi il motivo del ritardo nei casi AD-DS, rispetto ai casi Dup-APP, di comparsa della demenza, di come si producono le anomalie del neurosviluppo e l’identità dei geni con locus sul cromosoma 21 che svolgono un certo effetto protettivo.

Gli AA, pur consci che possono esserci problemi etici (consenso informato) nello studiare ed eventualmente trattare le persone con DS per la prevenzione o cura dell’Alzheimer, sottolineano che la Trisomia 21 potrebbe aiutarci a capire i processi della neurodegenerazione ed eventualmente insegnarci strategie terapeutiche che possono beneficiare chi è a rischio di Alzheimer  (Trisomia 21 come esperimento naturale? Ndr).

Na_v1.9: a sodium channel linked to human pain. Nature Reviews Neuroscience 2015;16:511. Il canale del sodio voltaggio dipendente Na_v1.9, codificato dal gene SCN11A, è espresso preferenzialmente nei nocicettori e nei modelli murini svolge un ruolo importante nel dolore infiammatorio e neuropatico. Da qui l’idea di una terapia del dolore che agisca selettivamente su Na_v1.9 senza provocare effetti sfavorevoli sul SNC, come sedazione e confusione. In questo aggiornamento sono riassunti gli studi funzionali di Na_v1.9 che hanno consentito di far luce sulle peculiari caratteristiche di questo canale e sul suo contributo alla risposta dei neuroni sensori in condizioni normali e patologiche. In base a studi nell’uomo di malattie genetiche con dolore da mutazione di SCN11A (Dolore episodico familiare  SCN11A‑correlato, Neuropatia periferica dolorosa e Insensibilità al dolore con automutilazioni) si conclude che Na_v1.9 è importante nel regolare l’eccitabilità dei neuroni sensori e nel segnale del dolore. Questo canale costituisce un buon potenziale bersaglio terapeutico del dolore.

Vedi anche ottimo commento e articolo (selezione Novembre 2013)( No pain, more gain. Nature Genetics 2013;45:1271 e A de novo gain-of-function mutation in SCN11A causes loss of pain perception. Pg. 1399).

Mitochondrial dysfunction and seizures: the neuronal energy crisis. Lancet Neurology 2015;14:956. L’ampio ruolo dei mitocondri nelle funzioni metaboliche e nella sintesi dei neurotrasmettitori, dell’omeostasi del calcio, nella segnalazione redox, nella produzione di ossigeno reattivo e nella morte neuronale spiega perché la disfunzione mitocondriale sia un’importante causa di epilessia. Sono noti infatti 165 geni coinvolti nella funzione mitocondriale (geni nucleari e geni mitocondriali) e causa di tale patologia. In questa review vengono riassunte le conoscenze sulle varie forme di epilessia genetica dimostrando che tutte le disfunzioni mitocondriali possono produrre epilessia. Vengono anche prese in considerazione le alterazioni secondarie di funzione mitocondriale nell’epilessia acquisita e discussi i potenziali meccanismi che legano la disfunzione mitocondriale all’epilessia (bella la Fig. 3 con i possibili meccanismi patogenetici delle cause genetiche,  geni mitocondriali e geni nucleari, ed acquisite). Si sottolineano anche le prospettive terapeutiche delle epilessie legate a disfunzione mitocondriale e, importante, e la necessità di evitare per gli effetti collaterali che comportano in queste epilessie mitocondriali i farmaci che interferiscono con la funzione mitocondriale come la gentamicina e le tetracicline, agenti antivirali, composti che interferiscono con la biosintesi del coenzima Q₁₀, come gli inibitori della  β-HMGCoA reduttasi e l’acido valproico, per i noti effetti sul fegato, nella s. Alpers-Huttenlocher, (sindrome da deplezione mitocondriale 4A MIM #203700) con encefalopatia epilettica ad insorgenza precoce spesso con insufficienza epatica.

The dynamics of mitochondrial DNA heteroplasmy: implications for human health and disease. Nature Reviews Genetics 2015;16:530. Varianti genetiche comuni del mtDNA aumentano il rischio di gravi malattie tra cui anche quelle neurodegenerative. In questa Review si spiega come si producano tali varianti e come si diffondano da cellula a cellula e accumularsi negli organi causando le malattie comuni legate all’età.

Plasma DNA tissue mapping by genome-wide methylation sequencing for noninvasive prenatal, cancer, and transplantation assessments. PNAS 2015;112:E5503. Il plasma è costituito da proteine rilasciate da vari tessuti. Queste proteine sono identificabili ed è possibile conoscerne la relativa proporzione ricorrendo ad una tecnica che tiene conto della metilazione del DNA caratteristica do ogni tessuto.

Tale tecnica è stata applicata in gravide, in pz con cancro e in chi ha ricevuto un trapianto ed ha consentito di identificare il tessuto di provenienza di anomalie genomiche presenti nel DNA plasmatico. In particolare in 5 gravide con feto con trisomia 21 è stato osservato un incremento del contributo placentare di marcatori del cromosoma 21 e non del contributo di altri cromosomi. Tecnica applicabile in ricerca e in clinica e in vari campi, dalla diagnosi prenatale, all’oncologia e nel monitoraggio dei trapianti.

Twenty-five years of big biology. Nature 2015;526:29. La storia e la celebrazione di Human Genome Project, con le foto dei pionieri e attuali.

Mendel, Mechanism, Models, Marketing, and More. Cell 2015;163:9. Ricorre il 150° anniversario della presentazione degli studi sull’ibridazione delle piante da parte di Mendel alla Brunn Natural History Society. La storia di Mendel e di come è stata accolta la sua geniale osservazione e deduzione, avvenuta prima della scoperta della meiosi e di altri aspetti allora del tutto sconosciuti, come gli elementi trasponibili. Immaginando di portarla ai nostri tempi se Mendel avesse mandato il suo lavoro ad una rivista ad alto impatto non sarebbe stata accettato perché descrittivo, prematuro e senza aver approfondito i meccanismi alla base delle sue osservazioni. Solo che, dice l’A., tutta la scienza è descrittiva, varia solo del livello e della grandezza dei dettagli.

Experts back genome editing in human embryo research. BMJ 2015;351:h4874. Un gruppo internazionale di ricercatori, bioeticisti e di esperti di salute pubblica si sono riuniti (Settembre 2015) per produrre un documento sul genome editing in epoca embrionale precoce nella specie umana: i ricercatori possono manipolare il genoma in embrioni o nelle cellule germinali solo per capire meglio i processi biologici dello sviluppo, ma non per scopi clinici o riproduttivi.

Hinxton Group. Statement on genome editing technologies and human germline genetic Modification (www.hinxtongroup.org/Hinxton2015_Statement.pdf).

Special Section Science:

Hunting mutations, targeting disease. Science 2015;349:1471. Introduzione generale sulle nuove tecniche genetiche, che termina con una frase molto condivisibile: “While some mutations are easier to target than others, which can cause frustration at the pace of (quando si vuole) translating genetic information into medical help, enormous progress has arguably been made in the decade since the first human genome was decoded—and there’s the promise of even more clinical applications in the future”.

Can 23andMe have it all? Pg. 1472. La compagnia che vende ai consumatori test genetici ha ora una banca di DNA di oltre un milione di persone ed è orientata a cercare farmaci per la terapia delle malattie genetiche.

Who has your DNA—or wants it. Pg. 1475. Science ha fatto un elenco di 17 biobanche che hanno o programmano di avere dati genomici di più di 75.000 persone. I dati vanno dai SNP ad esomi e all’intero genoma. Citate biobanche USA, Inglesi, una cinese ed una dell’Arabia Saudita, nessuna italiana.

Reviews:

The origins, determinants, and consequences of human mutations. Pg. 1478. Nuove conoscenze del tasso, dello spettro e delle cause di mutazioni genomiche e come queste ci aiutino nella comprensione delle malattie mendeliane e complesse.

Somatic mutation in cancer and normal cells. Pg. 1483.

Genetics and genomics of psychiatric disease p. 1489. Nonostante i considerevoli risultati ottenuti con gli studi genomici di larga scala nella comprensione dei fattori che contribuiscono a causare le principali malattie psichiatriche (da varianti comuni con un relativo piccolo contributo a varianti rare con maggior contributo) vi sono ancora alcuni ostacoli nella loro individuazione, difficoltà dovute alla eterogenicità e alla loro complessità genetica (poligenicità) di queste patologie e alle difficoltà di integrare i vari livelli (molecolare, cellulare, dei circuiti neuronali) di azione.

Mutations causing mitochondrial disease: What is new and what challenges remain? p. 1494. Anche per le malattie mitocondriali, da mutazioni di geni dei mitocondri e geni nucleari, si sono ottenuti insperati risultati nella diagnosi e nella prevenzione. Ma la terapia di queste malattie è ancora lontana. In questa Review vengono presentati i progressi fatti e le sfide che ci attendono.

Serie di articoli sulle varianti genomiche:

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Can the impact of human genetic variations be predicted? PNAS 2015;112:11426. Nel genoma umano di ciascuno di noi vi sono circa 20.000 varianti di singolo nucleotide di geni codificanti proteine in genere in eterozigosi. Quando queste sono presenti in >1% in una certa popolazione si dicono comuni, le altre rare e alcune addirittura “private”. In ogni persona almeno due SNV possono essere causa di una malattia monogenica. Si ricorre allora a sistemi bioinformatici che consentano di ridurre drasticamente il numero di varianti per arrivare a una priorizzazione (termine italiano usato da quasi di due secoli, Accademia Crusca) delle varianti per arrivare a varianti candidate nell’esoma di pz o per ricerca. Si è così arrivati alla visione utopica (o addirittura distopica, che è l’estremo negativo) di una medicina genetica che si basa solo sul laboratorio per trarre conclusioni dal sequenziamento genomico. Idealmente i metodi di filtraggio usati dovrebbero avere un basso tasso di risultati falsi positivi, filtrare il maggior numero di varianti irrilevanti (un pagliaio il più ridotto possibile) e un basso tasso di falsi negativi (l’ago non deve essere rimosso dal pagliaio). Nel lavoro pubblicato sullo stesso fascicolo (Comparison of predicted and actual consequences of missense mutations. Pg. E5189) si dimostra sperimentalmente che i software usati normalmente comportano un basso tasso di falsi negativi ma un alto tasso di falsi positivi. In topi esposti a un mutageno (ENU) è stata posta attenzione a 30 missenso di 33 geni dell’immunità e si è osservato che solo il 20% delle variante classificate come patogene con i vari sistemi (SIFT, Poly-Phen-2, CADD) avevano in vivo il fenotipo “nullo”  e che nessuna di quelle stimate benigne aveva alcun fenotipo. Quindi risultati differenti  tra metodi in silico (molti falsi positivi) e in modelli animali in vivo. Effetto di ipo- o iper-mofismo delle varianti che non causano il fenotipo dell’allele nullo? Sembra di no, perché è stato studiato in vitro l’impatto biochimico di 2.314 missenso del gene TP53 umano (le cui mutazioni somatiche sono comuni nel cancro): in solo il 4% delle varianti risultate in silico benigne sono risultate in vitro patogene, mentre ben il 40% delle varianti patogene in silico come patogene avevano uno scarso o nullo impatto biochimico in vitro, quindi ancora un eccesso di falsi positivi con la predizione da software. Da non sottovalutare però che il metodo in silico comporta almeno pochi falsi negativi, perché “the worst-case scenario is to miss the good mutation”. E per le mutazioni non sinonime e non missenso? Non sempre per queste c’è effetto deleterio della mutazione. Nel commento vengono fatti numerosi esempi del perché e le metodologie da adottare, non ultima quella della genetica classica. Alla fine del commento si conclude che questo studio ci ricorda che sarà necessario validare sperimentalmente con studi funzionali tutte le predizioni computazionali di patogenicità. Soprattutto nel caso di nuova mutazione candidata ad essere la causa di un fenotipo anomalo o quando si trova una mutazione causa di malattia in un pz con fenotipo diverso da quello noto, ricorrendo in futuro alla tecnologia iPSCs and CRISPR/Cas9.

The end of the start for population sequencing. Nature 2015;526:52. Sottotitolo: In the final phase of a seven-year project, the genomes of 2,504 people across five continental regions have been sequenced. The result is a compendium of in-depth data on variation in human populations.

A global reference for human genetic variation. Nature 2015;526:68. Report del The 1000 Genomes Project Consortium: analizzato il genoma di 2.500 persone di 26 differenti popolazioni con WGS a bassa copertura, WES ad alta copertura e microarray. Viene presentata la distribuzione delle varianti trovate e vengono discusse le implicazioni relative alle malattie complesse.

An integrated map of structural variation in 2,504 human genomes. Nature 2015;526:75. Catalogo utile per futuri studi demografici delle varianti strutturali, del loro impatto funzionale e della loro associazione a malattie.

Global diversity, population stratification, and selection of human copy-number variation. Science 2015:349:1191. Le varianti del numero di copie genomiche possono essere diverse da popolazione a popolazione ed essere causa di malattia. In questo studio veramente multicentrico (nessuno italiano, ndr) sono state esaminate le CNV di 236 genomi di 125 diverse popolazioni. Si è visto che le delezioni erano maggiormente sotto selezione mentre le duplicazioni, meno soggette alla pressione selettiva rispetto alle delezioni, interessavano più frequentemente geni indicando che erano sedi a maggior selezione adattativa ed erano maggiormente popolazione specifiche.

Strength in small numbers. Science 2015;349:1282. Perspective che commenta un lavoro sullo stesso fascicolo (Greenlandic Inuit show genetic signatures of diet and climate adaptation. Pg. 1343) che applicando uno studio di associazione GWAS in una piccola popolazione indigena è stato possibile chiarire le varianti genetiche che contribuiscono alla statura e al peso della persona e come gli uomini moderni si sono adattati a diversi climi e diete. Lo studio è stato condotto in circa 4.500 inuit che vivono da migliaia di anni nell’Artico (uno dei due gruppi principali degli Eschimesi, wiki) e che sono esposti al freddo per una buona parte dell’anno e si cibano di alimenti ricchi di grasso di animali marini. Sono state individuate regioni genomiche che contengono geni che codificano le desaturasi degli acidi grassi (FADS), importanti modulatori della composizione degli acidi grassi, e geni che hanno un ruolo nella distribuzione dei grassi e nello sviluppo del muscolo e del cuore. In questa coorte alcune varianti vicine ai loci FADS sono risultate associate a piccole dimensioni corporee e statura più bassa. In una coorte di europei (170.000) due di queste varianti sono risultate solo lievemente associate a una riduzione di statura, probabilmente perché rare in questa popolazione. Nel corso dell’evoluzione l’adattamento ad ambienti molto diversi può determinare la comparsa di fenotipi ai due estremi della distribuzione di quel carattere che possono essere dovuti a pochi geni con considerevole effetto. Condizione ideale per studi di associazione di piccoli campioni di soggetti. Analoga metodologia che è stata adottata, sempre per la statura, in Africa centrale come adattamento all’ambiente tropicale, o l’adattamento alle alte stature in America del sud, in Tibet e in Etiopia (vedi bella figura del commento). Questi studi sono complementari e di aiuto interpretativo degli studi di associazione nelle aree urbane popolazioni. Ma non sempre attuabili per la resistenza delle popolazioni isolate, per cultura e perché temono uno sfruttamento commerciale. E’ auspicabile un dialogo tra popolazioni indigene e ricercatori per trovare vantaggi per tutti.

The UK10K project identifies rare variants in health and disease. Nature 2015;526:82. Report dei primi risultati del UK10K Consortium applicando WGS a bassa copertura e WES ad alta copertura su 10.000 persone della popolazione inglese e pazienti. Sono stati identificati nuovi alleli associate ai livelli di trigliceridi (APOB), adiponectina (ADIPOQ) e colesterolo a bassa densità (LDLR e RGAG1).

A tree of the human brain. Science 2015;349:37.Commento di un articolo (Somatic mutation in single human neurons tracks developmental and transcriptional history. Pg. 94). Come noto i neuroni sopravvivono allo stato postmitotico per decine di anni e il loro genoma è soggetto a danni. In questo studio di varianti SNV neuronali nel cervello umano si dimostra che a differenza delle cellule germinali e del cancro, dovute spesso a errori di replicazione di DNA, le mutazioni neuronali riflettono un danno nel corso della trascrizione attiva. Queste mutazioni somatiche del singolo neurone costituiscono quindi una traccia delle mutazioni avvenute e dello sviluppo dell’encefalo.

MODELLI ANIMALI E NUOVE TERAPIE

Disease-proportional proteasomal degradation of missense dystrophins. PNAS 2015;112:12414. Circa il 10% dei pz con distrofinopatia (Duchenne/Becker) ha una mutazione nonsenso e tutti sono candidati per la terapia con farmaci che promuovono il superamento in fase di traduzione (read-through) delle mutazione nonsenso con codone di stop. Il 7% di pz ha una piccola inserzione o delezione (indel) che causano uno scivolamento di lettura e sono curabili con strategie di skipping esonico (Rectifying RNA splicing errors in hereditary neurodegenerative disease. PNAS 2015;112:2637)(articoli Marzo 2015). I portatori di una missenso (1% dei pz con DMD/MMD) rappresentano una sotto popolazione orfana di terapie. In questo lavoro si dimostra che in vitro è possibile prevenire la degradazione della distrofina mutata con piccole molecole che agiscono sul sistema di degradazione cellulare.

Bacteria yield new gene cutter. Nature 2015;526:17. La tecnica di editing genico CRISPR/Cas9 ha rivoluzionato la ricerca ed ha reso possibile la sua applicazione in vari campi e specie dai batteri all’uomo, inclusi gli embrioni umani, e ha prospettive di diventare per la sua praticità ed economicità la tecnica della nuova terapia genica. Ora (25 Settembre 2015) è stato annunciato da uno dei suoi inventori la scoperta di una proteina che renderebbe più facile e più conveniente ancora la sua applicazione evitando alcune delle sue limitazioni attuali.

Knocking down disease: a progress report on siRNA therapeutics. Nature Reviews Genetics 2015;16:543. L’interferenza dell’RNA con siRNA silenzia il gene mutato tramite KO dell’RNA bersaglio ma può non reprimere completamente l’espressione del gene mutato, può essere inefficace quando si richiede la sua completa repressione, ha poca specificità e infine può avere effetti indesiderati (Therapeutic genome editing: prospects and challenges. Nature Medicine 2015;21:121)(Articoli interesse Febbraio 2015).

In questa Review vengono presentati i risultati delle recenti sperimentazioni cliniche con siRNA che mostrano un efficiente e durevole knockdown genico a livello epatico con esiti clinici promettenti e poca tossicità. E vengono presentate le prospettive per un’azione positiva per l’interferenza RNA in altri organi bersaglio. In Tab. 1 sono presentate 8 sperimentazioni in varie fasi, per le malattie genetiche l’ipercolesterolemia, emofilia A e B e altre malattie della coagulazione (tutte in fase I).

CARATTERI-MALATTIE COMPLESSE/STUDI ASSOCIAZIONE

Whole-genome sequencing identifies EN1 as a determinant of bone density and fracture. Nature 2015;526:112. Non nota l’entità del contributo di varianti rare (MAF 1-5%) o molto rare (≤ 1%) per i caratteri e per le malattie complesse nella popolazione generale. Il progetto UK10K, con i risultati ottenuti dal WGS, consente di affrontare l’argomento nella popolazione di discendenza europea. L’osteoporosi è una comune malattie scheletrica che predispone a fratture. La densità minerale ossea (BMD) ha un’alta ereditabilità (circa 85%), sono numerosi geni associati ai valori di BMD, individuati con GWAS, ma tutti insieme spiegano solo il 5% della varianza genetica di questo carattere. Ma va sottolineato che GWAS non è in grado di determinare il ruolo delle variante rare o molto rare. In questo studio sono state identificate con WGS nuove varianti genetiche non codificanti che hanno un importante effetto sul BMD e sulle fratture scheletriche in questa popolazione. E’ stata individuate una variante non codificante vicina al locus del gene EN1 (engrailed homeobox-1)(che codifica una proteina importante per lo sviluppo della segmentazione, richiesta per la formazione dei compartimenti posteriori OMIM *131290), con un effetto 4 volte maggiore rispetto a quanto già riportato per il BMD della colonna lombare, e che è anche associata ad una diminuzione del rischio di fratture. Nel modello di topo con perdita condizionale di En1 si osserva una riduzione della massa scheletrica, probabilmente da aumentato turnover osseo. E’ stata anche identificata un’altra variante genetica non codificante con considerevoli effetti sul BMD vicina al gene WNT16, (gene della famiglia WNT che codifica molecole di segnale implicate nella oncogenesi e in numerosi processi di sviluppo tra cui la regolazione del destino e differenziazione cellulare durante l’embriogenesi, OMIM *606267). In conclusione le varianti di bassa frequenza hanno un ruolo importante sulla massa ossea e sulle fratture scheletriche. Un suggerimento per proseguire con WGS nella popolazione generale per migliorare le nostre conoscenze sull’architettura genetica dei caratteri e delle malattie complesse.

Association analyses identify 38 susceptibility loci for inflammatory bowel disease and highlight shared genetic risk across populations. Nature Genetics 2015;47:980. La colite ulcerosa e la m. Crohn sono le principali malattie infiammatorie intestinali (IBD). Il lavoro è il primo studio di associazione di confronto tra persone di diversa etnia (trans ancestrale) con dati GWAS o Immunochip di un’ampia coorte di persone di origine europea e di Immunochip di persone di discendenza sud est asiatica, indiana o iraniana.

Individuati 38 nuovi loci con direzione e grandezza simile di associazione tra gli europei e i non europei. Ma tra le diverse popolazioni è stata osservata eterogeneità genetica per numerosi loci noti per le differenze di frequenza allelica (NOD2) o per forza di associazione (TNFSF15 e ATG16L1) o per ambedue (IL23R e IRGM). Utile quindi in questi studi il confronto tra etnie diverse che ci fanno individuare, per questa e per altre patologie complesse, l’architettura genetica nelle differenti popolazioni.

FARMACOGENETICA

A coding variant in RARG confers susceptibility to anthracycline-induced cardiotoxicity in childhood cancer. Nature Genetics 2015;47:1079. I farmaci del gruppo delle antracicline (tra cui la doxorubicina e la daunorubicina) sono i più comuni antitumorali,  (50% del cancro infantile), ma hanno frequentemente degli effetti tossici, con disfunzione cardiaca asintomatica nel 57% dei casi e insufficienza cardiaca congestizia nel 16%.  Sono noti alcuni possibili loci associati a tali effetti, ma mancano adeguati studi clinici e funzionali che possano favorirne l’uso nella pratica clinica. In questo studio di due diverse popolazioni di pz trattati (una europea e una non europea) si è identificata una forte associazione della cardiotossicità con una variante non sinonima del gene RARG (recettore ϫ dell’ac. retinoico) che ne altera la funzione causando una derepressione (inibizione della proteina repressore) della Topoisomerasi IIβ (TOP2B). Pz con tale variante hanno un significativo (5 volte) rischio di sviluppare cardiotossicità. Questo fornisce informazioni sulla fisiopatologia di questo grave effetto indesiderato e indica un possibile test farmacogenetico per le antracicline.