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Genomweite Assoziationsstudien zur Schizophrenie

Im Gegensatz zu Kandidatengen-basierten Assoziationsstudien, die hypothesengeleitet den Zusammenhang zwischen Variationen in einem plausiblen Kandidatengen und einem Phänotypen wie z.B. der Schizophrenie untersuchen, sind genomweite Assoziationsstudien nicht auf eine Hypothese angewiesen, da hier die Genotypen mehrerer hunderttausend Einzelbasenaustauschpolymorphismen (single nucleotide polymorphism, SNP) pro Person verwendet werden können, die das gesamte Genom abdecken.

Die ersten genomweite Assoziationsstudie zur Schizophrenie enthielten mit 178 Patienten und 144 Kontrollen (Lencz et al. 2007) sowie 738 Patienten und 733 Kontrollen (Sullivan et al. 2008) retrospektiv keine ausreichende Power, so dass zu erwarten war, dass keine weiteren positiven Replikationen publiziert wurden.

Die erste ausreichend große genomweite Studie wurde mit eigener Beteiligung an einer deutlich größeren Stichprobe durchgeführt. Dazu wurden in der ersten Stufe 479 Patienten und 2.937 Kontrollprobanden eingeschlossen und daraufhin die besten genetischen Variationen (Kriterium: p<10-5) bei 6.829 Patienten und 9.897 Kontrollprobanden repliziert. Von 12 so ermittelten Loci waren 3 besonders stark mit der Schizophrenie assoziiert, u.a. das Zinkfinger-Gen ZNF804A auf 2q32.1.

O’Donovan MC et al. (2008) Identification of novel schizophrenia loci by genome-wide association and follow-up. Nat Genet. Sep; 40(9): 1053-5.

Diese intensive Kooperation mit der Universität Cardiff, einem der führenden Zentren auf dem Gebiet der psychiatrischen Genetik, führte bislang zu mehreren Publikationen in Nature Genetics, einem WTCCC2 Projekt sowie einem EU Projekt.

2008: Genome Wide Association Study of Schizophrenia in Ireland. Wellcome Trust, WTCCC2, PI: Dr. Aiden Corvin, Dublin, Ireland (Rujescu: Collaborator)

2009: EU: FP7: HEALTH: Collaborative Project, Large Scale Integrating Project: HEALTH-2009-2.2.1-2: Identifying genetic and environmental interactions in schizophrenia. European Network of National Schizophrenia Networks Studying Gene-Environment Interactions (EU-GEI) Coordinator: Prof. Jim van Os (Rujescu: Co-Applicant)

Des Weiteren führten Stefansson et al. (2009) unter eigener Beteiligung zunächst eine genomweite Assoziationsstudie bei 2.663 Patienten und 13.498 Kontrollprobanden aus 8 europäischen Ländern innerhalb des SGENE- Konsortiums durch. 

Daraufhin wurden die besten 1.500 Marker sowohl in einer unabhängigen Stichprobe des International Schizophrenia Consortiums (ISC: 2.602 Patienten / 2.885 Kontrollen) als auch in dem Molecular Genetics of Schizophrenia Consortium (MGS: 2.687 Patienten / 2.656 Kontrollen) repliziert und die besten Marker in 5.013 Patienten und 15.559 Kontrollprobanden weiterverfolgt. 

Dieser Ansatz führte zur Identifikation von 3 neuen Loci für die Schizophrenie: Neurogranin (NRGN1) auf 11q24.2, TCF4 auf 18q21.2 und der MHC Region auf 6p21.3-22.1 (Stefansson et al. 2009). Interessanterweise konnten die Ergebnisse der HLA-Region unabhängig in den großen Stichproben der Konsortien: ISC (ISC 2009) als auch MGS (Shi et al. 2009) gefunden werden.

Stefansson S et al. (2009) Common variants conferring risk of schizophrenia. Nature. Aug 6; 460(7256): 744-7.

Darüber hinaus besteht eine enge Zusammenarbeit mit dem Institute of Psychiatry des Kings College in London, woraus u.a. zwei WTCCC sowie zwei EU Projekte hervorgingen:

2008: A genome-wide association study of psychosis endophenotypes. Wellcome Trust, WTCCC2, PI: Prof. Robin Murray, IoP, UK (Rujescu: Co-Applicant)

2009: EU: FP7: HEALTH Collaborative Project, Large Scale Integrating Project: HEALTH-2009-2.2.1-3: Optimising current therapeutic approaches to schizophrenia. Optimization of Treatment and Management of Schizophrenia in Europe (OPTiMiSE) Coordinator: Prof. Rene Kahn (Rujescu: Principal Investigator of Blood-Omics and Clinical Trial)

2011: EU: FP7: HEALTH Collaborative Project, Large Scale Integrating Project: HEALTH-2011.1.1-2: Genome-based biomarkers for patient stratification and pharmacogenomic strategies: Pharmacogenomic biomarkers as clinical decision making tools for clozapine treatment of schizophrenia (Rujescu: Principal Investigator)

Da die Stichprobengröße als limitierender Faktor für eine ausreichende statistische Power nicht von einzelnen Gruppen bewältigt werden konnte, wurde ein neues Konsortium gegründet, das Psychiatric Genome-Wide Association Study Consortium (PGC), welchem Prof. Dr. Dan Rujescu angehört und dessen Ziel in der Sammlung einer möglichst großen Stichprobe aus Patienten mit Schizophrenie und Kontrollen besteht. Seit seiner Gründung ist diese Arbeitsgruppe in verschiedenen thematischen Teilbereichen des Konsortiums, u.a. dem Bereich Schizophrenie involviert.

In dessen erster Publikation wurde eine GWAS mit 51.000 Personen europäischen Ursprungs untersucht. Es konnten 7 Loci mit einer genomweit signifikanten Assoziation identifiziert werden, darunter 5 neue (1p21, 2q32.3, 8p23.2, 8q21.3, 10q24.32-q24.33) und zwei, für die bereits Hinweise existierten (6p21.32-p22.1, 18q21.2). Die stärkste Assoziation zeigt ein SNP in einem Intron einer Micro- RNA (MIR137), von der eine Beteiligung an der neuronalen Entwicklung angenommen wird. Zusätzlich zeigten vier potentielle Zielgene von MIR137 eine genomweite Signifikanz. Dies wurde als Hinweis auf eine Beteiligung eines bisher nicht in Zusammenhang mit der Pathophysiologie der Schizophrenie diskutierten Mechanismus gewertet. In Kombination mit einer Stichprobe aus etwa 16.000 Patienten mit einer Bipolaren Störung und 14.000 Kontrollen wurden drei weitere Loci identifiziert (CACNA1A, ANK3, ITIH3-ITIH4-Region), die zu einer Suszeptibilität beider Erkrankungen beitragen (The Schizophrenia Psychiatric Genome-Wide Association Study (GWAS) Consortium 2011).

Ripke S et al. (2011) Genome-wide association study identifies five new schizophrenia loci. Nat Genet. Sep 18; 43(10): 969-76.

Lee SH et al. (2012) Estimating the proportion of variation in susceptibility to schizophrenia captured by common SNPs. Nat Genet. Feb 19; 44(3): 247-50.

Unter Verwendung der Referenzstichprobe des 1000 Genomes Projects, Phase 1 für die Imputierung der SNPs wurden die Schizophreniedaten des PGC in 2013 in Kombination mit einer zusätzlichen Stichprobe aus Schweden im Rahmen einer Metaanalyse mit insgesamt 21.246 Patienten und 38.072 Kontrollen ausgewertet. 

Dabei erwiesen sich 22 Loci als genomweit signifikant, darunter waren fünf Loci bereits mit Schizophrenie (MHC, WBP1L/C10orf26, DPYD-MIR137, SDCCAG8, MMP16), drei Loci mit Schizophrenie und Bipolarer Erkrankung (CACNA1C, CACNB2, ITIH3-ITIH4) und ein Locus mit Bipolarer Erkrankung in Zusammenhang gebracht worden (NCAN), sowie 13 neue Loci (MAD1L1, TSNARE1, SNX19, QPCT, SLC06A1, ZEB2, FONG, C2orf82, AKT3, C12orf65, Loci in der Nähe von GRIA1, TCF4 und ZSWIM6). 

Eine Untersuchung der potentiellen Funktion der Gene in den Kandiatenregionen legt eine Beteiligung der neuronalen Calcium Signalkaskade, der MHC Region (höchste Signifikanz) und durch MIR137 beeinflusste Regulation von Zielgenen nahe. Des Weiteren ist von einem Einfluss zwischen Genen lokalisierter, nicht kodierender langer RNAs (long intergenic non-coding RNA, lincRNA) auszugehen, von denen ein Einfluss auf epigenetische sowie gen-regulatorische Mechanismen angenommen wird (Ripke et al. 2013).

Ripke S et al. (2013) Genome-wide association analysis identifies 13 new risk loci for schizophrenia. Nat Genet. Oct; 45(10): 1150-9.

Im Rahmen des „Psychiatric GWAS Consortiums (PGC)“ wurden eine weitere große genomweite Assoziationsstudie an über 100.000 Kontrollen und Schizophrenie Patienten durchgeführt hat. Dies stellt die größte weltweite Schizophrenie-Stichprobe dar, die bahnbrechende Entdeckungen erbringen konnte. 

In dieser Analyse mit 36.989 Patienten und 113.075 Kontrollen wurden 128 Assoziationen in 108 voneinander unabhängigen Loci identifiziert. Der stärkste Assoziation zeigte die MHC-Region (p=3,48x10-31). Des Weiteren waren die Assoziationen innerhalb von im Gehirn exprimierten Genen gehäuft zu finden.

Interessanterweise erreichten hier erstmals Varianten in bekannten Kandidatengenen wie dem Dopaminrezeptor 2 (DRD2) und einigen weiteren Genen aus der glutamatergen Neurotransmission (GRM3, GRIN2A, SRR, GRIA1) genomweite Signifikanz. Diese Ergebnisse bestätigten einerseits Teile der gängigen pathophysiologischen Modelle, und weisen andererseits auf die Gene bzw. Genprodukte hin, von denen entweder eine therapeutische Relevanz für die Behandlung der Schizophrenie bereits bekannt ist (Die Wirkung der meisten Antipsychotika in Hinblick auf Positivsymptomatik verläuft über die Bindung am Dopamin D2 Rezeptor) oder aber die als vielversprechende Kandidaten gelten.

Schizophrenia Working Group of the Psychiatric Genomics Consortium. (2014) Biological insights from 108 schizophrenia-associated genetic loci. Nature. Jul 24;511(7510):421-7.

Das konsistenteste Ergebnis aller GWAS zur Schizophrenie ist die Assoziation mit der erweiterten MHC (major histocompatibility complex) Region, eines Bestandteils des Immunsystems auf Chromosom 6. Hinweise auf eine Beteiligung des Immunsystems an der Pathophysiologie gibt es schon sehr lange. Diese konnten in mehreren unabhängigen mittel bis sehr großen Stichproben bestätigt werden.

Verschiedene Ansätze weisen auf die Hypothese, dass genomweit assoziierte Varianten ihre Effekte eher über die Regulation der Genexpression vermitteln, u.a. durch mRNA Degradation, transkriptionelle oder translationelle Verstärkung oder Stilllegung eines Gens oder durch Chromatinmodifikationen als durch direkt Protein-verändernde Varianten (z.B. Aminosäureaustausche). Diese Annahme wird u.a. dadurch gestärkt, dass sich in exombasierten Studien (Sequenzierung oder SNP Genotypisierung aller bekannten Exons im Genom) keine überzeugenden positiven Argumente für eine Anreicherung von eQTLs in Risikolocis für die Schizophrenie finden ließen.

Interessanterweise überlappen die Ergebnisse aus Studien mit seltenen Varianten (CNV, copy number variants) großen Effekts mit denen aus der GWAS, und zwar sowohl was die Lokalisation der chromosomalen Bereiche wie auch der funktionellen Cluster angeht, so dass davon auszugehen ist, dass die beiden Studientypen sich ergänzen. 

Die Beantwortung der Frage, wie solche Variationen oder Loci zu einem erhöhten Schizophrenierisiko beitragen, ist die Aufgabe eigener weitergehender Untersuchungen in vitro oder in Modellorganismen, wobei sich hier die CNV Varianten wegen ihrer Größe und daher potentiell wesentlich deutlicheren Effekte anbieten.