Penyakit Alzheimer (AD) dapat dibagi menjadi AD onset awal (EOAD) dan AD onset akhir (LOAD) pada usia 65 tahun, dengan LOAD menyumbang sekitar 94% kasus. (AD juga dapat dibagi menjadi AD familial (FAD) dan AD sporadis (SAD). FAD dominan pada EOAD, sedangkan SAD dominan pada LOAD.
Studi mutasi FAD
FAD onset dini sebagian besar dominan autosomal, ditandai dengan insidensi yang rendah, onset dini, perkembangan yang cepat dan konsekuensi yang parah. Studi tentang AD telah memasuki bidang baru genetika molekuler.
Sekitar 50% dari FAD disebabkan oleh mutasi pada APP dan tiga gen, presenilin 1 (PS1) dan 2 (PS2), yang terletak pada kromosom 14. Di antara mereka, FAD familial yang disebabkan oleh mutasi APP menyumbang 10%-15%, mutasi PS1 menyumbang 70%-85%, dan mutasi PS2 kurang dari 5%. Saat ini terdapat lebih dari 231 mutasi patogenik pada 3 gen ini, termasuk 185 pada PS1, 13 pada PS2 dan 33 pada APP, dan mutasi baru dilaporkan dalam database mutasi AD setiap tahun.
Mutasi pada gen APP
Protein APP yang dikodekan oleh APP diproses dan dihidrolisis untuk menghasilkan β amiloid (Aβ). Dalam kondisi patologis, APP dikatabolisme oleh β-sekretase dan γ-sekretase untuk menghasilkan Aβ40 dan Aβ42, di mana Aβ42 terkait erat dengan deposisi Aβ dan degenerasi neuron di otak pasien AD.
Sebagian besar mutasi pada gen APP terletak di situs pembelahan sekretase pada ekson 16 dan 17 atau di daerah transmembran APP, dan mutasi dapat disaring dengan analisis urutan ekson 16 dan 17 atau pengurutan seluruh wilayah pengkodean.
Mutasi APP mengubah pemrosesan APP, yang mengarah ke produksi Aβ42 dengan efek neurotoksik dan mengurangi Aβ40. Proses ini secara selektif dapat berkontribusi pada apoptosis atau kematian beberapa sel neuron dengan memicu beberapa mekanisme patologis, yang pada akhirnya mengarah pada perkembangan AD. Sebagai contoh, mutasi missense
APP Swedia (APPswe: APPK670N dan M671L), mutasi London (APPlon: APP V717I) dan L723P yang ditemukan di keluarga Australia dapat menyebabkan peningkatan kadar Aβ42 dan perkembangan AD.
Mutasi gen PS1
Gen PS1 dan PS2 mengkode protein PS yang merupakan komponen penting dari γ-sekretase dan memainkan peran penting dalam produksi Aβ.
Mutasi PS1 adalah penyebab paling penting dari FAD onset dini. Mutasi PS1 menyebabkan penghapusan domain loop hidrofilik dari protein yang dikodekan, menghasilkan perubahan konformasi, yang pada gilirannya mempengaruhi aktivitas γ-sekretase dan meningkatkan produksi Aβ42.
Sebagian besar mutasi PS1 adalah mutasi missense dan dapat dideteksi dengan mengurutkan wilayah pengkodean dan wilayah intron terkait. Kelompok Jia Jianping di Rumah Sakit Xuanwu dari Capital Medical University mengidentifikasi dua mutasi PS1 baru (mutasi missense Val97Leu dan Ala136Gly) pada 218 anggota dari tujuh keluarga Han Cina dengan AD, dan membentuk model tikus transgenik Val97Leu untuk awalnya mengkonfirmasi patogenisitasnya.
Mutasi gen PS2
Protein PS2 memiliki tingkat homologi yang tinggi (80,5%) dengan PS1, yang juga terlibat dalam pembelahan Aβ. Mutasi gen PS2 memiliki epistasis yang lebih rendah dibandingkan dengan PS1 dan oleh karena itu dapat dimodifikasi oleh gen lain atau dipengaruhi oleh faktor lingkungan.
PS2 dapat bekerja pada proses hidrolisis APP melalui efeknya pada C-terminal peptide hydrolase, menyebabkan peningkatan produksi agregat Aβ42 dan deposisi, membentuk bintik-bintik neuroinflamasi, dan meningkatkan kalsium intraseluler, memperburuk produksi radikal oksigen dan mendorong penurunan potensi membran mitokondria, sehingga menyebabkan apoptosis.
Mutasi PS2 telah diidentifikasi hanya pada beberapa keluarga, sedangkan mutasi PS1 telah diidentifikasi pada beberapa ratus keluarga, dan mutasi gen PS2 sering dideteksi dengan mengurutkan wilayah pengkodean untuk mendeteksi mutasi missense.
Gen-gen penyebab FAD baru yang akan ditemukan
Mutasi APP, PS1, dan PS2 tidak terdeteksi pada sekitar separuh dari garis FAD, yang menunjukkan bahwa masih banyak gen patogen baru yang harus ditemukan. Analisis keterkaitan tradisional dan metode kloning in situ sulit untuk menemukan gen patogen baru, dan dengan tingkat mutasi yang tinggi pada ekson penyakit genetik, pengurutan seluruh genom jauh lebih mudah, lebih ekonomis dan efisien daripada melakukan pengurutan seluruh genom.
Pengurutan whole-exome mengacu pada metode analisis genom yang menggunakan teknologi penangkapan urutan untuk menangkap dan memperkaya DNA dari daerah eksonik seluruh genom dan kemudian melakukan pengurutan throughput tinggi dari semua ekson, yang telah secara bertahap dan banyak digunakan untuk mencari gen penyebab atau kerentanan dalam penyakit bawaan Mendelian dan penyakit kompleks lainnya.
Oleh karena itu, aplikasi gabungan dari sekuensing whole-exome dan metode analisis keterkaitan untuk mempelajari keluarga AD dapat mengarah pada identifikasi gen penyebab FAD baru dan memungkinkan penyelidikan lebih lanjut tentang mekanisme patogeniknya.
Studi varian genetik pada SAD
Etiologi SAD adalah kompleks, yang melibatkan faktor genetik, lingkungan, metabolik dan virus. Gen apolipoprotein E (APOE) saat ini merupakan satu-satunya gen yang diakui untuk kerentanan SAD.
Polimorfisme gen APOE
APOE mencakup tiga alel ε2, ε3, dan ε4, di mana ε2 memainkan peran protektif dan mengurangi risiko AD dan menunda usia onset; ε4 adalah faktor risiko untuk AD dan memiliki hubungan yang tergantung dosis dengan kejadian AD.
Alel APOEε4 terlibat dalam mengatur produksi Aβ dan mempengaruhi pembersihan Aβ oleh astrosit dan neuron, mendorong pembentukan amiloid dan deposisinya di otak, dan selanjutnya menyebabkan bercak neuroinflamasi dan kematian neuron.
Pada saat yang sama, protein APOE4 tidak secara efektif mempertahankan koneksi protein-mikrotubulus protein tau, yang menyebabkan fosforilasi abnormal protein tau, yang mengurangi kemampuan perakitan mikrotubulus. Gangguan aliran aksoplasma berikutnya mengakibatkan akumulasi pemancar dan beberapa komponen neuron yang tidak terdegradasi dengan cepat di dalam neuron yang terpengaruh, yang menyebabkan berkurangnya fungsi neurologis dan kehilangan hingga kerusakan neuron.
Gen kerentanan lain untuk SAD
Alel APOEε4 menjelaskan kurang dari 50% variasi genetik pada SAD, menunjukkan bahwa ada faktor genetik lain yang terlibat dalam patogenesis AD.
Kelompok Jia menyaring beberapa lokus polimorfik dari lebih dari 20 gen kandidat yang terlibat dalam berbagai aspek patogenesis DA, terutama untuk produksi, degradasi, pembersihan, dan deposisi protein Aβ dan metabolisme protein tau, termasuk daerah promotor, daerah pengkodean, dan beberapa daerah non-kode. Hasil penelitian mengidentifikasi APP, PS1, PS2, β-sekretase (BACE1), progerin enhancer 2 (PEN-2), protein cacat propharyngeal 1 (APH-1), Nicastrin, enzim pendegradasi insulin (IDE), protein terkait reseptor lipoprotein densitas rendah (LRP) dan α2M sebagai gen kerentanan genetik untuk SAD pada populasi Han Cina; dan juga mengidentifikasi genetik terkait Lebih dari 20 lokus kerentanan genetik diidentifikasi, dan lebih dari 10 lokus varian wilayah promotor ditemukan terlibat dalam patogenesis AD dengan mengubah aktivitas transkripsi gen, yang mengarah ke metabolisme Aβ dan tau yang abnormal.
SAD adalah penyakit genetik yang kompleks, dan kemungkinan bahwa aksi gabungan dari beberapa lokus pada kromosom yang berbeda mengarah pada perkembangan penyakit. Satu atau beberapa varian mungkin hanya memiliki efek genetik yang lemah, dan oleh karena itu, metode studi asosiasi gen tunggal sulit untuk mendeteksi semua varian umum. Inilah alasan mengapa sebagian besar lokus polimorfik genetik tidak divalidasi pada populasi yang berbeda. Oleh karena itu, masih ada kebutuhan mendesak untuk studi genetik SAD lebih lanjut yang mendalam, yang penting untuk sepenuhnya mengungkapkan patogenesis AD dan dengan demikian secara efektif mencegah dan mengobati SAD.
Penelitian GWAS
Kemajuan dalam ilmu pengetahuan dan teknologi telah menyebabkan perkembangan metode yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk menemukan gen kerentanan untuk penyakit genetik yang kompleks. Dalam beberapa tahun terakhir, beberapa lokus genetik baru yang terkait dengan DA telah diidentifikasi melalui gen kandidat dan pemindaian genom-lebar. Munculnya studi asosiasi genom-lebar (GWAS) telah memungkinkan para peneliti untuk mencari gen kerentanan pada skala genom-lebar, membawa perspektif baru untuk mencari mekanisme genetik SAD.
Para peneliti di seluruh dunia telah menerapkan GWAS untuk menemukan beberapa daerah kerentanan terkait AD yang belum diidentifikasi oleh studi asosiasi gen kandidat, dan beberapa gen kerentanan AD baru telah muncul. Di antara mereka, GWAS 2011 dari populasi AS dan Eropa mengidentifikasi beberapa lokus polimorfik di MS4A4, CD2AP, CD33 dan EPHA1 yang terkait dengan onset AD. Studi GWAS 2007 melaporkan 6 lokus pada gen GAB2 yang terkait dengan onset AD, sedangkan GWAS 2008 dari populasi Kanada dan Inggris menunjukkan bahwa 2 lokus pada GWAS 2008 dari populasi Kanada dan Inggris menunjukkan bahwa dua lokus polimorfik dan dua lokus yang tidak diketahui fungsinya pada gen GOLPH2 dikaitkan dengan perkembangan SAD. Beberapa studi asosiasi genom-lebar lainnya di AS, Inggris, Kanada, Belgia, Finlandia, Italia, dan populasi Spanyol melaporkan beberapa lokus polimorfik di CLU, PICALM, LRAT, PCDH11X, CHRNA7, TNK1, GALP, PCK1, PGBD1, LMNA, dan TRAK2 dikaitkan dengan perkembangan SAD. .
Temuan ini telah membawa terobosan dalam studi gen kerentanan AD, tetapi karena heterogenitas genetik dan fenotipik yang kuat dari SAD dalam kelompok etnis dan wilayah yang berbeda, serta perbedaan dalam distribusi frekuensi setiap alel lokus polimorfisme nukleotida tunggal (SNP) di populasi yang berbeda, studi asosiasi populasi untuk lokus yang diidentifikasi GWAS di atas yang terkait dengan SAD telah dilakukan di geografis yang berbeda Dalam beberapa tahun terakhir, Prof. Tan Lan di Qingdao, Cina, telah melakukan studi asosiasi berbasis populasi pada lokus terkait SAD. Dalam beberapa tahun terakhir, Profesor Tanlan Qingdao telah memvalidasi lokus positif yang dilaporkan oleh GWAS asing dalam populasi Cina, yang sangat penting untuk memvalidasi keandalan GWAS dan menemukan gen kerentanan untuk SAD. Saat ini, tidak ada laporan GWAS terkait AD di Asia, tetapi kelompok Prof. Jia Jianping telah membentuk basis sumber daya klinis yang besar dari pasien AD, dan telah mulai melakukan GWAS terkait AD pada populasi Han Cina, dengan tujuan menemukan pola genetik SAD dan mengidentifikasi varian gen AD pada populasi Cina, yang akan memiliki implikasi penting.