Zawartość
- Przegląd badań asocjacyjnych całego genomu (GWAS)
- Jak SNP mogą wpływać na biologię
- Jak to się robi: metody i wyniki
- Ograniczenia
- Potencjalny wpływ i zastosowania kliniczne
- Przykłady sukcesów GWAS w medycynie
Dzięki identyfikacji genetycznych czynników ryzyka choroby, wiedza może doprowadzić do wczesnego wykrywania, a nawet podjęcia działań zapobiegawczych. GWAS może również usprawnić leczenie, umożliwiając badaczom projektowanie metod leczenia w oparciu o specyficzną biologię leżącą u podstaw danego schorzenia (medycyna precyzyjna), zamiast leczenia uniwersalnym podejściem, które jest wspólne dla wielu z tych schorzeń.
Jak GWAS może zmienić nasze rozumienie chorób genetycznych
W chwili obecnej wiele z naszego genetycznego zrozumienia chorób dotyczy niezwykły stany związane z pojedynczymi specyficznymi mutacjami genów, takie jak mukowiscydoza.
Potencjalny wpływ GWAS jest znaczący, ponieważ badania te mogą ujawnić nieznane wcześniej zmiany w wielu genach w całym genomie, które są związane z szerokim zakresem powszechnych, złożonych chorób przewlekłych.
Szybkim przykładem jest to, że GWAS zostały już użyte do zidentyfikowania trzech genów, które odpowiadają za 74% przypisywanego ryzyka zwyrodnienia plamki związanego z wiekiem, stanu, którego wcześniej nie uważano za chorobę genetyczną.
Przegląd badań asocjacyjnych całego genomu (GWAS)
Zanim przejdziemy do szczegółów badań asocjacyjnych całego genomu (GWAS), pomocne jest zdefiniowanie tych badań z szerszej perspektywy.
GWAS można zdefiniować jako testy, które mogą ostatecznie zidentyfikować (często kilka) genów odpowiedzialnych za szereg powszechnych, przewlekłych schorzeń, które wcześniej uważano za związane tylko ze środowiskiem lub czynnikami stylu życia. Dzięki genom, które zwiększają ryzyko choroby, lekarze mogą w ten sposób badać osoby zagrożone (lub oferować strategie zapobiegawcze), jednocześnie chroniąc osoby niezagrożone przed nieuniknionymi skutkami ubocznymi i fałszywie dodatnimi wynikami związanymi z badaniami przesiewowymi.
Poznanie powiązań genetycznych z powszechnymi chorobami może również pomóc naukowcom w odkryciu leżącej u podstaw biologii. W przypadku większości chorób leczenie ma na celu przede wszystkim leczenie objawów i ujednolicenie ich na wszystkie sposoby. Dzięki zrozumieniu biologii można zaprojektować leczenie, które dotrze do źródła problemu w spersonalizowany sposób.
Historia genetyki i chorób
Badania asocjacyjne całego genomu przeprowadzono po raz pierwszy w 2002 r., A zakończenie projektu ludzkiego genomu w 2003 r. Umożliwiło w pełni te badania. Przed GWAS zrozumienie genetycznych podstaw choroby ograniczało się głównie do stanów „pojedynczego genu”, które miały bardzo znaczące skutki (takie jak mukowiscydoza lub choroba Huntingtona) i duże zmiany genetyczne (takie jak obecność dodatkowego chromosomu 21 z Zespół Downa). Znalezienie konkretnych genów, które mogą być związane z chorobą, było wielkim wyzwaniem, ponieważ zazwyczaj badano tylko określone geny.
W przeciwieństwie do stanów „pojedynczego genu”, jest prawdopodobne, że istnieje wiele genów z wielu różnych regionów związanych z najbardziej złożonymi chorobami przewlekłymi.
Zrozumienie podstaw genów, DNA i chromosomówPolimorfizmy pojedynczych nukleotydów (SNP) i zmienność genetyczna
Badania asocjacyjne całego genomu poszukują określonych loci (polimorfizmów pojedynczych nukleotydów) w całym genomie, które mogą być związane z cechą (taką jak choroba). Około 99% plus genomu ludzkiego jest identyczne u wszystkich ludzi. Druga część, mniej niż 1% ludzkiego genomu, zawiera różnice między różnymi ludźmi, które mogą wystąpić w dowolnym miejscu genomu, w całym naszym DNA.
Polimorfizmy pojedynczego nukleotydu (SNP) to tylko jeden rodzaj zmienności genetycznej występujący w genomie, ale są one najbardziej powszechne.
Badania asocjacyjne całego genomu poszukują tych specyficznych loci lub SNP (wymawiane „skrawki”), aby sprawdzić, czy niektóre z nich występują częściej u osób z określoną chorobą.
SNP to obszar DNA, który różni się pojedynczym nukleotydem lub parą zasad. Nukleotydy to zasady, które tworzą elementy budulcowe lub „litery” kodu genetycznego.
Istnieją tylko cztery zasady: A (adenina), C (cytozyna), G (guanina) i T (tymina). Pomimo tego, że jest to „alfabet” składający się tylko z czterech liter, wariacje tworzone przez różne podstawy są prawie nieograniczone i odpowiadają za różnice cech między różnymi ludźmi.
Ile SNP znajduje się w ludzkim genomie?
W ludzkim genomie jest około 300 miliardów nukleotydów, z których mniej więcej jeden na 1000 to SNP. Genom każdego osobnika zawiera od czterech do pięciu milionów SNP.
Mniejsze i główne SNP
SNP są klasyfikowane jako duże lub mniejsze w zależności od częstotliwości SNP w określonej populacji. Na przykład, jeśli 80% ludzi miało A (adeninę) na jednej pozycji, a 20% miało T (tyminę), SNP z A byłby uważany za główny lub powszechny SNP, a SNP z T za nieletni SNP.
Kiedy SNP występują w genie, te regiony nazywane są allelami, przy czym większość z nich ma dwie możliwe odmiany. Termin „mniejsza częstość alleli” odnosi się po prostu do częstości mniej powszechnego allelu lub mniejszego SNP.
Niektóre rzadkie choroby charakteryzują się pojedynczym, rzadkim SNP; Na przykład choroba Huntingtona. W przypadku najbardziej powszechnych, złożonych chorób, takich jak cukrzyca typu II lub choroby serca, może zamiast tego występować wiele stosunkowo powszechnych SNP.
Lokalizacje SNP
SNP znajdują się w różnych funkcjonalnych regionach genomu, a ten region z kolei odgrywa rolę w ich działaniu. SNP mogą leżeć w:
- Sekwencja kodująca genu
- Region niekodujący
- Między genami (międzygenowe)
Kiedy SNP zostanie znaleziony z sekwencją kodującą genu, może mieć wpływ na białko kodowane przez ten gen, zmieniając jego strukturę tak, że ma szkodliwy wpływ, korzystny wpływ lub wcale.
Każdy segment trzech nukleotydów (trzech SNP) koduje jeden aminokwas. Istnieje jednak redundancja w kodzie genetycznym, tak że nawet jeśli jeden nukleotyd ulegnie zmianie, może to nie spowodować umieszczenia innego aminokwasu w białku.
Zmiana aminokwasu może zmienić strukturę i funkcję białka lub nie, a jeśli tak, może skutkować różnymi stopniami dysfunkcji tego białka. (Każda kombinacja trzech zasad określa, który z 21 możliwych aminokwasów zostanie wstawiony w określony region białka).
SNP, które znajdują się w regionie niekodującym lub między genami, mogą nadal mieć wpływ na funkcję biologiczną, gdzie mogą odgrywać rolę regulacyjną w ekspresji pobliskich genów (mogą wpływać na funkcje, takie jak wiązanie czynników transkrypcyjnych itp.).
Rodzaje SNP w regionach kodujących
W obrębie regionu kodującego genu istnieją również różne typy SNP.
- Równoznaczny: Synonimiczny SNP nie zmieni aminokwasu.
- Niesynonimowy: W przypadku niesynonimicznych SNP nastąpi zmiana aminokwasu, ale mogą one być dwóch różnych typów.
Rodzaje niesynonimicznych SNP obejmują:
- Mutacje Missense: Te typy mutacji powodują, że białko nie funkcjonuje prawidłowo lub w ogóle nie działa.
- Nonsensowne mutacje: Mutacje te powodują przedwczesny kodon stop, który powoduje skrócenie białka.
SNP a mutacje
Terminy mutacja i SNP (wariacja) są czasami używane zamiennie, chociaż termin mutacja jest częściej używany do opisania rzadkich wariantów genetycznych; SNP jest zwykle używane do opisania typowych odmian genetycznych.
Komórki zarodkowe a mutacje somatyczne
Wraz z niedawnym dodaniem terapii celowanych w przypadku raka (leków ukierunkowanych na określone zmiany genetyczne lub mutacje w komórkach nowotworowych, które napędzają wzrost guza), dyskusja na temat mutacji genów może być bardzo myląca. Rodzaje mutacji występujących w komórkach nowotworowych to najczęściej mutacje somatyczne lub nabyte.
Mutacje somatyczne lub nabyte występują w procesie przekształcania się komórki w komórkę rakową i są obecne tylko w komórkach, z których powstały (na przykład rakowe komórki płuc). Ponieważ są nabywane po urodzeniu, nie są dziedziczone ani przekazywane z pokolenia na pokolenie.
Kiedy te nabyte zmiany lub mutacje obejmują zmianę pojedynczej zasady, zwykle określa się je jako pojedynczy nukleotyd zmiana zamiast SNP.
Komórki zarodkowe lub mutacje dziedzicznew przeciwieństwie do mutacji lub innych zmian genetycznych w DNA, które są obecne od urodzenia (poczęcia) i mogą być dziedziczone.
Dziedziczne a nabyte mutacje genów: jakie są różnice?W przypadku GWAS nacisk kładziony jest na dziedziczne odchylenia genetyczne, a tym samym na mutacje komórek rozrodczych, które można wykryć.
Jak SNP mogą wpływać na biologię
Wiele SNP ma niewielki wpływ bezpośrednio na biologię, ale mogą służyć jako bardzo przydatne markery do znalezienia regionu genomu, który to robi. Chociaż SNP mogą występować w genie, częściej występują w regionach niekodujących.
Gdy okaże się, że pewne SNP są związane z cechą w badaniach asocjacyjnych całego genomu, naukowcy wykorzystują dalsze testy do zbadania obszaru DNA w pobliżu SNP. W ten sposób mogą następnie zidentyfikować gen lub geny, które są powiązane z cechą.
Samo powiązanie nie dowodzi, że SNP (lub konkretny gen w pobliżu SNP) przyczyny cecha; konieczna jest dalsza ocena. Naukowcy mogą przyjrzeć się białku wytwarzanemu przez gen, aby ocenić jego funkcję (lub dysfunkcję). W ten sposób czasami można dowiedzieć się, jaka jest podstawowa biologia, która prowadzi do tej choroby.
Genotyp i fenotyp
Mówiąc o SNP i cechach, warto zdefiniować jeszcze dwa terminy. Nauka od dawna wiedziała, że wariacje genetyczne są związane z fenotypami.
- Genotypy odnoszą się do zmian genetycznych, takich jak zmiany w SNP.
- Fenotypy odnoszą się do cech (na przykład koloru oczu lub włosów), ale mogą również obejmować choroby, cechy behawioralne i wiele więcej.
Analogicznie, badacze GWAS mogą szukać SNP (wariacji genetycznych), które są związane z predyspozycją do bycia blondynem lub brunetką. Podobnie jak w przypadku wyników badania asocjacyjnego całego genomu, związek (korelacja) między genotypem (w tym przypadku SNP) a cechą (na przykład kolorem włosów) niekoniecznie oznacza, że wyniki genetyczne są przyczyna cechy.
SNP i choroba ludzka
Należy zauważyć, że w przypadku powszechnych chorób konkretny SNP zwykle nie jest przyczyną samej choroby, ale zwykle występuje kombinacja kilku SNP (lub przynajmniej pobliskiego genu), które mogą przyczyniać się do choroby w różnym stopniu ( nasilenie) i na różne sposoby.
Ponadto różnice w SNP są zwykle łączone z innymi czynnikami genetycznymi i czynnikami ryzyka środowiskowego / stylu życia. Niektóre SNP mogą być również związane z więcej niż jedną chorobą.
Nie wszystkie SNP są „złe”, a niektóre SNP (jak stwierdzono w przypadku nieswoistego zapalenia jelit) mogą raczej zmniejszać ryzyko choroby niż zwiększać ryzyko. Takie odkrycia mogą skłonić naukowców do znalezienia lepszych metod leczenia chorób, poznając białko kodowane przez gen i próbując naśladować działanie leku.
Jak to się robi: metody i wyniki
Badania asocjacyjne całego genomu mogą mieć różne projekty w zależności od pytania, na które należy odpowiedzieć. Przyglądając się typowym schorzeniom (takim jak cukrzyca typu 2), naukowcy łączą jedną grupę osób z tą chorobą i drugą grupę, która nie ma choroby (fenotyp). Następnie wykonuje się GWAS, aby sprawdzić, czy istnieją jakiekolwiek powiązania między genotypem (w postaci SNP) a fenotypem (chorobą).
Próbowanie
Pierwszym krokiem do wykonania tych badań jest pobranie próbek DNA od uczestników. Można to zrobić za pomocą próbki krwi lub wymazu z policzka. Próbka jest oczyszczana w celu izolacji DNA z komórek i innych składników krwi. Wyizolowane DNA jest następnie umieszczane na chipie, który można zeskanować w automatycznej maszynie.
Skanowanie i analiza statystyczna odchyleń
Następnie cały genom próbek DNA jest skanowany w celu wyszukania wariacji genetycznych (SNP), które są związane z chorobą lub inną cechą, lub jeśli określone SNP (wariacje) są bardziej widoczne w grupie chorób. W przypadku znalezienia odchyleń przeprowadza się następnie analizę statystyczną w celu oszacowania, czy różnice między dwiema grupami są statystycznie istotne.
Innymi słowy, wyniki są analizowane w celu określenia prawdopodobieństwa, że choroba lub cecha jest rzeczywiście związana ze zmiennością genetyczną. Wyniki te są następnie wyświetlane na wykresie Manhattan.
Dalsza analiza i potwierdzenie działań następczych
Oceniając wyniki, naukowcy wykorzystują bazy danych genotypu i fenotypu (katalog GWAS), aby porównać znane sekwencje referencyjne z tymi, które zostały znalezione. Międzynarodowy projekt HapMap (2005) zapewnił podstawy, które wraz z zakończeniem projektu ludzkiego genomu umożliwiły te badania.
Jeśli wykryte zostaną zmiany, mówi się, że są one związane z chorobą, ale niekoniecznie z przyczyną choroby, i przeprowadza się dalsze testy w celu dokładniejszego przyjrzenia się obszarowi genomu w regionie, w którym wykryto SNP.
Często obejmuje to sekwencjonowanie określonego regionu (patrząc na sekwencję par zasad w DNA), określonego obszaru lub sekwencjonowania całych egzonów.
Porównanie z innymi testami genetycznymi
Większość rzadkich chorób genetycznych jest spowodowana mutacją genu, ale może wystąpić wiele różnych odmian (mutacji) tego samego genu.
Na przykład kilka tysięcy wariacji w obrębie genu BRCA jest określanych mianem mutacji BRCA. Aby znaleźć te różnice, można skorzystać z analizy powiązań. Nie jest to jednak zbyt pomocne w przypadku powszechnych, złożonych chorób.
Ograniczenia
Podobnie jak w przypadku większości testów medycznych, istnieją ograniczenia w badaniach asocjacyjnych całego genomu. Niektóre z nich obejmują:
- Ograniczenia genetyczne: Nie każde ryzyko choroby (genetyczne lub środowiskowe) jest spowodowane przez wspólne warianty. Na przykład niektóre stany są spowodowane bardzo rzadkimi wariantami, a inne są spowodowane większymi zmianami w genomie.
- Fałszywe negatywy: GWAS może nie wykryć wszystkich wariantów związanych z określonym stanem chorobowym, a tym samym podawać mniej kompletne informacje dotyczące wszelkich powiązań.
- Fałszywe pozytywy: Z pewnością można wykryć powiązania między loci a chorobą, które są raczej przypadkowe niż powiązanie między nimi. Jedną z większych obaw niektórych osób jest to, że związek znaleziony przez GWAS może nie mieć żadnego rzeczywistego związku z chorobą.
- Błędy: Zawsze istnieje możliwość popełnienia błędu w badaniach asocjacyjnych całego genomu, z wieloma miejscami, w których może się to zdarzyć, począwszy od złego pobierania próbek, przez błędy w izolacji DNA i umieszczaniu go na chipie, aż po błędy maszyny, które mogą wystąpić przy automatyzacji. Gdy dane będą dostępne, mogą również wystąpić błędy w interpretacji. Dokładna kontrola jakości na każdym etapie procesu jest koniecznością.
Na badania te wpływa również wielkość próby, przy czym mniejsze prawdopodobieństwo, że dostarczy istotnych informacji, jest mniejsze.
Potencjalny wpływ i zastosowania kliniczne
Badania asocjacyjne całego genomu mogą wpływać na chorobę na wiele sposobów, od określania ryzyka, przez zapobieganie, po projektowanie spersonalizowanych terapii i wiele więcej. Być może największym potencjałem tych badań jest jednak ich rola w pomaganiu naukowcom w ustaleniu biologii leżącej u podstaw powszechnych, złożonych schorzeń.
W chwili obecnej wiele, jeśli nie większość, metod leczenia chorób ma na celu pomóc w leczeniu objawy choroby.
Badania asocjacyjne całego genomu (wraz z badaniami następczymi, takimi jak analiza rzadkich wariantów i sekwencjonowanie całego genomu) pozwalają naukowcom w pierwszej kolejności zbadać mechanizmy biologiczne, które powodują te choroby, przygotowując grunt pod rozwój terapii, które zajmują się przyczyną zamiast po prostu leczyć objawy.
Takie terapie są teoretycznie bardziej skuteczne, powodując mniej skutków ubocznych.
Wrażliwość, a tym samym wczesne wykrycie choroby
W chwili obecnej wiele testów stosowanych do przesiewowych chorób opiera się na średnim ryzyku indywidualnym. W pewnych warunkach nie jest to opłacalne i może faktycznie spowodować więcej szkody niż pożytku, aby sprawdzić wszystkich.
Dzięki poznaniu, czy dana osoba jest mniej lub bardziej podatna na jakąś chorobę, badanie przesiewowe można dostosować do tej osoby, czy badanie przesiewowe może być zalecane częściej, w młodszym wieku, z innym testem, czy może w ogóle nie trzeba go wykonywać .
Podatność na czynniki ryzyka
Nie wszyscy ludzie są jednakowo dotknięci toksynami w środowisku. Na przykład uważa się, że kobiety mogą być bardziej podatne na czynniki rakotwórcze w tytoniu. Określenie podatności danej osoby na ekspozycję może nie tylko pomóc naukowcom przyjrzeć się mechanizmom zapobiegania, ale może też pokierować opinią publiczną na inne sposoby.
Możliwym przykładem jest kawa. Przeprowadzono wiele badań dotyczących kawy i ryzyka różnych nowotworów i innych chorób, z sprzecznymi wynikami. Może się zdarzyć, że odpowiedź zależy od konkretnej osoby i że picie kawy może mieć pozytywne skutki dla jednej osoby i być szkodliwe dla innych ze względu na różnice w ich genomie.
Farmakogenomika
W dziedzinie farmakogenomiki już teraz wykorzystuje się odkrycia, aby pomóc przewidzieć indywidualną reakcję na określony lek. Różnice w składzie genetycznym danej osoby mogą wpływać na skuteczność leku, jego metabolizm w organizmie i skutki uboczne. Testy mogą teraz pomóc niektórym ludziom przewidzieć, które leki przeciwdepresyjne mogą być bardziej skuteczne.
Kumadyna (warfaryna) jest rozrzedzaczem krwi, którego odpowiednie dawkowanie może być trudne. Jeśli dawka jest zbyt niska, może być nieskuteczna w zapobieganiu zakrzepom krwi, potencjalnie prowadząc do zatorowości płucnej, zawału serca lub udaru niedokrwiennego. Po drugiej stronie spektrum, gdy dawka jest zbyt wysoka (za bardzo rozrzedzająca krew), rezultat może być równie katastrofalny, z krwawieniem np. Do mózgu (udar krwotoczny).
Naukowcom udało się wykorzystać GWAS do wykazania wariacji w kilku genach, które mają bardzo znaczący wpływ na dawkowanie kumadyny. To odkrycie doprowadziło do opracowania testów genetycznych, które mogą być wykorzystywane w klinice jako pomoc lekarzom w przepisywaniu odpowiedniej dawki leku.
Diagnostyka i leczenie chorób wirusowych
Niektórzy ludzie są bardziej podatni na niektóre infekcje wirusowe niż inni i wiadomo, że ludzie reagują inaczej na leczenie. Połączenie GWAS i sekwencjonowania nowej generacji może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na oba te problemy.
Na przykład zmienność genetyczna może zwiększać podatność na zakażenie HPV i raka szyjki macicy. Wiedza o tym, kto jest bardziej podatna, może pomóc lekarzom w zalecaniu zarówno profilaktyki, jak i badań przesiewowych. Innym przykładem, w którym GWAS może być bardzo pomocny, jest leczenie zapalenia wątroby typu C, ponieważ ludzie mogą bardzo różnie reagować na obecnie dostępne terapie.
Szacowanie rokowania
Nawet po leczeniu niektóre osoby, u których wydaje się, że mają bardzo podobną diagnozę, mogą mieć bardzo różne wyniki w przypadku choroby. GWAS może pomóc określić, kto zareaguje dobrze, a kto nie. Ktoś ze złym rokowaniem może wymagać bardziej agresywnego leczenia, podczas gdy osoba z bardzo dobrym rokowaniem może wymagać mniejszego leczenia; Wiedza o tym z wyprzedzeniem może oszczędzić tej osobie skutków ubocznych.
Co testy genomowe mogą powiedzieć o zagrożeniach dla zdrowiaPrzykłady sukcesów GWAS w medycynie
Od 2018 r.zidentyfikowano ponad 10000 loci dla powszechnych chorób (lub innych cech), a liczba ta szybko rośnie. Istnieje kilka przykładów tego, jak te badania mogą zmienić oblicze medycyny.
Niektóre z tych odkryć już zmieniają nasze rozumienie powszechnych chorób.
Zwyrodnienie plamki żółtej
Jedno z pierwszych otwierających oczy badań asocjacyjnych całego genomu dotyczyło związanego z wiekiem zwyrodnienia plamki żółtej, głównej przyczyny ślepoty w Stanach Zjednoczonych. Przed GWAS zwyrodnienie plamki żółtej uważano w dużej mierze za chorobę środowiskową / cywilizacyjną o niewielkiej podstawie genetycznej.
W GWAS ustalono, że trzy geny odpowiadają za 74% przypisywanego ryzyka choroby. Było to zaskakujące nie tylko w przypadku stanu, który wcześniej nie był uważany za chorobę genetyczną, ale badania te pomogły zademonstrować biologiczne podłoże choroby, przyglądając się zmienności genu białka dopełniacza H. Ten gen koduje białko. który reguluje stan zapalny.
Wiedząc o tym, naukowcy mogą, miejmy nadzieję, zaprojektować terapie ukierunkowane raczej na przyczynę niż na objawy.
Zapalna choroba jelit
GWAS zidentyfikował dużą liczbę loci związanych z rozwojem chorób zapalnych jelit (wrzodziejące zapalenie jelita grubego i choroba Crohna), ale także odkrył mutację, która wydaje się chronić przed rozwojem wrzodziejącego zapalenia jelita grubego. Badając białko wytwarzane przez ten gen, naukowcy mogą, miejmy nadzieję, zaprojektować lek, który w podobny sposób mógłby kontrolować chorobę lub jej zapobiegać.
Wiele innych schorzeń
Istnieje wiele bardziej powszechnych schorzeń, w których GWAS dokonał ważnych odkryć. Tylko kilka z nich to:
- Choroba Alzheimera
- Osteoporoza
- Przedwczesna niewydolność jajników (wczesna menopauza)
- Cukrzyca typu 2
- Łuszczyca
- Choroba Parkinsona
- Niektóre rodzaje chorób serca
- Otyłość
- Schizofrenia
Słowo od Verywell
Badania asocjacyjne całego genomu poprawiły już naszą wiedzę na temat wielu powszechnych chorób. Podążanie za wskazówkami z tych badań, które wskazują na leżące u podstaw biologiczne mechanizmy choroby, może zmienić nie tylko leczenie, ale prawdopodobnie zapobieganie tym stanom w przyszłości.