Selezione articoli Genetica Clinica/Medica Lug 2012, R. Tenconi

Scelta di articoli di Genetica Clinica/Umana pubblicati nel Luglio 2012 nelle seguenti riviste: Lancet, Lancet Neurology, Nature, Nature Biotechnology, Nature Medicine, Nature Reviews Genetics, Nature Reviews Neuroscience, NEJM, PNAS, Science & Cell.

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Transcriptional consequences of aneuploidy. PNAS early ed. July 2012. L’articolo affronta un’osservazione clinica a cui non si è mai dato risposta: perché esiste e come esiste un fenotipo “cromosomico” indipendentemente dal cromosoma coinvolto. Sappiamo che i cromosomi 21, 13 e 18 (le trisomie di questi sono clinicamente note e consentono una sopravvivenza almeno sino alla nascita) hanno il minor numero di geni codificanti proteine e questo ha fatto dedurre che la sopravvivenza sia dovuta al minor sbilanciamento di dose genica. Sappiamo anche che le aneuploidie hanno un fenotipo molto variabile, da lieve a grave e questo significa che geni diversi hanno un effetto dose diverso. Precedentemente è stato osservato che cellule aploidi di lievito e fibroblasti embrionali di topo con un cromosoma extra hanno un difetto di proliferazione cellulare e mostrano sensibilità a condizioni ambientali che interferiscono con il turnover e il processo di ripiegamento proteico. Analisi con microarray di espressione nel lievito con cromosoma extra (disomico quindi) hanno una segnatura trascrizionale comune chiamata risposta allo stress (ESR)(stress da calore o ossidativo) con ∼300 geni sopra-regolati e ∼600 geni sotto-regolati. Ora lo studio è stato esteso a cellule aneuploidi di diversi organismi (ancora lievito, piante, topo, uomo): è stato dimostrato che vi è una risposta trascrizionale comune associata allo stress e una diminuita proliferazione cellulare in tutti. Questo, scrivono gli AA, suggerisce che l’aneuploidia sia dannosa per la fitness cellulare e che molte conseguenze (anche fenotipiche, ndr) dell’aneuploidia costituiscono una risposta comune allo sbilanciamento cromosomico (indipendentemente dal cromosoma coinvolto). Magnifico!

Human aneuploidy: mechanisms and new insights into an age-old problem. Nature Reviews Genetics 13:493. Almeno il 10% degli embrioni di tutte le gravidanze e almeno il 50% delle donne vicino al termine del ciclo riproduttivo hanno una trisomia o un monosomia(aneuplodia)(vedi Tabella 1 con le frequenze della popolazione: gameti, embrioni preimpianto, aborti sp., nati morti, nati vivi) dovute a un errore che avviene in genere nella meiosi materna da causa ancora non definita nonostante numerose ricerche da molti anni.

Risultati recenti nell’uomo e nei modelli animali sul meccanismo causale dell’errore meiotico portano a concludere che non è identificabile un unico fattore ma vi sia un’interazione tra la specificità e la complessità della oogenesi e una serie di fattori esogeni e endogeni. Detto meglio: “the genesis of human aneuploidy is a multi-step process caused by errors at several distinct stages of oogenesis and exacerbated by a lack of efficient checkpoints”. Proposta per future ricerche: ruolo degli sregolatori endocrini esogeni e endogeni in epoca fetale e adulta e delle tecniche di fecondazione assistita (o l’infertilità che porta all’uso di tali tecniche) nel produrre aneuploidie. (Buone figure per le lezioni, ndr).

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From prenatal genomic diagnosis to fetal personalized medicine: progress and challenges. Nature Medicine 2012;18:1041. Lo scopo storico della diagnosi prenatale, che risale a metà degli anni ’70, è stato quello di favorire una scelta informata per i futuri genitori. Diana Bianchi presenta con questa ottima review le prospettive dell’applicazione delle nuove tecniche di analisi genetica, genomica e trascrittomica per nuovi approcci anche per la terapia fetale. Scrive giustamente (e argutamente) che in un campo così esposto ai test genetici direct-to-consumer è meglio che specialisti di varie discipline ne parlino ora piuttosto di farlo quando l’”universo parallelo” degli interessi commerciali fuori dal sistema sanitario saranno pienamente stabiliti. Molto bella la tabella 1 in cui vengono presentate le possibili indagini genetiche usando DNA (invasive e non invasive) per la diagnosi di anomalie genetiche e RNA e miRNA da varie fonti (sangue materno, liquido amniotico, placenta, sangue del CO) per lo stato di salute fetale. Viene citato uno studio prospettico su una vecchia questione (es. cromosomico vs microarray) di 4400 gravidanze (Annual Society for Maternal Fetal Medicine meeting, February 2012): per le aneuploidie la DR è uguale per ambedue le tecniche. Con la sola età materna come indicazione all’esame se i cromosomi sono normali l’analisi con microarray individua 1.7% di anomalie genomiche clinicamente significative. Con indicazione di anomalie ecografiche con cromosomi fetali normali questo rischio addizionale sale al 5.8%. Quindi microarray come test di prima scelta anche per la diagnosi prenatale. Ma la parte ancor più interessante riguarda gli studi di trascrittomica che consentono di controllare i vari processi di sviluppo del feto e individuare anomalie di sviluppo in feti ecograficamente normali. E’ noto da qualche anno che mRNA fetale, relativamente scarso nel plasma materno, è relativamente stabile perché inglobato in corpi apoptotici che lo proteggono dalla degradazione e che gran parte dei trascritti fetali nel sangue materno riguardano geni relativi alla comunicazione feto-materna (placenta)(e quindi legato alle varie complicazioni gravidiche come la pre-eclampsia, il deficit fetale di crescita) e allo sviluppo immunitario. Nel liquido amniotico è invece abbondante e potrebbe fornire informazioni sullo sviluppo di vari organi, come dimostrato da numerosi studi su feti con aneuploidia.
Vedi anche commento (Fetal genes in mother’s blood. Nature 2012;487:304) e il relativo articolo (Non-invasive prenatal measurement of the fetal genome. Nature 2012;487:320) sulla possibilità di usare DNA fetale nel sangue materno (nozione già nota dal 1948) per l’analisi dell’intero genoma fetale.

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Therapy of Pelizaeus-Merzbacher disease in mice by feeding a cholesterol-enriched diet. Nature Medicine 2012;18:1130. La sindrome PM (PMD), grave leucodistrofia senza possibilità di cura, è dovuta a duplicazione del gene PDP1 con sovraespressione di PLP negli oligodendrociti. La proteina lega il colesterolo e è contenuta nei microdomini lipidici raft della membrana cellulare e la disponibilità del colesterolo è il fattore limitante della sintesi mielinica del SNC. Nel topo transgenico con una copia addizionale del gene Plp1, che è un buon modello per la PMD, una dieta ricca di colesterolo ha un effetto positivo a livello tissutale e funzionale, e nel topo con segni clinici già presenti previene la progressione della malattia. Permane la sovraespressione di Plp1 ma migliora l’incorporazione di PLP nelle membrane mieliniche. Le conlcusioni degli AA: “Together, our data suggest that dietary cholesterol does not cure PMD but has a striking potential to relieve oligodendrocytes from defects caused by Plp1 overexpression”.
Possibile terapia sintomatica per l’uomo per una malattia fatale, diagnosticabile in epoca prenatale e nei primi mesi di vita postnatale.

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Postzygotic HRAS and KRAS mutations cause nevus sebaceous and Schimmelpenning syndrome. Nature Genetics 2012;44:783. Il nevo sebaceo (vedi Nevus Sebaceous. NEJM 2012;366:1923. Fotografia di nevo sebaceo secondo le linee Blaschko)(spigolature Maggio 2012). Lesione cutanea benigna relativamente frequente (1:1000 nati vivi) che interesse di solito cuoio faccia e cuoio capelluto con rischio (24% dei casi) di sviluppare tumori secondari, benigni e maligni. Nel 7% dei casi è associato a anomalie cerebrali, oculari e scheletriche (sindrome Schimmelpenning, MIM #163200). L’analisi genetica di due geni HRAS e KRAS di 65 nevi ha messo in evidenza mutazione missenso HRAS nel 92% e di KRAS nel 5%. In 18 pazienti con mutazione HRAS non sono state trovate mutazioni nei vari tessuti normali. La mutazione HRAS, p.Gly13Arg (non descritta nella s. Costello), era presente nel 91% dei nevi e anche in tutti (8) i tumori secondari. L’8% dei nevi aveva due mutazioni RAS. La mutazione più frequente di HRAS e una mutazione missenso di KRAS è stata trovata rispettivamente in due pz con s. Schimmelpenning (uno era un gemello non affetto e senza mutazione). L’analisi funzionale delle cellule con mutazione HRAS mostra un’attivazione dei pathway MAPK e PI3K-Akt. Interessante la lunga discussione sulle differenze fenotipiche tra mutazioni diverse dello stesso gene HRAS (Nevo sebaceo e nevo epidermico cheratinocitico con mutazioni in mosaico e s. Costello con mutazioni germinali ma anche in mosaico).
Il nevo sebaceo si aggiunge quindi alle numerose condizioni genetiche da mutazione somatica come la s. Ollier (Somatic mosaic IDH1 and IDH2 mutations are associated with enchondroma and spindle cell hemangioma in Ollier disease and Maffucci syndrome, Nature Genetics 2011;43:1256)(Selezione articoli Marzo 2012), Proteus e McCune-Albright.

Use of next-generation sequencing and other whole-genome strategies to dissect neurological disease. Nature Reviews Neuroscience 2012;13:453. Cosa ha portato l’applicazione del NGS nella diagnosi e soprattutto nelle conoscenze della patogenesi (pathway biochimici) delle malattie neurologiche? Si parte dall’approccio diagnostico con geni candidati e linkage all’analisi dell’intero genoma con Homozigosity mapping per le m. AR, studi di associazione (GWAS) con l’identificazione di loci comuni a basso rischio e loci rari a alto rischio, sequenziamento esonico (l’approccio pratico più conveniente per velocità e costi, ora molto ridotti, per le varianti rare ma che ha numerosi punti deboli come non analizzare le parti non codificanti e che può solo catturare ciò che sappiamo esistere, cioè known knowns’ ma ‘unknown unknowns, e altre limitazioni). In Tab. 1 alcuni esempi di malattie e modalità di identificazione della base biologica.

Human Genetic Variation, Shared and Private. Science 2012;337:39. Perspective che commenta due articoli sullo stesso fascicolo (Human Genetic Variation, Shared and Private. Pg 39 e An Abundance of Rare Functional Variants in 202 Drug Target Genes Sequenced in 14,002 People. Pg 100) in cui il primo presenta la variazione genetica dei geni codificanti mediante l’analisi esonica e la seconda l’analisi con sequenziamento di 202 geni (1% del genoma codificante) correlati con la risposta a farmaci in ampie e eterogenee popolazioni, in cui si dimostra che la maggior parte delle varianti sono rare o molto rare (q ≤ 0.5%) e spesso potenzialmente dannose. Ogni persona porta 35 mutazioni nonsenso che alterano la struttura proteica, un totale di 100 mutazioni con perdita di funzione, 20 sostituzioni in omozigosi; il 10-15% delle persone è eterozigote composto per varianti nonsenso di almeno 1 gene. Due considerazioni generali: per studi di associazione con varianti rare vanno analizzate ampie popolazioni e l’analisi comparativa di popolazioni diverse deve tenere conto della frequenza delle varianti nella specifica popolazione.

Gain of function in CDKN1. Nature Genetics 2012;44:737. Andrea Riccio e Maria Vittoria Cubellis commentano un lavoro (Mutations in the PCNA-binding domain of CDKN1C cause IMAGe syndrome. Nat Genet. 2012;44:788) sintetizzando così: “Loss-of-function mutations in the gene encoding the cyclin-dependent kinase inhibitor CDKN1C cause Beckwith-Wiedemann syndrome and cancer. A new study now identifies potentially gain-of-function missense mutations in CDKN1C that cause the undergrowth-associated IMAGe syndrome”. IMAGe (MIM 300290) sta per (Intrauterine growth restriction, Metaphyseal dysplasia, Adrenal hypoplasia congenita and Genital anomalies). Con l’analisi di associazione con SNP in una famiglia con più affetti è stata ipotizzata una trasmissione autosomica dominante, con sequenziamento esonico nella regione di 17.2-Mb è stata trovata una mutazione missenso del gene CDKN1C identica per discesa. In altri pz sporadici sono state trovate altre mutazioni missenso del gene, tutte di uno specifico dominio. L’analisi familiare in IMAGe dimostra che solo la trasmissione materna causa la malattia. Mutazioni con perdita di funzione a trasmissione materna del gene (ma in domini diversi da quello di IMAGe) o il suo silenziamento epigenetico dell’allele materno (o la DUP paterna) causano la BWS mentre la sua aumentata espressione (duplicazione materna) causa la sindrome da ridotta crescita Silver-Russel.

Mutations in NNT encoding nicotinamide nucleotide transhydrogenase cause familial glucocorticoid deficiency. Nature Genetics 2012;44:740. Il deficit familiare di glucocorticoidi (FGD; MIM #202200), malattia rara a esito fatale se non trattata è una malattia AR con eterogenità di locus: nel 50% dei casi vi è una mutazione di uno di tre geni MC2R, MRAP or STAR, tutti parte del pathway di segnale ACTH. L’analisi mediante SNP in 9 probandi figli di consanguinei ha consentito di individuare una regione candidata che sottoposta all’analisi esonica ha dimostrato mutazioni in omozigosi del gene NNT, un gene di detossificazione dei radicali liberi.

Neuregulin 1-ErbB4-PI3K signaling in schizophrenia and phosphoinositide 3-kinase-p110δ inhibition as a potential therapeutic strategy. PNAS 2012;109;12165. La schizophrenia, frequente patologia psichiatrica, ha una forte base genetica tuttora poco nota. Sono stati segnalati come fattori genetici di rischio polimorfismi del gene Neuregulina 1 (NRG1) e microdelezioni strutturali del gene ErbB4, un recettore tirosinchinasico di NRG1. Ambedue i geni hanno un importante ruolo nella plasticità sinaptica e topi con mutazione di uno o dell’altro gene hanno un fenotipo comportamentale simile a quello del schizofrenia dell’uomo. Il meccanismo patogenetico sembra essere costituito da una sovraespressione di questi geni ma non si conosce come interagiscano tra loro. Usando il modello animale viene chiarito il coinvolgimento di altri pathway di segnale (PI3K), e viene identificato il ruolo di una chinasi (PIK3CD) che può costituire un nuovo target terapeutico per la schizofrenia.

Vedi anche Neuregulin and dopamine modulation of hippocampal gamma oscillations is dependent on dopamine D4 receptors. Early ed. July 2012. Il network di segnale neuregulina/ErbB modula le oscillazioni di frequenza gamma dell’ippocampo (in una precedente spigolatura ho citato un articolo sulla elevata suscettibilità cerebrale agli stimoli nel topo simili a quelli osservati nell’autismo e nella schizofrenia: Schizophrenia risk polymorphisms in the TCF4 gene interact with smoking in the modulation of auditory sensory gating. PNAS 2012;109:6271), un network neuronale importante per i più alti processi cerebrali e geneticamente alterato nelle malattie psichiatriche come la schizofrenia.

Inhibition of PCSK9 in familial hypercholesterolaemia. Lancet 2012;380:6. Commento di un articolo (Effect of a monoclonal antibody to PCSK9, REGN727/SAR236553, to reduce low-density lipoprotein cholesterol in patients with heterozygous familial hypercholesterolaemia on stable statin dose with or without ezetimibe therapy: a phase 2 randomised controlled trial. Lancet 2012;380:29). Nella ipercolesterolemia familiare i farmaci di scelta sono le la statine, che inibiscono la sintesi nel fegato del colesterolo e indirettamente aumentano la trascrizione e l’espressione dei recettori delle lipoproteine a bassa densità (LDL) determinando un’aumentata funzione recettoriale. Questa terapia non è però efficace nei casi di ipercolesterolemia familiare con alto rischio cardio-vascolare. Un proteasi (Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 serine)(PCSK9) si lega al recettore LDL e riduce l’effetto delle statine; questo ha indotto a associare alle statine la somministrazione di anticorpi monoclonali di PCSK9. E’ stata condotta una sperimentazione clinica fase 2 in 77 eterozigoti per ipercolesterolemia familiare con alto rischio vascolare associando le due terapie (statine e anticorpi monoclonali); dopo 2 settimane è stata osservata una significativa riduzione, dose dipendente, del colesterolo LDL. La terapia anticorpale è stata ben tollerata. E’ una buona speranza per questi soggetti a alto rischio cardio-vascolare che sinora sono trattati con alte dosi di statine associati a molti altri farmaci.

Oligodendroglia metabolically support axons and contribute to neurodegeneration. Nature 2012;487:443. Non è stato ancora ben definito il ruolo e i meccanismi svolti dalla oligodendroglia nella funzione assonale e nella sopravvivenza neuronale. In questo lavoro vengono definiti i principali meccanismi di supporto degli assoni e dei neuroni da parte della oligodendroglia e suggerito un meccanismo patogenetico della Sclerosi Laterale Amiotrofica. Si ritiene che la degenerazione assonale, caratteristica di alcune patologie, sia dovuta a deficit di metaboliti energetici come glucosio e lattato, che è veicolato da trasportatori monocarbossilati, il principale di questi è MCT1 (SLC16A1) particolarmente abbondante nella oligodendroglia. Si dimostra che la sottoregolazione di MCT1 nel modello murino in vitro e in vivo causa la morte del motoneurone e che i livelli di espressione delle proteine MCT sono ridotti del 50% nella corteccia motoria di pazienti con SLA e nel midollo spinale di topi transgenici (mutazione SOD1, gene mutato nel 3-6% dei pazienti con SLA sporadica) sintomatici e in fase terminale. Programma di ricerca: verificare se la sottoregolazione di MCT1 è SLA specifica e se la sopraregolazione di MCT1 o il trapianto di oligodendroglia nel modello murino possono prolungarne la sopravvivenza.

Dominant missense mutations in ABCC9 cause Cantu syndrome. Nature Genetics 2012;44:793. La sindrome Cantù è caratterizzata da ipertricosi congenita, osteocondrodisplasia (coste larghe, vertebre piatte, metafisi delle ossa lunghe slargate, ipoplasia pelvica, brachidattilia), anomalie cardiache (miocardiopatia) e tratti facciali grossolani. Il sequenziamento esonico ha identificato in una famiglia una mutazione de novo nel gene ABCC9,  in cui sono state poi trovate mutazioni missenso, diverse in ogni pz, in altri 13/15 pz con questa diagnosi. La proteina codificata dal gene è parte del canale del potassio ATP dipendente. Il difetto di una delle 4 subunità del complesso K_ATP altera la funzione del canale e spiega l’effetto fenotipico in eterozigosi della s. Cantù. Studi di elettrofisiologia mostrano che mutazioni del gene determinano l’apertura del canale tramite riduzione dell’inibizione ATP mediata. Interessante l’osservazione che vi è una sovrapposizione fenotipica tra s. Cantù e la sindrome da esposizione fetale a Minoxidil, farmaco vasodilatatore periferico usato come antiipertensivo (ora usato per via topica per la cura della calvizie), che è un antagonista del canale K_ATP tramite legame diretto con la subunità ABCC9. La disponibilità di antagonisti K_ATP (glibenclamide, tolbutamide) rende teoricamente possibile l’ipotesi di una specifica terapia, ad esempio per rallentare l’evoluzione della miocardioptia.

Mutations in the phospholipid remodeling gene SERAC1 impair mitochondrial function and intracellular cholesterol trafficking and cause dystonia and deafness.Nature Genetics 201244;797. Mediante sequenziamento esonico sono state identificate mutazioni del gene SERAC1 in due pz con sindrome MEGDEL, rara malattia AR (MIM #614739) con aciduria 3-metilglutaconica, sordità, encefalopatia, atrofia cerebrale e cerebellare e lesioni dei gangli basali con aspetti simil-Leigh. Le analisi di laboratorio sono caratterizzate da aumento della lattacidemia e alaninemia, anomalie mitocondriali, alterato profilo nei fibroblasti di fosfatidiglicerolo e cardiolipina e anomalo accumulo di colesterolo non esterificato nelle cellule talora con bassa colesterolemia.

L’analisi genetica, estesa poi a altri soggetti (totale 15 pz di 13 famiglie), ha trovato mutazioni (frameshift, missenso, non senso, di splicing), in omozigosi o come eterozigote composto, del gene SERAC1. Gli AA concludono rilevando che questo gene svolge un ruolo primario nel metabolismo del fosfatidilglicerolo, essenziale per la funzione mitocondriale e il traffico intracellulare del colesterolo.

Autism spectrum disorder susceptibility gene TAOK2 affects basal dendrite formation in the neocortex. Nature Neuroscience 2012;15:1022. I neuroni piramidali sono cellule con corpo piramidale numerose nelle regioni coinvolte nelle funzioni cognitive complesse, come la corteccia, l’ippocampo e l’amigdala. Hanno dendriti apicali, diretti verso la superficie, e basali dove vi sono le sinapsi. Mancano informazioni sui pathway che controllano la formazione dei dendriti basali, i cui difetti di arborizzazione si ritiene siano coinvolti nella patogenesi di alcune malattie neurocomportamentali, incluse le malattie psichiatriche dell’adulto e l’autismo. Viene descritto in questo lavoro un nuovo pathway che partecipa alla formazione dei dendriti basali e delle proiezioni assonali dei neuroni piramidali. Con esperimenti in vivo (topo) viene identificato un pathway di segnale che coinvolge diversi geni: Sema3 (Semaforina 3A), Nrp1 (Neuropilina 1), TAOK2 (TAO chinasi 2) e JNK1 (stress-activated protein kinase JNK1)(MAPK pathway).

Deletion of periostin reduces muscular dystrophy and fibrosis in mice by modulating the transforming growth factor-β pathway. PNAS 2012;109:10978. Nelle distrofie muscolari (DM) il meccanismo patogenetico è costituito da perdita di tessuto muscolare con distruzione delle miofibre da necrosi cellulare, sviluppo di processi infiammatori, alterazioni della matrice extracellulare e sostituzione con cellule adipose nonostante la rigenerazione di miofibre. La risposta degenerativa/rigenerativa è modulata da una citochina proinfiammatoria, TGF-β (Transforming growth factor) che notoriamente favorisce la fibrosi muscolare nei pz con DM e nei modelli animali e influenza la composizione della matrice extracellulare favorendo la produzione di proteine profibrotiche come la periostina. Nel lavoro la sovraespressione e l’aumentata secrezione di periostina è patologica nel modello di topo con DM da difetto di δ-sarcoglicano (Sgcd^−/−). Se in questi topi Sgcd^−/− (con difetto di sarcoglicano) si annulla la formazione della periostina, per delezione del gene Postn, si osserva oltre a un’aumentata attività TGF-β con una netta riduzione della fibrosi muscolare e un significativo aumento della rigenerazione delle miofibre. L’uso di antagonisti TGF-β (anticorpi monoclonali neutralizzanti) riduce l’effetto rigenerativo della delezione Postn facendo ipotizzare che la periostina costituisca il meccanismo patogenetico delle DM promuovendo o favorendo gli effetti patologici di TGF-β e che potrebbe costituire il bersaglio terapeutico.