Una base dati per il knowledge discovery in genetica medica

L'innovazione delle tecnologie di sequenziamento negli ultimi anni ha reso possibile la catalogazione delle varianti genetiche nei campioni umani, portando nuove scoperte e comprensioni nella ricerca medica, farmaceutica, dell'evoluzione e negli studi sulla popolazione. La quantità di sequenze prodotta è molto cospicua, e per giungere all'identificazione delle varianti sono necessari diversi stadi di elaborazione delle informazioni genetiche in cui, ad ogni passo, vengono generate ulteriori informazioni. Insieme a questa immensa accumulazione di dati, è nata la necessità da parte della comunità scientifica di organizzare i dati in repository, dapprima solo per condividere i risultati delle ricerche, poi per permettere studi statistici direttamente sui dati genetici. Gli studi su larga scala coinvolgono quantità di dati nell'ordine dei petabyte, il cui mantenimento continua a rappresentare una sfida per le infrastrutture. Per la varietà e la quantità di dati prodotti, i database giocano un ruolo di primaria importanza in questa sfida. Modelli e organizzazione dei dati in questo campo possono fare la differenza non soltanto per la scalabilità, ma anche e soprattutto per la predisposizione al data mining. Infatti, la memorizzazione di questi dati in file con formati quasi-standard, la dimensione di questi file, e i requisiti computazionali richiesti, rendono difficile la scrittura di software di analisi efficienti e scoraggiano studi su larga scala e su dati eterogenei. Prima di progettare il database si è perciò studiata l’evoluzione, negli ultimi vent’anni, dei formati quasi-standard per i flat file biologici, contenenti metadati eterogenei e sequenze nucleotidiche vere e proprie, con record privi di relazioni strutturali. Recentemente questa evoluzione è culminata nell’utilizzo dello standard XML, ma i flat file delimitati continuano a essere gli standard più supportati da tools e piattaforme online. È seguita poi un’analisi dell’organizzazione interna dei dati per i database biologici pubblici. Queste basi di dati contengono geni, varianti genetiche, strutture proteiche, ontologie fenotipiche, relazioni tra malattie e geni, relazioni tra farmaci e geni. Tra i database pubblici studiati rientrano OMIM, Entrez, KEGG, UniProt, GO. L'obiettivo principale nello studio e nella modellazione del database genetico è stato quello di strutturare i dati in modo da integrare insieme i dati eterogenei prodotti e rendere computazionalmente possibili i processi di data mining. La scelta di tecnologia Hadoop/MapReduce risulta in questo caso particolarmente incisiva, per la scalabilità garantita e per l’efficienza nelle analisi statistiche più complesse e parallele, come quelle riguardanti le varianti alleliche multi-locus.

Identificação e diferenciação do Mycobacterium tuberculosis pela amplificação do DNA das regiões intergênicas dos operons inhA e pIC

Entre as doenças causadas por bactérias do gênero Mycobacterium, a tuberculose por M. tuberculosis é a mais conhecida. O diagnóstico da doença é feito utilizando-se um conjunto de exames que possibilitam a identificação da mesma (WATT, 2000). Contudo, sabe-se que o diagnóstico combinado de microscopia direta e com o posterior isolamento em meio de cultivo é o “padrão-ouro”. A principal desvantagem desse método é que tal bactéria possui um crescimento lento (cerca de 8 semanas). Recentemente, a detecção de doenças através da técnica de reação em cadeia da polimerase (PCR) tem proporcionado avanços significativos no diagnóstico. O uso da amplificação específica de genes, para identificar a M. tuberculosis, tais como rDNA 16S, IS6110 ou a região intergênica senX3-regX3, tem apresentado algumas restrições, ao nível de confiabilidade e sensibilidade, para a aplicação da técnica de PCR. O presente estudo mostra a construção e a aplicação de um novo alvo para a aplicação da PCR no diagnóstico da tuberculose, baseado no ensaio da diferença de organização gênica do operon plcA, B e C diferenciando a M. tuberculosis das demais micobactérias. Neste trabalho, foram examinadas 273 amostras de pacientes com suspeita de tuberculose, sendo estas submetidas ao estudo comparativo da técnica de PCR versus cultivo (padrão ouro). A PCR amplificou fragmentos de 439pb. Os resultados mostram 93,7% de acurácia para PCR/Cultivo (p<000,1), 93,1% de sensibilidade com intervalo de confiança de 88,7-96,0 e especificidade de 96,4% com intervalo de confiança de 96,4-99,4. O valor da estatística Kappa (k) foi de 0,82 com erro padrão de 0,041, demonstrando um alinhamento quase perfeito para a verificação do grau de concordância entre os testes. Desta forma, o uso desta nova região para a amplificação da PCR se mostra uma importante e confiável ferramenta no diagnóstico específico da tuberculose. Outra região que compreende parte dos genes mbaA e inhA foi utilizada para diferenciar o Complexo tuberculosis do Complexo avium. Porém, novos experimentos serão necessários para o emprego desta região como uma ferramenta de diagnóstico.

Um estudo clínico, bioquímico, histoquímico e genético-molecular de pacientes com doenças do DNA mitocondrial

Introdução: As doenças mitocondriais apresentam características heterogêneas devido à própria natureza e função da mitocôndria, que possui o seu próprio DNA (mtDNA). A disfunção mitocondrial pode afetar um único órgão ou ser uma doença multissistêmica, de manifestação na infância ou na vida adulta, podendo ter um padrão de herança materna ou mendeliana. O diagnóstico é complexo e requer uma investigação criteriosa, passo-a-passo, com atenção a história clínica, exames laboratoriais, neuroimagem e, muitas vezes, a biópsia muscular para análise histoquímica, bioquímica e genética. A análise molecular é fundamental na definição do diagnóstico e os protocolos propostos até o momento são, geralmente, direcionados para um grupo de pacientes com características clínicas homogêneas. Objetivos: os objetivos deste trabalho foram: a) propor um protocolo combinando dados clínicos e laboratoriais para indicar a melhor forma de investigação molecular de pacientes com suspeita clínica de doença do DNA mitocondrial, b) Comparar os achados clínicos e laboratoriais nos pacientes com e sem mutação no mtDNA, c) avaliar quais são os fatores clínicos preditivos de mutação no mtDNA que podem ser utilizados como sinalizadores para o médico decidir quando deve ser realizado um procedimento diagnóstico invasivo e de alto custo, c) estimar a proporção de mtDNA mutado, através da técnica PCR em tempo real em um grupo de pacientes com deleção, correlacionando com a idade de início dos sintomas e gravidade de manifestações clínicas, d) relatar achados de RNM com espectroscopia por emissão de prótons em pacientes com deleção no mtDNA. Pacientes, material e métodos: Foram selecionados, no ambulatório de doenças mitocondriais do HCPA, 43 pacientes com suspeita clínica de doença mitocondrial. Esse pacientes foram submetidos à análise, por etapas, de 5 mutações de ponto no mtDNA de leucócitos, de deleção no mtDNA de músculo e ao sequenciamento do tRNAleu e tRNAlys. Os pacientes com resultados positivos e negativos para mutações do mtDNA foram então comparados em relação às suas características clínicas e laboratoriais. Foram selecionados 11 pacientes para a determinação da percentagem relativa de deleção do mtDNA no tecido muscular e 3 pacientes para a descrição da RNM com espectroscopia. Resultados – Foram encontradas mutações no mtDNA em 17 pacientes (39.9%) distribuídas da seguinte forma: 4 pacientes com MELAS (A3243G), 1 paciente com síndrome de Leigh (T8993C) e 12 pacientes com deleções no mtDNA. As características significativamente mais freqüentes no grupo de pacientes com mutação no mtDNA comparados com os demais foram: miopatia (p=0,032), retinopatia pigmentar (p=0,007), oftalmoplegia e ptose (p=0,002), baixa estatura (p=0,04), hipotrofismo (p=0,033) e acidose lática (p=0,006). A quantificação do mtDNA pela técnica de PCR em tempo real foi realizada em 11 amostras de músculo de pacientes com deleção no mtDNA e com diferentes manifestações clínicas. Não houve correlação entre a percentagem relativa de deleção no mtDNA com os fenótipos clínicos (PEO, KSS e encefalomiopatia associado à doença multissistêmica), bem como com a idade de início das manifestações clínicas. A RNM com espectroscopia por emissão de prótons realizada em três pacientes com deleção no mtDNA associada a um quadro clínico não clássico mostrou achados distintos para cada paciente, sendo comum a todos as lesões cerebrais e a presença do pico invertido de lactato. Conclusões - A criteriosa seleção clínica e laboratorial se mostrou apropriada e o protocolo empregado se mostrou eficiente, uma vez que a mutação no mtDNA pode ser detectada em 17 dos 43 pacientes com suspeita de doença mitocondrial. Os pacientes positivos para deleção no mtDNA apresentaram algumas características clínicas preditivas para doença do mtDNA, o que pode ser importante na indicação de um procedimento invasivo (biópsia muscular) e de alto custo. A técnica e PCR em tempo real pode ser utilizado para quantificar a percentagem relativa de mtDNA deletado, porém para o diagnóstico das deleções, essa técnica deve ser realizada de forma complementar à técnica tradicional (Southern blot). O número amostral ainda é pequeno para correlacionar a quantidade relativa de mtDNA deletado com as síndromes mitocondriais clássicas e não clássicas. A RNM com espectroscopia por emissão de prótons, por possibilitar a detecção do lactato cerebral, parece ter utilidade na avaliação clínica de pacientes com suspeita clínica de doença mitocondrial, mesmo quando o quadro não é clássico.

A síndrome de Williams-Beuren: contribuições à avaliação clínica e genômica

Pós-graduação em Ciências Biológicas (Genética) - IBB

Mutations, Clinical Findings and Survival Estimates in South American Patients with X-Linked Adrenoleukodystrophy

In this study, we analyzed the ABCD1 gene in X-linked adrenoleukodystrophy (X-ALD) patients and relatives from 38 unrelated families from South America, as well as phenotypic proportions, survival estimates, and the potential effect of geographical origin in clinical characteristics. Methods: X-ALD patients from Brazil, Argentina and Uruguay were invited to participate in molecular studies to determine their genetic status, characterize the mutations and improve the genetic counseling of their families. All samples were screened by SSCP analysis of PCR fragments, followed by automated DNA sequencing to establish the specific mutation in each family. Age at onset and at death, male phenotypes, genetic status of women, and the effect of family and of latitude of origin were also studied. Results: We identified thirty-six different mutations (twelve novel). This population had an important allelic heterogeneity, as only p. Arg518Gln was repeatedly found (three families). Four cases carried de novo mutations. Intra-familiar phenotype variability was observed in all families. Out of 87 affected males identified, 65% had the cerebral phenotype (CALD). The mean (95% CI) ages at onset and at death of the CALD were 10.9 (9.1-12.7) and 24.7 (19.8-29.6) years. No association was found between phenotypic manifestations and latitude of origin. One index-case was a girl with CALD who carried an ABCD1 mutation, and had completely skewed X inactivation. Conclusions: This study extends the spectrum of mutations in X-ALD, confirms the high rates of de novo mutations and the absence of common mutations, and suggests a possible high frequency of cerebral forms in our population.

Pathogenic mechanisms in mitochondrial optic neuropathies

Leber’s hereditary optic neuropathy (LHON) and Autosomal Dominant Optic Atrophy (ADOA) are the two most common inherited optic neuropathies and both are the result of mitochondrial dysfunctions. Despite the primary mutations causing these disorders are different, being an mtDNA mutation in subunits of complex I in LHON and defects in the nuclear gene encoding the mitochondrial protein OPA1 in ADOA, both pathologies share some peculiar features, such a variable penetrance and tissue-specificity of the pathological processes. Probably, one of the most interesting and unclear aspect of LHON is the variable penetrance. This phenomenon is common in LHON families, most of them being homoplasmic mutant. Inter-family variability of penetrance may be caused by nuclear or mitochondrial ‘secondary’ genetic determinants or other predisposing triggering factors. We identified a compensatory mechanism in LHON patients, able to distinguish affected individuals from unaffected mutation carriers. In fact, carrier individuals resulted more efficient than affected subjects in increasing the mitochondrial biogenesis to compensate for the energetic defect. Thus, the activation of the mitochondrial biogenesis may be a crucial factor in modulating penetrance, determining the fate of subjects harbouring LHON mutations. Furthermore, mtDNA content can be used as a molecular biomarker which, for the first time, clearly differentiates LHON affected from LHON carrier individuals, providing a valid mechanism that may be exploited for development of therapeutic strategies. Although the mitochondrial biogenesis gained a relevant role in LHON pathogenesis, we failed to identify a genetic modifying factor for the variable penetrance in a set of candidate genes involved in the regulation of this process. A more systematic high-throughput approach will be necessary to select the genetic variants responsible for the different efficiency in activating mitochondrial biogenesis. A genetic modifying factor was instead identified in the MnSOD gene. The SNP Ala16Val in this gene seems to modulate LHON penetrance, since the Ala allele in this position significantly predisposes to be affected. Thus, we propose that high MnSOD activity in mitochondria of LHON subjects may produce an overload of H2O2 for the antioxidant machinery, leading to release from mitochondria of this radical and promoting a severe cell damage and death ADOA is due to mutation in the OPA1 gene in the large majority of cases. The causative nuclear defects in the remaining families with DOA have not been identified yet, but a small number of families have been mapped to other chromosomal loci (OPA3, OPA4, OPA5, OPA7, OPA8). Recently, a form of DOA and premature cataract (ADOAC) has been associated to pathogenic mutations of the OPA3 gene, encoding a mitochondrial protein. In the last year OPA3 has been investigated by two different groups, but a clear function for this protein and the pathogenic mechanism leading to ADOAC are still unclear. Our study on OPA3 provides new information about the pattern of expression of the two isoforms OPA3V1 and OPA3V2, and, moreover, suggests that OPA3 may have a different function in mitochondria from OPA1, the major site for ADOA mutations. In fact, based on our results, we propose that OPA3 is not involved in the mitochondrial fusion process, but, on the contrary, it may regulate mitochondrial fission. Furthermore, at difference from OPA1, we excluded a role for OPA3 in mtDNA maintenance and we failed to identify a direct interaction between OPA3 and OPA1. Considering the results from overexpression and silencing of OPA3, we can conclude that the overexpression has more drastic consequences on the cells than silencing, suggesting that OPA3 may cause optic atrophy via a gain-of-function mechanism. These data provide a new starting point for future investigations aimed at identifying the exact function of OPA3 and the pathogenic mechanism causing ADOAC.