MUTAZIONI RARE NEL BACKGROUND GENETICO MODULANO IL FENOTIPO NEI PAZIENTI SLA: UNO STUDIO DI POPOLAZIONE

PURPOSE: The intent of this THESIS is to test whether rare mutations present in the genetic background may modify the phenotype in ALS patients. In particular, the analysis is aimed at genes associated with neurodegeneration, whose mutations could explain a portion of the clinical variability observed in ALS patients. METHODS: We performed a genomic screening (whole-genome sequencing) of 967 ALS patients, filtering for rare probably pathogenic mutations, defined according to a frequency criterion (MAF < 1%) and a pathogenicity criterion (CADD ≥ 20), in from 164 neurodegeneration-associated genes. We then performed a gene-wide analysis to assess the effect of this mutations on age at onset, presence of cognitive impairments, site of onset (bulbar-spinal), and prevalent involvement of the first or second motor neuron. RESULTS: Preliminary analysis showed that rare variants in the 164 genes considered did not increase the risk of ALS. Gene-wide analyses revealed multiple genes whose rare mutations appear to affect the disease phenotype. In particular, a greater effect is observed for age at onset and cognitive phenotype. Age at onset appears to be earlier in patients carrying a rare mutation in the tested genes. Among the most relevant genes, we observe the CHCHD2 gene, which seems to simultaneously anticipate age at onset and alter the cognitive phenotype in the examined ALS patients. APOE, MAPT, GBA and PSEN1 appear to modify patient cognition, consistent with current evidence associating them with dementia. CONCLUSION: According to our evidence, it is possible for rare variants in the genetic background to modulate phenotype in ALS patients or, in other words, ALS phenotypical variability could be determined, albeit for a small degree, by rare variants in gene modifiers. An interesting finding that emerges from our analysis is that PSEN1, GBA and MAPT, whose rare variants significantly modify the cognitive phenotype of ALS in our case series, are genes involved in endolysosomal mechanisms. Thus, it appears that endolysosomal system is implicated in determining the cognitive phenotype in ALS patients. CHCHD2 is a gene that encodes for a mitochondrial protein, and mutations in this gene are associated with mitochondrial alterations, suggesting that this pathway may also be involved in cognitive impairment in ALS, as well as an earlier age at symptom onset. These pathways may be potential therapeutic targets, so further studies are needed to investigate the role of genetic background in ALS phenotypical variability and to identify additional modifiers of disease.

OBIETTIVI L’intento di questa TESI è di verificare se le mutazioni rare presenti nel background genetico possano modificare il fenotipo nei pazienti SLA. In particolare, l’analisi è volta ad individuare i geni associati alla neurodegenerazione, le cui mutazioni potrebbero spiegare una porzione della variabilità clinica che si osserva nei pazienti SLA. METODI Abbiamo eseguito uno screening genomico (whole-genome sequencing) di 967 pazienti SLA, filtrando per mutazioni rare probabilmente patogene, definite secondo un criterio di frequenza (MAF < 1%) ed un criterio di patogenicità (CADD ≥ 20), in 164 geni associati a neurodegenerazione. Abbiamo quindi eseguito un’analisi di associazione gene-wide per valutare l’effetto di queste mutazioni sull’età all’esordio della malattia, la presenza di alterazioni cognitive, la sede di esordio (bulbare-spinale) ed il coinvolgimento prevalente del primo o del secondo motoneurone. RISULTATI L’analisi preliminare ha mostrato come le mutazioni rare nei 164 geni considerati non incrementa il rischio di SLA. Dalle analisi gene-wide sono emersi molteplici geni le cui mutazioni rare sembrano influire sul fenotipo di malattia. In particolare, un maggiore effetto si osserva per l’età all’esordio ed il fenotipo cognitivo. L’età all’esordio sembra anticipata nei pazienti portatori di una mutazione rara nei geni testati. Tra i geni maggiormente rilevanti, osserviamo in particolare il gene CHCHD2, che sembra contemporaneamente anticipare l’età all’esordio ed alterare il fenotipo cognitivo nei pazienti SLA esaminati. APOE, MAPT, GBA e PSEN1 sembrano modificare la cognitività del paziente, in linea con le attuali evidenze che li associano a demenza. CONCLUSIONI Dal nostro studio emerge come sia possibile che le mutazioni rare nel background genetico modulino il fenotipo nei pazienti SLA e di conseguenza che la variabilità fenotipica di malattia possa essere determinata, anche se per una piccola parte, da mutazioni rare nei modificatori genici. Un aspetto interessante che emerge dall’analisi è che PSEN1, GBA e MAPT, le cui mutazioni rare modificano in maniera significativa il fenotipo cognitivo di SLA nella nostra casistica, sono dei geni coinvolti nei meccanismi endolisosomiali. Sembra quindi che la funzione endolisosomiale sia implicata nel determinare il fenotipo cognitivo nei pazienti SLA. CHCHD2 è un gene che codifica per proteine mitocondriali, e mutazioni in questo gene sono associate ad alterazioni mitocondriali, suggerendo che anche questa via possa essere coinvolta nel deterioramento cognitivo nella SLA, oltre che in un’età all’esordio dei sintomi anticipata. Queste vie possono essere potenziali bersagli terapeutici, per cui ulteriori studi sono necessari per approfondire il ruolo del background genetico nella determinazione del fenotipo di malattia e per individuare ulteriori modificatori genici di malattia.