Analisi di autozigosi nella Sclerosi Laterale Amiotrofica: uno studio di popolazione

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.

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.