Pregled studija asocijacija širokog genoma

Sadržaj

• Pregled studija povezanosti genoma (GWAS)
• Kako SNP mogu utjecati na biologiju
• Kako se rade: metode i rezultati
• Ograničenja
• Potencijalni utjecaj i kliničke primjene
• Primjeri GWAS uspjeha u medicini

Studije povezanosti genoma (GWAS) promatrački su testovi koji promatraju čitav genom u pokušaju pronalaženja povezanosti (veza) između određenih područja na DNA (lokusima) i određenih osobina, poput uobičajenih, kroničnih bolesti. Te udruge mogu utjecati na ljude na više načina.

Identificiranjem genetskih čimbenika rizika za bolest, znanje može dovesti do ranog otkrivanja ili čak preventivnih mjera. GWAS također može poboljšati liječenje, omogućujući istraživačima da osmisle tretmane na temelju specifične temeljne biologije stanja (precizni lijek), umjesto da liječe jedinstvenim pristupom zajedničkim za mnoga od ovih stanja.

Kako GWAS može promijeniti naše razumijevanje genetske bolesti

Trenutno se odnosi velik dio našeg genetskog razumijevanja bolesti neuobičajeno stanja povezana s pojedinačnim specifičnim mutacijama gena, poput cistične fibroze.

Potencijalni utjecaj GWAS-a značajan je, jer ove studije mogu otkriti ranije nepoznate varijacije u velikom broju gena u genomu koje su povezane sa širokim rasponom uobičajenih, složenih kroničnih stanja.

Brzi primjer toga je da su GWAS već korišteni za identifikaciju tri gena koji čine 74% pripadajućeg rizika za dobnu degeneraciju makule, stanje koje se prethodno nije smatralo genetskom bolešću.

Pregled studija povezanosti genoma (GWAS)

Prije nego što krenemo u detalje studija povezanosti genoma (GWAS), korisno je definirati ove studije sa stajališta velike slike.

GWAS se može definirati kao testovi koji u konačnici mogu identificirati (često i nekoliko) gena odgovornih za niz uobičajenih, kroničnih zdravstvenih stanja za koja se prije smatralo da su povezani samo s okolišem ili čimbenicima životnog stila. S genima koji povećavaju rizik od stanja, liječnici bi na taj način mogli pregledati rizične ljude (ili ponuditi strategije prevencije), istovremeno štiteći ljude koji nisu u opasnosti od neizbježnih nuspojava i lažnih pozitivnih rezultata povezanih s pregledom.

Učenje o genetskim asocijacijama s uobičajenim bolestima također može pomoći istraživačima da otkriju temeljnu biologiju. Za većinu bolesti liječenje je prvenstveno usmjereno na liječenje simptoma i to na jednostavan način. Razumijevanjem biologije mogu se osmisliti tretmani koji dovode do korijena problema i to na personalizirani način.

Povijest genetike i bolesti

Ispitivanja povezanosti genoma prvi su put izvedena 2002. godine, a završetkom projekta humanog genoma 2003. godine ove su studije u potpunosti moguće. Prije GWAS-a, razumijevanje genetske osnove bolesti bilo je prvenstveno ograničeno na stanja "jednog gena" koja su imala vrlo značajne učinke (poput cistične fibroze ili Huntingtonove bolesti) i velikih genetskih promjena (poput prisutnosti dodatnog kromosoma 21 s Downov sindrom). Pronaći specifične gene koji bi mogli biti povezani s nekom bolešću bio je veliki izazov, jer su se obično ispitivali samo specifični geni.

Za razliku od stanja s "jednim genom", vjerojatno postoji mnogo gena iz mnogih različitih regija povezanih sa najsloženijim kroničnim bolestima.

Razumijevanje osnova gena, DNA i kromosoma

Polimorfizmi pojedinačnih nukleotida (SNP) i genetske varijacije

Studije povezanosti genoma traže specifične lokuse (polimorfizmi jednostrukih nukleotida) u cijelom genomu koji mogu biti povezani sa nekom osobinom (kao što je bolest). Otprilike 99% plus ljudskog genoma identično je među svim ljudima. Drugi dio, manje od 1% ljudskog genoma, sadrži varijacije između različitih ljudi koje se mogu pojaviti bilo gdje u genomu, kroz našu DNK.

Polimorfizmi jednostrukih nukleotida (SNP) samo su jedna vrsta genetskih varijacija koje se nalaze u genomu, ali su najčešće.

Studije udruživanja širom genoma traže ove specifične lokuse ili SNP-ove (izgovarajuće "snips") kako bi se utvrdilo jesu li neki češći kod ljudi s određenom bolešću.

SNP-ovi su područje DNA koje varira u jednom nukleotidu ili baznom paru. Nukleotidi su baze koje čine gradivne blokove ili "slova" genetskog koda.

Postoje samo četiri baze, A (adenin), C (citozin), G (gvanin) i T (timin). Iako su "abeceda" od samo četiri slova, varijacije stvorene različitim bazama gotovo su neograničene i objašnjavaju razlike u osobinama različitih ljudi.

Koliko SNP-ova postoji u ljudskom genomu?

U ljudskom genomu ima otprilike 300 milijardi nukleotida, od kojih je otprilike jedan na 1.000 SNP. Genom svakog pojedinca sadrži između četiri i pet milijuna SNP-a.

Mali i glavni SNP-ovi

SNP-ovi su klasificirani kao glavni ili manji, ovisno o učestalosti SNP-a u određenoj populaciji. Primjerice, ako 80% ljudi ima A (adenin) u jednom položaju, a 20% T (timin), SNP s A smatra se glavnim ili uobičajenim SNP, a SNP s T, molom SNP.

Kada se SNP-ovi javljaju unutar gena, ta se područja nazivaju alelima, a većina ih ima dvije moguće varijacije. Pojam "učestalost manjeg alela" jednostavno se odnosi na učestalost rjeđeg alela ili manjeg SNP-a.

Neke rijetke bolesti karakterizira jedan, rijetki SNP; Huntingtonova bolest, na primjer. S najčešćim, složenim bolestima poput dijabetesa tipa II ili bolesti srca, umjesto toga može postojati mnogo, relativno uobičajenih SNP-a.

Lokacije SNP-a

SNP se nalaze u različitim funkcionalnim regijama genoma, a ta regija, pak, igra ulogu u učinku koji mogu imati. SNP-ovi mogu biti u:

• Kodirajuća sekvenca gena
• Nekodirajuće područje
• Između gena (intergeno)

Kada se SNP pronađe s kodirajućom sekvencom gena, on može utjecati na protein koji je kodiran od strane tog gena, mijenjajući njegovu strukturu tako da djeluje štetno, korisno ili uopće nema učinka.

Svaki segment od tri nukleotida (tri SNP-a) kodira jednu aminokiselinu. Međutim, postoji suvišak u genetskom kodu, tako da čak i ako se jedan nukleotid promijeni, to možda neće rezultirati smještanjem druge aminokiseline u protein.

Promjena aminokiseline može promijeniti strukturu i funkciju proteina ili ne, a ako jest, može rezultirati različitim stupnjevima disfunkcije tog proteina. (Svaka kombinacija tri baze određuje koja će od 21 moguće aminokiseline biti umetnuta u određeno područje u proteinu.)

SNP-ovi koji spadaju u nekodirajuće područje ili između gena mogu i dalje utjecati na biološku funkciju gdje mogu igrati regulatornu ulogu u ekspresiji obližnjih gena (mogu utjecati na funkcije kao što je vezanje faktora transkripcije itd.).

Vrste SNP-a u kodnim regijama

Unutar kodirajućeg područja gena postoje i različite vrste SNP-a.

• Sinonim: Sinonimni SNP neće promijeniti aminokiselinu.
• Nesinonimno: S nesinonimnim SNP-ima doći će do promjene aminokiseline, ali one mogu biti dvije različite vrste.

Vrste nesinonimnih SNP-a uključuju:

• Missense mutacije: Ove vrste mutacija rezultiraju proteinom koji ne funkcionira pravilno ili uopće ne funkcionira.
• Gluposti mutacije: Ove mutacije rezultiraju preranim stop kodonom što rezultira skraćivanjem proteina.

SNP-ovi nasuprot mutacijama

Pojmovi mutacija i SNP (varijacija) ponekad se koriste naizmjenično, iako se pojam mutacija češće koristi za opisivanje rijetkih genetskih inačica; SNP se obično koristi za opisivanje uobičajenih genetskih varijacija.

Klice u odnosu na somatske mutacije

S nedavnim dodavanjem ciljanih terapija za rak (lijekovi koji ciljaju specifične genetske promjene ili mutacije u stanicama raka koje potiču rast tumora), raspravljanje o genskim mutacijama može biti vrlo zbunjujuće. Vrste mutacija koje se nalaze u stanicama raka najčešće su somatske ili stečene mutacije.

Somatske ili stečene mutacije nastaju u procesu kada stanica postaje stanica raka i prisutne su samo u stanicama iz kojih potječu (na primjer, karcinomske stanice pluća). Budući da su stečene nakon rođenja, ne nasljeđuju se niti prenose s jedne generacije na drugu.

Kada ove stečene promjene ili mutacije uključuju promjenu u jednoj bazi, obično se nazivaju jednim nukleotidom preinaka umjesto SNP-a.

Klice ili nasljedne mutacijeza razliku od toga jesu li mutacije ili druge genetske promjene u DNA koje su prisutne od rođenja (začeća) i mogu se naslijediti.

Nasljedne i stečene mutacije gena: Koje su razlike?

Kod GWAS-a fokus je na genetskim varijacijama koje se nasljeđuju, a time i na mutacijama zametnih stanica koje se mogu naći.

Kako SNP mogu utjecati na biologiju

Mnogi SNP-ovi imaju mali utjecaj izravno na biologiju, ali mogu poslužiti kao vrlo korisni biljezi za pronalaženje regije genoma koja to čini. Iako se SNP-ovi mogu pojaviti unutar gena, oni se češće nalaze u nekodirajućim regijama.

Kada se utvrdi da su određeni SNP povezani sa osobinom u studijama povezanosti genoma, istraživači zatim koriste daljnje testove za ispitivanje područja DNA u blizini SNP-a. Pritom mogu identificirati gen ili gene koji su povezani sa nekom osobinom.

Samo udruživanje ne dokazuje da SNP (ili određeni gen u blizini SNP-a) uzroci osobina; potrebna je daljnja procjena. Znanstvenici mogu pogledati protein koji generira gen kako bi procijenili njegovu funkciju (ili disfunkciju). Pritom je ponekad moguće odgonetnuti temeljnu biologiju koja dovodi do te bolesti.

Genotip i fenotip

Kada govorimo o SNP-ima i osobinama, korisno je definirati još dva pojma. Znanost vrlo dugo zna da su genetske varijacije povezane s fenotipovima.

• Genotipovi odnose se na genetske varijacije, poput varijacija SNP-a.
• Fenotipovi odnose se na osobine (na primjer, boju očiju ili boju kose), ali mogu uključivati ​​i bolesti, karakteristike ponašanja i još mnogo toga.

Analogno tome, istraživači GWAS-a mogli bi potražiti SNP-ove (genetske varijacije) koji su povezani sa sklonošću da budu plavuša ili brineta. Kao i kod nalaza u ispitivanju povezanosti genoma, povezanost (korelacija) između genotipa (SNP-ovi u ovom slučaju) i svojstva (na primjer, boje kose) ne mora nužno značiti da su genetski nalazi uzrok osobine.

SNP-ovi i ljudska bolest

Važno je napomenuti da kod uobičajenih bolesti određeni SNP obično nije uzrok bolesti, već obično postoji kombinacija nekoliko SNP-a (ili barem obližnjeg gena) koji mogu različito pridonijeti bolesti ( ozbiljnosti) i na različite načine.

Uz to, varijacije SNP-a obično se kombiniraju s drugim genetskim čimbenicima i čimbenicima rizika iz okoliša / načina života. Neki SNP-i mogu biti povezani i s više bolesti.

Nisu svi SNP-ovi "loši", a neki SNP-i (kao što je utvrđeno kod upalnih bolesti crijeva) mogu smanjiti rizik od bolesti, a ne povećati rizik. Ovakvi nalazi mogu dovesti istraživače da pronađu bolje načine liječenja bolesti, učeći o proteinima kodiranim od gena i pokušavajući oponašati postupke s lijekovima.

Kako se rade: metode i rezultati

Studije povezanosti genoma mogu imati različite dizajne, ovisno o pitanju na koje treba odgovoriti. Kad promatraju uobičajena medicinska stanja (poput dijabetesa tipa 2), istraživači okupljaju jednu skupinu ljudi s tom bolešću i drugu skupinu koja nema bolest (fenotip). Zatim se rade GWAS kako bi se utvrdilo postoje li veze između genotipa (u obliku SNP-ova) i fenotipa (bolesti).

Uzorkovanje

Prvi korak u izvođenju ovih studija je dobivanje uzoraka DNA od sudionika. To se može učiniti uzorkom krvi ili brisom obraza. Uzorak se pročišćava kako bi se DNK izolirao od stanica i drugih komponenata u krvi. Zatim se izolirana DNA stavi na čip koji se može skenirati u automatiziranom stroju.

Skeniranje i statistička analiza varijacija

Potom se skenira čitav genom uzoraka DNK kako bi se pronašle genetske varijacije (SNP) povezane s bolešću ili nekom drugom osobinom ili ako se specifični SNP (varijacije) više vide u skupini bolesti. Ako se pronađu varijacije, tada se radi statistička analiza kako bi se procijenilo jesu li varijacije između dviju skupina statistički značajne.

Drugim riječima, rezultati se analiziraju kako bi se utvrdila vjerojatnost da je bolest ili osobina doista povezana s genetskim varijacijama. Ti se rezultati zatim prikazuju na Manhattanu.

Daljnja analiza i potvrda o daljnjem radu

Pri procjeni nalaza istraživači koriste baze podataka genotipa i fenotipa (GWAS katalog) za usporedbu poznatih referentnih sekvenci s onima koje su pronađene. Međunarodni projekt HapMap (2005.) pružio je temelje koji su, uz završetak projekta ljudskog genoma, omogućili ove studije.

Ako se otkriju varijacije, kaže se da su povezane s bolešću, ali ne nužno i uzročnikom bolesti, a provode se daljnja ispitivanja kako bi se pobliže proučilo područje genoma u regiji u kojoj su pronađeni SNP.

To često uključuje sekvenciranje određene regije (gledanje sekvence parova baza u DNA), određeno područje ili sekvenciranje cijelog egzona.

Usporedba s drugim genetskim testovima

Većina rijetkih genetskih bolesti uzrokovane su mutacijom gena, ali postoji niz različitih varijacija (mutacija) u istom genu koje se mogu dogoditi.

Na primjer, nekoliko tisuća varijacija unutar gena BRCA potpada pod izraz BRCA mutacija. Analiza povezanosti može se koristiti za traženje ovih varijacija. Međutim, nije od velike pomoći kada se gledaju česte, složene bolesti.

Ograničenja

Kao i kod većine medicinskih testova, postoje ograničenja za studije povezanosti genoma. Neki od njih uključuju:

• Genetska ograničenja: Nisu sve opasnosti od bolesti (genetske ili okolišne) uzrokovane uobičajenim varijantama. Na primjer, neka stanja uzrokuju vrlo rijetke varijante, a druga uzrokuju veće promjene u genomu.
• Lažni negativci: GWAS možda neće otkriti sve inačice koje su uključene u određeno zdravstveno stanje, te stoga daje manje cjelovite informacije u vezi s bilo kojim udruženjima.
• Lažni pozitivi: Svakako se mogu otkriti povezanosti između lokusa i bolesti koje su posljedica slučajnosti, a ne veze između njih. Jedna od većih zabrinutosti nekih ljudi jest ta da udruga koju je ustanovio GWAS možda neće imati istinskog značaja za bolest.
• Pogreške: U studijama povezanosti genoma uvijek postoji mogućnost pogreške, na više mjesta gdje bi se to moglo dogoditi, počevši od lošeg uzorkovanja, do pogrešaka u izoliranju DNA i primjeni na čip, do pogrešaka u stroju koje bi se mogle dogoditi s automatizacijom. Kad podaci postanu dostupni, mogu se pojaviti i pogreške u interpretaciji. Potrebna je pažljiva kontrola kvalitete u svakom koraku postupka.

Na ove studije utječe i veličina uzorka, s manjom vjerojatnošću da će manja veličina uzorka pružiti značajne informacije.

Potencijalni utjecaj i kliničke primjene

Studije povezanosti genoma mogu utjecati na bolesti na mnogo načina, od utvrđivanja rizika, prevencije, dizajniranja personaliziranih tretmana i još mnogo toga. Možda je najveći potencijal ovih studija njihova uloga u pomaganju znanstvenicima da shvate temeljnu biologiju uobičajenih, složenih medicinskih stanja.

Trenutno su mnogi, ako ne i većina liječenja bolesti namijenjene pomoći u liječenju simptomi bolesti.

Studije povezivanja širom genoma (zajedno s naknadnim studijama poput analize rijetkih varijanti i sekvenciranja cijelog genoma) omogućuju istraživačima da prouče biološke mehanizme koji uzrokuju ove bolesti, postavljajući temelj za razvoj tretmana koji se bave uzrokom nego jednostavno liječiti simptome.

Takvi su tretmani u teoriji vjerojatnije učinkovitiji, a uzrokuju manje nuspojava.

Osjetljivost i time rano otkrivanje bolesti

Trenutno se mnogi testovi koji se koriste za provjeru zdravstvenih stanja temelje na prosječnom riziku pojedinaca. Uz neke uvjete, to nije isplativo i zapravo bi svima moglo prouzročiti više štete nego koristi.

Učenjem je li osoba manje ili više podložna nekom stanju, probir se može prilagoditi toj osobi, može li se probir preporučiti češće, u ranijoj dobi, drugim testom ili ga možda uopće nije potrebno pregledavati .

Podložnost čimbenicima rizika

Nisu svi ljudi jednako pod utjecajem toksina u okolišu. Na primjer, smatra se da su žene možda osjetljivije na karcinogene tvari u duhanu. Utvrđivanje osjetljivosti osobe na izloženost ne samo da bi moglo pomoći znanstvenicima da sagledaju mehanizme prevencije, već može voditi javnost na druge načine.

Mogući je primjer kave. Mnoga su istraživanja provedena promatrajući kavu i rizik od raznih vrsta karcinoma i drugih bolesti, s proturječnim rezultatima. Može biti da odgovor ovisi o određenoj osobi i da pijenje kave može imati pozitivne učinke na jednu osobu, a štetno za druge zbog varijacija u njihovom genomu.

Farmakogenomika

Područje farmakogenomije već koristi nalaze koji pomažu u predviđanju reakcije pojedinca na određeni lijek. Varijacije u genetskom sastavu osobe mogu utjecati na to koliko će lijek biti učinkovit, kako se metabolizira u tijelu i koje se nuspojave mogu pojaviti. Ispitivanje sada nekim ljudima može pomoći u predviđanju koji bi antidepresivi mogli biti učinkovitiji.

Coumadin (varfarin) je razrjeđivač krvi koji može izazvati odgovarajuću dozu. Ako je doza preniska, može biti neučinkovita u sprječavanju nastanka krvnih ugrušaka, što potencijalno može dovesti do plućnih embolija, srčanog udara ili ishemijskih moždanih udara. S druge strane spektra, kada je doza previsoka (previše razrjeđivača krvi), rezultat može biti podjednako katastrofalan, kad ljudi krvare, na primjer, u mozak (hemoragijski moždani udar).

Istraživači su uspjeli koristiti GWAS kako bi pokazali varijacije u nekoliko gena koji imaju vrlo značajan utjecaj na doziranje Coumadina. Ovo otkriće dovelo je do razvoja genetskih testova koji se mogu koristiti u klinici za pomoć liječnicima u propisivanju odgovarajuće doze lijeka.

Dijagnoza i liječenje virusnih bolesti

Neki su ljudi osjetljiviji na određene virusne infekcije od drugih, a poznato je da ljudi različito reagiraju na tretmane. Kombinacija GWAS-a i sekvenciranja sljedeće generacije može pomoći u donošenju odgovora na oba navedena pitanja.

Na primjer, genetske varijacije mogu povećati osjetljivost na HPV infekciju i rak vrata maternice. Znanje tko je osjetljiviji moglo bi pomoći liječnicima u preporuci i prevencije i pregleda. Još jedan primjer u kojem bi GWAS mogao biti od velike pomoći u liječenju hepatitisa C, jer ljudi mogu vrlo različito reagirati na trenutno dostupne tretmane.

Procjena prognoze

Čak i uz liječenje, neki ljudi koji imaju vrlo sličnu dijagnozu mogu imati vrlo različite ishode od bolesti. GWAS može pomoći identificirati tko će dobro reagirati, a tko ne. Nekoga s lošom prognozom možda će trebati tretirati agresivnije, dok će osoba s vrlo dobrom prognozom trebati manje liječenja; znajući to prije vremena moglo bi poštedjeti nuspojave te osobe.

Što vam genomsko testiranje može reći o zdravstvenim rizicima

Primjeri GWAS uspjeha u medicini

Od 2018. godine identificirano je preko 10 000 lokusa uobičajenih bolesti (ili drugih osobina), a taj se broj i dalje brzo povećava. Postoji nekoliko primjera kako ove studije mogu promijeniti lice medicine.

Neka od ovih otkrića već mijenjaju naše razumijevanje uobičajenih bolesti.

Makularna degeneracija

Jedno od prvih otkrića koje su otvorile oči u studijama povezanosti genoma bilo je u vezi s dobnom degeneracijom makule, vodećim uzrokom sljepoće u Sjedinjenim Državama. Prije GWAS-a, makularna se degeneracija smatrala uglavnom ekološkom / životnom bolešću s malo genetske osnove.

GWAS je utvrdio da tri gena čine 74% pripadajućeg rizika za bolest. Ne samo da je to iznenadilo u stanju za koje se prije nije smatralo genetskom bolešću, već su ove studije pomogle demonstrirati biološku osnovu bolesti promatrajući varijaciju gena za protein komplementa H. Ovaj gen kodira protein koji regulira upalu.

Znajući to, znanstvenici mogu nadam se da mogu osmisliti tretmane usmjerene na uzrok, a ne na simptome.

Upalne bolesti crijeva

GWAS su identificirali velik broj lokusa povezanih s razvojem upalnih bolesti crijeva (ulcerozni kolitis i Crohnova bolest), ali također su pronašli mutaciju koja se čini da štiti od razvoja ulceroznog kolitisa. Proučavajući protein koji stvara ovaj gen, znanstvenici mogu nadam se da mogu stvoriti lijek koji bi na isti način mogao kontrolirati ili spriječiti bolest.

Mnogo drugih zdravstvenih stanja

Mnogo je češćih medicinskih stanja u kojima je GWAS donio važne nalaze. Samo nekoliko njih uključuje:

• Alzheimerova bolest
• Osteoporoza
• Prerano zatajenje jajnika (rana menopauza)
• Dijabetes tipa 2
• Psorijaza
• Parkinsonova bolest
• Neke vrste bolesti srca
• Pretilost
• Shizofrenija

Riječ iz vrlo dobrog

Studije povezanosti genoma već su poboljšale naše razumijevanje mnogih uobičajenih bolesti. Slijedeći tragove u ovim studijama koji ukazuju na temeljne biološke mehanizme bolesti, može transformirati ne samo liječenje, već i prevenciju ovih stanja u budućnosti.