The genetic architecture of Parkinson's disease : emphasis on genetic susceptibility

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is the second most frequent neurodegenerative disease, following Alzheimer’s disease, and has been commonly designated a sporadic disorder with few environmental triggers. To date, the single most important risk factor for the disease is ageing. Since the proportion of the elderly is growing steadily as the longevity of the population increases, this leads to greater numbers of patients suffering age-associated neurodegenerative diseases, including PD. Parkinson’s disease not only has a devastating effect on the individual patients and their families but it also imposes an enormous socioeconomic burden on society. Nevertheless, about 10% of cases present early-onset of disease, commonly defined at below 40 years of age, and familial clustering, suggesting that genetic factors play a pivotal role in these cases. This led, in the late 1990s, to the identification of mutations that presented clear segregation in families and were, thus, considered pathogenic. Several loci and genes have since been identified where mutations are disease causing, shedding light on the genetic background of mendelian forms of the disease. The work presented herein follows 4 lines of research with the ultimate goal of clarifying the role of genetics in PD. The first chapter was aimed at characterizing mendelian PD in populations where it was mostly unknown. To this end, we have conducted a screening of mendelian genes in a Portuguese cohort, representative of the population of the center region of Portugal. In addition to the Portuguese population, we have also screened a small cohort of samples from sub-Saharian Africa. This was particularly important since it was the first study to address the genetics of PD in a population from this region, where genetic diversity is known to be far greater than in Caucasian Europeans. An approach that has yielded promising results in the past is candidate gene association studies. Broadly, these studies look at common variability in genes that fit the pathogenesis of the disease, and determine if alleles are more frequent in cases when compared to controls. Chapter two deals with two association studies: the first aimed at determining if variants in the gene HFE were associated with PD; while the second was an attempt to replicate recent results implicating the gene GIGYF2 in PD. While the first study was performed only in a Portuguese cohort, the second also looked at an extended cohort from North America. The third chapter builds upon chapter two, still dealing with candidate gene association studies, however, here we looked at a particular gene, where recent results have been very promising. This chapter includes three separate studies: the first performs a standard association study of variants in GBA in the Portuguese cohort. The results from this study prompted us to perform a similar study in different and extended cohorts, which we have done in Study IX using a British cohort. Still in chapter three, we have performed a metaanalysis of association studies of GBA in PD that includes 16 international centers and nearly 11,000 samples. Chapter four deals with a genome-wide association study in PD, where we have tested a very large number of PD cases and controls for markers spread throughout the genome. This approach has the benefit of not making a priori assumptions of genes’ relevance. This is particularly significant when studying a disease like PD where the etiology still remains largely elusive.

A Doença de Parkinson (DP) é a segunda doença neurodegenerativa mais frequente, seguindo a Doença de Alzheimer, tendo sido frequentemente designada como uma doença esporádica com potenciais causas ambientais. Até à data, o factor de risco mais relevante para o desenvolvimento da DP é a idade. Uma vez que a proporção da população idosa tem vindo a aumentar, devido ao aumento da longevidade, o número de indivíduos afectados por doenças neurodegenerativas, incluindo DP é, também, cada vez maior. A DP tem, não só um efeito devastador para os indivíduos afectados e suas famílias, mas também um impacto socioeconómico enorme para a sociedade. Apesar da denominação comum de doença esporádica, cerca de 10% de indivíduos com DP apresentam um inicio precoce da doença – definido como início antes dos 40 anos de idade – e indícios de história familiar, sugerindo que factores genéticos desempenham um papel de relevo nestas formas da doença. Este facto esteve na origem, no final da década de 1990, da identificação de mutações que apresentam clara segregação com a doença em algumas famílias, tendo sido, por isso, consideradas mutações patogénicas. Vários genes e localizações cromossómicas foram desde então identificados, nos quais mutações levam invariavelmente ao início da doença, clarificando, em parte, os mecanismos genéticos que estão na base destas formas mendelianas da DP. O trabalho que se segue foi delineado com base em 4 linhas de investigação, com o objectivo final de clarificar o papel dos factores genéticos na DP. O primeiro capitulo deste trabalho teve como objectivo caracterizar formas mendelianas da DP em populações onde este campo não tinha, até a data, sido extensivamente estudado. Com esse fim, levamos a cabo um screening de mutações nos genes mendelianos conhecidos num amostragem da população portuguesa, representativa da população da região Centro. Para além da população Portuguesa, também estudámos uma amostra de origem Subsariana. O estudo deste grupo de indivíduos de origem Africana é de particular importância, uma vez que foi o primeiro trabalho levado a cabo com o objectivo de elucidar a genética da DP numa população daquela região, onde a variabilidade genética é reconhecidamente maior do que na Europa Caucasiana. Um tipo de trabalhos que tem originado resultados promissores até a data são os estudos de associação. Aqui, de uma forma genérica, é estudada a forma como a variabilidade em genes, conhecidos como estando envolvidos na doença, influencia o desenvolvimento da mesma, através da frequência dessas variações em casos e controlos. O segundo capitulo deste trabalho faz uso deste tipo de estudos com dois objectivos: o primeiro prende-se com o gene HFE, verificando se mutações neste gene são factores de risco para a DP; enquanto o segundo objectivo é o de tentar replicar resultados recentes que implicam o gene GIGYF2 na patogénese da DP. Enquanto o primeiro estudo foi realizado apenas numa amostragem da população Portuguesa, o segundo fez uso de uma amostragem adicional de indivíduos Norte Americanos. O terceiro capítulo complementa o capítulo dois, utilizando ainda estudos de associação. No entanto, aqui apenas nos debruçámos sobre um gene em particular (GBA), o qual tem originado resultados muito promissores. Este capítulo inclui três estudos: no primeiro estudo realizamos uma associação entre variantes na GBA na amostragem de indivíduos de origem Portuguesa. Estes resultados levaram-nos a prosseguir o trabalho, desta feita num grupo significativamente maior, de amostras de origem britânica. Ainda no terceiro capitulo realizámos uma meta-análise de estudos de associação da GBA com DP que inclui dados de 16 centros internacionais e cerca de 11,000 amostras. No quarto capitulo realizámos um estudo de associação do genoma completo com a DP. Neste trabalho testámos um numero significativo de marcadores, posicionados ao longo de todo o genoma, em casos e controlos. Este tipo de estudo tem o benefício de não presumir a priori quanto a potencial relevância de genes para a doença. Este facto é de particular importância para uma doença como a DP, onde a etiologia permanece ainda grandemente por explicar.