De Novo Mutasyonlar ve Otizmin Genetik Mimarisi
Selen Emirhanoğlu - Biyomühendislik, Mühendislik Fakültesi, Marmara Üniversitesi
(Anahtar kelimeler: De novo mutasyon, De novo varyasyon, otizm, dissosiyatif bozukluk, monogenik, poligenik, oligogenik)
Son yıllarda otizm ile ilgili yapılan büyük ölçekli genetik çalışmalarda, otizm probandlarındaki* de novo mutasyonlarının varlığı ve zenginliği ya da ortak varyantların ilişkilendirilmesine dayalı poligenik riski karakterize eden gen keşiflerine odaklanılmıştır. Özellikle az etkiye sahip iki veya daha fazla ultra nadir mutasyonun tercihen otizmli çocuklara iletildiği bir oligogenik modeli destekleyen kanıtlar sunan çalışmalar sürdürülmektedir. Bu çalışmalardaki ana düşünce, bahsedilen özel gen bozucu mutasyonların iki üç kuşak önce görülen ve otizmle ilişkilendirilmeyen genlerle eşlenen, birden fazla bireyin etkilendiği ailelerde zenginleştiğidir. Bu karmaşık durumun etiyolojisini açıklamak için henüz tek bir genle istatistik öneme ulaşılamamış varyasyonları, genetik ve genetik olmayan faktörlerle birlikte ele almanın gerekli olduğu düşünülmektedir[1-3].
De novo mutasyonlar, çocukta mevcut olan ancak ebeveynlerden kalıtılmamış genetik varyasyonlar olarak tanımlanabilir. Bu mutasyonlar üzerine yapılan yaygın genetik varyasyon analizleri, otizmin genetik mimarisine katkıda bulunan poligenik riskin yanı sıra büyük etki varyantları için bir rolü desteklemektedir. Bununla birlikte, otizmle ilişkili genlerin çoğu hala bilinmemekte ve çoğu aile, genetik analizlerin ardından gen temelli bir tanı alamamaktadır. Bir aileye özgü ultra nadir özel mutasyonların bir analizi, otizm probandlarının, etkilenmemiş kardeşlerle karşılaştırıldığında, geni bozan mutasyonlar için önemli ölçüde zenginleştiğini göstermektedir. Bu özel kalıtsal mutasyonların iki veya üç nesil önce ortaya çıktığı tahmin edilmektedir, ailesinde otizm öyküsü olan bireylerde bulunma olasılığı daha yüksektir ve benzer işlevsel ağlarla zenginleştirilmiş de novo mutasyon olaylarına kıyasla mutasyona genellikle daha toleranslı genlerle eşleşmektedir. Otizm ailelerinde özel kalıtsal mutasyonların bulaşması, orta derecede etkiye sahip farklı genlerdeki mutasyonların iletildiği, biriktiği ve otizm gelişimine yol açtığı oligogenik bir hastalık modelini desteklemektedir. Özel gen bozucu mutasyonlarla ilişkili genleri tanımlamak için daha büyük numune boyutları gereklidir. Genetik olmayan faktörlerle birlikte monogenik, oligogenik ve poligenik bileşenleri içeren çok faktörlü bir model, bozukluğun gelişimine ilişkin anlayışı artırmayı sağlayacaktır[1-5].
Yaygın ve nadir genetik varyasyonların hemen hemen insana özgü her özelliğe veya her bozukluğa göreli katkısı olduğu konusu son yirmi yılın önemli genetik tartışmalarından biri olmuştur. Otizm veya otizm spektrum bozukluğu (ASD) bu iki genetik varyasyonla da ilişkili olduğuna dair kanıtlar ortaya çıkmıştır.'Yaygın hastalık, ortak varyant' hipotezine dayalı olarak, ilişkilendirme çalışmaları başlangıçta sınırlı sayıda otizmli adayları belirlenmiş, ancak yalnızca birkaçı tekrarlanabilmiştir. Numune boyutları on binlere yükseldikçe, 18 381 otizmli ve 27 969 kontrol arasında genom çapında beş anlamlı lokus tanımlanmış ve bu, tüm tek nükleotid polimorfizmlerin** (SNP) kapsadığı bölgenin 50 kbp'si içinde haritalanan en yakın 12 geni (genom çapında ilişkilendirme çalışmaları, GWAS-12) düşündürmüştür.Diğer bir yaklaşım, de novo gen kopya sayısı varyantları*** (CNV) veya probandlarda zenginleştirilmiş bulunan gen bozucu de novo mutasyonları keşfetmek için binlerce ebeveyn-çocuk üçlüsü veya dörtlüsünün genomlarını karakterize etmeye odaklanmak olmuştur. Son olarak, otizm hastalığı riskinden sorumlu spesifik mutasyonların tanımlandığı 100'den fazla gen keşfedilmiş ve bunların çoğunun daha şiddetli dissosiyatif bozuklukları**** olan (DD'li) çocuklarda mutasyona uğradığı gözlemlenmiştir. Burada, otizmli bulunan ailelerinin ekzom dizilemesinden tanımlanan önemli de novo mutasyonları (DNM) zenginleşmesine sahip 102 geni (ASC-102) ele alınmış ve 11 986 otizmli dahil olmak üzere 35 584 örnekle, otizmli ve disosiyatif bozukluğu olan 10 927 üçlünün meta-analizinde ekzom çapında anlamlılığa ulaşan 124 genle (Coe-124) karşılaştırılmıştır. Bugüne kadar, GWAS-anlamlı bir lokusun 50 kbp'si içinde haritalanan ve ayrıca de novo mutasyonlar için önemli ölçüde zenginleştiği gösterilmiş olan sadece bir gen, KMT2E vardır (Şekil 1)[1,6,7].
Şekil 1:Genom çapında ilişkilendirme çalışmaları (GWAS) ve de novo mutasyon (DNM) zenginleştirme analizlerinden elde edilen gen keşiflerinin örtüşme kümeleri[1].
Bahsedildiği gibi otizmin genetik mimarisini hem büyük ölçekli ekzom hem de genomdan anlamak için önemli ilerleme kaydedilmiştir: ebeveyn-çocuk üçlülerinin veya dörtlülerinin dizilenmesi ve daha geleneksel vaka-kontrol genetik yaklaşımları [örneğin, genom çapında ilişkilendirme çalışmaları (GWAS)]. Her iki yaklaşımdaki zorluk, bu bozukluğun genetik mimarisinin karmaşıklığı ile birleştirilen muazzam lokus heterojenliği (500'den fazla gende tahmin edilmektedir) olmuştur, bu da her bir aileyi genetikleri açısından nispeten benzersiz kılmaktadır[1,2,6].
De novo olası gen bozucu varyantlar veya düzinelerce geni silen veya çoğaltan büyük kopya sayısı varyasyonları (CNV'ler) biçimindeki nadir, büyük etkili varyantlar, son on yılda yüzlerce aday geni tanımlayan belirli bölgelere ve lokuslara sahiptir. Nadir varyantlarla ilişkili genler, kromatin yeniden şekillenmesi, transkripsiyon ve iyon kanalı işlevi ile ilgili spesifik protein yollarında ve fonksiyonel ağlarda birleşmekte, genel olarak gelişmekte olan beyinde hem genel hem de spesifik ekspresyon imzalarını göstermektedir. Bu nedenle, bu nadir varyantlar, herhangi bir varyant kadar monojeniktir. Sonuç olarak, bu tür genlerin keşfi, genetik tanı için kritik olmuştur ve bunlar yoğun bir şekilde modellenmekte ve gelecekteki terapötikler için hedefler olarak çalışılmaktadır. Buna karşılık, ilişkilendirme çalışmaları, çok büyük örneklem boyutlarına (18 381 vaka ve 27 969 kontrol) dayalı olarak genom çapında anlamlı otizm lokuslarını tanımlamış ve çoğaltmıştır. Genom çapında anlamlılığa ulaşan genlerin sayısı azdır, ancak nadir varyantların aksine, bunlar gibi yaygın varyantların otizmin genetik sorumluluğundaki büyük paya katkıda bulunduğu tahmin edilmektedir. Vaka-kontrol çalışmaları, binlerce yaygın varyantın poligenik yükünün, büyük olasılıkla, otizm riskini vermek için ilave doza bağımlı gibi hareket ettiğini göstermektedir[7-12].
Kavramsal olarak monogenik veya poligenik olandan farklı olan üçüncü bir model ise oligogeniktir. Burada, her biri bir taşıyıcıda otizme yol açmak için kendi başına yetersiz olan, ancak bir probandda birleştirilen, iki veya daha fazla orta-büyük etkili varyant olarak tanımlanmakta, ya ek olarak hareket eder ya da tam gelişmiş otizme yol açmak için sinerjik olarak birleşmektedir. Bu model, hastalığa katkıda bulunmak için ek olarak hareket eden yüzlerce yaygın varyantı varsayan poligenik riskten farklıdır, ancak aynı zamanda bir mutasyon ile bir bozukluk arasında birebir ilişki ima eden monogenik veya de novo mutasyonlar modelinden de farklıdır[1,13,14].
Şekil 2:Otizmin genetik modelleri. (A) Gen bozucu varyant veya büyük kopya sayısı varyasyonu gibi büyük etkiye sahip tek bir de novo varyantın otizme daha önemli katkıda bulunduğu monogenik model. (B) Farklı genlerde orta-büyük etkiye sahip iki veya daha fazla ultra nadir varyantın otizm gelişimine katkıda bulunduğu, ancak tek başına otizme neden olmak için yetersiz olduğu oligogenik model. (C) Her biri küçük etkiye sahip birçok atasal risk varyantının bir probandda birleştiği ve bireysel gelişen hastalığa yol açmak için ek olarak hareket ettiği poligenik model[1].
Üç model arasında açık bir örtüşme olsa da (Şekil 2); poligenik modeller bu tür varyantları, düşük alel frekanslarına dayalı olarak hariç tutarken, klinisyenler kendi başlarına bir hastalık fenotipine neden olmak için gerekli ve yeterli olmadıkları için bu tür varyantları ihmal etmeye devam etmektedir. Ancak oligogenik model, mutasyonların son derece nadir olduğu ve gen fonksiyonunu doğrudan bozma ihtimalinin yüksek olduğu monogenik modele benzer olmasına rağmen, sınırlı fenotipik sonuçları olan aileler bağlamında mutasyonların iletilebileceği özelliğine sahiptir. Bu tür mutasyonların, bir probandın genetik arka planında orta derecede zararlı başka bir mutasyonla karşılaştıklarında, birkaç nesil içinde popülasyondan seçici olarak çıkarılması ve protein kodlaması olması muhtemeldir. Birçok farklı gen bir hastalık durumuna yol açmak için bir araya getirilebildiğinden, mutasyonların sıklık açısından çok nadir yani, neredeyse çok kuşaklı bir aileye özgü olması beklenmektedir[1,15].
*: Klinikte genetik bir hastalığın varlığının bir ailede incelenmesine neden olan ilk kişi.
**: DNA’nın bir segmentindeki adenin, timin, guanin veya sitozin gibi nükleotidlerinden sadece birini etkileyen, genetik sekanstaki bir varyasyondur.
***: Bireyin genomunda bulunan bir genin kopya sayılarında bulunan farklılıklardan köken alan genetik karakter özelliklerini belirtir.
****: Bireyde bellek, kimlik, algı ve çevre ile ilgili duyumlarda çalışan işlevlerin bütünlüğünün bozulmasıdır.
Referanslar:
1. Wang, T., Zhao, P. A., & Eichler, E. E. (2022). Rare variants and the oligogenic architecture of autism. Trends in Genetics. (Şekil 1-2)
2. Manolio, T., Collins, F., Cox, N. et al. (2009). Finding the missing heritability of complex diseases. Nature 461, 747–753.
3. Grove, J., Ripke, S., Als, T.D. et al. (2019). Identification of common genetic risk variants for autism spectrum disorder. Nat Genet 51, 431–444.
4. Sanders, S., Murtha, M., Gupta, A. et al. (2012). De novo mutations revealed by whole-exome sequencing are strongly associated with autism. Nature 485, 237–241.
5. Iossifov, I., Ronemus, M., Levy, D., Wang, Z., Hakker, I., Rosenbaum, J., ... & Wigler, M. (2012). De novo gene disruptions in children on the autistic spectrum. Neuron, 74(2), 285-299.
6. Satterstrom, F. K., Kosmicki, J. A., Wang, J., Breen, M. S., De Rubeis, S., An, J. Y., ... & Demontis, D. (2020). Large-scale exome sequencing study implicates both developmental and functional changes in the neurobiology of autism. Cell, 180(3), 568-584.
7. Coe, B.P., Stessman, H.A.F., Sulovari, A. et al. (2019). Neurodevelopmental disease genes implicated by de novo mutation and copy number variation morbidity. Nat Genet 51, 106–116.
8. Krishnan, A. et al. (2016) Genome-wide prediction and functional characterization of the genetic basis of autism spectrum disorder. Nat. Neurosci. 19, 1454–1462.
9. Arking, D.E. et al. (2008) A common genetic variant in the neurexin superfamily member CNTNAP2 increases familial risk of autism. Am. J. Hum. Genet. 82, 160–164.
10. Robinson, E.B. et al. (2016) Genetic risk for autism spectrum disorders and neuropsychiatric variation in the general population. Nat. Genet. 48, 552–555.
11. Gaugler, T. et al. (2014) Most genetic risk for autism resides with common variation. Nat. Genet. 46, 881–885.
12. De Rubeis, S. et al. (2014) Synaptic, transcriptional and chromatin genes disrupted in autism. Nature 515, 209–215.
13. Weiner, D.J. et al. (2017) Polygenic transmission disequilibrium confirms that common and rare variation act additively to create risk for autism spectrum disorders. Nat. Genet. 49, 978–985.
14. Oetjens, M.T. et al. (2019) Quantifying the polygenic contribution to variable expressivity in eleven rare genetic disorders. Nat. Commun. 10, 4897.
15. Yin, J. and Schaaf, C.P. (2017) Autism genetics – an overview. Prenat. Diagn. 37, 14–30.