Nozioni genetiche di base e
inquadramento dei test genetici
Bruno Dallapiccola
Medicina Genomica
Genetica Molecolare
Genetica Clinica
<1980
1980-2000
>2000
Cause di malattia
G
A
malattie cromosomiche
malattie mendeliane
malattie/caratteri complessi
(multifattoriali)
malattie infettive
traumi
ustioni
Basi genetiche dell’eredità
nucleo
coppia di basi
cromosoma
DNA
A
cellula
proteine
istoniche
nucleosomi
Causalità genetica
Causalità deterministica = ogni evento è interamente dipendente da uno
precedente o non dipende dalla volontà.
Causalità probabilistica = un evento è correlato ad un altro e il risultato
finale dipende dalla loro interazione.
I test genetici nella pratica la clinica
I test genetici sono analisi finalizzate ad individuare la presenza, l’assenza o la
mutazione di un particolare cromosoma, di un gene, del prodotto di un gene o di un
metabolita, indicative di una specifica modificazione genetica”.
UK Human Genetic Commission (2009)
diagnostici
portatori sani
presintomatici
TEST DIAGNOSTICI
1. Fare diagnosi
ad es. diagnosticare malattie nelle quali l’esame clinico non è conclusivo
Ectrodattilia-sordità-palatoschisi-cardiopatia-ritardo mentale
der(7)
RP11-215P16
TEST DIAGNOSTICI
2. Validare una diagnosi clinica
ad es. sindrome di Nablus mask-like
TEST DIAGNOSTICI
3. Scegliere la terapia più appropriata
ad es. iperplasia congenita del surrene (gene CYP21A): prevenire la virilizzazione nelle femmine e la pubertà
precoce nei maschi
TEST DIAGNOSTICI
4. Delineare la storia naturale delle malattie, stabilire correlazioni genotipo-fenotipo
ad es.predire l’evoluzione clinica delle sindromi di Noonan in base all’analisi dei geni della via di RAS-MAPK
Noonan syndrome
PTPN11 ex 3
classic form
NS1 (OMIM 163950)
LEOPARD syndrome Noonan-like syndrome
PTPN11 ex 12
PTPN11 ex 13
lentigines
polyarticular villonodular
cardiomyopathy
sinovitis
LS1 (OMIM 151100)
(OMIM 163955)
Noonan syndrome
Noonan syndrome
SHOC2
“loose anagen hair”
(OMIM 607721)
SOS1
mild form,normal stature
NS4 (OMIM 610733)
Noonan syndrome
NRAS
NS6 (OMIM 164790)
Noonan syndrome
RAF1
cardiomyopathy
NS5 (OMIM 611553)
LS2 (OMIM 611554)
Noonan syndrome
KRAS
severe form
NS3 (OMIM 609942)
Noonan syndrome
BRAF
CFCS-like
(OMIM 115150)
Noonan syndrome-like
CBL
variable phenotype
NS7 (OMIM165360)
NeurofibromatosisNoonan syndrome
NF1
mild NF1
(OMIM 601321)
TEST DIAGNOSTICI
5a. Definire l’eterogeneità genetica (di locus) delle malattie
ad es. malattie che condividono il segno del ‘dente molare’ alla RM cerebrale
sindrome di Joubert
e sindromi correlate
segno del
dente molare
JBTS1-22
TEST DIAGNOSTICI
5b. Definire l’eterogeneità clinica di mutazioni alleliche
ad es. malattie diverse causate dalle mutazioni del gene LMNA/C
Progeria di Hutchinson-Gilford
(HGPS)
Diabete lipodistrofico
Diplasia mandibulo-acrale
(MAD)
Cardiomiopatia
dilatativa 1A (CMD1A)
Lipodistrofia parziale familiare
(FPLD2)
Distrofia muscolare di
Emery-Dreifuss, tipo 2
(EDMD2)
Dermopatia restrittiva letale
(RD)
Malattia assonale di
Charcot-Marie-Tooth tipo 2B1
(CMT2B1)
Distrofia muscolare dei cingoli, tipo 1B
(LGMD1B)
TEST PER IDENTIFICARE I PORTATORI DI GENI-MALATTIA
6a. Identificare i neonati a rischio di malattia mediante screening genetici
ad es. per le malattie metaboliche che possono essere immediatamente trattate
TEST PER IDENTIFICARE I PORTATORI DI GENI-MALATTIA
6b. Identificare le persone a rischio mediante ‘screening di popolazione’
ad es. riconoscere i portatori della ß-talassemia nelle popolazioni a rischio
TEST PER IDENTIFICARE I PORTATORI DI GENI-MALATTIA
6c. Identificare i familiari a rischio mediante ‘screening a cascata’
ad es. identificare gli eterozigoti per SMN nelle famiglie con atrofia muscolare spinale
TEST PRESINTOMATICI
7. Identificare le persone a rischio di sviluppare una malattia ad esordio tardivo
ad es. espansione della tripletta CAG nel gene della corea di Huntington
TEST PRESINTOMATICI
8. Evitare diagnosi strumentali inutili
ad es. analisi genetiche nelle famiglie con poliposi adenomatosa del colon (gene APC)
9. Comprendere i meccanismi delle malattie
ad es. sindrome craniosinostosi-sindattilia
10. Migliorare la qualità della consulenza genetica
ad es. identificazione dell’origine di una dup Xq12q13 – gene OPHN1
800 Kb
• 21 anni
• ritardo dello sviluppo
• ipotonia
• microcefalia, fronte sfuggente
• dismorfismi facciali
• scoliosi
• iperlassità articolare prossimale
• ipotrofia muscolare
• epilessia
• anomalie cerebrali e cerebellari
Diagnosi prenatale
diagnosi biochimica
diagnosi citogenetica 2° trimestre
diagnosi citogenetica 1° trimestre
diagnosi ecografica
NIPS
sangue materno
QF-PCR
Cause di malattia
G
A
malattie cromosomiche
malattie mendeliane
malattie/caratteri complessi
(multifattoriali)
malattie infettive
traumi
ustioni
Meccanismi dei caratteri/malattie complesse
carattere discontinuo
carattere continuo
soglia
suscettibilità nella
popolazione
suscettibilità nei
consanguinei 1°
persone affette
Esempi
•
•
•
•
•
•
•
circonferenza cranica
colore della pelle
intelligenza (Q.I.)
peso corporeo
pressione del sangue
statura
creste polpastrelli delle dita
Esempi
•
•
•
•
•
•
•
asma
cardiopatie ischemiche
diabete mellito
ipertensione
obesità
osteoporosi
schizofrenia
•
•
•
•
•
•
cardiopatie congenite
difetti del tubo neurale
labio/palatoschisi
lussazione dell’anca
piedi torti
stenosi del piloro
Malattie e caratteri complessi
G(h )
2
Variazioni genetiche predisponenti
(= genoma)
ereditabilità
A
Ambiente, alimentazione, stili di vita
(= esposoma)
MZ
DZ
CONSANGUINEI
Interazione geni-ambiente: i gemelli come modello di studio dell’ereditabilità
Decriptare la complessità:
correlazioni intrafamiliari nella schizofrenia
1%
Popolazione generale
12.5%
Consanguinei
III grado
25%
Consanguinei
II grado
50%
Consanguinei
I grado
Primi cugini
2%
Zio/zia
2%
Nipoti
4%
Nipoti
5%
Fratellastri/sorellastre
6%
Genitori
6%
9%
Figli
13%
Fratelli/sorelle
17%
Gemelli Dizigoti
100%
48%
Gemelli Monozigoti
0
10
20
30
40
50
Rischio di sviluppare la schizofrenia
La cosiddetta «rivoluzione genetica»
dal 2000 ad oggi il costo ed il tempo delle GWA
sono stati abbattuti di circa 100 mila volte
Le persone differiscono tra loro per circa 3,7 milioni di basi.
Una ogni 200 basi è diversa.
>2000 differenze hanno dimensioni superiori alle 2,5 kb (varianti
strutturali).
Ogni persona possiede >1500 differenze rispetto alla mappa umana di
riferimento.
Predire il rischio di malattia (medicina predittiva)
comparsa
dei sintomi
Sviluppo di malattie
Medicina genomica
Qualità della vita
Qualità della vita
Medicina tradizionale
diagnosi predittiva
& prevenzione
Sviluppo di malattie
Personalizzare la medicina (medicina personalizzata)
Test positivo
rispondono
al trattamento
Test negativo
non rispondono
al trattamento
Test predittivi
test di suscettibilità
test fenotipici
test di nutrigenetica
test comportamentali
e sugli stili di vita
test di
farmacogenetica
Tecniche di NGS per
definire le basi biologiche delle malattie complesse
(analisi dei polimorfismi dei singoli nucleotidi - SNP)
normale
variazione
Popolazione generale
Pazienti e persone a rischio di
ammalare.
La variazione è più comune in
questo gruppo
GWA di una malattia/carattere complesso
Associazioni mediante analisi „genome-wide” (2005-6/2012)
>1350 studi relativi a 17 gruppi di oltre 250 malattie complesse
1400
1200
Numero di pubblicazioni
1000
800
600
400
200
0
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
NHGRI GWA Catalog
www.genome.gov/GWAStudies
www.ebi.ac.uk/fgpt/gwas/
Associazioni mediante analisi „genome-wide” (2005-12/2012)
>1500 studi relativi a 17 gruppi di oltre 250 malattie complesse
NHGRI GWA Catalog
www.genome.gov/GWAStudies
www.ebi.ac.uk/fgpt/gwas/
Ub esempio di medicina predittiva/personalizzata:
la steatosi epatica non alcolica (NAFLD) - una complicanza del sovrappeso/obesità
Steatosi
2/3
Steatosi +
Infiammazione
Cirrosi
30%
PNPLA3
Condizioni che giustificano la medicina predittiva:
l’esempio della NAFLD
• documentata ereditabilità
• identificata una elevata percentuale dell’ereditabilità
• possibilità di studiare popolazioni ad elevato rischio
• utilità della diagnosi precoce
• disponibili strategie preventive
Attuali limiti della medicina predittiva
Il potere predittivo dei singoli polimorfismi è
basso (rischio aggiuntivo medio 1.1-1.50).
I dati disponibili spiegano solo una piccola parte
dell’ereditabilità (in media <15%).
Uno stesso polimorfismo (via metabolica) può
essere condiviso da malattie diverse
I polimorfismi hanno frequenze diverse nelle
diverse popolazioni (anche nell’ordine del 25%).
E’ problematica la consulenza genetica e la
gestione dei risultati degli studi GWA.
Primi sequenziamenti di genomi umani
Mr. Craig Venter
Mr. James Watson
Lupski, New Engl J Med, 2010; 362: 1181-91
I test genetici diretti ai consumatori
suscettibilità a
centinaia di malattie
medicina
personalizzata
dieta personalizzata
crema di bellezza
personalizzata
possibilità di eccellere
nello sport
scelta del partner
Morte programmata
Bambini programmati
Quale accuratezza nella predizione?
“Le evidenze scientifiche disponibili non sono sufficienti a
concludere che i profili genomici sono utili a calcolare i rischi
di sviluppare le malattie comuni e neppure a sviluppare
diete personalizzate e raccomandazioni sugli stili di vita più
appropriati alla prevenzione delle malattie”.
La FDA chiede a “23andMe” di interrompere la vendita di Personal Genetic Services
La FDA autorizza la commercializzazione del primo sequenziatore per NGS
“Ho avuto un grande beneficio pubblicitario dall’essere stato il primo uomo ad
avere il genoma sequenziato e divulgato sul web. Al momento, la conoscenza dei
miei rischi non mi è costata un’ora di sonno. Dubito che mi sentirei allo stesso
modo se questi dati mi fossero comunicati quando ero ancora giovane.“
James Watson: “Living with my personal genome”, FSG Newsletter, Nov 2009
The advent of the unpatients
“L’analisi della suscettibilità alle malattie comuni avvicinerà alla medicina milioni di
persone che non hanno nessuna esperienza con le malattie”
Gli unpatients sono persone che condividono predisposizioni genetiche, restano
nell’attesa della comparsa di qualche sintomo di malattia, organizzano la loro vita
in funzione delle visite o delle analisi periodiche o addirittura finiscono per sentirsi
ammalati e possono sviluppare sintomi psicosomatici.
Jonsen et al., Nature Medicine 2:622-624, 1996
Test genetici di suscettibilità rivolti direttamente ai consumatori
raccomandazioni dell’ European Society of Human Genetics
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
diritto ad essere informati;
qualità dei test effettuati;
utilità clinica dei test;
necessità di supervisione da parte del medico;
necessità di ricevere informazioni e la consulenza genetica prima e
dopo il test-test;
follow-up/supporto nell’interpretazione dei risultati e nella valutazione
dell’impatto psicologico;
protezione delle persone incapaci di esprimere il consenso;
rispetto della privacy e della riservatezza;
conservazione dei campioni e loro proprietà;
rispetto dei principi etici.
Sequenziamento del genoma umano
prima bozza 26 giugno 2000
Bill Clinton
Francis Collins
Craig Venter
“La
medicina
personalizzata
sarà
disponibile dall’anno 2010: avremo test in
grado di identificare il rischio individuale di
sviluppare malattie comuni e subito dopo
disporremo di protocolli individualizzati di
prevenzione e terapia”.
“Those who somehow expected dramatic results overnight
may be disappointed, but should remember that genomics
obeys the First Law of Technology: we invariably
overestimate the short-term impacts of new technologies
and underestimate their longer-term effects”.
Francis Collins, Nature
1 April 2010, pp 674-5
1 uovo
1 spermatozoo
stessa
placenta
sacchi amniotici
separati
Gemelli identici
Gemelli separati alla nascita
gemello con dieta
bilanciata, raggiunge
tutto il potenziale
della crescita
gemello a dieta
povera; non
raggiunge
il pieno
potenziale
della crescita
L’imprinting che fa la differenza
GENOMA
Varioma
FENOTIPO
Fenoma
Reguloma
Epigenoma
Metiloma
GENOMA
Mutoma
Varioma
Integroma
Microbioma
Trascrittoma
Proteoma
FENOTIPO
Metaboloma
Fenoma
Dall’approccio riduzionistico a quello olistico
Medicina delle 4P
Hood e Flores, N Biotechnol 29:613-24, 2012
Preventiva
Predittiva
Personalizzata
Partecipativa