Identifikacija novih genetskih dejavnikov in mehanizmov za nevrodegenerativne bolezni (NDB) s pristopi sekvenciranja nove generacije

Opis projekta

Pomen nevrodegenerativnih bolezni za zdravje

Nevrodegenerativne bolezni (NDB) so bolezenska stanja, ki nastanejo zaradi progresivne izgube živčnih celic in vodijo v disfunkcijo živčnega sistema in se pojavljajo v vseh življenjskih obdobjih – od zgodnje infantilne dobe do pozne odrasle dobe. Med nevrodegenerativne uvrščamo bolezni, ki predstavljajo vodilni vzrok invalidnosti in prezgodnje smrti v razvitem svetu in vključujejo Alzheimerjevo bolezen, Parkinsonovo bolezen, frontotemporalno demenco, multiplo sklerozo, spinocerebelarne ataksije in številne redke oblike nevrodegenerativnih bolezni. Glede na podatke študije Evropskega sveta za bolezni centralnega živčevja iz leta 2010, v Evropi za NDB oboleva 8 milijonov prebivalcev. V Slovenski populaciji je leta 2010 za temi boleznimi centralnega živčevja obolevalo preko 30.000 prebivalcev. Navedene bolezni tako na evropskem nivoju, kot tudi v Sloveniji predstavljajo enega vodilnih psiholoških, družbenih, zdravstvenih in ekonomskih bremen sodobnih populacij.

Osrednji izziv pri razumevanju nevrodegenerativnih bolezni

Vzrokov za nastanek večjega dela nevrodegenerativnih bolezni danes ne poznamo, zato so možnosti napovedovanja, diagnostike in zdravljenja omejene. Glede na trenutno znanje, nevrodegenerativne bolezni nastanejo zaradi prispevka genetskih dejavnikov, okoljskih vplivov in sovpliva genetskih in okoljskih dejavnikov. Čeprav je pomen genetskih dejavnikov pri nastanku nevrodegenerativnih bolezni dokazan, pa za večino NDB specifičnega genetskega vzroka še ne poznamo. Zaradi navedenega predstavlja razumevanje dednosti nevrodegenerativnih bolezni enega osrednjih izzivov na področju humane genetike in posledično na področju reprodukcije človeka.

Nove možnosti za odkrivanje vzrokov in razumevanje nevrodegenerativnih bolezni

Novo možnost za rešitev vrzeli v razumevanju genetske etiologije nevrodegenerativnih bolezni so ponudili novi pristopi visoko zmogljivega sekvenciranja – sekvenciranja nove generacije, ki omogočajo analizo zaporedja človeškega genoma v celoti. S temi pristopi je mogoče v eni preiskavi določiti zaporedje kodirajočih predelov vseh genov človeka (sekvenciranje celotnega humanega eksoma), v zadnjem času pa postaja dostopno tudi sekvenciranje celotnega humanega genoma, ki vključuje tudi intronska, regulatorna in medgenska področja. S pristopi sekvenciranja nove generacije so po letu 2013 identificirali dve tretjini vseh novih genov za monogenske bolezni. Z metodologijo NGS ima naša skupina na Kliničnem inštitutu za medicinsko genetiko večletne izkušnje in jo uporabljamo za identifikacijo vzrokov raznolikih vrst bolezni človeka, razvili smo nove izvirne pristope za analizo nastalih podatkov in uspeli s pristopom identificirati tudi nove gene za bolezni človeka.

Na shemi spodaj prikazujemo pričakovan prikaz identifikacije genetske etiologije s pristopi sekvenciranja nove generacije. Trenutno pojasnimo le majhen delež NDG. Pričakujemo da bomo s postopnim širjenjem preiskav na analizo sekvenciranja eksoma, sekvenciranja genoma in analizo sekvenciranja transkriptoma uspeli identificirati vzročno ali prispevno genetsko s premembo pri progresivno večjem deležu bolnikov. Pričakujemo, da bomo identificirali možne etiologije tudi v smislu novih mutacij, novih mutacijskih mehanizmom, možno tudi novih genov in novih mehanizmov nevrodegenerativnih bolezni (Slika 1).

pristopi sekvencioniranja

Ponazoritev pričakovanega doprinosa projekta

V projektu bomo postopoma uporabili vse širše preiskave človeškega genoma, pri čemer pričakujemo tudi večanje deleža primerov s pojasnjeno genetsko etiologijo in eventuelno identifikacijo novih genov in mehanizmov.

Predvidene faze projekta

Na spodnji shemi so prikazane predvidene faze projekta.

projekt identifikacije novih genov

Predvideni cilji projekta

V okviru projekta bodo cilji raziskav naslednji:

  • Identifikacija novih genov in mehanizmov za NDB s pristopi sekvenciranja nove generacije v družinah z NDB, kar je osnova za boljše razumevanje vzrokov in mehanizmov bolezni in temelj za razvoj novih usmeritev raziskav na tem področju.

  • Razvoj celovitega pristopa za preiskovanje genetske etiologije NDB, ki temelji na preiskovanju zaporedja celotnega genoma človeka s pristopi sekvenciranja nove generacije. Analiza celotnega genoma človeka s pristopi sekvenciranja nove generacije v eni preiskavi omogoča pregled variabilnosti zapisa vseh genov, strukturnih genomskih sprememb, mitohondrijskega zapisa in analizo ekspanzij nukleotidov ponuja možnost izboljšanega razumevanja identificiranih sprememb s funkcijsko opredelitvijo patološkega učinka genetskih različic v kontekstu NDB.

  • Ocena prispevka funkcijske analize transkriptoma v periferni krvi s sekvenciranjem nove generacije pri razumevanje sprememb, ugotovljenih s sekvenciranjem genoma bolnikov z NDB.

  • Razvoj novih diagnostičnih algoritmov za izboljšano, hitrejšo in cenovno učinkovitejšo diagnostiko NDB. Dosedanje izkušnje v rutinski diagnostiki NDB kažejo, da je njihova genetska arhitektura slovenski populaciji specifična in se razlikuje od objavljenih podatkov v literaturi. Predvsem ugotavljamo te razlike na področju Parkinsonove bolezni in spinocerebelarnih ataksij, kjer je diagnostični izplen z uveljavljenimi diagnostičnimi pristopi bistveno nižji, kot ga poročajo v drugih evropskih populacijah. V okviru projekta bomo tako prispevali k poznavanju genetske epidemiologije NDB v slovenski populaciji.

Sestava projektne skupine

Vodja projekta

Dr. Maver Aleš

Raziskovalci

Dr. Bergant Gaber
Dr. Hodžić Alenka
Dr. Jaklič Helena
Dr. Kobal Jan
Mag. Rudolf Gorazd
Dr. Teran Nataša
Dr. Trošt Nuša
Dr. Višnjar Tanja
Dr. Volk Marija
Dr. Writzl Karin

Administrativni, tehnični in ostali sodelavci pri projektu

Jančar Anita
Kerić Esada
Nikolayeva Iryna
Stegnar Andrej
Žitko Sabina

Izvajanje projekta

Tekom raziskovalnega projekta smo pokazali, da je s sistematično rabo sekvenciranja nove generacije mogoče identificirati nove gene in nove mehanizme nevrodegenerativnih bolezni – s pristopom identificirali nove gene za nevrodegenerativne bolezni človeka (ATOH1, TYROBP, NR4A2), kakor tudi mehanizme (inflamasomska pot pri multipli sklerozi), kar v celoti uresničuje prvi cilj projekta. Razvili in implementirali smo celovit pristop za preiskovanje genetske etiologije NDB, ki vključuje sekvenciranje celotnega eksoma, genoma in sekvenciranja RNA in s tem omogoča boljšo diagnostiko genetskih bolezni, trenutno pa potekajo še aktivnosti sekvenciranja celotnega genoma in RNA pri posameznih pacientih – s tem smo uresničili 70% pričakovanih rezultatov 2. cilja projekta. Implementirali smo pristop, s katerim funkcijski učinek različic z vplivom na izrezovanje intronov in regulacijo izražanje genov opredelimo z metodo sekvenciranja RNA, kar ustreza 60% pričakovanih rezultatov projekta. Razviti pristopi in doslej pridobljeni rezultati predstavljajo tudi osnovo za razvoj novega algoritma za diagnostiko in raziskovanje redkih bolezni, ki hkrati vključuje najbolj zmogljive metode za identifikacijo genetskih sprememb za bolezni človeka, hkrati pa omogoča tudi funkcijsko opredelitev učinka in s tem izboljša interpretacijo genomskih podatkov – trenutno smo uresničnili 60% 4. cilja. Ocenjujemo, da projekt poteka v skladu s pričakovanim terminskim in vsebinskim planom in da tekom projekta ustvarjamo pomemben znanstveni doprinos pri razumevanju nastanka in mehanizmov genetskih oblik nevrodegenerativnih bolezni.

Reference

  • Visnjar, T., Writzl, K., Bergant, G., Maloku, O., Fogolari, F., Maver, A., & Peterlin, B. (2019, October). Novel association of biallelic ATOH1 variants with pontocerebellar hypoplasia, developmental delay and hearing loss. In European Journal of Human Genetics (Vol. 27, pp. 1455-1455).
  • Wirth, T., Mariani, L.L., Bergant, G., Baulac, M., Habert, M.‐O., Drouot, N., Ollivier, E., Hodžić, A., Rudolf, G., Nitschke, P., Rudolf, G., Chelly, J., Tranchant, C., Anheim, M. and Roze, E. (2020), Loss‐of‐Function Mutations in NR4A2 Cause Dopa‐Responsive Dystonia Parkinsonism. Mov Disord, 35: 880-885. doi:10.1002/mds.27982
  • VIDMAR, Lovro, et al. Multiple Sclerosis patients carry an increased burden of exceedingly rare genetic variants in the inflammasome regulatory genes. Scientific reports, 2019, 9.1: 1-10.

Financiranje projekta

javna agencija

Projekt Identifikacija novih genetskih dejavnikov in mehanizmov za nevrodegenerativne bolezni (NDB) s pristopi sekvenciranja nove generacije (J3-9280) je sofinancirala Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije iz državnega proračuna.