Genetiska varianter i SNCA och risken för sporadisk Parkinsons sjukdom och kliniska resultat: A Review

Abstract

Det finns allt fler bevis för att genetisk känslighet bidrar till etiologin för Parkinsons sjukdom (PD). Genetiska variationer i SNCA-genen är väletablerade genom kopplings- och genombreddsassocieringsstudier. Positiva associationer mellan enskilda nukleotidpolymorfismer (SNP) i SNCA och ökad risk för PD har hittats. SNCA-varianternas roll för enskilda egenskaper eller fenotyper av PD är dock okänd. Här granskade vi den aktuella litteraturen och identifierade 57 studier, utförda i fjorton olika länder, som undersökte SNCA-varianter och känslighet för PD. Vi diskuterade resultaten utifrån miljöfaktorer, historia av PD, kliniska resultat och etnicitet. Sammanfattningsvis kan SNPs inom SNCA-genen modifiera känsligheten för PD, vilket leder till ökad eller minskad risk. Riskassociationerna för vissa SNPs varierade mellan proverna. Av anmärkningsvärda studier i sydamerikanska eller afrikanska populationer hittades inga studier i sydamerikanska eller afrikanska populationer. Det finns lite information om effekterna av dessa varianter på särskilda kliniska aspekter av PD, t.ex. motoriska och icke-motoriska symtom. Likaså finns det få bevis för eventuella interaktioner mellan SNCA SNPs och miljöfaktorer eller sjukdomsutveckling. Det finns ett behov av att utöka den kliniska tillämpligheten av dessa uppgifter samt att undersöka SNCA SNPs roll i populationer med olika etnisk bakgrund.

1. Introduktion

Parkinsons sjukdom (PD) är en neurodegenerativ sjukdom som kännetecknas av motorisk dysfunktion men även orsakar icke-motoriska brister . Även om etiologin för PD fortfarande är oklar, har samspelet mellan genetiska och miljömässiga faktorer implicerats i uppkomsten av sjukdomen . Genombredda associationsstudier (GWAS) har identifierat varianter av många kandidatgener som bidrar till att förebygga PD, t.ex. variationer i SNCA-genen . Dessutom är vissa polymorfismer av SNCA bland de viktigaste riskfaktorerna för sporadisk PD .

SNCA-genen är belägen på människans kromosom 4 och kodar för proteinet alfa-synuklein. Den fysiologiska funktionen av alfa-synuklein är inte helt klarlagd. Studier har visat att alfa-synuklein har en nyckelroll i regleringen av neurotransmittorfrisättning, synaptisk funktion och plasticitet hos dopaminerga neuroner . Inblandningen i den dopaminerga överföringen och den dominerande förekomsten av alfa-synuklein i Lewy-kroppar visar att detta protein har ett samband med etiologin för PD. Dessutom stöder genetiska data alfa-synukleinets roll i sjukdomens patogena process. Exempelvis identifierades missense-mutationer i SNCA-locus i familjära former av PD (A53T, A30P, E46K och H50Q) samt hos sporadiska PD-patienter (A18T och A29S) . Vidare orsakar duplikationer och triplikationer av SNCA-locus familjär parkinsonism och korrelerar med sjukdomens svårighetsgrad .

Analyser av enskilda nukleotidpolymorfismer (SNP) i fall-kontrollstudier som utförts i olika populationer har visat på ett samband mellan flera SNCA-polymorfismer och risken för PD. Till exempel undersöks ofta den dinukleotiska upprepningen REP1 som finns i SNCA-promotorn (SNCA-REP1) och varianter av den otranslaterade 3′-regionen (UTR). Variationer i dessa regioner kan öka mottagligheten för PD genom att störa bindningsställen för transkriptionsfaktorer och skapa eller förstöra målställen för mikroRNA, vilket i sin tur ändrar genuttrycket .

Trots det faktum att denna typ av studier är frekventa visar undersökningar av sambandet mellan SNP:er och risken för PD i olika populationer motstridiga resultat. Dessutom är konsekvenserna av den genetiska variabiliteten på kliniska fenotyper, liksom interaktionen mellan genetiska och miljömässiga substrat, dåligt belysta. I idealfallet skulle data från SNP-studier förbättra kunskapen om patofysiologiska vägar och bidra till att rikta in sig på det bästa terapeutiska programmet. Syftet med denna översikt är att identifiera och jämföra de viktigaste SNP-associeringsstudier som genomförts i olika populationer. SNCA-polymorfismers roll som riskfaktor för PD och deras samband med kliniska resultat diskuteras.

2. Litteratursökning

Vi genomförde en undersökning i de relevanta databaserna PubMed/Medline och Scopus för studier fram till och med juli 2016 med hjälp av kombinationer av nyckelorden ”polymorphism”, ”alfa-synuclein”, ”SNCA gene” och ”Parkinson’s disease”. Vi valde ut artiklar som uppfyllde följande inklusionskriterier: (a) Artiklar som är skrivna på engelska. b) Artiklar som beskriver undersökningar av SNP:er i SNCA-genen. c) Artiklar som har tillgängliga uppgifter om allel- och genotypfördelningar. d) Studier som har utförts på människor. e) Studier som inkluderar deltagare som har diagnostiserats med Parkinsons sjukdom. 57 studier valdes ut för att genomföra granskningen. Dessutom inkluderades andra relevanta publikationer, trots att de inte nödvändigtvis uppfyllde urvalskriterierna, i hela artikeln för att underblåsa diskussionen.

Följande information extraherades från varje studie: författare, publiceringsår, land för den studerade populationen, antal patienter och kontrollpersoner, riskassociation med Parkinson och undersökning av miljöfaktorer och kliniska resultat. Sambandet mellan SNCA-polymorfismer och mottaglighet för PD bedömdes ofta genom att jämföra frekvensen av riskallel och riskgenotyper hos patienter och kontroller. Värden för oddskvot (OR) och konfidensintervall (95 % KI) angav karakteristiken och betydelsen av sambandet (OR-värden som är högre än 1 indikerade ökad risk och värden som är lägre än 1 föreslog minskad risk).

Tabell 1 sammanfattar de viktigaste uppgifterna från de 57 utvalda studierna. Majoriteten av studierna utfördes i kaukasiska och asiatiska populationer. Studierna utfördes i fjorton olika länder (Mexiko, Kina, Ryssland, Tyskland, Taiwan, USA, Japan, Spanien, Italien, Irland, Nederländerna, Norge, Australien och Grekland) och samlade patienter från tjugo länder (Mexiko, Kina, Ryssland, Tyskland, Taiwan, USA, Japan, Spanien, Italien, Norge, Nederländerna, Serbien, Irland, Australien, Frankrike, Grekland, Polen, Sverige, Iran och Australien). Urvalsstorleken varierade från 91 till 5302 patienter i PD-grupper. Medelåldern vid insjuknande i PD varierade från 45,2 till 68,2 år.

3. SNPs och risken för Parkinsons sjukdom

GWAS har identifierat 28 olika loci som ändrar den individuella risken för Parkinsons sjukdom och tyder på att genetiska faktorer bidrar till minst en fjärdedel av den totala variationen i risken för Parkinsons sjukdom . De två mest konsekventa generna för känslighet för sporadisk PD är alfa-synuklein (SNCA) och mikrotubuli-associerat protein tau (MAPT), som kan ha oberoende eller gemensamma effekter på risken för PD . Dessutom har varianter i andra gener som tidigare varit kopplade till autosomala former (LRRK2, PARK16-18 och GBA) också visat sig ha samband med risken för PD . Baserat på värden för oddskvoter och konfidensintervall i de utvalda studierna visade trettionio olika SNP:er i SNCA-genen en statistiskt signifikant effekt på mottaglighet för PD: nio varianter i 5′-ändan, nio varianter nära 3′-ändan och 25 intronvarianter (tabell 2). Placeringen av de sex mest frekvent undersökta SNP:erna i SNCA-genen illustreras i figur 1.

Figur 1

Diagram som illustrerar placeringen av de viktigaste SNP:erna i den humana SNCA-genen som granskats i denna studie: SNCA-REP1 (promotorområdet), rs2736990 (intron 4), rs356165 (3′ UTR) och rs356219, rs356220 och rs11931074 (3′-ändan). Svarta rutor anger översatta exoner, grå rutor anger otranslaterade regioner och den vita linjen anger introner.

Två stora block av kopplingsobalans i SNCA-genen har föreslagits: (1) ett 5′-block som sträcker sig från promoter-enhancerregionen till exon 4 och (2) ett 3′-block som omfattar intron 4, 3′ UTR och genens 3′-ände. SNPs i 3′-blocket uppvisade ett mer uttrycksfullt samband med PD. Det största antalet signifikanta markörer i 3′-blocket i olika populationer tyder på en större kausal effekt för varianter i 3′-ändan jämfört med 5′-ändan. 3′-blocket innehåller element med högre bevarandegrad hos olika arter, vilket understryker dess biologiska relevans .

Den polymorfa mikrosatelliten REP1 (D4S3481) i SNCA:s promotorområde är en av de mest undersökta polymorfismerna och pekades ut som en riskfaktor i tretton av artiklarna . REP1-regionen spelar en avgörande roll i regleringen av uttrycket av alfa-synukleinproteinet. Varianter i REP1 är den enda förmodade funktionella polymorfism som identifierats inom SNCA-lokusen. REP1 SNP är en triallelisk polymorfism där de längsta (263 bp) och mellanlånga (261 bp) allelerna vanligen förknippas med en ökad risk för PD, vilket framgår av studier med nordamerikanska , tyska , grekiska och nederländska prover. År 2006 gav en metaanalys med över 5 000 försökspersoner starka bevis för att 263 bp-allelen var vanligare i fall och att 259 bp-allelen var vanligare i kontroller (vilket tyder på minskad risk för PD) . De övriga fyra SNPs i 5′-regionen (rs2619362, rs2619363, rs2619364 och rs2583988) bidrog till den ökade risken för PD i nordamerikanska och europeiska populationer.

Tjugofem introniska varianter förknippades med PD-mottagningsförmåga, även om den exakta funktionen av dessa varianter av mänsklig SNCA fortfarande är okänd. SNP rs2736990 i intron 4 var den vanligaste, med undantag för en studie ; denna SNP var en konsekvent riskfaktor för PD . På samma sätt ökade SNP:erna rs2572324, rs7684318 och rs894278 också mottagligheten för sporadisk PD . Däremot hittades en signifikant minskning av risken för PD för SNP rs356186 i italienska, nordamerikanska och irländska prover.

Nyligen har SNP:er som ligger nära 3′-änden också identifierats som riskfaktorer för PD. Inom 3′-regionen har majoriteten av studierna fokuserat på rs356219, rs11931074 och rs356165. Bland dem var SNP:n rs356219 den mest undersökta, och den framstår som en konsekvent riskfaktor för PD i tolv av studierna. Varianter i 3′-regionen ökar möjligen SNCA-uttrycket på grund av felreglering av den posttranskriptionella kontrollen. I den otranslaterade 3′-regionen (UTR) finns målbindningsställen för två mikroRNA (mir-7 och mir-153), och förändringar i dessa regioner kan påverka mRNA:s stabilitet och översättning . Vidare var mir-7 och mir-153 associerade med SNCA mRNA-uttryck i studier på människor. SNP rs356219 visade ett robust samband som en gemensam mottaglighetsmarkör i tolv studier med patienter från Ryssland, Tyskland, Spanien, Japan, Kina, USA, Storbritannien och Nederländerna. På samma sätt visade SNP rs11931074 ett signifikant samband med ökad risk för PD i sju studier, varav fyra utfördes i kinesiska prover .

Varianterna rs356221, rs356165 och rs356182 i 3′ UTR bidrar också signifikant till ökningen av risken för PD i Tyskland , USA , Kina , Taiwan och Nederländerna . Dessa resultat förstärker den posttranskriptionella mekanismens roll i PD:s etiologi. Varianten rs356165 var den mest uttrycksfulla .

4. Interaktioner mellan SNCA SNPs och miljöfaktorer

Trots miljöuppgifternas relevans för förståelsen av PD:s etiologi innehåller majoriteten av studierna liten eller ingen information om eventuella samband mellan SNCA SNPs och miljöfaktorer (tabell 3).

Miljöfaktorer Studier Resultat Rökning Individer med GG-rs356219 och TT-rs356220 genotyper och bärare av allelen REP1-263 bp som aldrig hade rökt hade en signifikant ökad risk för PD. Koffeintag Ingen SNPs var signifikant associerade med denna faktor. Pesticidexponering Chung et al. fann ett suggestivt samband mellan C-rs3775423 och exponering för bekämpningsmedel. Alkoholkonsumtion Brighina et al. fann oberoende effekter för alkoholkonsumtion och REP1-SNCA. Alkoholkonsumtion var associerad med en minskad risk för PD. Huvudskada Huvudskada ökar risken för PD, särskilt när den inträffar före 30 års ålder; inget signifikant samband med SNCA SNPs.

Se tabell 1.

Tabell 3

Associering av miljöfaktorer för PD med SNPs i SNCA.

Sporadisk PD anses vara ett resultat av komplexa interaktioner mellan genetiska och miljömässiga riskfaktorer. Yrkesmässig exponering för bekämpningsmedel, boende på landsbygden och drickande av brunnsvatten rapporterades öka risken för PD . Däremot har cigarettrökning och koffeinintag pekats ut som skyddsfaktorer. Dessutom, även om det är mindre konsekvent, har minskad risk för sjukdomen förknippats med alkoholkonsumtion . Potentiella interaktioner mellan SNCA SNPs och exponering för bekämpningsmedel, rökvanor, huvudskador eller kaffe- och alkoholdrickande undersöktes i några av studierna . Sammantaget visade data på vissa parvisa interaktioner, men utan att nå signifikanta nivåer efter Bonferroni-korrigering. Även om till exempel Miyake et al. , Chung et al. och Gao et al. fann en signifikant skyddande effekt av rökvanor mot PD, vilket bekräftar epidemiologiska data, var det bara den första studien som fann signifikanta interaktioner mellan SNPs rs356219 och rs356220 och rökning.

Metaanalyser har förstärkt det omvända sambandet mellan cigarettrökning och PD-risken på ett mer konsekvent sätt än andra miljöfaktorer (boende på landsbygden, konsumtion av brunnsvatten, jordbruk och användning av bekämpningsmedel). En av de mekanismer som föreslås ligga till grund för denna neuroprotektion är minskningen av hjärnans nivåer av enzymet monoaminoxidas B (MAO B), en isoform som selektivt metaboliserar dopamin. Denna minskning skulle öka dopaminnivåerna och minska produktionen av väteperoxid och oxidativ stress . En alternativ förklaring är att rök inducerar cytokrom P-450-enzymaktivitet. Detta enzym är ansvarigt för ämnesomsättningen av antipsykotiska läkemedel och avgiftningen av vissa miljögifter som MPTP . I en fall-kontrollstudie som utfördes i europeiska länder undersöktes polymorfismer med relevans för hjärnans uttryck och metabolism av ämnen som ingår i tobaksrök och bekräftade signifikanta interaktioner av SNPs i generna i cytokrom P-450-enzymfamiljen (GSTM1, GSTP1 och NAT2). Det finns dock ingen information om de mekanismer som förklarar den biologiska interaktionen mellan SNCA-genotyper och cigarettrökning.

5. SNCA SNPs och interaktioner mellan kliniska resultat av PD

Polymorfismers påverkan på PD:s fenotypiska variabilitet är fortfarande oklar. Faktum är att få studier specifikt undersökte deras samband med särskilda aspekter av sjukdomen, såsom sjukdomshistoria och kliniska resultat (tabell 4).

Åldern vid insjuknandet är den mest frekvent undersökta och väl etablerade aspekten av sjukdomshistorien. Polymorfismer belägna i promotorn (REP1), introner (rs2736990, rs894278) och 3′-regionen (rs356219 och rs356165) föreslås vara prediktorer för tidigare insjuknande i PD i australiensiska och kinesiska , spanska , tyska och brittiska prover. Identifiering av genetiska egenskaper som är förknippade med uppkomsten av PD har en relevant potential för terapeutisk inriktning. Med tanke på att neurodegeneration föregår uppkomsten av motoriska symtom är det viktigt att förutsäga risken för att utveckla PD före de kliniska manifestationerna.

Även om man förväntar sig att SNCA-varianter skulle påverka enskilda egenskaper eller fenotyper av sporadisk PD, har detta samband undersökts bristfälligt i studierna. I en longitudinell studie med ett nordamerikanskt urval visade Ritz et al. att REP1-263 bp-promotorvarianten och G-rs356165-allelen är riskfaktorer för snabbare motorisk progression hos kaukasiska och icke-kaukasiska PD-patienter (OR 1,66; 95 % CI: 0,96-2,88). Wang et al. fann ett skyddande samband mellan T-rs11931074-allelen och motorisk svårighetsgrad. I ett större urval av kaukasiska patienter visade Markopoulou et al. dock att REP1-263 pb-allelen minskade risken för att utveckla motoriska funktionsnedsättningar. Denna avvikelse kan vara ett resultat av skillnader i metoderna för motorisk utvärdering. Enligt Markopoulou et al. kan avvikelserna också tyda på en dubbel och tidsberoende roll för SNCA.

Besvär i luktfunktionen är ett vanligt icke-motoriskt kännetecken i ett tidigt skede av PD, och genotypen TT-rs11931074 kan öka risken för hyposmi i PD-fall .

Få andra studier pekade på svaga eller obefintliga associationer med kliniska utfall som ångest eller depression , sömn- och autonoma störningar och kognitiva funktionsnedsättningar. När det gäller kognitiva funktioner visade Markopoulou et al. att REP1-259 pb-allelen ökade risken för kognitiva resultat. Trotta et al. fann signifikanta samband mellan C-rs10018362-, T-rs7689942- och G-rs1348224-alleler och PD med demens och identifierade också en specifik haplotyp i intron 4 av SNCA (C-rs62306323 och T-rs7689942) som är förknippad med ökad risk för PD med demens. Det är viktigt att nämna att begränsade uppgifter om SNP-associationer med PD-fenotyp i tvärsnittsstudier kan vara relaterade till en enda händelse av klinisk bedömning, vilket kan maskera eventuella effekter. Studier av sådana associationer skulle kunna ge viktig klinisk tillämplighet av de signifikanta fynden från genotypningsstudier. Fler studier som utvärderar specifika kliniska aspekter, särskilt med longitudinell utformning, är nödvändiga för att öka förståelsen för hur genetiska faktorer bidrar till PD.

6. Biologiska effekter av SNCA SNPs

Det finns allt fler bevis som stödjer de biologiska effekterna av genetiska varianter i SNCA, möjligen genom att förändra alfa-synukleinuttrycket. Bland de studier som förtecknas i tabell 5 undersöktes associationerna mellan SNCA-REP1- och 3′-varianter (rs356219 och 11931074) och perifera alfa-synukleinnivåer i kinesiska och nordamerikanska populationer. Mata et al. fann ett samband mellan CC-356219-genotypen och ökade plasmanivåer av alfa-synuklein. En variation i REP1-regionen kan påverka transkriptionsaktiviteten genom att öka uttrycket av alfa-synuklein och den därav följande proteinackumuleringen . SNCA-duplikation och triplikation vid familjär PD har kopplats till ökade mRNA-uttrycksnivåer och till sjukdomens svårighetsgrad .

I postmortala studier av hjärnvävnad har 3′-regionens SNPs rs356219 , rs356165 och rs11931074 associerats med ökat genuttryck. För rs356219 korrelerade den heterozygota CT-genotypen med högre nivåer av SNCA-mRNA i substantia nigra hos PD-patienter. Den skyddande TT-genotypen åtföljdes dock av högre uttryck i cerebellum, en struktur som är mer bevarad under förloppet av PD . På samma sätt uppvisade bärare av G-rs356219-allelen högre nivåer av SNCA112-mRNA-isoformen i frontalcortex . Vidare uppvisade PD-patienter högre nivåer av SNCA-112- och SNCA-98-transkript i lillhjärnan och occipitala cortex jämfört med kontroller .

Linnertz et al. undersökte effekterna av SNCA SNPs i 5′- och 3′-regionerna på SNCA-uttrycket i postmortala hjärnor från neurologiskt normala personer. För REP1 korrelerade genotypen 256 bp/256 bp med lägre SNCA-mRNA-nivåer, vilket bekräftar hypoteserna om att minskade SNCA-nivåer skyddar mot sjukdomen. Oväntat nog korrelerade de skyddande genotyperna AA-rs356219 och AA-rs365165 i 3′-regionen med högre nivåer av SNCA-mRNA i temporal cortex och substantia nigra, vilket belyser en utökad reglerande effekt av denna region på de totala SNCA-mRNA-nivåerna.

När det gäller in vivo-studier uppvisade patienter med SNP rs2583988-genotyper inga förändringar i alfa-synukleinnivåerna i mononukleära celler i perifert blod, medan proteinnivåerna minskade i avsaknad av REP1-riskallelen . När det gäller SNPs i 3′-regionen uppvisade bärare av T-rs11931074-allelen minskade proteinnivåer i serum, medan en högre nivå av alfa-synuklein i plasma observerades hos bärare av C-rs356219-allelen .

7. Genetisk bakgrund, etnicitet och effekten av SNCA SNPs

Metodologiska aspekter som variationer i urvalsstorlek, kontroll av stratifiering av befolkningen och statistiska analyser kan förklara skillnaderna i effekterna av SNPs mellan de olika studierna. Dessutom är det vanligt att man utesluter inflytandet av confoundervariabler som kön, ålder och etnisk bakgrund, vilket kan ändra resultaten avsevärt.

Majoriteten av studierna genomfördes i länder i Europa, Nordamerika och Asien, det vill säga populationer med huvudsakligen kaukasisk och asiatisk genetisk bakgrund. Trots att etniska skillnader kan omöjliggöra en generalisering av resultaten i genetiska studier visade många av SNP:erna liknande effekter i grupper med olika genetiska bakgrunder. Till exempel förblev SNP rs356219 en viktig riskfaktor för PD i studier som utfördes inom nordamerikanska , spanska , ryska och kinesiska populationer. Med tanke på resultatens betydelse och perspektiven för kliniska framsteg verkar det dock nödvändigt att utvidga dessa undersökningar till andra kontinenter för att bekräfta om dessa genetiska effekter är konsekventa i olika populationer och för att verifiera konsekvenserna av heterogenitet mellan olika populationer.

Finalt är det nödvändigt att, förutom varianter i SNCA-genen, beakta betydelsen av interaktioner mellan flera genetiska varianter för sjukdomsrisken och den kliniska profilen. Undersökningar av fenotypisk mångfald vid PD har till exempel identifierat ett samband mellan SNCA och MAPT. Denna association bidrog till ökad kognitiv och motorisk svårighetsgrad i ett kinesiskt urval och påverkade utvecklingen av kognitiv försämring och demens i ett brittiskt urval . Dessutom har polymorfismer i GAB och LRRK2 förknippats med tidigare ålder vid insjuknandet i en europeisk-amerikansk population respektive i ett spanskt urval. Dessutom förutspådde APOE-varianter hos nordamerikaner lägre kognitiv förmåga hos PD-patienter .

8. Slutsatser

Denna översikt samlade bidragen från polymorfismer i SNCA-genen till PD-mottagningsförmåga och kliniska fenotyper. I de flesta studierna påpekades inflytandet av polymorfismer i flera regioner av SNCA-genen, såsom promotorregionen (REP1-SNCA), 3′-änden (t.ex. rs11931074 och rs356219), 3′ otranslaterade regioner (t.ex. rs356165) och introner (t.ex. rs7684318, rs894278 och rs276990). Dessutom lyfter vi fram att det är nödvändigt att utöka den kliniska tillämpligheten av dessa data, samt att undersöka vilken roll SNCA-variationer spelar i populationer med olika etnisk bakgrund.

Intressekonflikter

Författarna förklarar att de inte har några intressekonflikter.

Acknowledgments

Författarna vill tacka finansieringsorganen 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) och Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) (Grant no. 2015/12308-5).