HERANÇA COMPLEXA Genética Humana - 2005 Renata Rocha F. Gonçalves AD2009

GENÉTICA MENDELIANA HERANÇA COMPLEXA Herança Complexa > 1400 genes Introdução à Herança Complexa GENÉTICA MENDELIANA > 1400 genes > 1200 traços mendelianos HERANÇA COMPLEXA >1300 estudos financiados >170 genes investigados ~50 polimorfismos causais 16% a 30% de achados replicados consistentemente Page et al (2003) Am J Human Genet

Por que é tão difícil encontrar genes causais para doenças complexas? Introdução à Herança Complexa Por que é tão difícil encontrar genes causais para doenças complexas? Interações gene/gene gene/ambiente 2. Alelos talvez necessários, mas não suficientes 3. Quem são os casos e quem são os controles?

FIG. 1. (A) Single gene autosomal dominant inheritance FIG. 1. (A) Single gene autosomal dominant inheritance. This pedigree shows two affected sibs, na affected paternal uncle, and unaffected sib, and unaffected parents. The proband is the more severely affected of the two sibs. The uncle is also severely affected. On the basis of autosomal dominant mode of inheritance, the father represents nonpenetrance of the single gene. (B) This illustrates a polygenic mode of inheritance of the same pedigree. Here the assumption is made that 24 different genes can play a role in the disorder, and that anyone inheriting eight or more genes will be affected. The mutant genes are capitalized in bold and the number of such genes is shown at the bottom of each list. (To simplify the discussion, there are no homozygously affected individuals). I-1. The uncle inherited the mutant alleles of genes A, B, E, F, G, L, M, N, P, Q, U, and X. He is severely affected because he has inherited 12 such genes.I-2. His unaffected brother, the father of the affected sibs, does not have the disorder because he inherited only seven mutant genes (A, E, G, K, P, Q, and S). He appears to represent nonpenetrance of a single autosomal dominant gene when in fact he simply inherited less than the threshold number of mutant polygenes. I-3. The mother is also unaffected because she inherited only seven mutant genes. She shares mutant genes A and Q with her husband and in addition has D, F, M, T, and X. II-1. The proband is severely affected, but less so than his uncle, because he inherited only nine mutant genes. He received E, P, and S from his father; F, M, T, and X from his mother; and A and Q from either parent. II-2. The affected sibling is less severely affected than the proband because he inherited only the threshold number of eight mutant genes. He received D, F, M, and P from his mother; E and P from his father; and A and Q from either parent. II-3. The remaining sibling is unaffected because he inherited only seven mutan genes, A, E, F, K, P, M, and Q. (C) An unrelated, unaffected control showing the same genes as in (B). Comings (1998) Alcohol

ALCOOLISMO

ÁLCOOL Herança Complexa Alcoolismo como modelo Droga de abuso mais freqüente na sociedade; Impacto na saúde e na economia (U$1 bilhão/ano – perda em produtividade); Efeitos a longo-prazo (morte prematura + doenças crônicas + síndrome do álcool-fetal); Interações etanol-outras drogas; Bebidas Concentração de álcool / gramas de álcool Unidades de álcool 1 lata de cerveja - 350 ml 5% = 17 gramas de álcool 1,5 1 dose de aguardente - 50 ml 50% = 25 gramas de álcool 2,5 1 copo de chope - 200 ml 5% = 10 gramas de álcool 1 1 copo de vinho - 90 ml 12% = 10 gramas de álcool 1 garrafa de vinho - 750 ml 12% = 80 gramas de álcool 8 1 dose de destilados (uísque, pinga, vodca etc.) - 50 ml 40%-50% = 20g - 25g de álcool 2-2,5 1 garrafa de destilados - 750 ml 40% - 50%+300g-370 gramas de álcool 30-37 Risco para doenças associadas ao álcool: >14 unidades para mulheres, > 21 para homens por semana Gigliotti & Bessa (2004) Rev Bras Psiquiatr

Herança Complexa Alcoolismo como modelo 7 Critérios para Dependência de Substância (DSM-IV) Um padrão mal-adaptativo de uso de substância, levando a prejuízo ou sofrimento clinicamente significativo, manifestado por três (ou mais) dos seguintes critérios, ocorrendo a qualquer momento no mesmo período de 12 meses: (1) tolerância (2) abstinência (3) a substância é freqüentemente consumida em maiores quantidades ou por um período mais longo do que o pretendido (4) existe um desejo persistente ou esforços mal-sucedidos no sentido de reduzir ou controlar o uso da substância (5) muito tempo é gasto em atividades necessárias para a obtenção da substância, na utilização da substância ou na recuperação de seus efeitos (6) importantes atividades sociais, ocupacionais ou recreativas são abandonadas ou reduzidas em virtude do uso da substância (7) o uso da substância continua, apesar da consciência de ter um problema físico ou psicológico persistente ou recorrente que tende a ser causado ou exacerbado pela substância

Evidências iniciais Herança Complexa agregação familiar Alcoolismo como modelo Herança Complexa Evidências iniciais agregação familiar Risco 3-5x maior para parentes em 1º grau SINCE the 1970s, a strong body of evidence, derived from family, adoption, and twin studies, has been building for a hereditary component in alcoholism. During this same period, advances in molecular genetic techniques have enabled the identification of specific genes in several human hereditary afflictions. Whereas chromosomal loci had been identified for cystic fibrosis, Duchenne muscular dystrophy, and other Mendelian disorders, identifying the molecular genetic basis of human behavioral disorders was fraught with nonreplicability and controversy. For example, initial investigations showed strong evidence for linkage of manic-depressive disorder to chromosomes 11 and X and of schizophrenia to chromosome 5 In contrast to most somatic diseases, psychiatric disorders, such as alcoholism, are not simple Mendelian traits, because a clear mode of transmission has not been demonstrated. Prescott (2003) Alcohol Res Health

Evidências iniciais G G + A h2 = CMZ - CDZ 1-CDZ HERDABILIDADE Alcoolismo como modelo Herança Complexa Evidências iniciais G G + A h2 = CMZ - CDZ 1-CDZ gêmeos (CMZ> CDZ) HERDABILIDADE “Proporção da variância total determinada por fatores genéticos” h2 alcoolismo = 40% a 60% diferença na herdabilidade entre homens e mulheres

Evidências iniciais Herança Complexa adoções Alcoolismo como modelo Família biológica (+) risco 1,5 - 3,6x maior Diferença H x M Prescott (2003) Alcohol Res Health

O que exatamente é herdado? Alcoolismo como modelo Herança Complexa comorbidades drogadição opiáceos, anfetamina, cocaína, nicotina O que exatamente é herdado? Dependência sem especificidade de substância

Gorwood et al. (2001) Pathol Biol

estrutura expressão Herança Complexa Alcoolismo como modelo A gene might contribute to addiction vulnerability in several ways. A mutant protein (or altered levels of a normal protein) could change the structure or functioning of specific brain circuits during development or in adulthood. These altered brain circuits could change the responsiveness of the individual to initial drug exposure or the adaptations that occur in the brain after repeated drug exposure Nestler (2000) Nature

Alcoolismo como modelo Herança Complexa Base neurobiológica Olds e Milner (1950) auto-estimulação  reforço e recompensa Existem similaridades entre as ações das substâncias de abuso? Capacidade de estimular atividade dopaminérgica em circuitos mesolímbicos.

Estudos de Ligação Herança Complexa Alcoolismo como modelo Herança Complexa Estudos de Ligação 1 2 1 3 1 4 1 1 2 3 3 3 3 4 4 4 Paramétrico: cosegregação de marcadores e traços em famílias Famílias com grande densidade da doença

Estudos de Ligação Herança Complexa Alcoolismo como modelo Herança Complexa Estudos de Ligação 2 2 1 3 3 4 3 3 1 1 1 2 1 4 2 3 Não-paramétrico: excesso de alelos compartilhados entre pares de irmãos Esperado sem ligação Compart: 0 1 2 Probab. : 1/4 1/2 1/4 Muitas famílias pequenas com pares de irmãos

Estudos de Associação Herança Complexa Direta (gene candidato) : Alcoolismo como modelo Herança Complexa Estudos de Associação Direta (gene candidato) : Indireta (desequilíbrio de ligação):

Estudos de Associação Herança Complexa Alcoolismo como modelo Não associação com SNP1 Há indicação de associação com SNP2

Genes candidatos Herança Complexa Alcoolismo como modelo Abril, 1990 – Blum et al. Allelic association of human dopamine D2 receptor gene in alcoholism Associação significativa (p<0.003) entre o alelo A1 do gene para o receptor D2 de dopamina (DRD2) e alcoolismo. 70 amostras de tecido cerebral 22 alcoolistas caucasianos 64% alelo A1 (17% controles) estímulo à pesquisa alcoolismo e outros transtornos do comportamento Blum et al. (1990) JAMA

Herança Complexa Alcoolismo como modelo Dezembro, 1990 - Bolos et al. Population and Pedigree Studies Reveal a Lack of Association Between the Dopamine D2 Receptor Gene and Alcoholism. 40 alcoolistas caucasianos em atendimento ambulatorial 38% alelo A1 x 30% em 127 controles (p=0.369) 2 famílias de alcoolistas analisadas, sem evidência de ligação. Outubro, 1991 - Comings The Dopamine D2 Receptor Locus as a Modifying Gene in Neuropsychiatric Disorders Presença do alelo A1 em 43.4% de 104 alcoolistas com e sem outras drogadições vs. 22.2% em 108 controles (p=0.0017). Aumento significativo da prevalência do alelo A1 (45% a 55%) em um conjunto de comportamentos impulsivos, incluindo TDAH, síndrome de Tourette e autismo (p<0.0005) Também já foi demonstrada prevalência aumentada do alelo A1 do DRD2 em distúrbios associados a impulsividade, como adição à nicotina, pathologic gambling, obesidade, agressividade e estresse pós-traumático. Bolos et al. (1990) JAMA

Herança Complexa Alcoolismo como modelo Outubro, 1991 - Gelernter et al. No Association Betweenan Allele at the D2 Dopamine Receptor Gene and Alcoholism Presença do alelo A1 em 43.2% de 44 alcoolistas caucasianos em atendimento ambulatorial vs. 35.3% em 68 controles aleatórios (p=0.40). alcoolistas controles história familiar personalidade antisocial idade de início sintomas de abstinência consumo recente (gravidade) A1 = 0.20 A2 = 0.80 A1 = 0.23 A2 = 0.77 Gelernter et al. (1991) JAMA

Problemas Herança Complexa Alcoolismo como modelo HETEROGENEIDADE DAS AMOSTRAS gravidade do alcoolismo controles comorbidades FORÇA DA ASSOCIAÇÃO percentual da variância explicada pelo gene: 1% - 5% herdabilidade estimada ~50%: >20 genes Comings (1998) Alcohol

Enzimas metabolizadoras The D3 dopamine receptor (DRD3) gene is a candidate gene for alcoholism for two main reasons. In comparison to the DRD2, which is expressed in all major brain areas receiving dopaminergic projections, DRD3 is expressed in restricted limbic areas, namely the nucleus accumbens and island of Calleja, areas which receive dopaminergic inputs from the A10 cell groups [15]. Ethanol preferentially stimulates DA transmission in the mesolimbic system, specifically in the nucleus accumbens [16]. Furthermore, animal experimentations have shown that lesion of dopaminergic terminals in the nucleus accumbens by the neurotoxin 6-hydroxydopamine eliminates the self-administration of cocaine [17], suggesting that dopaminergic neurons in the nucleus accumbens play a significant role in the motivation for the intake of drugs such as cocaine, amphetamine or ethanol. Alcoolismo como modelo Herança Complexa Enzimas metabolizadoras Metabolismo do álcool como uma das variantes que pode influenciar significativamente os mecanismos de adição. Maior parte da eliminação do etanol, por oxidação a acetaldeído e acetato, é catalizada através de duas enzimas: Álcool desidrogenase (ADH) Aldeído desidrogenase (ALDH)

taxa de degradação do etanol, gerando metabólitos tóxicos Alcoolismo como modelo Herança Complexa As principais enzimas metabolizadoras do álcool apresentam polimorfismos funcionais com variação étnica. taxa de degradação do etanol, gerando metabólitos tóxicos Seleção positiva de um determinado polimorfismo pode ter agido como fator protetor na prevenção de problemas relacionados ao álcool em certas populações.

ÁLCOOL DESIDROGENASES (ADH) Alcoolismo como modelo Herança Complexa ÁLCOOL DESIDROGENASES (ADH) Família de genes ADH metabolizam etanol, retinol, outros álcoois alifáticos, hidroxiesteróides Proteína humana ADH é dimérica; pelo menos 7 diferentes genes envolvidos na codificação das subunidades (todos entre 4q21 e 4q25) >20 isoenzimas ADH conhecidas, com diferentes propriedades farmacocinéticas, agrupadas em famílias conforme: – os tipos de álcoois oxidados preferencialmente (substrato); – a quantidade de álcool acumulado antes de iniciar degradação (Km); – a taxa máxima de oxidação do álcool (Vmáx).

ADH2 Herança Complexa Alcoolismo como modelo ADH2*2: Vmax (340 M/min) Dois alelos produzindo enzimas que catalizam oxidação do etanol com diferentes velocidades: Uma forma de ADH com maior Vmax aumenta a taxa de conversão do etanol para seu metabólito tóxico, acetaldeído. Logo, indivíduos com alelo ADH2*2 (a isoenzima com maior Vmax) estão mais sujeitos a apresentar reações adversas ao consumo de etanol, o que reduziria a chance desses indivíduos tornarem-se alcoolsitas.

X >0.59 leste asiático < 0.25 outras populações 5–10% ingleses Alcoolismo como modelo Herança Complexa Diferença na freqüência alélica entre controles e alcoolistas na população asiática. ADH2*2 >0.59 leste asiático < 0.25 outras populações 5–10% ingleses 9–14% alemães 20% suíços 85% japoneses, chineses e outras populações orientais X

ALDEÍDO DESIDROGENASE Alcoolismo como modelo Herança Complexa ALDEÍDO DESIDROGENASE O acetaldeído é o 1º produto metabólico na rota de oxidação do etanol, tendo alta toxicidade. A oxidação do acetaldeído é catalizada pela aldeído desidrogenase (ALDH). Várias isoenzimas da ALDH, codificadas por diferentes genes, foram identificadas em uma série de órgãos e tecidos humanos, sendo divididas em 9 famílias, de acordo com suas propriedades cinéticas e distribuição tecidual.

ALDEÍDO DESIDROGENASE Alcoolismo como modelo Herança Complexa ALDEÍDO DESIDROGENASE alta afinidade efetiva em  [álcool] ALDH1 e ALDH2: micromolar M (baixo Km) baixa afinidade efetiva em  [álcool] ALDH3 e ALDH4: milimolar mM (alto Km) Polimorfismo ALDH2 troca Glu Lys na posição 487 (éxon) gera uma variante natural da ALDH2 mitocondrial e está associada com uma perda de função da enzima, tanto em homo (ALDH2*2) quanto em heterozigotos (ALDH2*1). For example, threshold effects generally do not occur until the concentration of ethanol in the blood is relatively high (5–10 mmol/L).13 However, a single serving of a strong spirit can contain as much as 12 g of ethanol, and thus it is possible to consume large amounts of ethanol in a single sitting and quickly reach these blood concentrations. É o fator genético isolado mais fortemente correlacionado com o alcoolismo

Herança Complexa Alcoolismo como modelo Caucasóides Negróides A variante E487K do ALDH2 é encontrada em aproximadamente 50% da população asiática

Herança Complexa Alcoolismo como modelo + ALDH2 O significado fisiológico da ALDH está relacionado principalmente ao seu papel na desintoxicação do acetaledeído e de outros aldeídos, que apresentam uma ampla variedade de efeitos tóxicos aos tecidos humanos. - ALDH2 Indivíduos com inatividade da isoenzima ALDH2 exibem um padrão de aversão ao consumo de álcool, provavelmente causado pelos níveis elevados de acetaldeído no sangue.

Herança Complexa Alcoolismo como modelo OUTROS GENES/PROTEÍNAS NO ALCOOLISMO proteína G e adenilil ciclase proteína quinase C NPY endorfinas e encefalinas transportadores serotoninérgicos (5-HTT) GABA Norepinefrina Epinefrina MAO

Herança Complexa Alcoolismo como modelo FATORES AMBIENTAIS NO ALCOOLISMO - uso/abuso do álcool por familiares disponibilidade do álcool (acesso e custo) pressão social (amigos) aceitação do comportamento estresse violência mau relacionamento familiar exposição a outras drogas (tabaco, p.ex.)

Herança Complexa Conclusões O alcoolismo é, claramente, uma doença multifatorial; estudos com seres humanos e modelos animais demonstraram que os fatores genéticos contribuem com até 60% do risco total. Não existe um gene do alcoolismo, mas sim uma constelação de genes de predisposição genética, que colocam o indivíduo numa categoria de risco para o abuso de álcool (e de outras substâncias) ou, ao contrário, o protegem desse risco.

Conclusões Herança Complexa RESUMO