Genetiske varianter i SNCA og risikoen for sporadisk Parkinsons sygdom og kliniske resultater: A Review

Abstract

Der er stigende beviser for, at genetisk modtagelighed bidrager til ætiologien af Parkinsons sygdom (PD). Genetiske variationer i SNCA-genet er veletableret ved linkage- og genom-dækkende associationsundersøgelser. Der er fundet positive associationer af enkelt nukleotidpolymorfismer (SNP’er) i SNCA og øget risiko for PD. SNCA-varianternes rolle i individuelle træk eller fænotyper af PD er imidlertid ukendt. Her gennemgik vi den aktuelle litteratur og identificerede 57 undersøgelser, udført i fjorten forskellige lande, som undersøgte SNCA-varianter og modtagelighed for PD. Vi diskuterede resultaterne baseret på miljøfaktorer, historie af PD, kliniske resultater og etnicitet. Konklusionen er, at SNP’er i SNCA-genet kan ændre modtageligheden for PD, hvilket fører til øget eller nedsat risiko. Risikoforbindelserne for nogle SNP’er varierede mellem prøverne. Der blev ikke fundet nogen undersøgelser i sydamerikanske eller afrikanske befolkninger. Der er kun få oplysninger om virkningerne af disse varianter på bestemte kliniske aspekter af PD, f.eks. motoriske og ikke-motoriske symptomer. Ligeledes er der kun få beviser for mulige interaktioner mellem SNCA SNP’er og miljøfaktorer eller sygdomsudvikling. Der er behov for at udvide den kliniske anvendelighed af disse data samt for at undersøge SNCA SNPs’ rolle i befolkninger med forskellig etnisk baggrund.

1. Introduktion

Parkinsons sygdom (PD) er en neurodegenerativ lidelse, der er karakteriseret ved motorisk dysfunktion, men også forårsager ikke-motoriske underskud . Selv om ætiologien af PD fortsat er uklar, er samspillet mellem genetiske og miljømæssige faktorer blevet impliceret i sygdommens opståen . Genome-wide association studies (GWAS) har identificeret varianter af mange kandidatgener, der bidrager til modtagelighed for PD, såsom variationer i SNCA-genet . Desuden er visse polymorfismer af SNCA blandt de vigtigste risikofaktorer for sporadisk PD .

SNCA-genet er placeret på menneskets kromosom 4 og koder for proteinet alfa-synuclein . Den fysiologiske funktion af alfa-synuclein er ikke helt forstået. Undersøgelser har vist, at alfa-synuclein spiller en nøglerolle i reguleringen af neurotransmitterfrigivelse, synaptisk funktion og plasticitet i dopaminerge neuroner . Inddragelsen i den dopaminerge transmission og den fremherskende tilstedeværelse af alfa-synuclein i Lewy-kroppe viser, at dette protein er forbundet med ætiologien af PD. Desuden understøtter genetiske data alfa-synucleins rolle i den patogene proces i sygdommen. Der blev f.eks. identificeret missense-mutationer i SNCA-lokusset i familiære former for PD (A53T, A30P, E46K og H50Q) , såvel som hos sporadiske PD-patienter (A18T og A29S) . Endvidere forårsager duplikationer og triplikationer af SNCA-lokus familiær parkinsonisme og korrelerer med sygdommens sværhedsgrad .

Single nucleotide polymorphism (SNP)-analyser i case-control-undersøgelser udført i forskellige populationer har vist en sammenhæng mellem flere SNCA-polymorphismer og risikoen for PD. For eksempel er den dinukleotid gentagelse REP1 placeret i SNCA-promotoren (SNCA-REP1) og 3′ untranslated region (UTR) varianter ofte undersøgt . Variationer i disse regioner kan øge modtageligheden for PD ved at forstyrre transkriptionsfaktorbindingssteder og skabe eller ødelægge mikroRNA-målsteder, hvilket igen ændrer genekspressionen .

Selv om denne type undersøgelser er hyppige, viser undersøgelser af forbindelsen mellem SNP’er og risikoen for PD i forskellige populationer modstridende resultater. Desuden er konsekvenserne af genetisk variabilitet på kliniske fænotyper samt interaktionen mellem genetiske og miljømæssige substrater dårligt belyst. Ideelt set ville data fra SNP-undersøgelser forbedre kendskabet til patofysiologiske veje og bidrage til at målrette det bedste terapeutiske program. Formålet med denne gennemgang er at identificere og sammenligne de vigtigste SNP-associeringsundersøgelser, der er gennemført i forskellige populationer. SNCA-polymorfismers rolle som risikofaktor for PD og deres sammenhæng med kliniske resultater diskuteres.

2. Litteratursøgning

Vi foretog en undersøgelse i de relevante databaser PubMed/Medline og Scopus for undersøgelser frem til juli 2016 ved hjælp af kombinationer af nøgleordene “polymorphism”, “alpha synuclein”, “SNCA-genet” og “Parkinson’s disease”. Vi udvalgte artikler, der opfyldte følgende inklusionskriterier: (a) artikler, der er skrevet på engelsk; (b) artikler, der beskrev undersøgelser af SNP’er i SNCA-genet; (c) artikler, der havde tilgængelige data om allel- og genotypefordelinger; (d) undersøgelser, der blev udført på mennesker; (e) undersøgelser, der inkluderede deltagere, der blev diagnosticeret med Parkinsons sygdom. Der blev udvalgt 57 undersøgelser til at foretage gennemgangen. Desuden blev andre relevante publikationer, selv om de ikke nødvendigvis opfyldte udvælgelseskriterierne, inkluderet i hele artiklen for at fremme diskussionen.

Følgende oplysninger blev uddraget fra hver undersøgelse: forfattere, år for offentliggørelse, land for den undersøgte population, antal patienter og kontrolpersoner, risikoforbindelse med PD og undersøgelse af miljøfaktorer og kliniske resultater. Associeringen af SNCA-polymorfismer og modtagelighed for PD blev ofte vurderet ved at sammenligne frekvensen af risikoallele og risikogenerotyper hos patienter og kontroller. Værdier af odds ratio (OR) og konfidensinterval (95 % CI) angav karakteristikken og betydningen af forbindelsen (OR-værdier højere end 1 indikerede øget risiko, og værdier lavere end 1 antydede reduceret risiko).

Tabel 1 opsummerer de vigtigste data fra de 57 udvalgte undersøgelser. Størstedelen af undersøgelserne blev udført i kaukasiske og asiatiske populationer. Undersøgelserne blev udført i fjorten forskellige lande (Mexico, Kina, Rusland, Tyskland, Taiwan, USA, Japan, Spanien, Italien, Irland, Nederlandene, Norge, Norge, Australien og Grækenland), der samlede patienter fra tyve lande (Mexico, Kina, Rusland, Tyskland, Taiwan, USA, Japan, Spanien, Italien, Norge, Nederlandene, Serbien, Irland, Australien, Frankrig, Grækenland, Polen, Sverige, Iran og Australien). Prøvestørrelsen varierede fra 91 til 5302 patienter i PD-grupper. Gennemsnitsalderen ved debut af PD varierede fra 45,2 til 68,2 år.

3. SNP’er og risikoen for Parkinsons sygdom

GWAS har identificeret 28 forskellige loci, der ændrer den individuelle risiko for PD, og tyder på, at genetiske faktorer bidrager til mindst en fjerdedel af den samlede variation i risikoen for PD . De to mest konsekvente gener for modtagelighed for sporadisk PD er alfa-synuclein (SNCA) og mikrotubuli-associeret protein tau (MAPT) generne, som kan udøve uafhængige eller fælles virkninger på risikoen for PD . Desuden har varianter i andre gener, der tidligere har været forbundet med autosomale former (LRRK2, PARK16-18 og GBA), også vist sig at være forbundet med risikoen for PD . Baseret på odds ratio- og konfidensintervalværdier i de udvalgte undersøgelser viste 39 forskellige SNP’er i SNCA-genet en statistisk signifikant effekt på modtagelighed for PD: ni varianter i 5′-enden, ni varianter nær 3′-enden og 25 intron-varianter (tabel 2). Placeringen af de seks hyppigst undersøgte SNP’er i SNCA-genet er illustreret i figur 1.

Der er blevet foreslået to store blokke af linkage disquilibrium i SNCA-genet: (1) en 5′-blok, der strækker sig fra promoter-enhancer-regionen til exon 4, og (2) en 3′-blok, der omfatter intron 4, 3′ UTR og 3′-endens region af genet . SNP’er i 3′-blokken udviste en mere ekspressiv sammenhæng med PD. Det største antal signifikante markører i 3′-blokken på tværs af forskellige populationer tyder på en større kausal effekt for varianter placeret i 3′-enden sammenlignet med 5′-enden. 3′-blokken indeholder elementer med højere bevaringsgrad på tværs af arter, hvilket understreger dens biologiske relevans .

Den polymorfe mikrosatellit REP1 (D4S3481) i SNCA’s promotorregion er en af de hyppigst undersøgte polymorfismer og blev påpeget som en risikofaktor i tretten af artiklerne . REP1-regionen spiller en afgørende rolle i reguleringen af ekspressionen af alfa-synucleinprotein. Varianter i REP1 er den eneste formodede funktionelle polymorfi, der er identificeret inden for SNCA-lokusset. REP1 SNP’en er en triallelisk polymorfi med den længste (263 bp) og mellemlange (261 bp) allel er normalt forbundet med en øget risiko for PD, som det ses i undersøgelser med nordamerikanske , tyske , græske og hollandske prøver. I 2006 gav en metaanalyse, der omfattede over 5 000 forsøgspersoner, stærke beviser for, at 263 bp-allelen var hyppigere i tilfælde, og at 259 bp-allelen var hyppigere i kontroller (hvilket indikerer en nedsat risiko for PD) . De fire andre SNP’er i 5′-regionen (rs2619362, rs2619363, rs2619364 og rs2583988) bidrog til stigningen i risikoen for PD i nordamerikanske og europæiske populationer.

Twenty-five introniske varianter var forbundet med modtagelighed for PD, selv om den præcise funktion af disse varianter af menneskelig SNCA stadig er ukendt. SNP rs2736990 i intron 4 var den hyppigste, med undtagelse af én undersøgelse ; denne SNP var en konsekvent risikofaktor for PD . På samme måde øgede SNP’erne rs2572324, rs7684318 og rs894278 også modtageligheden for sporadisk PD . Derimod blev der fundet en signifikant reduktion af PD-risikoen for SNP rs356186 i italienske , nordamerikanske og irske prøver.

Nu er SNP’er, der er placeret nær 3′-enden, også blevet identificeret som risikofaktorer for PD. Inden for 3′-regionen fokuserede størstedelen af undersøgelserne på rs356219, rs11931074 og rs356165. Blandt dem var SNP’en rs356219 den mest undersøgte, og den skiller sig ud som en konsekvent risikofaktor for PD i tolv af undersøgelserne. Varianter i 3′-regionen øger muligvis SNCA-ekspressionen på grund af fejlregulering af den posttranskriptionelle kontrol. I den 3′ utranslaterede region (UTR) findes der målbindingssteder for to mikroRNA’er (mir-7 og mir-153), og ændringer i disse regioner kan påvirke mRNA-stabilitet og translation . Endvidere var mir-7 og mir-153 forbundet med SNCA mRNA-ekspression i undersøgelser på mennesker . SNP rs356219 viste en robust association som en fælles modtagelighedsmarkør i tolv undersøgelser med patienter fra Rusland , Tyskland , Spanien , Japan , Kina , USA , Det Forenede Kongerige , Tyskland , Spanien , Kina og Nederlandene . Tilsvarende viste SNP rs11931074 en signifikant association med øget PD-risiko i syv undersøgelser, hvoraf fire blev udført i kinesiske prøver .

Varianterne rs356221, rs356165 og rs356182 i 3′ UTR bidrager også signifikant til stigningen i PD-risikoen i Tyskland , USA , Kina , Taiwan og Holland . Disse resultater styrker den rolle, som en posttranskriptionel mekanisme spiller i PD’s ætiologi. Varianten rs356165 var den mest udtryksfulde .

4. SNCA SNP’er og miljøfaktorers interaktioner

Trods relevansen af miljødata for forståelsen af PD’s ætiologi indeholder størstedelen af undersøgelserne kun få eller ingen oplysninger om mulige associationer mellem SNCA SNP’er og miljøfaktorer (tabel 3).

Sporadisk PD anses for at være et resultat af komplekse interaktioner mellem genetiske og miljømæssige risikofaktorer. Professionel pesticideksponering, landlig levevis og drikkevand fra brøndvand blev rapporteret til at øge risikoen for PD . Derimod er cigaretrygning og koffeinindtagelse blevet påpeget som beskyttende faktorer. Desuden, om end mindre konsekvent, var der en reduceret risiko for PD forbundet med alkoholforbrug . Potentielle interaktioner mellem SNCA SNP’er og pesticideksponering, rygevaner, hovedskader eller kaffe- og alkoholforbrug blev undersøgt i et par af undersøgelserne . Samlet set viste data nogle parvise interaktioner, men uden at nå signifikante niveauer efter Bonferroni-korrektion. For eksempel, selv om Miyake et al. , Chung et al. og Gao et al. fandt en signifikant beskyttende effekt af rygevaner mod PD, hvilket bekræfter epidemiologiske data, fandt kun den første undersøgelse signifikante interaktioner mellem SNP’er rs356219 og rs356220 og rygning.

Meta-analyser har forstærket den omvendte sammenhæng mellem cigaretrygning og PD-risiko mere konsekvent end andre miljøfaktorer (landlig levevis, forbrug af brøndvand, landbrug og brug af pesticider). En af de mekanismer, der foreslås at ligge til grund for denne neuroprotektion, er en reduktion af hjernens niveauer af enzymet monoaminoxidase B (MAO B), en isoform, der selektivt metaboliserer dopamin. Denne reduktion ville øge dopaminniveauerne og mindske produktionen af hydrogenperoxid og oxidativ stresshastighed . En alternativ forklaring er, at røg inducerer cytokrom P-450-enzymaktivitet. Dette enzym er ansvarligt for metabolismen af antipsykotiske lægemidler og afgiftning af visse miljøgifte såsom MPTP . I den forbindelse blev der i en case-kontrolundersøgelse, der blev gennemført i europæiske lande, undersøgt polymorfismer med relevans for hjernens ekspression og metabolisme af stoffer indeholdt i tobaksrøg, og der blev bekræftet betydelige interaktioner af SNP’er i gener fra cytokrom P-450-enzymfamilien (GSTM1, GSTP1 og NAT2). Der findes imidlertid ingen oplysninger om de mekanismer, der forklarer den biologiske interaktion mellem SNCA-genotyper og cigaretrygning.

5. SNCA SNP’er og interaktioner mellem kliniske resultater af PD

Polymorfismers indflydelse på PD’s fænotypiske variabilitet er fortsat uklar. Faktisk er der kun få undersøgelser, der specifikt har undersøgt deres forbindelser med særlige aspekter af sygdommen, såsom sygdomshistorie og kliniske resultater (tabel 4).

Alderen ved debut er det mest hyppigt undersøgte og veletablerede aspekt af sygdomshistorien. Polymorfismer placeret i promotoren (REP1), introner (rs2736990, rs894278) og 3′-regionen (rs356219 og rs356165) foreslås at være prædiktorer for tidligere udbrud af PD i australske og kinesiske , spanske , tyske , og britiske prøver. Identifikation af genetiske træk, der er forbundet med udbrud af PD, har et relevant potentiale for terapeutisk målretning. I betragtning af at neurodegeneration går forud for forekomsten af motoriske symptomer , er det afgørende at forudsige risikoen for at udvikle PD før de kliniske manifestationer.

Selv om det forventes, at SNCA-varianter ville påvirke individuelle træk eller fænotyper af sporadisk PD, blev denne sammenhæng kun dårligt udforsket i undersøgelserne. I en longitudinal undersøgelse med en nordamerikansk prøve viste Ritz et al., at REP1-263 bp promotorvariant og G-rs356165-allelen er risikofaktorer for hurtigere motorisk progression hos kaukasiske og ikke-kaukasiske PD-patienter (OR 1.66; 95% CI: 0.96-2.88). Wang et al. fandt en beskyttende sammenhæng mellem T-rs11931074 allel og motorisk sværhedsgrad. I en større stikprøve af kaukasiske patienter viste Markopoulou et al. imidlertid, at REP1-263 pb-allelen reducerede risikoen for at udvikle motoriske funktionsnedsættelser. Denne divergens kan være et resultat af forskelle i metoderne til motorisk evaluering. Ifølge Markopoulou et al. kan forskellene også antyde en dobbelt og tidsafhængig rolle for SNCA.

Svækkelser i den olfaktoriske funktion er et almindeligt ikke-motorisk træk ved tidligt stadie af PD, og TT-rs11931074-genotypen kan øge risikoen for hyposmi i PD-tilfælde .

Få andre undersøgelser påpegede svage eller fraværende forbindelser med kliniske resultater såsom angst eller depression , søvn og autonome forstyrrelser og kognitive forstyrrelser. Med hensyn til kognitive træk viste Markopoulou et al. at REP1-259 pb-allelen øgede risikoen for kognitive udfald. Trotta et al. fandt signifikante associationer af C-rs10018362-, T-rs7689942- og G-rs1348224-alleler med PD med demens og identificerede også en specifik haplotype i intron 4 af SNCA (C-rs62306323 og T-rs7689942), der var forbundet med øget risiko for PD med demens. Det er vigtigt at nævne, at begrænsede data om SNP-forbindelser med PD-fænotype i tværsnitsundersøgelser kan være relateret til en enkelt begivenhed i forbindelse med klinisk vurdering, hvilket kan maskere mulige virkninger. Undersøgelser af sådanne associationer kan give en vigtig klinisk anvendelighed af de signifikante resultater af genotypebestemmelsesundersøgelser. Flere undersøgelser, der evaluerer specifikke kliniske aspekter, især med longitudinelle designs, er nødvendige for at øge forståelsen af, hvordan genetiske faktorer bidrager til PD.

6. Biologiske virkninger af SNCA SNP’er

Der er stigende dokumentation, der understøtter de biologiske virkninger af genetiske varianter i SNCA, muligvis ved at ændre alpha-synuclein-ekspression. Blandt de undersøgelser, der er anført i tabel 5, blev associationerne af SNCA-REP1- og 3′-varianter (rs356219 og 11931074) og perifere alfa-synucleinniveauer undersøgt i kinesiske og nordamerikanske befolkninger. Mata et al. fandt en sammenhæng mellem CC-356219-genotypen og øgede plasmaniveauer af alfa-synuclein. En variation i REP1-regionen kan påvirke transkriptionel aktivitet ved at øge ekspressionen af alpha-synuclein og den deraf følgende proteinakkumulering . SNCA-duplikering og -triplikering i familiær PD er blevet forbundet med øgede mRNA-ekspressionsniveauer og med sygdommens sværhedsgrad .

I postmortale undersøgelser af hjernevæv er 3′-regions-SNP’erne rs356219 , rs356165 og rs11931074 blevet forbundet med øget genekspression. For rs356219 korrelerede den heterozygote CT-genotype med højere niveauer af SNCA-mRNA i substantia nigra hos PD-patienter. Den beskyttende TT-genotype var imidlertid ledsaget af højere ekspression i cerebellum, en struktur, der er mere bevaret i forløbet af PD . Tilsvarende præsenterede G-rs356219 allelbærere højere niveauer af SNCA112-mRNA-isoformen i den frontale cortex . Endvidere præsenterede PD-patienter højere niveauer af SNCA-112- og SNCA-98-transkriptet i cerebellum og occipital cortex sammenlignet med kontroller .

Linnertz et al. undersøgte virkningerne af SNCA SNP’er i 5′ og 3′-regioner på SNCA-ekspression i postmortale hjerner fra neurologisk normale personer. For REP1 korrelerede 256 bp/256 bp-genotypen med lavere SNCA-mRNA-niveauer, hvilket underbygger hypoteserne om, at nedsatte SNCA-niveauer beskytter mod sygdommen. Uventet korrelerede de beskyttende genotyper AA-rs356219 og AA-rs365165 i 3′-regionen med højere niveauer af SNCA-mRNA i temporal cortex og substantia nigra, hvilket fremhæver en udvidet regulerende effekt af denne region på de samlede SNCA-mRNA-niveauer.

Med hensyn til in vivo-undersøgelser præsenterede patienter med SNP rs2583988-genotyper ikke ændringer i alfa-synucleinniveauer i perifere mononukleære blodceller, mens proteinniveauerne blev reduceret i fravær af REP1-risikoallelen . For SNP’er i 3′-regionen blev der, mens bærere af T-rs11931074-allelen præsenterede reducerede niveauer af protein i serum , observeret et højere niveau af alfa-synuclein i plasma hos bærere af C-rs356219-allelen .

7. Genetisk baggrund, etnicitet og virkningen af SNCA SNP’er

Metodologiske aspekter såsom variationer i stikprøvestørrelsen, kontrol af stratificering af befolkningen og statistiske analyser kan forklare uoverensstemmelserne i virkningerne af SNP’er blandt de forskellige undersøgelser. Desuden er det almindeligt at udelukke indflydelsen af confounder-variabler som køn, alder og etnisk baggrund, som kan ændre resultaterne væsentligt.

De fleste af undersøgelserne blev udført i lande i Europa, Nordamerika og Asien, dvs. populationer med hovedsageligt kaukasisk og asiatisk genetisk baggrund. På trods af at etniske forskelle kan udelukke generalisering af resultaterne i genetiske undersøgelser, viste mange af SNP’erne lignende virkninger i grupper med forskellige genetiske baggrunde. For eksempel forblev SNP’en rs356219 en vigtig risikofaktor for PD i undersøgelser udført inden for nordamerikanske , spanske , russiske og kinesiske populationer. Ikke desto mindre synes det i betragtning af resultaternes betydning og perspektiverne for klinisk fremgang nødvendigt at udvide disse undersøgelser til andre kontinenter for at bekræfte, om disse genetiske virkninger er konsistente på tværs af forskellige befolkninger og for at verificere konsekvenserne af heterogenitet mellem befolkningsgrupper.

Finalt er det nødvendigt at overveje den rolle, som interaktioner mellem flere genetiske varianter spiller for sygdomsrisiko og klinisk profil, bortset fra varianter i SNCA-genet. For eksempel har undersøgelser af fænotypisk diversitet i PD identificeret en association mellem SNCA og MAPT. Denne association bidrog til øget kognitiv og motorisk sværhedsgrad i en kinesisk prøve og påvirkede udviklingen af kognitiv svækkelse og demens i en britisk prøve . Desuden er polymorfismer i GAB og LRRK2 blevet forbundet med en tidligere alder ved debut i henholdsvis en europæisk-amerikansk befolkning og i en spansk prøve. Også i nordamerikanere forudsagde APOE-varianter lavere kognitiv præstation hos PD-patienter .

8. Konklusioner

Denne gennemgang samlede bidragene fra polymorfismer i SNCA-genet til PD-modtagelighed og kliniske fænotyper. I de fleste af undersøgelserne blev der peget på indflydelsen af polymorfismer i flere regioner af SNCA-genet, såsom promotorregionen (REP1-SNCA), 3′-enden (f.eks. rs11931074 og rs356219), 3′ utranslaterede regioner (f.eks. rs356165) og introner (f.eks. rs7684318, rs894278 og rs276990). Desuden fremhæver vi, at det er nødvendigt at udvide den kliniske anvendelighed af disse data samt at undersøge den rolle, som SNCA-variationer spiller i befolkninger med forskellig etnisk baggrund.

Interessekonflikter

Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen interessekonflikter.

Anerkendelser

Forfatterne vil gerne takke de finansierende organer Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) (Grant no. 402054/2010-5), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Norte (FAPERN/PRONEX) og Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) (Grant no. 2015/12308-5).