Otizmin Genetiği

OTİZMDE GENETİK
Joachim Hallmayer, Stanford University School of Medicine
Otizm ve Genetik
Yanlış İkilemlerin Hikayesi
#1 – Gen vs. Çevre
Buzdolabı Anne
Otizm – İkiz Çalışmaları
 
İkizler
 
 
 
 
 
66 İkiz – 3 Çalışma
Monozigotik ikizlerde konkordans~ 66%
Dizigotik ikizlerin hiçbirinde genetik benzerlik yoktu.
Konkordansın, kardeşler arasındaki orana benzer
olduğu varsayılır ~ 2-3%
Kalıtılabilirlik > 90%
Otizmde İkiz Çalışmaları
¨ 
“Karmaşık davranışlar göz önüne alındığında,
genlerin yüksek oranda katkısı, kural dışı bir
durumdur. Muhtemelen bunun nedeni, nisbeten az
sayıda genin otizmden sorumlu olması ve diğer
davranışların birçok genin etkisiyle oluşabilmesidir.”
Michael Dougherty, ASHG
CATS
¨ 
Kalıtılabilirlik
¤ 
¨ 
37% (95% CI 8% to 84%)
Paylaşılmış çevresel faktörler
¤  55%
(95% CI 9% to 81%)
Otizm - Kalıtım
Gaugler et al., Nature Genetics 46, 881–885 (2014)
#2 – Otizm vs. Otizm Olmayan
Kanner, 1949
¨ 
¨ 
“Çoğu otistik çocukların ebeveynlerinde, kanıtlanmış yüksek
zeka seviyesiyle birlikte ortak özelliklerinin olduğu göz ardı
edilemez.”
Kanner, ‘insan ilişkilerinin mekanikleşmesi’ ifadesinin tanımını
yapar. Ebeveynlerin çoğu, insanların yanında rahat
olmadığını net bir şekilde ifade eder. Hoşsohbet konuşması
olanlar, bunu sıradan lafları kullanmadıklarını açıklayarak
nitelendirme eğilimindedir. Bütün insanlar arasında, hafifliği
çağrıştıran şeylerin küçümsenmesinden, ağırbaşlılıktan
etkilenen ince ve olgun kişilerdir.
Geniş Fenotip
Otistik çocukların akrabaları
¤  Geniş Otizm Fenotipi
n  Sosyal
beceriksizlik ve arkadaşlık kurma sorunları
n  Sosyal gafları anlama sorunları
n  Rutinlere sıkı sıkıya uyma
n  Takıntılı davranışlar
¤  Biliş
n  Akrabalarda
da bilişsel bozukluk
n  Düşük empati kurma becerisi
Otizm Spektrum Bozukluğu
Gelişimde Bozulmalar
Sosyal
Etkileşim
Dil-İletişim
Tekrarlayıcı
Kısıtlı
İlgi
Çok etmenli Eşik Modeli
Kantitatif Özellik Açısından Otizm
¨ 
OSB, becerilerin normal dağılımının en uç kısmında
yer alır.
¤  Sosyal
uyum
¤  İletişim
¤  Tekrarlayıcı
¨ 
Davranış
Bu özellikleri değerlendirmek için birçok ölçek
geliştirilmiştir.
Sosyal Cevaplılık Ölçeği
¤  Çocukluk Dönemi Otizm Spektrum Testi
¤ 
Sonuçlar
¨ 
¨ 
¨ 
¨ 
Genel popülasyonda ebeveynden alınan otistik özellikler, orta
derece ile yüksek derece arasında kalıtsaldır.
Kalıtsal genetik risk, eşik altı otistik özellikler ve klinik OSB fenotipi
ile ilişkilidir.
Sonuçlar, normal ve patolojik değişiklikler arasındaki net sınırı
sorgular.
Veriler, kantitatif özellik lokus teorisi ile uyumludur;
¤ 
¤ 
Küçük etki büyüklüğünde çoğu gen, tüm fenotipik varyasyonu etkiler.
OSB ‘na neden olan genetik etki, aynı zamanda otistik özellikleri
oluşturabilir.
#3 – Nadir Görülen Ortak Alel
AA
AA
AC
Jon McClellan , Mary-Claire King
Genetic Heterogeneity in Human Disease
Cell, Volume 141, Issue 2, 2010, 210 - 217
Otizm ve Bilinen Genetik Hastalıklar
Kromozom
Büyüklük
Sendrom
17p11.2
3.7 Mb
Smith-Magenis sendrom
(delesyon)
15q11-q13
4.6-5.6 Mb
15q-q13 duplikasyon
22q11.2
1.5-3 Mb
DiGeorge/Velo-cardiofasial sendrom (delesyon)
22q11.2 duplikasyon sendromu
7q11.23
1.55Mb
Williams-Beuren sendrom
22q13.3
100kb-9Mb
22q13 delesyon sendrom
İnsan
Genomu
CNV Büyüklüğü – OSB /Kontrol
Type All Deletions Duplications Size range 30 – 500 kb ≥ 500 kb ≥ 1 mb 30 – 500 kb ≥ 500 kb ≥ 1 mb 30 – 500 kb ≥ 500 kb ≥ 1 mb CNV (n) 10055 595 192 5329 165 60 4726 430 132 P-­‐ value Case/control 0.04784 1.08 0.00004 2.91 0.00002 4.53 0.2589 1.07 0.0008 3.68 0.04918 4.78 0.02818 1.08 0.00034 2.67 0.00052 4.43 Otizmde “Ortak” CNVs
Lokus
Cytoband
Combined # of events P-value
in cases/controls
(cases vs.
controls)
Frequency in
2120 ASD cases
CNV-16p11.2
16p11.2
18/2120; 3/2159
0.001
0.80%
PTCHD1/PTCHD1AS
Xp22.11
10/1807; 0/786
0.038
0.50%
NRXN1
CNV-7q11.23
CNV-22q11.2
CNV-1q21.1
CNV-15q13.3
CNV-15q11- q13
2p16.3
7q11.23
22q11.2
1q21.1
15q13.3
15q11- q13
9/2120; 1/2159
4/2120; 0/2159
4/2120; 1/2159
4/2120; 3/2159
5/2120; 0/2159
2/2120; 0/2159
0.011
0.06
0.214
0.723
0.03
0.245
0.40%
0.20%
0.20%
0.20%
0.20%
0.10%
SHANK2
SHANK3
NLGN3
NLGN4X
11q13.3
22q13.33
Xq13.1
Xp22.3
2/2120; 0/2159
1/2120; 0/2159
1/1807; 0/786
1/1807; 0786
0.245
0.495
1
1
0.10%
0.05%
0.05%
0.05%
Otizmde Klinik Genetik Test
¨ 
Öneriler
¤ 
Amerikan Pediatrik Akademisi (AAP)
OSB ve entelektüel yetersizlik vb. risk faktörleri olan olgularda
genetik testler medikal değerlendirmenin bir parçası olmalıdır.
n  Sitogenetik analiz (karyotip), kromozomal mikroarray (CMA), and
Fragile X testi; AAP ve diğer profesyonel örgütlerin önerdiği OSB
olan bireylerde, genetik test batarya birincil bileşenidir.
n 
¤ 
2010 ‘da Amerikan Tıbbi Genetik Koleji’nden yayınlanan
klavuzlar da dahil olmak üzere son klavuzlarda, OSB olan
bireylerin ilk postnatal değerlendirmesinde birinci basamak test
olarak G-bantlı karyotip, kopya sayısı varyantları için yapılan
CMA testi ile yer değiştirmiştir.
De Novo Mutasyonlar - OSB
Gen Açık İsmi Gözlenen Beklenen P değeri DYRK1A Dual-specificity tyrosine-(Y)-phosphorylation
regulated kinase 1A 3 0.0072 6.15 × 10−8 SCN2A Sodium channel, voltage-gated, type II, alpha subunit 3 0.018 9.20 × 10−7 CHD8 Chromodomain helicase DNA binding protein 8 3 0.022 1.76 × 10−6 KATNAL2 Katanin p60 subunit A-like 2 2 0.0049 1.19 × 10−5 POGZ Pogo transposable element with ZNF domain 2 0.013 8.93 × 10−5 ARID1B AT rich interactive domain 1B 2 0.018 1.57 × 10−4 Samocha et al., Nature Genetics, 2014
Otizm ve Nadir Görülen Mutasyonlar
Gen
Bölge
Neuroligin 4 (NLGN4) Xp22.31-p22.32
Neurexin 1 (NRXN1)
2p16.3
SHANK2
11q13.3
SHANK3
22q13.33
CACNA1C
12p13.33
İşlev
Nöronal adezyon molekülü
NLGN için Presinaptik bağlanma
yeri
Postsinaptik iskele molekülü
Postsinaptik iskele molekülü
Voltaj Bağlı , L tipi, alfa 1C alt
tipi Kalsiyum Kanalı
Nadir Görülen ‘Ortak Alel’
Gaugler et al., Nature Genetics 46, 881–885 (2014)
#4 – Tek Gen - Çok Genli
d
D d
#4 – Single Gene vs. Polygenic
Çoğul (Multiplex) - Tek Gen
d
d
Tekil (simplex) - Çok Genli
Mutasyonlar, Delesyonlar,
Duplikasyonlar
¨ 
Özgünlük - Otizm
300'den fazla gen ilişkili bulunmuştur.
¤  Yüksek işlevli ve düşük işlevli bireylerde aynı CNV/mutasyon
bulunmuştur
¤  Aynı CNV/mutasyon taşıyıcılarda hastalık şiddetinde büyük
değişiklikler
¤  CNV/mutasyonlar belirli klinik bir alt tip ile ilişkili değil
¤  CNV/mutasyonlar sıklıkla sağlıklı bireylerde de bulunmaktadır
¤  CNV'ler veya mutasyonların çok azı (eğer varsa) otizme özgündür
¤  Zihinsel Engellilik ve epilepsi ile örtüşmektedir
¤ 
Tek Gen - Çok Genli
Tek bir zararlı olayla hastadaki tüm hastalığı
açıklamak olası değildir.
¨  Spontan mutasyonların olduğu çok fazla genin
etkilendiği poligenik modele göre risk 5 - 20 kat
artma
¨ 
¤  Genellikle
de novo tek nükleotid mutasyonlar ve
CNV'ler hastalığın tamamen sebebi olmaktan ziyade
diğer risk faktörleri ile birleştirilmektedir.
¨ 
Çoğul ve Tekil Otizm arasında fark
bulunmamaktadır.
Otizm Genetiği
¨ 
Karmaşık Kalıtım
¤  Çevresel
n  Bu
faktörler
aşama sıklıkla bilinmemektedir
¤  Yaygın
Değişkenler
n  Bilinen
¤  Nadir
oldukça azdır
Değişkenler
n  200’ün
üzerinde gen suçlanmaktadır.
¤  Yukarıdakilerin
tümü arasında etkileşim
Otizm Genetiği - Zorluklar
#1 Kalıtılan ne - Fenotip?
Andreas Chiocchetti izniyle
#2 – Genetik Yapı
¨ 
Nadir Mutasyonlar
¤  Nadir
birşey bulmak çok sayıda örnek gerektirir
¤  Sorun samanlıkta iğne aramaya benzer
¨ 
Yaygın Mutasyonlar
¤  Küçük
etkili genleri bulmak bir çok örnek gerektirir.
¤  İskoçlar mı daha uzun İngilizler mi?
¨ 
Çözüm: Büyük gruplarda Tüm Genom Sıralamadır.
#3 Otizmin Fonksiyonel Haritası
Pinto et al., The American Journal of Human Genetics, Volume 94, Issue 5, 2014, 677 – 694, 2014
Pinto et al., The American Journal of Human Genetics, Volume 94, Issue 5, 2014, 677 – 694, 2014
Otizmin Fonksiyonel Haritası
¨ 
Etkilenmiş genler büyük işlevsel ağlar üzerinde
birleşmektedir.
¤  Nöronal
Gelişim
¤  Akson Rehberliği
¤  Yolakların İşaretlenmesi
¤  Kromatin ve Transkripsiyon Düzenlenmesi
#4 Mekanizmalar – Kutsal Kase
¨ 
Hayvan Modelleri
¨ 
Uyarılmış Pluripotent Kök Hücreler
Nörogelişimsel Bozukluklarla Çalışma
¨ 
Hayvanlar
¤  İnsanlar
ve hayvanlarda belirtiler farklıdır
¤  Nöronlar insan nöronlarını temsil etmez
¤  Genetik arka plan farklıdır
¨ 
Ölüm sonrası dokular
¤  Hastalığın
başlangıcı ölümden onlarca yıl öncedir.
¤  Ölüm nedeni
¤  Hücresel fizyoloji çalışmaları için kısıtlı kullanım
¨ 
Periferik dokular
¤  Hedef
doku değildir
Uyarılmış Pluripotent Kök Hücreler
Hastalığa yol açan mekanizma cilt hücrelerinden türetilen
nöronların fonksiyonel özelliklerinde yansıtılmaktadır.
¨  Ana Soru
¤  Bir
hücresel fenotip var mı?
¤  Hücresel fenotip kümeleri var mı?
¤  Hücresel fenotipler geri fenotiple bağlantılı olabilir mi?
¤  Hücresel fenotipte uyarılma ile değişiklikler fenotipte
değişiklikler ile sonuçlanır mı?
Prensip Kanıtı– OSB'nin Sendromik Formları
¤  Timoti
Sendromu
¤  Phelan
McDermid Sendromu
¤  D22Q11
Delesyon Sendromu
Phelan-McDermid Sendromu
¨ 
22q13.3 delesyon
¤  %80–85
22. kromozun de novo delesyonu
¤  Delesyonların %70’i paternal
¤  Olguların %15–20’i 22. kromozomu içeren dengesiz
kromozom yeniden düzenlemesi,
n  %50'si
dengeli taşıyıcı ebeveyninden miras kalır
n  Yeniden düzenlemenin anne veya babadan kalıtımsal olarak
eşit olması olasıdır.
¨ 
100 gene kadar silinmiştir.
Phelan K. ·∙ McDermid H.E The 22q13.3 Deletion Syndrome (Phelan-McDermid Syndrome) Mol Syndromol 2011;2:186–201
Özet
PMDS
fenotipinin
kurtarılması
Control Patient
Control Patient
PMDS
nöronlarındaki
hücresel
fenotiplerin
tanımlanması
PMDS çalışmak
için in-vitro
platform
geliştirmek
iPSCs Neural
progenitors
Neurons
Co-culture
Assa
ys
Day 0
Day 10
Day31
Day50
Prensip Kanıtı- PMDS
¨ 
¨ 
¨ 
¨ 
¨ 
PMDS nöronları uyarıcı sinaptik iletimde büyük yetersizliklere sahiptir,
ancak bu eksiklikler inhibitör sinaptik uyarımda yoktur
Uyarıcı sinaptik yetersizlikler uyarıcı sinapsların sayısında azalma
sonucunda ortaya çıkar
PMDS nöronları Shank3'ü azalmış düzeylerde eksprese ederler
PMDS nöronlarında Shank3'ün fazla ekspresyonu tamamen AMPA'yı
düzeltir, ancak sinaptik iletimle düzenlenen NMDA reseptörlerini
düzenlemez
IGF1 tedavisi PMDS nöronlarındaki sinaptik eksiklikleri düzeltir
Prensip Kanıtı- PMDS
¨ 
Klinik fenotip üzerine etkisi nedir??????
IPSC ve OSB’nin Sendromik Formları
Bozukluğu olan bireylerin nöronlarının sınırsız
kaynağı
¨  Bireyin genetik arka planı saklanmıştır
¨  Yeniden özetlenirse hücresel fenotipler fare
modelleri ve ölüm sonrası çalışmalardan
bilinmektedir
¨  Satır satır değişkenlikler önemlidir
¨  Geliştirme tamamen in vivo tekrarlanamaz
¨ 
IPSC’ler - Zorluklar
¨ 
Büyük Ölçekli
¤  Yoğun
iş gücü
¤  Deneyim gerektirir
¤  Pahalı
¤  İstatiksel güç
¤  Çalışmak için fenotiplerin seçimi
¤  Klinik semptomlarla ilişkisi
Teşekkürler:
•  Ricardo Dolmetsch
•  Masayuki Yazawa
•  Thomas Portmann
•  Lessy Shcheglovitova
•  Rui Shu
•  Anna Krawisz
•  Vivian Vu and Grace Lin
•  Vittorio Sebastiano
Finansman
Autism
Speaks
Jon Bernstein
Ruth O’Harea
Wendy Froehlich
Renee Reijo-Pera
Vittorio Sebastiano
Ha Nam Nguyen
Maria Fabian
Sergiu Pasca
Phelan-McDermid
Syndrome
Foundation
AGP
•  Autism Genetics Cooperative (AGC)
•  Catalina Betancur (Paris), Joseph Buxbaum (Mt. Sinai), Jim Sutcliffe,
Jonathan Haines (Vanderbilt), Veronica Vieland (Columbus), Tom
Wassink (Iowa), Joe Piven (UNC), Margaret Pericak-Vance (Miami)
•  Autism Genetics Resource Exchange (AGRE)
•  Dan Geschwind, Stan Nelson, Rita Cantor (UCLA)
•  Can-a-gen
•  Steve Scherer, Dalila Pinto, Christian Marshall (Toronto/TCAG), Peter
Szatmari (McMaster)
•  Collaborative Programs of Excellence in Autism (CPEA)
•  Jerry Schellenberg (Penn), Bernie Devlin, Nancy Minshew (Pitt), Hilary
Coon, Bill McMahon (Utah), Ed Cook (Chicago)
•  International Molecular Gentics of Studies of Autism Consortium (IMGSAC)
•  Jeremy Parr, Anthony Monaco, Anthony Bailey (Oxford), Ed Cook
(Chicago), Janine Lamb (Manchester), Elena Maestrini (Italy), Sabine
Klauk (Germany)
•  Ireland: Louise Gallagher, Michael Gill (Trinity College Dublin), Sean Ennis
(University College Dublin)
•  Portugal: Astrid Vincente (Gulbekian)
•  CHOP: Hakon Hakonarson
•  Funding: Autism Speaks (USA), Hilibrand Foundation Medical Research
Council (UK), Health Research Board (Ireland), NIH (USA), Genome Canada