Powerpointpresentatie van VU-hoofddocent Biologische Psychologie, Meike Bartels, tijdens de Sminialezing van VU Connected en de Stenden Hogeschool op 15 oktober 2013
1. 10/24/13
GENEN
SMINIA LEZING 2013:
SAMENSPEL VAN GENEN EN OMGEVING
MEIKE BARTELS
OMGEVINGSINVLOEDEN
gedeelde omgevingsinvloeden
unieke omgevingsinvloeden
1
2. 10/24/13
Erfelijkheid? Nature-Nurture
Erfelijkheid? Nature-Nurture
1. Lichaamslengte
1. Lichaamslengte
2. Lichaamsgewicht
2. Lichaamsgewicht
-> 80%
-> 70%
3. Sport Participatie
3. Sport Participatie
-> males: 70-80%
4. CITO
4. CITO
-> 60%
5. Roken
5. Roken
-> initiation: males: 37%; females: 55%
6. Agressie
7. Welbevinden
8. Depressie
6. Agressie
7. Welbevinden
8. Depressie
-> current: males: 59%; females: 46%
-> 50%
-> 40%
-> 30-40%
-> females: age 13: 38%; age > 13 70-80%
Netherlands Twin Register (NTR): Longitudinal Survey Study
(children, adolescents and adults)
www.tweelingregister.org
Age
1
YNTR:
Young
Twins
and
Sibs:
Parental,
Teacher,
Self-‐report
on
CBCL,
TRF,
YSR,
CPRS-‐R:S,
DCB,
health,
school,
lifestyle,
wellbeing,
religion,
demographics,
peer-‐relaLons,
family
funcLoning
ANTR:
Adults
Twins,
Sibs,
Parents
&
Spouses
:
Self-‐Report
on
health,
personality,
wellbeing,
psychopathology,
lifestyle,
religion,
ferLlity,
educaLon,
demographics,
addicLon
1991
(L1)
1993
(L2)
Age
2
1995
(L3)
Age
3
Scale
/
Instrument
at
each
Age
(1-‐14)
Age
7
Age
9
Age
12
A2
A3
A5
A7
A9
A12
A14
Scale
/
Instrument
at
each
Vme
point
(1-‐9)
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
Y
Y
-‐
Y
Y
Y
-‐
-‐
Y
-‐
Y
Y
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
-‐
-‐
Y
Y
Y
Y
Y
Y
-‐
-‐
NeuroVcism,
Extraversion,
SomaVc
anxiety,
Lie
(ABV:
Wilde)
Big
5
Personality
(NEO:
Costa
&
McCrae,
60
items)
Anxious/Depressed
(Achenbach)
Withdrawn,
Rule
breaking,
Aggression,
Social,
SomaVc,
Thought,
AXenVon
Pro*
(Achenbach)
Y
Big
5
Personality
(NEO:
Costa
&
McCrae,
60
items)
Anxious/Depressed
(Achenbach)
(parental
report)
Withdrawn,
Rule
breaking,
Aggression,
Social,
SomaVc,
Thought,
AXenVon
Pro*
(Achenbach)
Anxious/Depressed
(Achenbach)
(teacher
report)
Withdrawn,
Rule
breaking,
Aggression,
Social,
SomaVc,
Thought,
AXenVon
Pro*
(Achenbach)
Anxious/Depressed
(Achenbach)
(self
report)
Withdrawn,
Rule
breaking,
Aggression,
Social,
SomaVc,
Thought,
AXenVon
Pro*
(Achenbach)
-‐
Y
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
-‐
Y
Y
-‐
Y
Y
-‐
Y
-‐
Y
-‐
-‐
Y
Y
Y
-‐
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
Y
Y
Y
Y
-‐
-‐
Y
-‐
Y
-‐
Y
-‐
-‐
-‐
S
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y(s)
Y(s)
Y
Y
Conners’
Parent
RaVng
Scales
Revised
Short
Form
(CPRS-‐R:S)
Devereux
Child
Behavior
checklist
(DCB;
Spivack
and
SpoXs,
1966
Obsessive
Compulsive
Symptoms
(Achenbach)
Self-‐Esteem
(Rosenberg)
Life-‐saVsfacVon
(Diener
et
al.)
Happiness
(Lyobomyrski
et
al.)
Quality
of
Life
(Cantril)
Happiness
(parental
raVng)
Loneliness
(Hughes
et
al.,
3
items)
EducaVonal
achievement
Health
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
-‐
-‐
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
-‐
Y
-‐
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
-‐
Y
Y
Y
-‐
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
Y
Y
Y
-‐
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
Y
Y
Y
-‐
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
Y
y
-‐
-‐
Y
Y
Y
Y
Y
-‐
Y
Y
Y
Trait
Anxiety
(Spielberger)
Y
Y
-‐
Y
Trait
Anger
(Spielberger)
Y
Y
-‐
-‐
DisinhibiVon,
Boredom
suscepVbility,
Y
Y
-‐
Y
Thrill
&
Experience
seeking
(Zuckerman)
Type-‐A
behavior
(Jenkins)
Y
-‐
-‐
-‐
CogniVve
Failure
Q’naire
(Broadbent)
Y
-‐
-‐
-‐
Parental
raVng
behavior
problems
Y
-‐
-‐
-‐
Beck
Depression
Inventory
(Beck)
-‐
Y
-‐
Y
Burnout
(CBS)
-‐
-‐
-‐
-‐
Phobia:
social,
blood,
agora
(Marks
&
MaXhews)
-‐
-‐
-‐
Y
Obsessive
Compulsive
Disorder
()
-‐
-‐
-‐
-‐
Self-‐Esteem
(Rosenberg)
-‐
-‐
-‐
-‐
Life-‐saVsfacVon
(Diener
et
al.)
-‐
-‐
-‐
-‐
Happiness
(Lyobomyrski
et
al.)
-‐
-‐
-‐
-‐
PAI-‐BOR
(Morey,
24
items)
-‐
-‐
-‐
-‐
ADHD
index
(CAARS,
12
items)
-‐
-‐
-‐
-‐
ADHD
total,
inaXenVve,
HyperacVve
-‐
-‐
-‐
-‐
/impulsive
(CAARS,
Conners,
30
items)
Loneliness
(Hughes
et
al.,
3
items)
-‐
-‐
-‐
-‐
Hospital
Anxiety
Depression
Scale
(depr
items)
-‐
-‐
-‐
-‐
Tics
-‐
-‐
-‐
-‐
Hoarding
-‐
-‐
-‐
-‐
Dental
Anxiety
Scale
(DAS)
-‐
-‐
-‐
-‐
SVmulus
quesVonnaire
(dental
anxiety)
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
-‐
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
Y
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
-‐
Y
Y
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
Y
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
Y
Graded
Chronic
Pain
Scale
Age
5
A1
Motor
Development
-‐
-‐
-‐
-‐
Y
-‐
-‐
-‐
-‐
1997
(L4)
2000
(L5)
2003
(L6)
2005
(L7)
2009
(L8)
Age
14
2011
(L9)
Age
16
18+
year
old
twins
and
family
members
from
YNTR
to
ANTR
survey
collecVon
2013
(L10)
2
3. 10/24/13
Netherlands Twin Register (NTR): beyond survey studies
(children, adolescents and adults)
Twee ‘soorten’ tweelingen
Psychiatric
Interviews:
CIDI
for
adults
/
DISC
for
Children
LVS
&
CITO
data
Cardiovascular
and
autonomic
funcLon
(BP,
ECG,
ICG,
RR,
RSA,
PEP)
EEG,
ERP,
MRI,
fMRI
(e.g.
BRAINSCALE)
Stress
tesLng
Exercise
&
health
IQ
tesLng
&
Neuropsychology
(processing
speed,
memory,
execuLve
funcLon)
DNA
collecLon
(buccal
cells)
for
candidate
genes,
GWA
and
epigeneLc
studies
Beta-‐cell
funcLon
IdenVcal
=
M
MonozygoVc
(MZ)
IdenVcal
=onozygoVc
(MZ)
=
eeneiig
Fraternal
=
DizygoVc
(DZ)=
twee-‐eiig
NTR
Biobank:
Serum,
plasma,
DNA
(GWA),
RNA
((un)challenged),
LCL
cell
lines,
urine,
stool
-‐>
biomarkers,
metabolomics
3
4. 10/24/13
Het Klassieke Tweeling Model
Leeftijd 1
Leeftijd 2
Leeftijd 3
Leeftijd 7, 10, 12
Leeftijd 14, 16
4
5. 10/24/13
Gedrags- en Emotionele Problemen tijdens de kindertijd
girls
25 jaar data verzameling Aandachtsproblemen
boys
aggression,
RB
depression
Thought
problems
AaenLon
problems
OCD
juvenile
bipolar
N=1377 twin pairs
Prenatal smoking predicts offspring externalizing but not
internalizing problems at age three
Lot M Geelsa,c,, Jacqueline M Vinka,b, Toos CEM van
Beijsterveldta, Michael C Nealea,d, Dorret I Boomsmaa, b, c &
Meike Bartelsa, b, c
N= 9,982 children
Maternal and paternal prenatal smoking were both related to offspring
externalizing problems. Maternal but not paternal smoking was related
to offspring internalizing problems. For externalizing problems,
maternal prenatal smoking was a stronger predictor than paternal
smoking. Offspring of mothers who continued to smoke during
pregnancy showed increased externalizing, but not internalizing
problems at age three. No differential effects of maternal smoking only
in the first or last trimester were observed.
5
6. 10/24/13
9
18
8
16
7
14
6
12
5
Getrouwd tot leeftijd 12
4
10
Getrouwd tot leeftijd 12
Gescheiden tussen leeftijd 3-12
8
Gescheiden tussen leeftijd 3-12
3
6
2
4
1
2
0
Meisjes: Int_age12 Jongens: Int_age12 Meisjes: Ext_age12 Jongens: Ext_age12
0
Meisjes: Int_age3
Jongens: Int_age3
Meisjes: Ext_age3
Jongens: Ext_age3
Human genome project
• aimed at determining the sequence of all base pairs which make up DNA and to identify
and map the approximately 25,000 genes of the human genome from both a physical and
functional standpoint.
• The project began in 1990, initially headed by James D. Watson at the NIH. A working
draft of the genome was released in 2000 and a complete one in 2003, with further analysis
still being published. A parallel project was conducted by the Celera Corporation (Craig
Venter).
Venter
Clinton
Collins
The
White
House
-‐
June
26,
2000
6
7. 10/24/13
Genome Wide Association
Associating phenotypic and genotypic variation
Scz
Scz
Control
…
?
Control
…
…
2007 second quarter
Genome Wide Association
fourth2006
2005
First third quarter
2008
2007quarterquarter
Manolio, Brooks, Collins, J. Clin. Invest., May 2008
Stephen Channock
7
8. 10/24/13
Published Genome-Wide Associations through 9/2009, 536 published GWA at p < 5 x 10-8
NHGRI GWA Catalog
www.genome.gov/GWAStudies
Published Genome-Wide Associations through 6/2010, 904 published GWA at p<5x10-8 for 165 traits
NHGRI GWA Catalog
www.genome.gov/GWAStudies
Published Genome-Wide Associations through 06/2011,
1,449 published GWA at p≤5x10-8 for 237 traits
NHGRI GWA Catalog
www.genome.gov/
GWAStudies
8
9. 10/24/13
Published Genome-Wide Associations through 07/2012, Published GWA at p≤5X10-8 for 18 trait categories
Published Genome-Wide Associations through 12/2012, Published GWA at p≤5X10-8 for 17 trait categories
NHGRI GWA Catalog
www.genome.gov/GWAStudies
www.ebi.ac.uk/fgpt/gwas/
It took 4 months, a handful of scientists and ~ US$1.5 mil
to sequence the genome of DNA pioneer James Watson
Next Generation Sequencing
High-throughput sequencing
9
10. 10/24/13
Samenspel tussen Genen en Omgeving
1.
2.
3.
4.
Additief
à Verschillen tussen mensen = genen + omgeving
Gen-omgevings correlatie
Gen-omgevings interactie
Epigenetica
Gen-omgevingsinteractie
•
•
•
•
De omgeving beinvloedt de expressie van genen
Genen beinvloeden de reactie op de omgeving
Genen beinvloeden de gevoeligheid voor de omgeving
Genetic effects depend on the environment
10
11. 10/24/13
Measured
Genotypes
Diathesis-stress model:
Individuals at genetic risk for psychopathology (diathesis
predisposition) are especially sensitive to the effects of stressful
Environments -> vulnerability genes
Differential Susceptibility Framework:
Individuals sensitive to both negative as well as positive
influences -> plasticity genes
Measured
Genotypes
Klassieke Tweelingmodel– Verschillende Omgeving
Social control model:
Sociale normen en gewoonten beperken de activiteiten en keuzes van
een individu binnen een bepaalde sociale context. Een consequentie
daarvan is dat dit genetische expressie onderdrukt.
Kendler, Nov 2001, Archives General Psychiatry
11
12. 10/24/13
Measured Genotypes
Measured Genotypes
Childhood Maltreatment
- during the first decade of life (ages 3 to 11 years)
- behavioral observations
- parental reports
- retrospective reports by study members once they reached adulthood
• Sommige mishandelde kinderen vertonen op latere leeftijd agressief of
antisociaal gedrag
• Er zijn ook mishandelde kinderen die later geen agressief of antisociaal
gedrag vertonen
Waardoor kan dit verschil verklaard worden?
MAOA
MAOA en Agressie
1.
• Is een enzym dat gecodeerd wordt door een gen
gelokaliseerd op het X-chromosoom
• Dit enzym metaboliseert neurotransmitters (bijvoorbeeld
norepinephrine NE, serotonine 5-HT en dopamine DA)
Genetische tekorten in MAOA activiteit zijn gerelateerd aan agressiviteit bij muizen en
mensen (Rowe, 2001)
2.
Muizen waarbij het MAOA-gen weg was gehaald, vertoonden meer agressiviteit en
hadden hogere levels van bepaalde neurotransmitters (NE, 5-HT, DA). Als de
expressie van dit gen werd hersteld, nam de agressie weer af (Cases, 1995; Shih &
Thompson, 1999).
3.
Het zeldzame geval van een ‘human knockout’, waarbij het MAOA-enzym niet
geproduceerd wordt, correleert met antisociaal gedrag bij mannen (Brunner et al.,
1993; Jorm et al., 2000; Parsian et al., 2001; Manuck et al., 2000; Samochowiec et
al., 1999).
4.
Bij mensen is een verhoogde NE en 5-HT activiteit gerelateerd aan agressief gedrag
(Berman et al., 1997).
• Hierdoor worden deze neurotransmitters inactief
gemaakt >> tekort = meer AGG
12
13. 10/24/13
Measured Genotypes
• Er bleek geen hoofdeffect te
zijn voor MAOA activiteit.
• Er was wel een hoofdeffect
voor mishandeling
• Er is een interactie-effect
tussen MAOA activiteit en
mishandeling.
• Mishandelingseffecten op
antisociaal gedrag waren
significant zwakker bij jongens
met hoge MAOA-activiteit, dan
bij jongens met lage MAOAactiviteit.
18
16
14
12
10
Getrouwd tot leeftijd 12
8
Gescheiden tussen leeftijd 3-12
6
4
2
0
Meisjes: Int_age3
Jongens: Int_age3
Meisjes: Ext_age3
Jongens: Ext_age3
Gen-‐omgevingscorrelaVe
Internalizing
Exernalizing
100%
100%
90%
80%
80%
70%
70%
60%
60%
50%
50%
40%
40%
30%
30%
20%
GeneVc
control
of
exposure
to
the
environment
GeneVsche
controle
van
de
blootstelling
aan
de
omgeving
20%
10%
Nonshared
Environmental
Influences
90%
10%
0%
Genetic
Influences
d
iv
_d
G
irls
div
on
_n
or
or
ce
ce
d
d
ce
ce
or
or
div
div
s_
on
Bo
y
_n
ys
Bo
G
irls
ce
d
d
d
ce
iv
_d
G
irls
on
_n
G
irls
or
or
div
iv
_d
ys
Bo
div
or
or
ce
ce
d
d
0%
on
_n
ys
Bo
Shared
Environmental
Influences
13
14. 10/24/13
Gen-omgevingscorrelatie
Levensgebeurtenissen
/
Life
Events
Gebeurtenissen
13.
Hieronder
volgt
een
lijst
van
gebeurtenissen
die
wel
of
niet
in
jouw
leven
zijn
voorgekomen.
Geef
bij
iedere
gebeurtenis
aan
of
het
bij
jou
is
voorgekomen.
Actief: Individuen selecteren of creëren een omgeving die past bij
hun genotype.
a.
Je
bent
naar
een
andere
wijk
of
woonplaats
verhuisd………………...
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
b.
Een
goede
vriend/vriendin
is
verhuisd……………………………....
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
c.
Je
bent
van
school
veranderd
(niet
van
basis-‐
naar
vervolgonderwijs)..
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
d.
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
e.
Je
bent
ernsVg
ziek
geweest
of
hebt
een
ernsVg
ongeluk
gehad……....
Iemand
uit
je
nabije
omgeving
was
of
is
ernsVg
ziek………………....
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
f.
Iemand
uit
je
nabije
omgeving
is
overleden………………………….
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
g.
Je
ouders
hebben
serieuze
conflicten/
ruzies………………………...
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
h.
Je
moeder
of
vader
is
thuis
weggegaan
of
je
ouders
zijn
gescheiden…
Een
nieuwe
partner
van
je
vader
of
moeder
is
bij
jullie
komen
wonen
Je
broer
of
zus
is
uit
huis
gegaan…………………………………….
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
Je
moeder
of
vader
is
werkeloos
geworden………………………….
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
l.
§
Reactief: Ouders en anderen creëren een omgeving in reactie
(evocatief) op het genotype van het kind.
niet
voor-‐
gekomen
k.
§
Passief: Ouders dragen zowel genen als omgeving over aan hun
kinderen.
Let
op:
Er
zijn
meerdere
antwoorden
mogelijk:
iets
kan
meerdere
keren
zijn
voorgekomen,
bijvoorbeeld
korter
én
langer
dan
2
jaar
geleden.
j.
§
Je
moeder
of
vader
is
weer
gaan
werken
na
een
lange
Vjd
thuis……...
Er
is
een
broertje
of
zusje
geboren
of
geadopteerd…………………..
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
£0-‐0of1
£1-‐0of1
£2-‐0of1
i.
m.
korter
dan
2
jaar
langer
dan
2
jaar
geleden
geleden
voorgekomen
voorgekomen
A
=
Erfelijkheid
(AddiVve
geneVc
factors)
C
=
Gedeelde
omgeving
(Common
/
shared
environment)
E
=
Unieke
omgeving
(Environment)
14
15. 10/24/13
EpigeneVca
epigenetics is the study of changes in gene expression (DNA methylation), caused by
mechanisms other than changes in the underlying DNA sequence
(e.g. environmental influences)
Twee vormen:
1. Aanpassingen aan het DNA zelf (Methylering)
2. Aanpassingen aan de Histonen waar DNA omheen gewikkeld zit
E
Ad. 1 aan de nucleotide cytosine (C) kan een methylgroep (-CH3)
toegevoegd zijn. We noemen die nucleotide dan gemethyleerd. Als de
promotor van een gen gemethyleerd is, is transciptie niet mogelijk
15
16. 10/24/13
Wellbeing
Individual Differences
Large groups of people live
healthy and happy lives
I wonder
Why do many individuals stay healthy and happy even when faced with severe
adversity?
GENES- 40%
I envision
The enormous potential of using information on causes of individual differences
in wellbeing to help those who suffer
What is lacking and critically needed?
Research on the causes of individual differences in Wellbeing
ENVIRONMENT- 60%
16
18. 10/24/13
the Bio-Psycho-Social model of Wellbeing
WELLBEING
Happiness
Self-Control
Life Satisfaction
Resilience
Quality of Life
Personality
Goal Attainment
Brain
Hormones
Immune System
Autonomic Nervous System
GE interaction
Environment
BIOLOGICAL FUNCTIONS
GE correlation
GENOME
Epigenetics
Samenvatting en Conclusies
- Het Nature-Nurture debat is niet meer relevant
- Genen en Omgeving doen er beide toe
- De zoektocht naar genen is niet eenvoudig maar begint zijn vruchten af te werpen
- Genetische en omgevingsinvloeden correleren en interacteren
- Epigenetica is een relatief nieuw onderzoeksveld die genen en omgeving integreerd
- Wanneer we naar meer dan ziekten kijken zouden we nieuwe inzichten kunnen krijgen in
preventie en interventie
Dank aan alle tweeling-families
18