La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Alla ricerca di segni di pressione selettiva in Homo Sapiens Sergio Cocozza Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare Università Federico.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Alla ricerca di segni di pressione selettiva in Homo Sapiens Sergio Cocozza Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare Università Federico."— Transcript della presentazione:

1 Alla ricerca di segni di pressione selettiva in Homo Sapiens Sergio Cocozza Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare Università Federico II Napoli Gruppo Interdipartimentale Bioinformatica e Biologia Computazionale

2 Niente in Biologia è di senso se non alla luce dellEvoluzione Theodosius Dobzhansky ( )

3 Niente in Biologia è di senso se non alla luce dellEvoluzione Theodosius Dobzhansky ( ) ed in Medicina

4 Se vuole guarire deve smettere di fumare. Il fumo fa venire il cancro... fa male alla circolazione... ecc ecc Un problema pratico

5 Se vuole guarire deve smettere di fumare. Il fumo fa venire il cancro... fa male alla circolazione... ecc ecc Sciocchezze ! Mio nonno è morto a 100 anni fumando sigari toscani ! Un problema pratico

6 gene b gene d ambiente y ambiente x gene a gene c Malattie Multifattoriali

7 gene b gene d ambiente y ambiente x gene a gene c ?

8 Varianti rare e varianti frequenti: chi è il colpevole ?

9 Teorie a confronto Alta penetranza (monogenia) Bassa penetranza (poligenia) Bassa penetranza La maggior parte delle mutazioni che causano malattie complesse sono avvenute recentemente, dopo la divergenza delle popolazioni. La conseguenza è lattesa di una forte eterogeneità nei geni di suscettibilità per le malattie complesse Common Disease/Rare Allele (CD/RA) Varianti alleliche esistenti prima della dispersione degli umani sulla terra o varianti alleliche sottoposte a pressione selettiva rappresentano una proporzione significativa degli alleli di suscettibilità per le malattie complesse. La conseguenza è lattesa di una minore eterogeneità nei geni di suscettibilità per le malattie complesse Common Disease/Common Variant (CD/CV)

10 Pressione selettiva: adattamento e malattia ? Ambiente Genoma ? AdattamentoMalattia

11 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

12 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

13 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

14 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

15 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

16 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

17 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

18 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

19 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

20 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

21 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

22 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

23 Genotipo frugale Accumula peggio i grassi Accumula meglio i grassi

24 Evolution in Health and Medicine Sackler Colloquium PNAS January 26, 2010; 107

25 Strumenti per lo studio della pressione selettiva Grado di differenziazione genetica delle popolazioni umane (Fst) Omozigosità estesa degli aplotipi (iHS)

26 Normale grado di differenziazione delle popolazioni (deriva genica)

27 Più alto grado di differenziazione delle popolazioni

28 Più basso grado di differenziazione delle popolazioni

29 Fst F ST misura le differenze nelle frequenze alleliche tra popolazioni diverse. E' un valore che varia da 0 = nessuna differenza a 1 = massima differenza. E' considerata una delle possibili misure di pressione selettiva

30 iHS Haplotype A Haplotype B Haplotype C Haplotype D Recent Positive Selection

31 iHS Since in neutral models, low frequency alleles are generally younger and are associated with longer haplotypes than higher frequency alleles, we adjust the unstandardized iHS to obtain our final statistic which has mean 0 and variance 1 regardless of allele frequency at the core SNP: The test begins with the EHH (extended haplotype homozygosity) statistic proposed by Sabeti et al.. The EHH measures the decay of identity, as a function of distance, of haplotypes that carry a specified core allele at one end. For each allele, haplotype homozygosity starts at 1, and decays to 0 with increasing distance from the core site in plots of EHH versus distance, the area under the EHH curve will usually be much greater for a selected allele than for a neutral allele. This integrated EHH (iHH) (summed over both directions away from the core SNP) will be denoted iHH A or iHH D, depending on whether it is computed with respect to the ancestral or derived core allele. When the rate of EHH decay is similar on the ancestral and derived alleles, iHH A /iHH D 1, and hence the unstandardized iHS is 0

32 Scopi del progetto Cercare segni di pressione selettiva nella specie Homo Sapiens e possibili collegamenti con le patologie umane Studio n.1 : Ricerca genome-wide di geni con segni di pressione selettiva e loro caratterizzazione Studio n.2 : Ricerca genome-wide di geni candidati ad essere sotto una specifica pressione selettiva (legata alla latitudine) e loro caratterizzazione

33 Scopi del progetto Cercare segni di pressione selettiva nella specie Homo Sapiens e possibili collegamenti con le patologie umane Studio n.1 : Ricerca genome-wide di geni con segni di pressione selettiva e loro caratterizzazione Studio n.2 : Ricerca genome-wide di geni candidati ad essere sotto una specifica pressione selettiva (legata alla latitudine) e loro caratterizzazione

34 Frequenze alleliche di circa 4,000,000 SNP di circa 500 individui da tre differenti gruppi etnici [HapMap Public Release #27 (merged II+III)] Studio n.1 Data set

35 Metodi Dati addizionali sulle SNP (posizione fisica, associazione SNP- gene furono ottenuti da dbSNP (build 129) I dati di HAPMAP e dbSNP furono fusi in un database locale MySQL attraverso un set di script Perl Furono escluse dall'analisi SNP che fossero risultate non campionate o non polimorfiche in tutte le tre popolazioni. Furono inoltre escluse le SNP con una frequenza dell'allele minore < 5% in tutti le tre popolazioni. Dopo tale selezione il campione conteneva SNP Il calcolo dell'Fst fu effettuato con uno script utilizzando la formula di Wright (con correzione di Weir per la numerosità) Per assegnare un valore di Fst ad un determinato gene fu usato il massimo valore trovato tra le SNP associate a quel gene

36 Distribuzione dei valori di Fst da noi calcolati lungo i cromosomi

37 Autocorrelazione L'autocorrelazione è stata calcolata per ogni cromosoma, per ogni coppia di SNP separate da un fissato numero di SNP intermedie. La linea nera mostra il valore medio (+ 2 SE) delle correlazioni sugli autosomi. La linea rossa mostra le correlazioni delle SNP sul cromosoma X Risultato: Il segnale non è distribuito in maniera randomiana. Ljung-Box test p <

38 Distribuzione Fst tra i cromosomi Risultato I valori di Fst sono distribuiti differentemente tra gli autosomi e gli eterocromosomi (p < ) Per ogni cromosoma è mostrato il box-plot dei valori di Fst. Il rettangolo è delimitato dal primo e dal terzo quartile e diviso al suo interno dalla mediana. I segmenti (i "baffi") sono delimitati dal minimo e dal massimo dei valori. Gli estremi dell'incisura rappresentano il 95% di intervallo di confidenza della mediana.

39 Commento La differenza tra eterocromosomi e autosomi potrebbe essere dovuta a: Campione effettivo di popolazione più piccolo (¾ per X e ¼ per Y rispetto agli autosomi) Diversa frequenza di ricombinazione Diversa pressione selettiva tra maschi e femmine

40 Comparazione con altre misure di pressione selettiva: Dn/Ds ratio Esistono altri metodi per studiare la pressione selettiva Alcuni di essi si basano sull'analisi comparativa di differenti specie (misura interspecie) Il metodo Dn/Ds valuta il rapporto tra mutazioni sinonime e non sinonime Un rapporto alto indica selezione positiva

41 Variabilità intraspecie (Fst) vs Variabilità interspecie (Dn/Ds) Risultato I geni con segni di pressione selettiva interspecie (Dn/Ds > 1) mostrano un valori medi di Fst significativamente più bassi (p < 0.001) I geni sono stati raggruppati in accordo con l'evidenza di selezione positiva nell'analisi di 6 specie di mammifero (Kosiol et al Plos Genetics). Le barre verticali rappresentano il 95% di intervallo di confidenza)

42 Gene Set Enrichment Analysis GSEA L'idea chiave di GSEA è quella di valutare l'arrichhimento di una lista di geni non attraverso la valutazione di singoli geni outliers ma attraverso quella di set di geni funzionalmente collegati Dal punto di vista statistico GSEA limita i danni della correzione da test multiplo GSEA è usata comunemente nell'analisi di array. Per la prima volta ne abbiamo proposto un uso per l'analisi della funzione dei geni in base al loro valore di Fst

43 Pathways (KEGG ) arricchite per geni con valori di Fst statisticamente diversi dalla media Pathways arricchite per geni con alto F ST Axon guidance (FDR<0.001) Focal adhesion (FDR 0.008) ECM receptor interaction (FDR 0.009) Regulation of actin cytoskeleton (FDR 0.010) Adherens junction (FDR 0.010) Calcium signaling pathway (FDR 0.010) Pathways arricchite per geni con basso F ST Antigen processing and presentation (FDR 0.001)

44 Fst e malattie complesse Risultato I geni che sono stati associati in precedenti studi con malattie complesse mostravano mediamente un valore di Fst più alto dei restanti (p < 0.001, empirical p ). Geni trovati positivamente associati con malattie complesse in accordo col Genetic Association Database, furono paragonati ai restanti. Le barre verticali rappresentano il 95% di intervallo di confidenza.

45 Fst per classi di malattie

46 Scopi del progetto Cercare segni di pressione selettiva nella specie Homo Sapiens e possibili collegamenti con le patologie umane Studio n.1 : Ricerca genome-wide di geni con segni di pressione selettiva e loro caratterizzazione Studio n.2 : Ricerca genome-wide di geni candidati ad essere sotto una specifica pressione selettiva (legata alla latitudine) e loro caratterizzazione

47 Perchè latitudine: Out of Africa

48 Effetti legati alla latitudine Esposizione ai raggi solari (quantità e ritmo) Clima e temperatura Risorse alimentari Colore della pelle Statura, dimensioni e forma del corpo Alcune caratteristiche dello splancnocranio (ad esempio larghezza delle narici) Cosa cambia Adattamenti noti

49 Sole, vitamina D, rachitismo

50 Vitamina D

51 Il colore della pelle

52 Principali malattie umane riportate in letteratura come legate alla latitudine Cancro (296) Ipertensione (50) Malattie del SNC (Parkinson, Alzheimer, Schizofrenia, Sclerosi multipla) (164) Diabete tipo 1 (60)

53 Prevalenza cancro

54

55 Frequenze alleliche di SNP di 1043 individui da 52 differenti gruppi etnici [HGDP-CEPH HUMAN GENOME DIVERSITY PANEL] Studio n.2 Data set

56 Costruzione di una lista di geni con alto Fst e con alta correlazione con la latitudine Fst Alto Basso Correlazione con latitudine Alta Bassa Latitude Related Genes (LRG) 10% Lista arricchita per geni sotto probabile pressione selettiva (alto Fst) latitudine dipendente (alta correlazione)

57 Risultati: Localizzazione tissutale TissueGenes LRG count (%) p-value* Brain683 (56.6%)3E-18 Amygdala112 (9.3%)8E-6 Thalamus76 (6.3%)1.4E-4 Latitude Related Genes (LRG)

58 Risultati: classi funzionali (Gene Ontology) NameSub Ontol ogy Marginal mean (Min- Max) Genes LRG count Total Count Synapse (GO: ) CC0.998 ( ) Neuropetide signaling pathway (GO: ) BP0.793 (0.764 – 0.828) 1386 Cell morphogenesis (GO: ) BP0.734 (0.680 – 0.789) Latitude Related Genes (LRG)

59 Confronto con patologie del SNC con frequenza latitudine dipendente Latitude Related Genes (LRG) Parkins on genes Alzhei mer genes Schizo phrenia genes Multiple sclerosi s genes

60 Malattie del SNC DiseaseOverlap with genes LRG Total countP-valueAdjusted p- value Schizophrenia858854E-61.6E-5 Parkinson's disease Multiple sclerosis Alzheimer's disease Latitude Related Genes (LRG) Schizo phrenia genes

61 Schizofrenia Serio disordine mentale caratterizzato da deliri, allucinazioni, disordine del pensiero, affettività inappropriata o appiattita, anedonia (incapacità a provare piacere) e ritiro sociale Malattia multifattoriale ed eterogenea Prevalenza 0.5-1% della popolazione mondiale John Forbes Nash Premio Nobel Economia 1994 e schizofrenico

62 Componente ereditaria della schizofrenia

63 Dimensioni dei ventricoli

64 Dimensione ippocampo ed amigdala Ippocampo ed amigdala sono più piccoli nei pazienti I corpi cellulari dell'ippocampo sembrano disorganizzat i Controllo Paziente

65 Perchè potrebbe esistere un adattamento evolutivo che coinvolge il rischio di sviluppare una malattia come la schizofrenia ? ?

66 Vitamina D

67 La vitamina D influenza lo sviluppo del cervello

68 Costruzione di una lista di geni correlati alla vitamina D Vitamin D related genes (943) Microarray data: Genes differentiall y expressed in SCC25 cells treated with 1,25(OH)2 D3 Vitamin D (calciferol) metabolism Reactome (REACT_ ) Biocarta's pathway Control of the expression by vitamin D receptor

69 I geni correlati alla latitudine sono arricchiti per geni della pathway della vitamina D Vitamin D related genes (943) Latitude Related Genes (LRG) 97 geni p = 3.5 x Questo dato suggerirebbe, per la prima volta, la presenza di fenomeni di adattamento alla carenza di vitamina D non collegati alla classica variazione della pigmentazione cutanea

70

71 Uno dei nove:SMARCA2 SMARCA2

72 Cosa fa SMARCA2 ? E' una della ATPasi del complesso SWI/SNF Regolazione ciclo cellulare Differenziazione Regolazione della trascrizione Cancro Immunità Il complesso SWI/SNF nei mammiferi si presenta come una serie di possibili differenti assemblaggi composti da subunità alternative In particolare i complessi possono contenere una delle due forme di ATPasi: Brahma (BRM/SMARCA2) o Brahma- related gene (BRG1)

73 Che c'entra il complesso SWI/SNF con la Vitamina D ? Il complesso SWI/SNF si complessa a sua volta con subunità legate alla duplicazione del DNA (TopoII, CAF-1p150) e fattori di elongazione ((FACTP140) per formare un complesso chiamato WINAC WINAC ed il recettore della vitamina D sono trasportati verso i promotori regolati (sia negativamente che positivamente) in assenza di ligando. WINAC riarrangia i nucleosomi facilitando l'accesso a complessi di coregolazione (attivati dal ligando) per un ulteriore controllo della trascrizione

74 Che c'entra SMARCA2 con la schizofrenia ? Il polimorfismo rs di SMARCA2 (che è lo stesso polimorfismo che noi troviamo correlato alla latitudine) modifica il rischio di schizofrenia In particolare l'allele T aumenta il rischio di sviluppare la malattia (Odds ratio (95% CI) = 1.25 ( ))

75 Allele che aumenta il rischio di schizofrenia

76 SMARCA2 rs Individui che veicolano l'allele T di rs mostrano livelli di mRNA di SMARCA2 ridotti Human Molecular Genetics, 2009, Vol. 18, No. 13

77 La diminuzione di SMARCA2 ha differenti effetti in differenti tessuti Diminuzione di SMARCA2 Cellule silenziate Accellerata rate di mineralizzazione Maggiore espressione di marker osteogenici Animali knock-out Dimensione del corpo maggiore (14% del normale) Aumento spoporzionato delle ossa e dei muscoli Pazienti Ridotta espressione dimostrata in corteccia prefontale di pazienti schizofrenici Animali knock-out Ridotta interazione sociale e presenza di prepulse inhibition Farmacologia Farmaci che determinano psicosi abbassano SMARCA2 Farmaci antipsicotici aumentano SMARCA2

78 Modello Variante G fa più SMARCA2 Variante T fa meno SMARCA2 Variante T fa meno SMARCA2 resiste meglio al rachitismo Variante T fa meno SMARCA2 aumentato rischio schizofrenia

79 Antonella Monticelli Michele Pinelli Roberto Amato Rino Miele Gruppo Interdipartimentale Bioinformatica e Biologia Computazionale

80 Un altro aspetto curioso della teoria dell'evoluzione è che tutti pensano di capirla! (Jacques Monod) …. persino i genetisti (anonimo)

81 The end


Scaricare ppt "Alla ricerca di segni di pressione selettiva in Homo Sapiens Sergio Cocozza Dipartimento di Biologia e Patologia Cellulare e Molecolare Università Federico."

Presentazioni simili


Annunci Google