Gli studi di associazione genomica (GWAS) hanno identificato centinaia di regioni del genoma contenenti migliaia di varianti genetiche associate all’asma, ma non è ancora chiaro quali varianti abbiano un effettivo nesso causale con la malattia. Questo divario tra “variante e funzione” rappresenta una delle maggiori sfide all’utilità di questi studi genomici e ha motivato i ricercatori a sviluppare nuovi strumenti per interpretare i risultati dei GWAS.
Un nuovo studio condotto dai ricercatori dell’Università di Chicago combina dati genetici e strumenti computazionali migliorati per analizzare più da vicino i risultati del GWAS sia per l’asma che si manifesta nell’età adulta sia per quella che si manifesta nell’infanzia.
La ricerca ha identificato numerose varianti genetiche con un’elevata probabilità di avere un effetto causale su entrambi i tipi di asma, aprendo la strada a ulteriori studi volti a individuare i geni collegati a queste varianti come potenziali trattamenti.
Lo studio, pubblicato su Genome Medicine, ha inoltre rilevato differenze significative nei set di geni che potrebbero essere collegati all’asma che si manifesta nell’età adulta e all’asma che si manifesta nell’infanzia, con relativamente poca sovrapposizione tra i due.
“La vera particolarità del nostro studio è che le differenze tra l’asma infantile e quella in età adulta erano evidenti a ogni livello da noi preso in esame“, ha affermato Carole Ober, Ph.D., Prof.ssa di eccellenza Blum-Riese e titolare della cattedra di genetica umana presso l’Università di Chicago, nonché coautrice senior dello studio.
“Si scopre che in realtà sono varianti diverse a contribuire all’asma. Anche quando il locus GWAS sembra lo stesso, i geni funzionalmente collegati a queste varianti sono diversi. Quindi, si tratta in realtà di malattie molto diverse“.
Varianti causali di mappatura fine
I ricercatori utilizzano i GWAS per confrontare le sequenze genomiche di un ampio gruppo di persone affette da una malattia con un altro insieme di sequenze di individui sani. Le differenze identificate nel gruppo affetto dalla malattia potrebbero indicare varianti genetiche che aumentano il rischio di quella malattia e giustificano ulteriori studi.
Tuttavia, la maggior parte delle malattie umane, inclusa l’asma, non è causata da una singola variante genetica. Sono invece il risultato di complesse interazioni tra molteplici geni, fattori ambientali e una serie di altre variabili. Di conseguenza, i GWAS spesso identificano troppe varianti nel genoma per essere utili senza ulteriori approfondimenti.
Il GWAS identifica anche solo l’associazione, non la causalità. In una tipica regione genomica, molte varianti sono altamente correlate tra loro, a causa di un fenomeno chiamato linkage disequilibrium. Questo perché il DNA viene trasmesso da una generazione all’altra in blocchi interi, non come singole varianti.
Pertanto, le varianti vicine tra loro tendono a essere correlate. A complicare ulteriormente il problema, la maggior parte delle varianti genetiche associate alle malattie si trova in regioni non codificanti del genoma, rendendone difficile l’interpretazione degli effetti.
Nel nuovo studio, Ethan Zhong, uno studente laureato che lavora con Ober e Xin He, Ph.D., Professore associato di genetica umana e altro coautore senior dello studio, ha voluto colmare il divario tra variante e funzione e trovare informazioni biologiche più concrete da diversi set di dati GWAS sull’asma.
Ha lavorato con i dati della UK Biobank, un database biomedico su larga scala e una risorsa di ricerca contenente dati genetici anonimizzati di quasi 500.000 persone nel Regno Unito. Utilizzando un metodo statistico chiamato “mapping fine”, è stato in grado di stimare la probabilità che una determinata variante genetica abbia una relazione causale con l’asma.
Le nuove stime hanno incorporato dati sull’accessibilità della cromatina, l’insieme di DNA e proteine che compongono i cromosomi. Quando una regione è coinvolta nella regolazione dell’espressione genica, la cromatina si “apre” per diventare più accessibile.
La quantità di cromatina aperta può essere misurata e utilizzata come indicatore dell’attività regolatrice; se combinata con prove statistiche, rafforza ulteriormente la tesi che la variante sia causalmente collegata all’asma.
“Le associazioni GWAS forniscono una serie di varianti associate alla malattia“, ha affermato Zhong. “Quindi, quando queste varianti si sovrappongono a regioni di cromatina aperte in tipi cellulari rilevanti per la patogenesi dell’asma, come le cellule epiteliali polmonari, riteniamo che sia più probabile che siano causali di questi fenotipi di asma”.
Zhong ha anche incluso dati sui loci dei tratti quantitativi di espressione (eQTL), varianti genetiche associate a differenze nell’espressione genica e interazioni con la cromatina di tipi cellulari del sangue e dei polmoni, per collegare le varianti mappate in modo preciso ai loro geni bersaglio. Utilizzando queste informazioni, ha stilato un elenco di probabili geni causali supportati da prove genetiche.
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Colmare il divario
L’analisi di mappatura fine ha individuato 21 set indipendenti di varianti (chiamati set credibili) per l’asma a esordio nell’età adulta e 67 per quello a esordio nell’infanzia, con solo il 16% condiviso tra i due.
Zhong ha anche cercato elementi cis-regolatori (CRE), brevi sequenze di DNA che controllano l’espressione di geni adiacenti, correlati all’asma, e ha trovato 62 e 169 geni candidati, rispettivamente per l’insorgenza nell’età adulta e nell’infanzia. Oltre il 60% di questi presentava cromatina aperta in diversi tipi cellulari, inclusi molti geni coinvolti nelle risposte immunitarie e infiammatorie.
Il team ha selezionato sei dei CRE candidati e li ha testati su cellule epiteliali bronchiali per verificare se le varianti avessero un effetto regolatore; quattro di queste lo hanno fatto, il che significa che i loro sforzi si stanno avvicinando al risultato finale del tipo giusto di cellule coinvolte nell’asma. Il divario tra variante e funzione si sta riducendo leggermente, aprendo la strada a ulteriori studi su questi geni candidati come potenziali bersagli terapeutici.
Foonte:Genome Medicine