Partendo dai pathway molecolari al fenotipo e al suo esito nella sclerosi laterale amiotrofica

La sclerosi laterale amiotrofica (SLA) è una malattia neurodegenerativa per la quale attualmente non esiste una cura. Questo problema è dovuto al fatto che la fisiopatologia della malattia è incompresa e quindi non sono ancora stati identificati marcatori molecolari specifici per una ricerca terapeutica diretta. Le forme genotipiche e fenotipiche della malattia variano spesso da paziente a paziente, rendendone molto difficile la classificazione in categorie secondo caratteristiche fenotipiche o genotipiche simili. La principale teoria sull'eziologia della SLA la include nella classe delle malattie genetiche complesse: la SLA potrebbe essere guidata dalla mutazione di un singolo gene altamente penetrante, oppure potrebbe essere influenzata dall'effetto cumulativo di mutazioni multiple e meno penetranti presenti in molti geni legati alla malattia. Grazie a studi genomici, più di 30 geni sono già stati associati alla SLA, mentre circa 20 percorsi molecolari disfunzionanti sono nominati nella letteratura dedicata. Il nostro obiettivo è quello di concentrarci su questi singoli percorsi per identificare il loro contributo specifico alla malattia. Conoscendo i geni che partecipano ad ogni pathway possiamo calcolare, per ogni paziente, un punteggio che riassume il rischio ipotetico di sviluppare la malattia. Inoltre, possiamo indagare ulteriormente i risultati ottenuti per analizzare quanto siano danneggiati i singoli pathway. La possibilità di identificare mutazioni o variazioni nei geni della nostra coorte di pazienti, utilizzando la tecnica del Next Generation Sequence (NGS), ci permette di capire quali geni per uno specifico paziente potrebbero avere un effetto trainante sulla manifestazione della malattia. Identificando i geni più mutati o le varianti a rischio rispetto alla SLA possiamo provare a dividere i pazienti in sottogruppi facendo riferimento ai pathway, poiché ogni prodotto genico ha una funzione specifica in uno o più percorsi molecolari. La domanda principale di questo progetto è: ci sono differenze sui tratti fenotipici, in particolare sulla gravità della malattia, sulla base dei punteggi dei pathway? In altre parole, l'interruzione/distruzione di un pathway specifico è correlata al fenotipo della malattia? Per l’eziologia della SLA ha maggior peso la presenza di più varianti geniche a rischio in un singolo pathway o la presenza di più varianti a rischio disperse in tutti i percorsi che si crede siano implicati? Questo dato come si correla al fenotipo della malattia? Utilizzando PRSice e R v.3.6.0 abbiamo calcolato un punteggio di rischio poligenico (polygenic risk score, PRS) sui pathway più significativi associati alla SLA per valutare un punteggio di rischio specifico del percorso per ogni paziente. Abbiamo poi esaminato i punteggi ottenuti e confrontato tutti i pazienti. Avendo la possibilità di conoscere le cartelle cliniche e la storia dei pazienti, abbiamo poi analizzato il peso di ogni percorso su diversi aspetti fenotipici della malattia quali età di insorgenza, tasso di progressione, fenotipo della malattia e sopravvivenza. I nostri dati hanno rivelato la complessa architettura della SLA, dove diversi pathway risultano contribuire al rischio di SLA e al decorso della malattia. I pazienti affetti non sembrano essere arricchiti di varianti in un pathway predominante, tuttavia sembra che in qualche modo l'eziologia della malattia sia guidata dall'interruzione di più vie molecolari. Infatti, i pazienti della nostra

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease for which there is currently no cure. This problem is given by the fact that the pathophysiology of the disease is misunderstood and therefore specific molecular markers for direct therapeutic research have not been identified yet. The genotype and phenotype form of the disease often vary from patient to patient, making very hard to group them into categories according to similar phenotypic or genotypic characteristics. The major theory of ALS etiology includes it in the class of complex genetic diseases: ALS could either be driven by the mutation of a single, highly penetrant gene, or could be influenced by cumulative effect of multiple, less penetrant mutations present in many genes linked to the disease. Thanks to genomic studies, more than 30 genes have already been associated with ALS, and about 20 dysfunctional molecular pathways have been nominated in ALS. Our goal is to focus on these single pathways to identify their specific contribution to the disease. Knowing the genes participating in each pathway, we can calculate, for each patient, a score that summarize the hypothetical risk of developing the disease. Moreover, we can further investigate the obtained results to analyse how damaged the individual pathways are. The ability to identify mutations or variations in the genes of our patient cohort, using the Next Generation Sequence (NGS) technique, allows us to understand which genes for a specific patient might have a driving effect on the disease manifestation. By identifying the most mutated or variant-at-risk genes, with respect to ALS, we can divide patients into subgroups by referring to pathways, since each gene product has a specific function in one or more molecular pathways. The main question of this project is: are there any differences on phenotypic traits, especially disease severity, based on pathways scores? In other words, does the disruption of a specific pathway correlate with disease phenotype? What is more responsible for ALS etiology, the presence of more at-risk variants in one single pathway or have multiple-at-risk variants but dispersed around all the suspicious implicated pathways, and how does that correlate to the disease phenotype? Using PRSice and R v.3.6.0, we calculated a polygenic risk score (PRS) on the most significant ALS pathways to assess a pathway-specific risk score for each patient. We then examined the obtained scores and compared all patients. Since we had the possibility to know the medical records and history of patients, we then analysed the weight of each pathway on different phenotypic aspects of the disease: age of onset, rate of progression, disease phenotype and survival. Our data revealed the complex architecture of ALS, as different pathways contributed to ALS risk and disease course. ALS patients do not seem to be enriched for variants in one predominant pathway, but it appears that the disruption of multiple molecular pathways somehow drives the etiology of the disease. Indeed, the patients in our cohort do not appear to have a dominant pathway responsible for the disease; on the contrary they present mutations spread in almost all of the pathways studied. This brings the etiology of the disease back to multifactoriality, where there is an equal or similar basic genetic susceptibility for all patients, in which a trigger, as a mutation with strong effect or the exposure to an environmental factor, migh