Genetica delle malattie
complesse
LA MALATTIA DI ALZHEIMER
Corso di Genetica Umana Facoltà di Medicina
e Chirurgia dell’Università di Torino
Alberto Piazza
• La probabilità statistica che un individuo possa
contrarre la sindrome è pari al 20% :
• il rischio di ricorrenza nei casi di famiglie con
soggetti affetti è pari 50%
Caratteristiche generali della malattia (AD)
Descrizione clinica
- si tratta di una delle più comuni forme neurodegenerative,
che inizia a manifestarsi fenotipicamente prima con una lieve
ma progressiva perdita di memoria per poi esordire con una
severa incapacità a ricordare.
- oltre alla perdita di memoria, AD è caratterizzato da
demenza progressiva associata ad atrofia corticale cerebrale,
formazione di placche b amiloidi extracellulari e fusi
neurofibrillari intraneuronali.
- altri sintomi comuni sono confusione mentale, mancanza di
giudizio, disturbi nel linguaggio, stati di agitazione e persino
allucinazioni... sono individui non più autosufficienti
Categorie della malattia di Alzheimer
Type
Proportion of all AD
Sporadic
75%
Associated with Down syndrome
< 1%
Familial
• Late onset familial AD (AD2)
• Early onset familial AD (AD3,AD1, e AD4)
25%
- 15-25%
< 5%
Late-onset Familial Alzheimer
Disease: Molecular Genetics
Disease Proportion Gene
Locus
Name
of all AD Symbol
AD2
15-25%
ApoE
(risk
factor)
19q13
Normal
Test
Gene
Availability
Product
Apolipo
protein
E
Clinical
Early-Onset Familial Alzheimer Disease (EOFAD):
<5% (?)
Molecular Genetics
Locus
Normal
Gene
Product
Testing
PSEN1
14q24
Presenilin 1
Clinical
Amyloid
precursor
protein
Research
Presenilin 2
Clinical
Disease Proportion Gene
Name
of EOFAD Symbol
AD3
20-70% (?)
AD1
10-15% (?)
APP
21q21.3
-q22
AD4
Rare
(< 5%?)
PSEN2
1q31q42
Geni coinvolti
PSEN1 (AD3)
locus: 14q24
Varianti alleliche normali:
Il gene PSEN1 noto anche come s182 (Sherrington et al.,
1995) è composto da 10 esoni numerati da 3 a 12 e codifichi
per una proteina per 467 r.a.a..
Gli esoni 8 ed una parte dell’esone 3 a livello di trascritto sono
sottoposti a fenomeni di splicing alternativo, cosicché si
presuppone l’esistenza di isoforme più corte per una stessa
proteina.
Inoltre si suppone che particolari fenomeni di splicing
possano introdurre un ulteriore esone fra quelli già noti come
10 e 11.
PSEN1 e PSEN2 sono geni altamente omologhi.
Prodotto normale:
presenilina 1
(467 r.a.a.)
- La proteina
presenta 7-10
domini
transmembrana
idrofobici
(probabilmente 8),
N e C-terminali
rivolti verso il
citoplasma e
piccoli loop rivolti
verso il lumen del
RE e dell’apparato
del Golgi.
E’ omologa alla presenilina 2:
differiscono principalmente per due loop a carattere
idrofilico, l’uno sistemato all’N terminale, l’altro nel
dominio citosolico fra il VI e VII dominio
transmembrana (Doan et al 1996, Li & Greenwald et
al 1996). Questo dominio citosolico contiene un sito
di restrizione proteolitico (Podlisny et al 1997).
Correlazioni fra genotipo mutato e fenotipo
gene PSEN1 (AD1):
Prodotto genico alterato: ignoto!
Più di 40 mutazioni per EOFAD sono state descritte in più di
50 famiglie: tutte le mutazioni sono missense eccetto una.
Si tratta dell’eliminazione di un sito di splicing dove l’esone 9 è
perduto, ma l’ORF rimane inalterata e la proteina si suppone
più corta di 29 r.a.a..
In ultima analisi, 9 mutazioni si riscontrano nel dominio
citosolico fra i domini 6 e 7, le altre negli altri domini idrofobici
e a livello delle regioni di confine fra i domini idrofobici-idrofilici,
specie nel dominio transmembrana 2.
• mutazione Leu113Pro: demenza frontotemporale con
cambiamenti nel comportamento e nella personalità oltre a
differenze riscontrate in tema di età di insorgenza e durata di
vita (Raux et al., 2000).
• mutazione Leu392Pro: sintomi di natura psichiatrica
riscontrata in una famiglia (Tedde et al., 2000).
• delezione dell’esone 9: precoce paraparesi spastica
(incapacità di muoversi) (CrooK et al. 1998, Verkkoniemi et
al., 2000).
• formazione di placche amiloidi, fusi neurofibrillari e caratteri
neuropatologici vanno associati a numerose mutazioni nel
gene in questione (Gomez-Isla et al., 1999).
locus: 1q31-q42
PSEN2 (AD4)
variante allelica normale:
Come già detto tale gene è altamente omologo rispetto a
PSEN 1. E’ costituito da 12 esoni, di cui 10 codificanti
mentre i primi due codificano per il 5’ UTR (Levy-Lahad et
al 1996).
prodotto normale: presenilina 2 (448 r.a.a.)
- sembra che codifichi per una proteina di 448 r.a.a. e
presenti 8 domini transmembranari.
- differisce da PSEN 1 per l’N terminale ed il dominio
citosolico sistemato fra i domini transmembranari 6 e 7.
Correlazioni fra genotipo mutato e fenotipo
gene: PSEN 2 (AD4)
Prodotto genico alterato: ignoto!
Sono state descritte solo due tipi di mutazione per la forma
EOFAD ed interessano un range poco definito di età di
insorgenza (40-75 anni):
• una mutazione è stata riscontrata in molte famiglie Volga
German (origine: Europa Orientale) a conferma dell’effetto
fondatore in quella popolazione:
Asn141Ile (Levy-Lahad et al 1995)
• L’altra mutazione riguarda una famiglia italiana:
Met239Val (Rogaev et al 1995)
- Beyer et al 1998, Cruts et al 1998 riportano altre due
possibili mutazioni responsabili.
- mutazioni nei domini transmembra 2,4 e 6 non solo in
PSEN1 ma anche in PSEN2 comportano differenze in
tema di età di insorgenza e di durata di vita (Lippa et al.,
2000).
APP (AD1) Proteina Precursore per
peptidi Amiloidi
locus: 21q21.3-q22
Variante allelica normale:
Il gene presenta 19 esoni e codifica per una proteina
precursore di peptidi β-amiloidi (APP).
Prodotto normale: proteina A4 amiloide AD (APP)
(695/751/770 r.a.a.)
Prodotto genico alterato: ignoto!
Prodotto normale: Proteina A4 amiloide AD (APP)
(695/751/770 r.a.a.)
Intracellular pathway implicated in pathogenesis
of AD involves the metabolism of APP
- APP è sintetizzata nel
RE e nell’apparato del
Golgi, dalla quale la
molecola di membrana si
dirige verso la superficie
cellulare per poi essere
reinternalizzata per
endocitosi.
- Si suppone che
interagisca con le PSEN1,
ritenute come le probabili
responsabili del traffico
della molecola oppure
della sua associazione
con proteasi, note come
α, β, e γ.
APP mutations associated with AD
Number of Mean age
Mutation
families of Onset
1
Gly 692 Ala
Lys 670 Asn
2
55
Met 671 Leu
Ile 716 Val
2
Val 717 Ile
1
Val 717 Ile
1
43
Val 717 Phe
1
Val 717 Gly
2
54
Val 717 Ile
1
Val 717 Ile
1
48
Val 717 Ile
1
Val 717 Ile
2
54
Val 717 Ile
1
Val 717 Ile
1
49
Val 717 Ile
1
55
Val 717 Ile
3
Val 717 Ile
Reference
Hendriks et al., 1992
Mullan et al., 1992
Hutton and Hardy 1997
Naruse et al., 1991
Yoshioka et al., 1991
Murrell et al., 1991
Chartier-Harlin., et al 1991b
Goate et al., 1991
Fidani et al., 1992
Karlinsky et al., 1992
Yoshizawa et al., 1993
Sorbi et al., 1993
Sorbi et al., 1995
Brooks et al., 1995
Matsumura et al., 1996
Campion et al., 1996
ApoE (AD2 e AD1?)
locus: 19q13
Varianti alleliche normali:
Il gene presenta quattro esoni e codifica per una proteina di
299 r.a.a.. Presenta tre forme alleliche: e2, e3 ed e4.
Prodotto normale: ApoE (299 r.a.a.)
E’ espressa in quasi ogni tessuto (SNC compreso) e
principalmente nel fegato.
Strutturalmente presenta un lipid binding domain al C-term
ed un receptor binding domain all’N-term. Ciò conferisce ad
essa la capacità di trasportare i lipidi, renderli solubili nel
sangue ed internalizzarli a livello cellulare.
Le funzioni di APOE nel cervello non sono state
ancora ben identificate, ma sono emerse alcune
ipotesi…
La presenza dell’isoforma ApoE e4 all’interno del neurone,
causerebbe la fuga della tau protein dal dominio protettivo di
ApoE e4 e la sua successiva omodimerizzazione in filamenti
elicoidali appaiati (PHF) e a seguito del loro accumulo, la
formazione di fusi neurofibrillari intracellulari
ApoE (AD2 e AD1?)
locus: 19q13
Polimorfismo nell’ ApoE
ApoE E2:
NH2--------Cys112-----Cys158-------COOH
ApoE E3:
NH2--------Cys112-----Arg158-------COOH
ApoE E4:
NH2--------Arg112-----Arg158-------COOH
(Wild type)
In sintesi, esistono due ipotesi principali:
(a) Amyloid hypothesis:
Amyloid precursor protein (APP)
b-amyloid
Tau protein
Neurofibrillary tangles
Amyloid plaques
Nerve cell death
Dementia
(b) Tau protein hypothesis:
sono fenomeni indipendenti!
Tau protein
Neurofibrillary tangles
Nerve cell
death
Amyloid
Precursor
protein (APP)
b-amyloid
Dementia
Amyloid plaques
Causal link
Predicted link to AD
Diagnosi
Per stabilire un sottotipo specifico di FAD per un dato
paziente in genere sono necessari dettagliate storie familiari e
l’impiego di test genetici molecolari.
Storia familiare
Sono richieste almeno la storia familiare di almeno tre
generazioni in particolare la storia degli individui affetti
(discriminante: età dell’insorgenza).
LOFAD: dopo 65 anni
EOFAD: prima dei 65 anni
Tutti con molteplici casi di
AD familiari
LOFAD (AD2)
(ApoE)
Risulta ben documentata l’associazione fra Late-onset
Familial AD (AD2) e l’allele e4 di ApoE, che presenta un
grado di associazione piuttosto elevato, ma sotto il profilo
diagnostico e di stima del rischio ancor oggi i test sono poco
attendibili (Roses 1995):
- in generale si può dire che il grado di associazione fra ApoE
e4 e AD è particolarmente elevato quando il soggetto affetto
presenta casi di demenza nella storia familiare, ma
conoscere il genotipo di Apo E di un soggetto è un dato di
indicativo, ma non predittivo e perciò non permette ancora di
formulare diagnosi ed elaborare forme di prevenzione:
la forma allelica e4 e genotipica e4/e4 non sono una
condizione necessaria e sufficiente affinché insorga AD!
Percent of ApoE Genotypes
in Controls and Patients with AD 2
ApoE
Genotype
Normal Controls
(n = 304)
All Patients
with AD
(n = 233)
Patients with AD
and Positive
Family History of
Dementia (n = 85)
2/2
1.3%
0%
0%
2/3
12.5%
3.4%
3.5%
2/4
4.9%
4.3%
8.2%
3/3
59.9%
38.2%
23.5%
3/4
20.7%
41.2%
45.9%
4/4
0.7%
12.9%
18.8%
Percent of ApoE Genotypes
in Controls and Patients with
AD 2
60
50
controlli
(n=304)
40
30
AD
(n=233)
20
LOFAD
(n=85)
10
0
e2/e2 e2/e3 e2/e4 e3/e3 e3/e4 e4/e4
Il più alto livello di associazione fra l’allele e4 e AD è il genotipo
e4/e4:
in termini di frequenza genotipica e4/e4 è presente in circa 1%
della popolazione normale e circa il 19% della popolazione con
AD familiare.
In termini invece di frequenza allelica, si parla del 36% in AD
sporadici, 46% in AD2 (LOFAD) e 14% in soggetti sani.
In soggetti con diagnosi clinica per AD, la probabilità che la
diagnosi sia corretta cresce del 97% in presenza del genotipo
ApoE e4/e4.
Ma ciò che conta è che soggetti affetti non presentino l’allele e4
e che l’allele e2 non si annovera come causa di insorgenza per
AD per soggetti non facilmente classificabili come affetti da AD.
per questo motivo, test eseguiti su ApoE risultano poco specifici!
Si tratta solo di dati indicativi insufficienti per formulare diagnosi!
ApoE allele frequencies in
Controls and Patient with AD
ApoE
Allele
Normal
Controls
(n=304)
All Patients
with AD
(n=233)
Patients with AD
and Positive
Family History of
Dementia (n=85)
2
9.0%
3.9%
5.9%
3
76.5%
60.5%
48.2%
4
13.7%
35.6%
45.9%
ApoE Allele Frequencies in
Controls and Patient with AD
80
70
60
50
controlli (n=304)
AD
(n=233)
FAD
(n=85)
40
30
20
10
0
2
3
4
EOFAD
AD3: sono disponibili test genetici molecolari ma sono
anch’essi insufficienti nel predire l’età di insorgenza, la gravità
e la velocità di progressione della sindrome in soggetti
asintomatici.
I test clinici per le mutazioni in PSEN 1 mettono in evidenza
che il 20-70 % dei soggetti affetti da EOFAD presentano come
sottotipo AD3.
AD1: il test relativo non è preditivo e ricopre il 10-15 % dei casi
di EOFAD (Campion et al 1999).
L’allele e4 ApoE potrebbe esservi associato.
AD4: il test relativo non è preditivo e ricopre meno del 5% dei
FAD. Infatti è stato rilevato solo in poche famiglie molte delle
quali sono tedesche originarie del Volga (Volga German
ancestry), altre residenti attualmente in U.S. (Bird et al 1988),
due di origine italiana (Rogaev et al 1995, Finckh et al 2000) ed
un solo paziente spagnolo (Beyer et al 1998).
Stime sul rischio di incidenza
AD sporadico
Rischio globale di contrarre la sindrome nell’arco di una vita è
pari al 10-20% perciò si può dire che AD è una sindrome
piuttosto diffusa.
Mentre sussiste una stretta associazione tra AD e l’allele e4
ApoE, la genotipizzazione di ApoE non è utile per predire AD
in soggetti privi di sintomi.
Si parla di un elevato rischio in donne che sono omozigoti per
il suddetto allele (Breitener et al 1999).
AD e sindrome di Down
I membri di una famiglia con individuo Down non hanno un
aumento del rischio di insorgenza.
LOFAD (AD2)
Come già detto, riguarda le famiglie con storie importanti e la
cui insorgenza risale ad un’età superiore ai 65-70 anni.
Il fatto di avere due o più soggetti affetti in famiglia fa
accrescere di molto il rischio rispetto ai casi di AD sporadici,
anche se la grandezza del suddetto aumento non è ancora
quantificabile. Indicativamente:
Heston et al 1981 riportano i casi di soggetti che hanno un
fratello con insorgenza ad un’età minore dei 70 anni e uno dei
due genitori affetti: il rischio di incidenza è pari al 35-45%.
Bird et al. affermano che il fatto di avere entrambi genitori
affetti implichi un rilevante aumento del rischio di incidenza.
EOFAD (AD3,AD1 e AD4)
Riguarda in genere i casi di soggetti la cui insorgenza avviene
in età giovanile e che presentano almeno un genitore o un
parente affetto.
Esistono anche casi di EOFAD apparentemente sporadici o
meglio casi in cui ci siano casi precedenti al probando (motivi
vari: decesso prematuro, adozione, diagnosi errate,…oppure
semplicemente una mutazione senza precedenti).
Il rischio di incidenza per i fratelli del probando dipende dallo
stato genetico dei loro genitori. Se uno dei genitori del
probando presenta un allele mutato, il probabilità per i fratelli
e per i figli del probando è pari al 50%.
E’ comune opinione che il test per l’ApoE non dovrebbe
essere preso in considerazione come strumento predittivo per
soggetti asintomatici.
Infatti, un individuo asintomatico che presenti un genotipo
e4/e4 ApoE dovrebbe avere un rischio di incidenza globale
pari al 30% (Breitner et al 1996): dal punto di vista clinico tale
rischio non è molto utile.
Il rischio infatti dipende anche dal sesso del soggetto:
- Breitner et al. affermano che una donna con genotipo e4/e4
ApoE ha il 45% di probabilità di sviluppare AD dai 73 anni in
poi, mentre nel caso di un uomo la probabilità scende al 25%.
- considerando il fatto che un individuo sia in uno stato di
eterozigosi, il rischio decresce e l’età di insorgenza possibile
si aggira intorno agli 87 anni.
- l’assenza dell’allele e4 scosta l’età di insorgenza intorno ai
95 anni facendo decrescere ulteriormente il rischio.
Conclusioni
• I progressi compiuti nel settore della
genetica medica e molecolare si stanno
ovviamente trasferendo nella pratica clinica.
• Nelle forme famigliari, che si trasmettono
con modalità autosomica dominante, il
rischio di ricorrenza della malattia è pari al
50%.
• Questo rischio può essere modificato se si
riesce ad identificare nella famiglia la
mutazione responsabile di malattia.