P ia Pia Soronen S o r o n H e H n C C R R A A Genetics Behind Mood Disorders E E S Pia Soronen S E E R R Genetics Behind Mood Disorders Candidate Gene Studies of Bipolar Candidate Gene Studies of Bipolar and Major and Major Depressive Disorders Depressive Disorders G e Mood disorders include major depressive disorder and bipolar disorder. They n e are complex psychiatric disorders that are the leading cause of disability to tic s work in Finland. The principle aim of this investigation was to characterize the B e genetic background of mood disorders and their endophenotypes in Finnish e h mood disorder samples. Association was observed between mood disorders in d and BDNF, SLC6A4, and P2RX7 genes; clinical outcome of patients and functio- M nal variants of the P2RX7 gene; and general intellectual functioning and DAOA o o gene. The eff ort to replicate the results from the fi rst GWA studies revealed fi ve d D genomic areas that associated with mood disorder and with some potential is mood disorders endophenotypes. This thesis provides information about the or d genetic background of mood disorders in Finland and it also reveals some e r potential endophenotypes, or trait features, that might convey the eff ect of the s susceptibility genes to the end diagnosis of mood disorder. .!7BC5<2"HIKHHL! Publication sales www.thl.fi /bookshop 91 Phone: +358 29 524 7190 91 91 2012 ISBN 978-952-245-744-8 Fax: +358 29 524 7450 Pia Soronen GENETICS BEHIND MOOD DISORDERS CANDIDATE GENE S T UDIES OF BIP OLAR AND M AJOR DEPRES SIVE DISORDERS ACADEMIC DISSERTATION To be presented with the permission of the Faculty of Medicine, University of Helsinki, for public examination in Lecture Hall 2, Biomedicum Helsinki, on November 23, 2012, at 13.00. National Institute for Health and Welfare, Helsinki, Finland and Department of Psychiatry, University of Helsinki, Finland Helsinki 2012 © Pia Soronen and National Institute for Health and Welfare Cover art: Elli Kempas, ”Marraskuu”, watercolour, 1982 ISBN 978-952-245-744-8 (printed) ISSN 1798-0054 (printed) ISBN 978-952-245-745-5 (pdf) ISSN 1798-0062 (pdf) URN:ISBN:978-952-245-745-5 http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-245-745-5 Juvenes print – Tampereen Yliopistopaino Oy Tampere, Finland 2012 S u p e r v i s e d b y Professor Tiina Paunio Public Health Genomics Unit National Institute for Health and Welfare and Department of Psychiatry University of Helsinki Helsinki, Finland Review e d by Professor Hans Grabe Department of Psychiatry and Psychotherapy University of Greifswald Greiswald, Germany Adjunct professor Mikko Hiltunen Institute of Clinical Medicine / Neurology University of Eastern Finland Kuopio, Finland O p p o n e nt Professor Esa Leinonen Department of Psychiatry University of Tampere Tampere, Finland “It always seems impossible until it's done.” Nelson Mandela Rakkaimmilleni Pia Soronen, Genetics Behind Mood Disorders – Candidate Gene Studies of Bipolar and Major Depressive Disorders. National Institute for Health and Welfare, Research 91/2012, 162 pages. Helsinki, Finland 2012. ISBN 978-952-245-744-8 (printed); 978-952-245-745-5 (pdf-version) ABSTRACT Mood disorders are complex psychiatric disorders that are the leading cause of disability to work in Finland. They include major depressive disorder (MDD) and bipolar disorder (BD). Both are highly heritable, i.e. the variance between individuals is, in MDD partly and in BD mostly, explained by genetic factors. Their specific genetic background, however, remains widely unknown. Previous linkage and association studies have revealed some potential candidate genes and genomic areas that seem to predispose to mood disorders, at least in some populations and subsamples. Recent genome wide association (GWA) studies have revealed some novel susceptibility genes and risk variants as the field has moved into the era of genome-wide genotyping of huge samples sizes from collaborative studies. The risk variants revealed with this approach, however, cover only a small fraction of the total heritability of these diseases. Thus, it is still highly relevant to study samples from more genetically and environmentally homogenous populations, since the amount of risk variants that are enriched in isolated populations is smaller than in more confounded populations. Detailed characterization of the phenotype has also become an important factor in psychiatric genetics, since the psychiatric disease phenotypes themselves are so broad and heterogeneous. The principal goal of this work was to survey functionally relevant candidate genes for mood disorders and risk variants revealed from the first GWA studies in a Finnish bipolar family sample and in clinical cohorts for mood disorders collected from the metropolitan area of Finland. The bipolar family sample comprises 723 individuals (227 affected for BD) collected utilizing nation-wide registers to identify all individuals born between 1940 and 1969 and hospitalized for bipolar disorder type I (BDI) between 1969 and 1991. Part of this sample has been characterized in more detail enabling the search for genetic susceptibility genes for potential endophenotypes of mood disorders. The clinical cohort sample is comprised of 272 MDD and 178 BD patients, who were characterized for clinical comorbidities and followed for long term clinical outcome. In the bipolar family sample, the highly studied variant val66met of BDNF was found to be associated with BD with the allelic replication observed in previous association studies. SLC6A4 allelic variants also showed some association with BD among males, whilst variants of P2RX7 associated with both BD and neuropsychiatric test results used to assess executive function. The most statistically significant result demonstrated the association of variants of the DAOA gene and the general intellectual function of visuospatial ability. The clinical cohort sample revealed statistically significant association of two functional variants from P2RX7 gene with familial form of mood disorder, and both variants affected also the clinical outcome of the patients by lengthening the time of illness. Our effort to replicate the results from the first GWA studies in the bipolar family sample revealed five genomic areas that associated with mood disorder also in Finland. Most of these variants also associated with some potential mood-disorder endophenotype, such as neurocognitive trait or seasonality in fluctuation of sleep, social activity, or mood. In conclusion, the use of detailed characterized samples may provide an advantage to the genetic studies, since it increases the possibility of finding the susceptibility genes behind more homogenous phenotypes. This work has also revealed some potential endophenotypes, or trait features, that might convey the effect of the susceptibility genes to the end diagnosis of mood disorder. Keywords: mood disorder, major depressive disorder, bipolar disorder, candidate gene, association, BDNF, P2RX7, DAOA, SLC6A4 Pia Soronen, Genetics Behind Mood Disorders – Candidate Gene Studies of Bipolar and Major Depressive Disorders [Väitöstutkimus mielialahäiriöille altistavista geeneistä]. Terveyden ja hyvinvoinnin laitos, Tutkimus 91/2012, 162 sivua. Helsinki, Finland 2012. ISBN 978-952-245-744-8 (printed); 978-952-245-745-5 (pdf-version) TIIVISTELMÄ Mielialahäiriöt ovat monitekijäisiä psykiatrisia sairauksia, jotka ovat yleisin syy työkyvyttömyyteen Suomessa. Mielialahäiriöihin luetaan vakava masennus sekä kaksisuuntainen mielialahäiriö. Kummatkin näistä ovat vahvasti perinnöllisiä sairauksia, eli geenit vaikuttavat näiden tautien syntyyn. Vakavassa masennuksessa geenit vaikuttavat sairauden syntyyn osittain ja kaksisuuntaisen mielialahäiriön kohdalla suurelta osin. Vaikka näiden sairauksien geneettistä taustaa on tutkittu kauan, vieläkään ei tiedetä mitkä geneettiset tekijät altistavat näille sairauksille. Aiemmat geneettiset kytkentäanalyysit ja assosiaatioanalyysit ovat antaneet viitteitä tiettyjen geenien ja genomialueiden merkityksestä sairauksien synnyssä. Koko genomin sekvensointi ja genotyypitysmenetelmien kehittyminen ovat mahdollistaneet koko genomin laajuiset assosiaatioanalyysit isoissa, monen tutkimuskeskuksen yhteistyönä keräämissä näyteaineistoissa. Näissä laajoissa aineistossa tehdyissä tutkimuksissa on paljastanut täysin uusia alttiusgeeni ehdokkaita. Ongelmana on kuitenkin ollut se, että paljastuneet riskimuodot kattavat vain pienen osan sairauksien perinnöllisestä taustasta. Tämän vuoksi psykiatrisessa genetiikassa on lisäksi tärkeää tutkia myös geneettisesti homogeenisempia populaatioita, joihin on kasautunut vähäisempi määrä geneettisiä riskitekijöitä. Tärkeäksi tekijäksi on muodostunut myös aineiston tarkka ilmiasun karakterisointi, sillä mielialahäiriöt itsessään ovat ilmiasuina erittäin heterogeenisia. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia toiminnallisesti tärkeitä mielialahäiriöiden ehdokasgeenejä sekä uusia riskivariantteja jotka on löydetty ensimmäisissä koko genomin laajuisissa assosiaatiotutkimuksissa ja selvittää näiden vaikutus mielialahäiriöön suomalaisissa aineistoissa. Kaksisuuntaisen mielialahäiriön perheaineisto koostuu 723 yksilöstä, joista 227 sairastaa kaksisuuntaista mielialahäiriötä ja loput ovat näiden ensimmäisen asteen sukulaisia. Osa tästä aineistosta on tarkemmin karakterisoitu neurokognitiivisten ominaisuuksien ja vuodenaikais- ja vuorokausimuuttujien osalta. Nämä ovat mahdollisia mielialahäiriöiden endofenotyyppejä, eli ominaisuuksia jotka liittyvät tutkittavaan psykiatriseen sairauteen ja ovat ilmiasultaan yksinkertaisempia kuin tutkittava psykiatrinen sairaus. Kliininen kohorttiaineisto muodostuu 272 vakavaan masennukseen ja 178 kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön sairastuneesta. Näiden potilaiden kliininen ilmiasu on tarkkaan karakterisoitu komorbiditeettihäiriöiden ja sairauden vaikeusasteen osalta. Aiemmissa tutkimuksissa paljon tutkittu BDNF geeni ja sen funktionaalinen variantti val66met assosioitui perheaineistossa kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön. Samassa aineistossa myös SLC6A4 geeni assosioitui kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön miehillä ja P2RX7 geeni sekä kaksisuuntaiseen mielialahäiriöön että neurokognitiiviseen testimuuttujaan. Perheaineiston vahvin geneettinen löydös oli DAOA geenin assosiaatio visuaalis-tilallista kyvykkyyttä mittaavaan neurokognitiiviseen testimuuttujaan. Kohorttiaineistossa löysimme familiaalisen mielialahäiriön vahvan assosiaation kahteen P2RX7 geenin aminohappoa muuttavaan varianttiin. Kumpikin variantti vaikutti myös kliinisesti lisäten riskialleelia kantavien sairastamisaikaa. Neljännessä ja viidennessä osatyössä yritimme toistaa ensimmäisten koko genomin laajuisten assosiaatioanalyysien tuloksia. Tuloksena oli viiden geenin tai genomialueen assosiaatio mielialahäiriöihin myös suomalaisessa aineistossa. Suurin osa näistä assosioitui myös joko johonkin neurokognitiiviseen testimuuttujaan tai unen, sosiaalisen aktiivisuuden tai mielialan vuodenaikaisvaihteluun, jotka kaikki ovat mahdollisia mielialahäiriöiden endofenotyyppejä. Yhteenvetona voidaan todeta, että psykiatrisessa genetiikassa on tärkeää käyttää tarkkaan karakterisoitua aineistoa, sillä se vähentää tutkittavan ilmiasun heterogeenisyyttä ja siten todennäköisyys löytää ilmiasuun vaikuttavia geneettisiä riskitekijöitä kasvaa. Tässä työssä tuli myös ilmi joitain mahdollisia mielialahäiriöiden endofenotyyppejä ja ominaispiirteitä joiden kautta ehdokasgeenien vaikutus sairauteen välittyy. Avainsanat: Mielialahäiriöt, toistuva vakava masennus, kaksisuuntainen mielialahäiriö, ehdokasgeenit, assosiaatioanalyysi, BDNF, P2RX7, DAOA, SLC6A4 CONTENTS Abbreviations ........................................................................................................... 11 List of original publications .................................................................................... 13 1 Introduction ..................................................................................................... 14 2 Review of the literature ................................................................................... 15 2.1 OVERVIEW OF MOOD DISORDERS ................................................................ 15 2.1.1 Historical aspects ................................................................................. 15 2.1.2 Diagnostic perspectives ........................................................................ 16 2.1.3 Epidemiology ....................................................................................... 20 2.1.4 Aetiology .............................................................................................. 20 2.1.5 Endophenotypes ................................................................................... 22 2.2 GENETICS OF COMPLEX DISEASES ................................................................ 24 2.2.1 Heritability ........................................................................................... 24 2.2.2 Human genome .................................................................................... 25 2.2.3 Linkage disequilibrium ........................................................................ 27 2.2.4 Genetic mapping of complex diseases ................................................. 28 2.3 GENETICS OF MOOD DISORDER ..................................................................... 31 2.3.1 Linkage findings .................................................................................. 31 2.3.2 Candidate gene findings ....................................................................... 34 2.3.3 Genome wide association studies ......................................................... 44 2.3.4 Other genetic avenues .......................................................................... 47 3 Aims of the study ............................................................................................. 48 4 Materials and methods .................................................................................... 49 4.1 STUDY SAMPLES ........................................................................................... 49 4.1.1 Bipolar family sample .......................................................................... 49 4.1.2 Mood disorder cohort ........................................................................... 54 4.1.3 Control sample ..................................................................................... 56 4.2 LABORATORY METHODS AND STATISTICAL ANALYSES ................................ 56 4.2.1 Marker selection and genotyping ......................................................... 58 4.2.2 Statistical analyses ............................................................................... 59