§enetiJ{a vnímavosti a odolnosti £ nemocem u Mí a zvířat Petr Hořín Ústav genetiky FVL VFU Brno, Ceitec Vetuni Ústav lékařské genetiky a genomiky LF MUNI Ústav experimentální biologie PÍF MUNI 3 *** Reakce organismu na patogenní noxu S Ovlivněná charakterem noxy, prostředím a aktuálním stavem organismu a jeho genetickým založením S Jako taková je od své podstaty variabilní Htnpr Nemoci a geny S Dědičná onemocnění s Genetická odolnost/vnímavost k onemocněním S Mutace a polymorfismus y Mutace jako příčina dědičných nemocí •s Genetický polymoríismus jako příčina variability v odolnosti a vnímavosti k nemocem 1 Odolnost vs. vnímavost (resistence vs. susceptibilita) k onemocněním ■S Geny ovlivňující zdravotní stav v interakci s prostředím Jejich polymoríismy nejsou příčinou onemocnění, ale ovlivňují reakci na (environmentálni) patogenní faktory •/ Evoluční kontext a význam y y praxi většinou relativní pojem Dědičnost vnímavosti k nemocem y Mendelistická: jednotlivé mutace se silným účinkem na fenotyp S Komplexní: interakcepolymorfních variant (SNP) mnoha genů y Nukleotidová sekvence i cgcgcggcctctigtggccatcctggtcctcctaaaccacdggac i cgcgcggcctctigtggtcatcctggtcctcctaaaccacdggac y Mely C,T y Genotypy CC, CT, 77 Mendelistická vs. nemendelistická dědičnost, jednoduché vs. komplexní znaky cgcgcggcc-tcttgtggccatcctggtcctcctaactccGcctggGC cgcffíf g gc g tt tíg tgg ccaí cc tg g tc třít: cta q o í cat ctg g a c >->-j:-u. ggr.i lLÍtg!yyttutítítg:;ttcttc.tooc/i.c.tJLLi{ju'.iL cgcgcggcrtcttgtggtcatcctggtcctcctaaaccacctggac Slabé individuálni účinky be-z fenotypmrétin :> i ::. Silný účinek, projet fenotvpu n/en[]ířli!5tic:k;i cédicincjKt \\\// 5ilný ÚĚinekr projev \ie fenotypu Nemencieiijtiri'í dědičnost 2 Dědičnost vnímavosti k nemocem S Individuální (mendelístícky dědičné) mutace se silným účinkem mohou mít stejný efekt jako kumulovaný efekt většího počtu SNPs (nemendelistická dědičnost) ■S Malé (ne vždy stejně ve\ké) aditivní účinky jednotlivých polymorfismů, nejčastěji SNPs, skládají komplexní fenotypy ■S Vliv vnějšího prostředí na multifaktoriálně založené znaky ■S Genomické analýzy umožňují identifikaci SNPs a genů majoritně přispívajících ke studovanému fenotypu - genetické markery a tmt ffttt tíftttt rmmn ♦*tmt i <2 6 E Li s • I ^ E ! e .; i i 10 Genové dráhy a mechanismus nemoci (patogeneze) Family Gene Cholesterol and lipoprotein-related A2M, ABCA1, APOA1, APOA4, APOC1, APOC2, APOC3, APOE, CD3S, CETP, HMGCR, L DLR, LIPA, LR P1, LRPö, LPA, LPL, OLR1, SREBF1 Cytokines CCL2,CCR2,1L1B, 1L1RN, 1L6.1L1S, TGFB 1, TNF Oxidative stress ALDH2, GSTM1, GSTT1, HFE, MPO, NOS3, PON1, PON2 Nuclear receptor and related CYP19A1,ESR1,PPARA Proteases ACE, CST3, MMP1, MMP3, SERP1NE1 Miscellaneous BCHE,CBS, CD14, CRP, GNB3, HLA-A2, HTRö, 1CAM1, MEF2A, MTHFR, PTGS2, TLR4 Genes associated with both atherosclerosis/hypercholesterolaemia and Alzheimer's Možnost řešení komplexních problémů PATOGENEZE NEMOCÍ 12 3 Možnosti genomiky A Mechanismy/ Dráhy t Geny Markery Odolnost/vnímavost: klasifikace podle patogenní noxy sk faktorům abiotickým (teplota, stress, výživa, jedy...) s k faktorům biotickým (infekce) # s obecná (nespecifická) s specifická (závisí na mechanismu) 13 14 Variabilita v odolnosti/vnímavosti k onemocněním ^Druhová s Rasová - etnická, plemenná s Individuální Rasová variabilita v odolnosti/vnímavosti (R/S) k onemocněním ^Lidé: genetika vs. prostředí (malárie, Covid19....) ^Domácí zvířata: mnoho plemen, mnoho různých prostředí 15 16 4 Meziplemenné rozdíly u hospodářských zvířat SECTION E ANIMAL GENETIC RESOURCES AND RESISTANCE TO DISEASE * CI % I • M THE STATE i^H Of THE WORLDS ANIMAL GENETIC RESOURCES FOR FOOD AND AGRICULTURE I httpJ/www.fao. (xg/docrep/010/a 1250ďa1250e00.htm Meziplemenné rozdíly v R/S jako výsledek alelické variability Small changes in disease resistance/tolerance genes: result in large differences in disease outcome Susceptible Hoi stein M3>: high expression of SIRPB, DQA, TGFB2 In vivo: high proinflammatory cytokine response Outcome: Pathology Tolerant Sahiwal M: low expression of SIRPB, DQA, TGFB2 In vivo: low pro* inflammatory cytokine response outcome: Protection 17 18 19 20 Význam definice fenotypu s Resistence: schopnost omezit replikaci patogena v hostitelském organismu s Tolerance: schopnost udržet homeostázu za přítomnosti patogena v organismu s Shedding: vylučování patogena do prostředí | Susceptibilita Tolerance, nosičstvi, vylučovatelstvi Resistencě~\ Genetické založen/, negenetické vlivy, seteříce Individuální variabilita v R/S a její biologický princip Proč dosud nebyly vnímavé genotypy a fenotypy eliminovány přírodní selekcí? I 21 22 R/S k infekcím: evoluční kontext a význam sDarwinovský boj dvou organismů o přežití s Variabilita v reakci na patogenní agens s Patogeny jako hybná síla evoluce s Variabilita v odolnosti/vnímavosti jako výsledek interakce hostitele a patogena 24 6 Infekční onemocnění PATOGEN HOSTITEL Individuální variabilita v R/S a její biologický princip Proč dosud nebyly vnímavé genotypy a fenotypy eliminovány přírodní selekcí? s Změny v patogenů v čase s Relativní hodnota R/S fenotypu/genotypu v kontextu dalších znaků ovlivňujících fitness s Korelace mezi znaky R/S s Darwinovský boj dvou organismů o přežití s Různá možná východiska: konkurence vs. koevoluce: Symptomatologie určena převážně patogenem nebo převážně hostitelem s Infekční onemocnění v evolučním kontextu 25 26 SMutace - evoluční nástroj patogenů S Rozdíly v generačním intervalu S Rozdíly v dlouhodobých a krátkodobých účincích mutací S Potenciál genetické variability využitý k úniku imunitním mechanismům, indukci imunosuprese nebo k aktivní modulaci imunitních reakcí hostitele ■S Neímunítní obranné mechanismy (a jejích geny): bariéry, receptory, metabolismus, morfologie, etologie atd. ■S Imunitní obranné mechanismy (a jejich geny): přirozená imunita, specifická (adaptivní) imunita ■S Specifické rysy imunitního systému: lymfocyt jako konkurenceschopný „organismus" 27 28 7 Geny obranyschopnosti hostitele: imunogenom :;■ •iflill^S1! 3 a 5 e It í a io n ía ftlitt't Ail 8 15 lí 17 19 19 30 21 22 X Y 23 Lymfocyt jako konkurenceschopný „organismus" S Generační interval srovnatelný s infekčními patogeny ■S Schopnost genetické proměnlivosti srovnatelné s infekčními patogeny („somatické hypermutace") ■S Konkurenceschopnost darwinovského typu: anticipace (přestavby DNA, kombinatorický princip sestavení receptoru pro antigén) a darwinovská selekce (afinitní maturace) Imunogenom: definice s Geny účastnící se obrany organismu, geny imunitní odpovědi, IR geny s Asi 1000 (5%) protein kódujících genů, neznámý počet genů kódujících RNA s Geny stejného biologického významu, ale mnoha různých funkcí 30 fa Infekční nemoc jako výsledek interakce ijjj hostitele a patogena The infection must be seen in the context of the countermeasures produced by the parasite, and judged as a dynamic interaction of host and parasite rather than the clearance of an inert antigen by the host immune response" Rilkinetal., 1996 32 8 III Praktické (biomedicínské) aspekty ml interakce hostitele a patogena vTvemoc jako obranná reakce S Individuální variabilita v užití a intenzitě různých obranných mechanismů S Často jedinečná kombinace hostitele a patogena S Individuální rozdíly v použití různých imunologických mechanismů v reakci na téhož patogena S Individuální variabilita v manifestaci onemocnění (různé klinické fenotypy) ^^^^^ 34 Dědičnost vnímavosti a odolnosti k nemocem Louis Pasteur 1822-1895 -o Marie Pasteur 1826-1910 óůó Jeanne Jean-Baptiste Cecile Marie-Louise Camille 1850-1859 1851-1908 1653-1866 1858-1934 1863-1865 Mendelistická dědičnost: příklady Nízkočetné mutace s velkým účinkem Mendalian disorders ol Immunity to Infection associated with predisposition or rol; tm ca to specific Infections Clinical phenotype Immunological phenotype Gene Human papillrvnnvlriis Plasmodium vhac Human Immunedeficiency virus-1 Noro virus Invasive disaasa Invasive disease MSMD □ Isssml rated t ubeioukrels Invasive disease X-linksd lymphoprölferatlvö dlsoaso Epidermodysplasia verruciformis Natural resistance Natural resistance Natural resistance Pj-opeidin deflcbrtcy IL-ia5^IFľJ-7duflck)ľ>cv r..r =: 1 or EVER2 deficiency CS, CS, Cl, C8A, CTß, CSG, C9 PFC IFNGfíl, ífrJQFĚ, STATlrHmO. USB. 1L12RB1 1RAK4 SH2D7A Lack of receptor lor pathogen DAPC Lack of receptor Icr pathogen CCffS Lack of receptor for pathogen FVT2 35 36 Příklady genů významných ve vnímavosti k infekcím u lidí S Noroviry, rotaviry (FUT2) SAIDS (CCR5) SMalárie (Duffy) SCOVID 19(AB0, IFNtypl) V Chřipka (MxA, ortologní geny u člověka, myši, prasat, slepic a koní) Příklady genů významných ve vnímavosti k infekcím s HRAMP 1 S0AS1 37 38 NRAMP1 Natural Resistance Associated Macrophage Protein s kandidátní gen lokusu Bcg/Lsh/lty u myši s polymorfismus nukleotidové sekvence - alely resistence a susceptibility s produkt: membránový protein, vyjádřen v makrof azích ^funkce: transport divalentních kationtů ^ortology u jiných druhů NRAMP1 a TBC v Africe Table 3. Combined Analysis of NílAMPI INT4 and í'TJTR. Variants.* INW with Chi- 3'UTR Tuber- Odds Ratio Square P Genotype culosis Controls [95% CH Test Value GG/++ GC/++ GG/+IÍA no. of subjects 191 45 US 31 2S1 33 S4 10 1.0 1.79 (1.07-3.00) 5.04 0.02 1.S5 (1.30-2.62) 12.24 <0.001 4-07 (1.86-9.12) 14.58 <0.0D1 39 40 10 Pozor: úloha NRAMP1 v komplexní dedičnosti vnímavosti k TB s Kóduje 2' - 5' - oligoadenylát syntézu, aktivovanou dsRNA s Po navázání dsRNA generuje druhého posla 2'-5' oligoadenylát (2-5A), ktery aktivuje ribonukleázu L (RNaseL), což blokuje replikaci viru s Mutace v exonu 4 generuje STOP kodon způsobující vnímavost k infekci u myší s Polymorfismy v OAS1 a RNAaseL asociovány s vnímavostí k flavivirům i u jiných druhů (WNV u koni) 41 42 ■S Migrace a sympatrie hominoidních populací, odlišné infekce ■S Nižší diversita genomu i většiny IR genů u Neandrtálců S Vyšší diversita MHC ■S Archaické neandrtálské ha plotypy TLR6-TLR1-TLR10 ■S Chromozomy 3 a 12: riziko vs. protekce ke Covid-19 (OAS1) Komplexní dedičnosť, genomika a infekce u lidí Table 1 Genetic loci identified by genome-wide association studies for host susceptibility to infectious diseases Biological mechanism Hepatitis C3A Leprosy5 Hepatitis C wirus (HCV) Mycobacterium leprae Major histocompatibility complex, class I WLA-B-HLArQ, CCR5 ÍL28B Major histocompatibility complex, class 11 ÍHLA-DR-DQj, N0D2, TNFSF15, RIPK2, CCDC122 and C13orf31) 18qll.2 Í.GATA6, CTAGE1, RBBPS, CFH, CFMR3, CFHR1 DeBakker, Telenti 2010 Innate immunit Acquired and ii 43 44 rtŕ Komplexní dědičnost \}\ genomika a infekce u lidí ©@ — 45 \{i Nejvýznamnější příklady využití M genetické resistence ve šlechtění ^Skot: mastitidy y Prase: PSS ^Kur: Markova choroba ^Ovce: scrapie, paraziti GIT, OPPV 47 % Využití genetické resistence ve li{ šlechtění domácích zvířat ^Nepoužitelnost jiných metod ^Existence dostatečné variability ^Nezávislost na resistenci k jiným onemocněním a na užitkových vlastnostech ^Ekonomická efektivnost 46 ^ Příklady využití genomiky u ovcí: fä lentivirus OPPV __. _._ _ -biCH rte puu Genetic Testing for TMEM154 Mutations Associated with Leniivirus Susceptibility in Sheep ' h™!™'-". Tl™la™ 1. *.lbfl.h,'1-,,l bu.tm T. f.[nk\ u-t. limpum1, j.im W. kjj..'. 1^, _____ Mid.4lon»llf.nl C OiMrLM[Knn,l Gi-a^ury ř. HBrhjM1, Krtf A_ l«i¥tib 11 ■ r1. thy ťiLN LM 1 K ' ^V. i!."',' —----- 48 12 Příklady využití genomiky u koní: virus koňské arteritidy Development of a TaqMan Allelic Discrimination qPCR Assay for Rapid Detection of Equine CXCL16 Allelic Variants Associated With the Establishment of Long-Term Equine Arteritis Virus Carrier State in Stallions rs Ukmq uosstfe nature rtocton wBi UV Nový test umožňuje identifikovat homozygoty pro alelu spojenou s dlouhodobým nosičstvím viru koňské arteritidy a vakcinovat je po 6. měsíci věku, aby se zabránilo přirozené infekci a jejímu dlouhodobému přetrvávání. Příklady využití genetické resistence ve šlechtění: další infekce ... I 49 50 H Pri ony, scrapie * t 1» 9 ^ '■ . ' Problém nikoli ekonomický, ale obava o verejné zdraví é? • • .' • *■ » i <». ■ ,. « 4 » i * > ••- Genetická podstata ozdravovacího programu X" • ' ' - ^ • * ' . >» ' . / , * . • ' i • 51 52 f. • • m 9 9 m tt * • "» • * r* 'Á 'A- ' ' ' . \ 1 • . • \ * á c *ľ » ' ě • . • • • * ■ • * * « < f ý • é • v • * * i « • V ♦ t • • v 53 W Vznikpri onom ňčástic w I^IMII [■■■■■] 55 M Prionovýprotein 54 ty Ozdravovací program Založen na existenci genetické resistence ke vzniku onemocnění 56 14 136 154 171 A R R A H Q A R H A R Q V R Q A = alanin; H = histidin; Q = glutamin; R = arginin; and V : valin 57 58 Významné genotypy Ali.ll I"AUII AXR/A[[Q .MLR / AU]] Altlí / AUQ Mí'.' Míl I .MLQ / AHQ A11Q / AIÍQ Míli Míli Ml' ■ .Milí .MLQ ;.\TLQ* .M1Q f \KQ ARH / VH.Q .MLQ / V Ry VRQ /VK.Q 1 £cncLJcal \y i Shccp Lltil UK fhíiicLiu: :i II y rcsi-ilanL lo Krupic. buL ■will ncod cHrclul Hclcakin whji livjíJ rnr ľurihcr hrociliiif. Slv.-c,|i ili.M ui3 iľ-i iľ.i 11;.- Ii.ivŕ I íl 11 ij-rcsi-ilancc Lo scrapic bul niiy bc iold or ľíoJ ľor brwriiiif wilhoul rcsLricLirin unLil Lhc mcl rii"2(Ii4. Alíc r Lhiri period, any ram on u íc herne liimi runy mil i-nna |... ba n-íixl li.Tr hri.i_\liiiL! ľnr ;i liii IIiľi > -ln: -.1 kI ľicťľfíiťinallj.- bc usod ľor ilinliiŤ conl rollod i brccd hi£ in Uic ľonicxl nf hii iipprovcd brcľcdirn; pri.if ram nie. ''Ir.i.p Ikíl iiic lii:-hl;.' .■iiis.o-i^ihlc m vrapie jiiilI muKí bi: humanely ■ľiii-.-lii.io.l or <:ďF.unlcd. ^Zpětnovazebně regulace vlivu šlechtění na užitkové vlastnosti ^Indikace biologických mezí genetického pokroku s Alternativa k jiným postupům, například farmakoterapii u infekčních onemocnění Infekce, zvířata a lidé: genetika vnímavosti S Více než 60% lidských infekčních onemocnění je způsobeno patogeny společnými pro divoce žijící nebo domestikované druhy zvířat (Karesŕí er ař 2012) S Předpoklad podobných mechanismů odolnosti a vnímavosti 59 60 iif Lidé a zvířata: ^ společný problém - koronaviry ® ňmiij Coronaviridae Gnnuí AlpfitKomiavirví ' ' Ěeleawnovifvs 5p«i« CCOV FQýf SWS-CoVI 5*S5-CoV KKM-CoV "v* v í S i r*tm Ifúniflinllfttó Tňrre nilill na MBerKe [riM ůnlmili i urtiini ťji- i j-:-. J M■'. :dlieSic 61 ^ Fenotypy u Covid-19 ^ Resistence: schopnost omezit replikaci patogena v hostitelském organismu s Tolerance: schopnost udržet homeostázu za přítomnosti patogena v organismu s Shedding: vylučováni patogena do prostřed! | Susceptibilita Tolerance, nosičstvi, vylučovatelstvi Resistence \ <-1 GtiiKitichéidluitiiií,iitiytiiititiché vlivy, ^elehai i-\i 62 16 Kočičí model Genetika vnímavosti k FCoV 4 Mutace FCEV Genetika: Virus & Hostitel Prostředí (stres) Přenos FCoV Fenotypy Vnímavý (Th2?) Odolný (TM?) 4/4 ip ; 4 ničtí vyli 4 Přechodní vylučovatelé FIP Zdravý Chroničtí vylučovatelé 65 66 Význam nositelů šířících infekci Vnímavost Tolerance, nosičství, vylučování Odolnost (úloha genu NCR1?) Negenetické faktory, selekce 4T S Medikamentózni léčba SVakcinace S Eradikace S Hygiena prostředí, DDD S Šlechtěni na resistenci 67 68 17 \ty Genetika získané resistence: jiii vakcinace a genetika S Individuální variabilita imunitní odpovědi po vakcinaci S Využití genetických principů při produkci nových vakcín, farmakogenomika 69 $ Postvakcinační imunitní odpověd: jjj Gaussovská distribuce ? \ K , «■ , ±60 70 Genetika vakcína u lidí TabU J tknu vacc.na ion r.-*P ■u.!,. . Vaccine Parameter DZ* MZ* Population Ay Study Henta- 95* Cl hility. % % Measles a nehodl- 5S 49 USA* 2-18 r*sw» c rots-sectional 89 *Sř IS M...... ■■ aní ihody 55 «9 UM* I-18 years c roai sectional 3« *2* it* Kubella antibody SS 49 USA* 2-18 year* cross sectional 46 *9* II NAV anlihodv 95 96 (iermany IB-Myear* prospective 36 -2-73 15 H1U Aj; antibody ts M 1 ,,!... I!H 18 *5 yean. prospective 61 41 NI 15 mu Aw antibody a (.ambia 5 month* prospective 77 65-85 12* Mio antibody 1» a « . iin1': 1 S month* prospective Ml 43-73 12 antibody 19* 4t (.ambia 5 month* privipectivc 44 16-70 12 IL U IS9 4t 5 months prospective 64 90-75 12 Diphtheria antibody If-' 41 ' ..is:-hi.i 5 month* prospective 49 17-77 12 Hin antibody 147 43 (.ambia 5 month* prospective 51 32-66 ■ IVrui.M- I'.rU.tm lfN-7 1» 4t Gambia '■ month* prospective 93 35-67 12 FHA IFN-f 15» 48 Gambia 5 month* prospective w M U Taxin III1 159 48 Gambia S month* prospective 57 4Í)- "I KG PPO 19t 4t (.ambia 5 month* 4l 10-71 KMTB IFN.7 m 4t Gambia 5 month* prospective 39 3-71 . PPD 111 1 I3S 4t (.ambia s month* pruspective ■Ir. 9-75 12 HqptJ IL-13 19» 5 months prinpeclive KMP 12 Genetika vakcinace u lidí is involved in vaccine induced immune responses ťunctwn Germ (eumplcil \nn 1. m entry. replication (Irre vaccine*} CD150VSLAM Antigen recognition Toll-like receptors Antigen uptake by and activation of innate immune system HLA .lass III penes Icomplement protein* t.í and 1.41. cmtimulalorv moliiules (CDfW.CIW6). CD21, CD35. killer 1 g like receptor* Antigen processing and presentation HLAcUu I'll gene*, TAP.CD21.CD35 B/T lymphocyle function CD40. CD40 ligand. B/T crll receptors, G protons Immune regulation Cytokines, monokines, C-C chemokirte* (and receptors 1 Kffector and acceuory cell function He receptor* SI.AM - Signaling lymphocyte activation molecule. »Jentified a* measles virus receptor. 71 72 POSTVAKCINAČNÍ TITRYANTI-EHV-1 NEUTRALIZAČNÍCH PROTILÁTEK (N=61) | 1 1 ■ II - 1 ■ ISP. 4 16 32 64 128 Příčiny selhání účinku vakcinace proti chřipce u koní S Druh vakcíny, její kvalita a použití S Změny (mutace) viru S Nereaktivita hostitele (negenetická nebo genetická) 73 Genetika R/S u lidí: současná představa o budoucnosti medicíny Transcriptomici Metabc lomirs Genontlci Cl nkil d*U Proteomi I - T P ret in on m«Jirine PäíKxrJĽs tcr Precaod Mediu Aplikace u lidí: precisní medicína 75 76 S Využití ve šlechtění V Studium patogeneze nemocí S „One health": zoonózy S Zvířecí modely lidských nemocí S Uchování genetické diversity V Studium evoluce organismů Zobecnění S Biologie evoluce S Biologie nemocí S Uchování biodiversity S Šlechtění domácích zvířat r 77 78 20