Genes, programación fetal, adaptación ambiental: El mapa genómico metabólico de la población
1. Genes, programación fetal, adaptación ambiental: el mapa genómico-metabólico de la población mexicana Dra. Ma. Teresa Tusié Luna Unidad de Biología Molecular y Medicina Genómica, IIB-UNAM/INCMNSZ 2a Conferencia Científica Anual sobre Síndrome Metabólico Agosto 12 , 2010
2.
3. DM Ayuno≥126 mg/dL 2 hrs≥200 mg/dL Casual≥200 mg/dL + síntomas ADA, 2007 Stumvoll, 2008 Mecanismos implicados en la fisiopatología de la DT2 Insulina Páncreas Grasa Hígado Músculo Producción de glucosa Lipólisis Incorporación de glucosa Disfunción célula β DIABETES MELLITUS Resistencia a la insulina Ácidos grasos Glucosa sanguínea
4. Riesgo al desarrollo de la DT2 Factores Genéticos O% 100% O% 100% Paciente 1 paciente 2 Riesgo Riesgo Riesgo
5. Distintos genes de susceptibilidad cada uno con un efecto aditivo Individuos no afectados Individuos afectados SNP 1 Alelo G SNP 1 Alelo G < A T C T C T T G A G G G G G G G G G G G G T T A C A C A C A C C A C A C A
7. 700 nm 10 x 10 6 pb 300 nm 1 x 10 6 pb 30 nm 6000 pb 11 n 500 pb 2 nm 50 pb 1400 nm 100 x 10 6 pb La estructura de la cromatina juega un papel central en el control de la expresión génica
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9. La metilación sólo ocurre en la posición 5’ de algunas citocinas seguidas de una guanina: CpG La metilación se observa en zonas de alta densidad de CpGs (aprox 50% en 200 pb) : Isla CpG El 40 % de las islas CpG se encuentran en o cerca de regiones reguladoras EL 60% restante se asocia a regiones inter-génicas con secuencias repetidas DNA metil- transferasa DNA metilado DNA desmetilado Transcripción Metilación Acetilación DNA normal DNA en cáncer Sitio CpG no metilado Sitio CpG metilado O OH OH Aceptor Aceptor Donador O OH Aceptor Aceptor Donador OH Citocina 5´-CpTpApGpCpGpApApTpGpCpTpGpCpGpG-3´ CH3 Guanina Citocina Surco Mayor 1 2 3 4 5 6 5´-metil-citocina
10. Las islas CpG se encuentran distribuidas a lo largo de todo el genoma En células somáticas hay un alto grado de metilación global en secuencias intergénicas
11. El estado global de metilación es dinámico y varía a lo largo del desarrollo Las células germinales presentan el DNA con menor estado de metilación global Las células somáticas diferenciadas presentan el mayor estado de metilación global En cáncer el estado de metilación global se asocia al grado histológico: - Células bien diferenciadas: alto grado de metilación y poca expresión de genes embrionarios - Células des-diferenciadas: bajo grado de metilación y elevada expresión de genes embrionarios Cancer Cells Well differentiated Undifferentiated
12. Cambios epigenéticos en el desarrollo de la DT2 y el Síndrome metabólico -Programación fetal: Productos de madres diabéticas tienen mayor riesgo de desarrollar DT2 en la vida adulta. El consumo de dietas altas en grasa durante el embarazo condiciona un riesgo mayor de desarrollar dislipidemias y obesidad en el producto durante la vida adulta. Algunos cambios epigenéticos son reversibles. -Efectos transgeneracionales Attig et al, Proc. Nutr. Soc. 2010
13. Estudios de asociación al genoma completo (GWAS) Análisis de 500,000-1000,000 SNPs AGAGC A GTCGACA G GTATAG C CTACATGAGATC G ACATGAGATC G GTAGAGC C GTGAGATC G ACATGATAG C C AGAGC C GTCGACA T GTATAG T CTACATGAGATC G ACATGAGATC G GTAGAGC A GTGAGATC G ACATGATAG T C AGAGC A GTCGACA G GTATAG T CTACATGAGATC G ACATGAGATC T GTAGAGC C GTGAGATC G ACATGATAG C C AGAGC A GTCGACA G GTATAG C CTACATGAGATC A ACATGAGATC G GTAGAGC A GTGAGATC G ACATGATAG C C AGAGC C GTCGACA T GTATAG C CTACATGAGATC G ACATGAGATC G GTAGAGC C GTGAGATC A ACATGATAG C C AGAGC C GTCGACA T GTATAG C CTACATGAGATC G ACATGAGATC G GTAGAGC A GTGAGATC A ACATGATAG C C AGAGC C GTCGACA G GTATAG C CTACATGAGATC G ACATGAGATC G GTAGAGC A GTGAGATC A ACATGATAG T C AGAGC A GTCGACA G GTATAG C CTACATGAGATC G ACATGAGATC T GTAGAGC C GTGAGATC G ACATGATAG C C AGAGC A GTCGACA T GTATAG T CTACATGAGATC G ACATGAGATC G GTAGAGC A GTGAGATC A ACATGATAG C C AGAGC A GTCGACA T GTATAG T CTACATGAGATC A ACATGAGATC T GTAGAGC C GTGAGATC G ACATGATAG C C AGAGC A GTCGACA T GTATAG C CTACATGAGATC G ACATGAGATC T GTAGAGC C GTGAGATC A ACATGATAG C C AGAGC C GTCGACA G GTATAG C CTACATGAGATC G ACATGAGATC G GTAGAGC C GTGAGATC G ACATGATAG T C AGAGC C GTCGACA G GTATAG T CTACATGAGATC G ACATGAGATC T GTAGAGC C GTGAGATC A ACATGATAG C C AGAGC A GTCGACA G GTATAG T CTACATGAGATC G ACATGAGATC T GTAGAGC A GTGAGATC G ACATGATAG C C AGAGC C GTCGACA G GTATAG C CTACATGAGATC G ACATGAGATC T GTAGAGC C GTGAGATC G ACATGATAG C C AGAGC C GTCGACA G GTATAG T CTACATGAGATC A ACATGAGATC T GTAGAGC A GTGAGATC G ACATGATAG T C Casos: (Individuos diabéticos) Controles: (Individuos no diabéticos) SNP asociado
14. Estrategias para la identificación de genes relacionados a la DT2 Interacciones génicas Análisis de Ligamiento (linkage) Genes candidatos (vías metabólicas/ modelos animales) GWAS (Estudios de asociación al genoma completo) 2000 PPARG 2003 KCNJ11 2006 HNF1 WFS1 2006 TCF7L2 * 2007 FTO HHEX SLC30A8 CDKAL1 CDKN2A/2B IGF2BP2 JAZF1 CDC123 TSPN8 THADA ADAMTS9 NOTCH2 KCNQ1 Asociación caso-control Prokopenko, Cell, 2008. Salonen et al, AJHG, 2007 GWAS- eQTL Modelaje de redes biológicas Generación de animales TG/KO OR
15. La mayoría de los genes identificados afectan la secreción de insulina a través de distintos mecanismos
17. Los genes KCNJ11, HHEX/IDE, CDKN2A/2B y ARHGEF11 se asocian a la DT2 en mestizos mexicanos f alelo de riesgo Casos n=997 Gen SNP Alelo riesgo Controles Casos OR (95% CI) p KCNJ11 rs5219 T 0.335 0.394 * 1.33 (1.08-1.64) 0.008 SLC30A8 rs13266634 C 0.719 0.761 1.18 (0.95-1.47) 0.132 HHEX/IDE rs1111875 T 0.331 0.376 * 1.63 (1.06-2.52) 0.027 rs7923837 G 0.468 0.487 1.10 (0.90-1.35) 0.342 CDKN2A/2B rs10811661 T 0.873 0.911 * 1.46 (1.08-1.97) 0.014 CDKAL1 rs7754840 C 0.297 0.307 1.06 (0.86-1.31) 0.560 rs10484634 T 0.972 0.800 1.54 (0.85-2.79) 0.156 IGF2BP2 rs4402960 T 0.196 0.214 1. 28 (0.96-1.73) 0.097 rs1470579 C 0.201 0.213 1.25 (0.93-1.68) 0.141 ARHGEF11 rs945508 C 0.730 0.769 * 1.89 (1.10-3.24) 0.021 JAZF1 rs864745 A 0.651 0.687 1.16 (0.94-1.42) 0.171 CDC123/CAMK1D rs12779790 G 0.150 0.197 1.31 (0.99-1.72) 0.053 TSPAN8/LGR5 rs7961581 T 0.851 0.868 1.13 (0.86-1.49) 0.384 THADA rs7578597 T 0.955 0.967 1.24 (0.75-2.04) 0.401 ADAMTS9 rs4607103 C 0.698 0.714 1.09 (0.89-1.34) 0.413 NOTCH2 rs10923931 T 0.081 0.083 1.02 (0.72-1.45) 0.905 * Diferencias en f genotípicas bajo modelo genético al cual se ajustan (p<0.05). Modelo aditivo, excepto: rs1111875 bajo modelo recesivo y, rs4402960, rs1470579, rs945508 bajo modelo dominante. Ajuste por sexo, edad, e IMC cuando p Wald≤0.05 r 2 =0.077, p=<2 -16 r 2 =0.024, p=6.63 -8 r 2 =0.866, p=<2 -16
18. Análisis de asociación estratificando por edad de inicio, origen de la muestra o presencia de obesidad
19. Los genes identificados como de riesgo para la DT2 en mestizos mexicanos afectan la función de la célula β
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21. Arg230Cys en Individuos Mexicanos con niveles altos y bajos de HDL < percentila 10 > percentila 90 Niveles plasmáticos de HDL Dra. Teresa Villarreal R230C R230C/C230C (18/40) = 45% R230C (1/34) = 2.9% P=0.00006 Arginina Cisteína
22. Asociación de la variante R230C del gen ABCA1 a distintos rasgos del síndrome metabólico Villarreal-Molina et al, Diabetes, 2007
23. 45 años >45 años (n=221) (n=223) (n=402) Frecuencia (%) 33.1 16.3 11.4 Asociación de la Variante R230C a la Diabetes tipo 2 OR= 3.776 P=3.3 x 10 -6 * DT2 temprana P=0.149 DT2 tardía Villarreal-Molina et al, Diabetes, 2008 *Ajustada por edad, género, C-HDL, IMC y nivel educativo
24. Asociación de la Variante R230C con la Obesidad Frecuencia (%) *Ajustada por edad, género, DT2, HDL-C y ApoA-I OR= 2.527; IC 95% (1.667-3.819) P=0.005* Aumenta más del doble el riesgo de obesidad (independiente de los niveles de HDL-C) (n=186) (n=205) 71.2 28.8 86.8 13.2
25. Frecuencia (%) Asociación de la Variante R230C con el Síndrome Metabólico (Criterios ATP-III) *Ajustada por edad y género OR= 1.893 IC 95% (1.483-2.460) P=0.0007*; P=0.001 POR ADMIXMAP (n=194) (n=316) 73.7 26.3 84.8 15.2 Criterios IDF *P=0.003
26. Célula -pancreática Brunham et al, Nature Med, 2007 La disminución del eflujo de colesterol causa su acumulación en la célula -pancreática lo que resulta en la disminución en la secreción de insulina (lipotoxicidad mediada por colesterol)
27. Evidencia de selección positiva del alelo C230 del gen ABCA1 en poblaciones nativas de América 29/36 grupos indígenas de América (Pimas (0.04), Xavante (0.31)) 4405/863 individuos de diferentes poblaciones indígenas del continente Americano/ Europeas (España, Holanda), Asia (India, China, Japón), Africa (Yoruba) Kooner et al, 2008 HapMap database Acuña-Alonzo et al, Hum. Mol. Genet.2010 Dr. Samuel Canizales Asociación a niveles bajos de HDL (P=1.77 x 10 -11 ) y a un incremento en el IMC (P=0.0001)
28. ABCA1 en el Síndrome Metabólico Célula Hepatocito Célula intestinal Adipocito Macrófago HDL-C Secreción de Insulina Obesidad Aterosclerosis ? Resistencia la insulina Hiperglicemia
29. Riesgo para DT2 de acuerdo al número de variantes presentes Cauchi et al, PLoS ONE, 2008 Sensibilidad (a/m 1 ): Probabilidad de obtener un resultado positivo en los individuos que tienen la enfermedad = Positivos reales 1 – sensibilidad = falsos negativos Especificidad (d/m 2 ): Probabilidad de obtener un resultado negativo en los individuos que no tienen la enfermedad = Negativos reales 1 – especificidad = falsos positivos AUC 0.5-0.7 pobre AUC 0.7-0.8 aceptable AUC 0.8-0.9 excelente Modificado de Kraft et al, Nat Rev Genet, 2009
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33. Complementariedad de estrategias Lusis, 2008 RNAm Integración Genética de la expresión Modelaje de causalidad Marcador -> Expresión -> Rasgo Análisis de redes DNA
34. Ejemplo de análisis de expresión génica Datos: Población: mexicana Enfermedad: HLFC Biopsias: tejido adiposo N= 38 casos, 32 controles No. de transcritos: 14 492 Resultados: No. de genes: 18 No. de módulos: 28 Plaisier, 2009 HLFC CT TG ApoB rs3737787 Rasgos SNP Coeficiente de correlación
35. Sobreexpresión de CDKN2A en ratones ↓ proliferación de los islotes pancreáticos Susceptibilidad a diabetes Rs Cambio f Población OR P 10811661 (T/C) 0.85 Meta-análisis 1.2 8x10 -15 FUSION 1.2 0.002 DGI 1.2 5.4x10 -8 WTCC/UKT2D 1.19 4.9x10 -7 Franceses 1.43 ¿? Japoneses ¿? 0.0064
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38. No obesos Variaciones comunes en el riesgo a DT2 en la población Mestiza mexicana Población general Población abierta Inicio temprano
39. ADIPOCITOS/CÉLULAS ENDOTELIALES HUMANAS 1 2 3 4 100 Perfiles de expresión >>> ACGTCATTGGACTATGTTC ACGTCATTGAACTATGTTC Análisis de haplotipos NIVELES DE EXPRESIÓN GENOTIPOS (SNPs ) Identificación de nuevos genes implicados en la fisiopatología de enfermedades comunes Modelos de integración Identificación de redes biológicas a través del análisis de expresión génica RNA DNA Construcción de modelos animales de inactivación o sobre-expresión Modificado de Zhu et al, PLoS Comp Biol 2008
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41. Sensibilidad (a/m 1 ): Probabilidad de obtener un resultado positivo en los individuos que tienen la enfermedad = Positivos reales 1 – sensibilidad = falsos negativos Especificidad (d/m 2 ): Probabilidad de obtener un resultado negativo en los individuos que no tienen la enfermedad = Negativos reales 1 – especificidad = falsos positivos AUC 0.5-0.7 pobre AUC 0.7-0.8 aceptable AUC 0.8-0.9 excelente Evaluación de la validez clínica de un perfil genético Modificado de Kraft et al, Nat Rev Genet, 2009 Resultados de la prueba Clasificaci ó n de los individuos seg ú n el criterio de referencia Enfermos No enfermos Total Positivo a b n 1 Negativo c d n 2 Total m 1 m 2 N
47. Arg230Cys en Individuos Mexicanos con niveles altos y bajos de HDL < percentila 10 > percentila 90 Niveles plasmáticos de HDL R230C R230C/C230C (18/40) = 45% R230C (1/34) = 2.9% P=0.00006 Arginina Cisteína
48. Asociación de la variante R230C del gen ABCA1 a distintos rasgos del síndrome metabólico Villarreal-Molina et al, Diabetes, 2007
49. 45 años >45 años (n=221) (n=223) (n=402) Frecuencia (%) 33.1 16.3 11.4 Asociación de la Variante R230C a la Diabetes tipo 2 OR= 3.776 P=3.3 x 10 -6 * DT2 temprana P=0.149 DT2 tardía *Ajustada por edad, género, C-HDL, IMC y nivel educativo Villarreal-Molina et al, Diabetes, 2008
50. La disminución del eflujo de colesterol causa su acumulación en la célula -pancreática lo que resulta en la disminución en la secreción de insulina (lipotoxicidad mediada por colesterol) Célula -pancreática Brunham et al, Nature Med, 2007
51. Presencia del alelo C230 del gen ABCA1 en distintas poblaciones humanas 4469 individuos de 36 grupos indígenas (Pimas (0.04), Xavante (0.31)) 8147/625 individuos de diferentes poblaciones Europeas (España, Holanda) Asia (India, China, Japón), Africana (Yoruba) NO SE IDENTIFICO Kooner et al, 2008 HapMap database Acuña-Alonzo et al, enviado a publicación, 2009
52. ABCA1 en el Síndrome Metabólico Célula Hepatocito Célula intestinal Adipocito Macrófago HDL-C Secreción de Insulina Obesidad Aterosclerosis ? Resistencia la insulina Hiperglicemia
53. ABCA1 en el Adipocito No forma HDLs en el adipocito Participa en vías de señalización en el adipocito? Le Lay et al., 2006 tráquea Tráquea Cuerpo Uterino Útero Músculo Liso Lengua Músculo Esquelético Cardiomiocitos Nodo Atrioventricular Corazón Islotes Pancreáticos Páncreas Glándula Salival Próstata Corteza Suprarrenal Glándula Suprarrenal Glándula Pituitaria Tiroides Tiroides Fetal Adipocito Piel Apéndice
61. Mol Endo E-pub July 3, 2008 Vía de señalización Wnt Inhibición Activación
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68. Ejemplos c á ncer de pr ó stata y DT2 Casos: 1048 Controles: 1120 Casos: 1196 Controles: 1337 Los perfiles asumen que el riesgo de enfermedad es una función del número de alelos de riesgo previamente identificados: rs4242382 (8q24) rs6983267 (8q24) rs4430796 (HNF1B) rs10993994 (MSMB) rs10010131 (WFS1) rs1111875 (HHEX) rs7756993 (CDKAL1) rs4402960 (IGF2BP2) rs13266634 (SLCOA8) rs564398 (CDKN2B) rs10811661 (CDKN2B) rs12255372 (TCF7L2) rs1801282 (PPARG) rs5219 (KCNJ11) rs10896449 (11q13) rs4962416 (CTBP2) rs10486567 (JAZF1) CÁNCER DE PRÓSTATA DIABETES
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70. AUC = 0.60 p<10 -13 p<10 -10 AUC = 0.57 AUC 0.5-0.7 pobre AUC 0.7-0.8 aceptable AUC 0.8-0.9 excelente Hosmer-Lemeshow (1999) • Odds Ratio (IC 95%) Distribución de perfiles en controles --- log (momio enfermedad) función lineal del número de alelos de riesgo
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74. Riesgos específicos por edad para el desarrollo de cáncer de próstata y DT2 en intervalos subsecuentes de 5 años - Población general - riesgo genético - riesgo genético - - - IC 95% (bootstrap) Incidencia a 5 años = 2% Riesgo Ca Próstata < 5% s/AHF Edad < 60 años Aún con alto riesgo genético. Riesgo Ca Próstata = 20% c/AHF Edad = 60 años Con alto riesgo genético (>9 alelos de riesgo).
85. Mecanismos fisiopatológicos en la DT2 Stumboll, Lancet 365, 2005 Stumvoll, M., Goldstein, B. J., and van Haeften, T. W., Lancet 365 (9467), 1333 (2005).
86. Mutación P379H en HNF-1 en una familia mexicana
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89. Red de factores transcripcionales pancreáticos HNF-3 HNF-4 Nkx2.2 IPF-1 HNF-1 Nkx2.6 Ngn3 Beta2/NeuroD1 HNF-1 Metabolismo de la célula Desarrollo de la célula Proliferación de célula
90. Conservación de la variante C230 ¿Eficiencia en el consumo o la utilización de energía? (ahora traducido en obesidad) ¿Protección contra infecciones?
91. Acuña-Alonzo et al, enviado a publicación, 2009 Estudio funcional de la mutante R230C de ABCA1
92. Síndrome Metabólico - Diagnóstico ATP III, 2001; Grundy et al. 2004 Criterios ATP III (S índrome metabólico, al menos 3 de los siguientes hallazgos) 1. Obesidad central (> 102 cm hombres; >88 cm mujeres) 2. Niveles bajos de HDL-C - (< 40 mg/dl hombres; < 50 mg/dl mujeres) 3. Hipertrigliceridemia ( 150 mg/dl) 4. Hipertensión ( 130/85 mm Hg o uso de anti-hipertensivos) - 5. Glucosa Plasmática ( 100 mg/dl o uso de hipoglucemiantes)