Autozygosity mapping in Amyotrophic Lateral Sclerosis: a population-based study
Introduzione
La Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA) è una grave patologia neurodegenerativa che interessa il
primo e il secondo motoneurone. In circa il 5-10% dei casi è presente una storia familiare
ricorrente di malattia (SLA familiare), spesso riconducibile a mutazioni note; i casi rimanenti sono
detti di SLA sporadica. Tuttavia, la presenza di casi apparentemente sporadici portatori di mutazioni
causali e studi di ereditabilità condotti in specifiche popolazioni (ad esempio gemelli omozigoti)
suggeriscono che la suscettibilità genetica giochi un ruolo importante nell’eziopatogenesi della SLA
sporadica. La difficoltà nell’identificare i fattori di rischio genetici o nuovi loci causali nei casi di SLA
sporadica può essere determinata da meccanismo di ereditabilità complesso, ad esempio
omozigote recessivo; mutazioni trasmesse con un’ereditabilità di questo tipo, infatti, potrebbero
non essere rilevate neanche da larghi Genome-wide association studies (GWAS). Per questo
motivo, l’identificazione di loci recessivi di rischio per lo sviluppo della SLA richiede lo sviluppo di
metodi alternativi.
Obiettivi
L’obiettivo di questo studio è trovare potenziali loci e geni recessivi di rischio per lo sviluppo della
SLA e valutare una correlazione tra numerosità e lunghezza di Runs of Homozigosity (ROH) e
sviluppo della malattia.
Metodi
È stata analizzata una coorte di 764 pazienti senza mutazioni note per SLA e 775 controlli. I metodi
utilizzati sono stati la valutazione del grado di consanguineità attraverso il coefficiente di
inbreeding genomico (Froh) e la mappatura di autozigosi; attraverso quest’ultima, sono studiate le
Runs Of Homozygosity (ROH), ovvero dei lunghi tratti di omozigosi all’interno del genoma che
circondano una variante genica e che sono indicativi di consanguineità e di ereditabilità recessiva.
In seguito, è stata eseguita un’annotazione funzionale dei geni ricorrenti all’interno delle ROH dei
pazienti.
Risultati
Queste analisi hanno mostrato una lunghezza e una numerosità di ROH maggiore tra i casi rispetto
ai controlli in modo statisticamente significativo al Test ANOVA. La numerosità e la lunghezza delle
ROH, quindi, rappresenterebbero un fattore di suscettibilità per lo sviluppo di SLA. Dopo aver
effettuato l’annotazione funzionale, è stato rilevato un coinvolgimento statisticamente significativo
al Test Binomiale da parte dei geni all’interno delle ROH dei pazienti in processi biologici implicati
nella neurogenesi. Tra questi, il processo prevalentemente alterato è la sinaptogenesi, ponendo
come ulteriore fattore di rischio allo sviluppo della malattia un’alterazione dei geni coinvolti in
quest’ultima. Inoltre, sono stati identificati 6 geni candidati a svolgere un ruolo causale nella SLA:
TMEM232, PREP, NAV3, TMCO5A, STXBP5 e CETN3 in quanto implicati in network genici
fenotipicamente correlati a diversi tipi di malattia del motoneurone.
Conclusioni
I risultati dello studio suggeriscono che siano state trovate numerose varianti geniche rare che
rappresentano un fattore di suscettibilità allo sviluppo di SLA; queste varianti rare potrebbero
essere studiate in futuro aumentando le dimensioni del campione di pazienti analizzato. I 6 geni
candidati a rappresentare una causa di SLA ereditata in modo recessivo, attraverso studi futuri,
potrebbero essere maggiormente caratterizzati e validati per quanto riguarda il loro ruolo
patogeno all’interno della malattia.
Background
Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a severe neurodegenerative disorder affecting first and
second motor neuron. In about 5-10% of cases, there is a recurrent family history of the disease
(familial ALS), often attributable to known mutations; remaining cases are said to be sporadic ALS.
However, the presence of apparently sporadic cases carrying causative mutations and heritability
studies conducted in specific populations (e.g., homozygous twins) suggest that genetic
susceptibility plays an important role in etiopathogenesis of sporadic ALS. The difficulty in
identifying genetic risk factors or novel causative loci in sporadic ALS cases may be driven by
complex mechanism of heritability, such as homozygous recessive heritability; in fact, transmitted
mutations with such heritability may not be detected even by large Genome-wide association
studies (GWAS). Therefore, the identification of recessive risk loci for ALS development requires
the development of alternative methods.
Aim
The aim of this study is to find potential recessive loci and genes of risk for ALS and to evaluate a
correlation between numerosity and length of Runs of Homozigosity (ROH) and disease
development.
Methods
A cohort of 764 patients without known ALS mutations and 775 controls was analysed. Methods
used are assessment of genomic inbreeding coefficient (Froh) and homozygosity mapping; through
homozygosity mapping, we studied Runs of Homozygosity (ROH), which are long stretches of
homozygosity within the genome surrounding a gene variant and indicative of inbreeding and
recessive heritability. Subsequently, it’s been performed functional annotation of recurrent genes
within patients' ROHs.
Results
These analyses showed a greater length and numerosity of ROHs among cases than controls in a
statistically significant way at ANOVA Test. The numerosity and length of ROHs, therefore, could
represent a susceptibility factor for the development of ALS. After functional annotation, a
statistically significant at Binomial Test involvement in neurogenesis by genes within patients’ ROHs
was detected. Among these genes, the predominantly altered process is synaptogenesis, pointing
out an alteration of genes involved in it as an additional risk factor to disease development. In
addition, 6 candidate genes have been identified to play a causal role in ALS: TMEM232, PREP,
NAV3, TMCO5A, STXBP5 and CETN3 as they are implicated in gene networks phenotypically related
to different types of motor neuron disease.
Conclusions
The results of the study suggest that several rare gene variants have been found to represent a
susceptibility factor for the development of ALS; these rare variants could be studied in future by
increasing the sample size of patients analysed. The 6 candidate genes representing a recessively
inherited cause of ALS, through future studies, could be better characterized and validated for their
pathogenic role within the disease.