Содержание
- Обзор исследований геномных ассоциаций (GWAS)
- Как SNP могут влиять на биологию
- Как они работают: методы и результаты
- Ограничения
- Возможное влияние и клиническое применение
- Примеры успехов GWAS в медицине
Выявление генетических факторов риска заболевания может привести к раннему обнаружению или даже профилактическим мерам. GWAS может также улучшить лечение, позволяя исследователям разрабатывать методы лечения, основанные на конкретной биологии заболевания (прецизионная медицина), а не на универсальном подходе, характерном для многих из этих состояний.
Как GWAS может изменить наше понимание генетических заболеваний
В настоящее время большая часть нашего генетического понимания болезней связана с необычный состояния, связанные с мутациями одного конкретного гена, например муковисцидоз.
Потенциальное влияние GWAS является значительным, поскольку эти исследования могут выявить ранее неизвестные вариации ряда генов в геноме в целом, которые связаны с широким спектром общих сложных хронических состояний.
Кратким примером этого является то, что GWAS уже использовался для идентификации трех генов, на которые приходится 74% приписываемого риска возрастной дегенерации желтого пятна, состояния, которое ранее не считалось генетическим заболеванием.
Обзор исследований геномных ассоциаций (GWAS)
Прежде чем вдаваться в подробности исследований ассоциаций на уровне всего генома (GWAS), полезно определить эти исследования с точки зрения общей картины.
GWAS можно определить как тесты, которые могут в конечном итоге идентифицировать (часто несколько) гены, ответственные за ряд общих хронических заболеваний, которые ранее считались связанными только с окружающей средой или факторами образа жизни. Обладая генами, повышающими риск заболевания, врачи могли бы таким образом обследовать людей из группы риска (или предлагать стратегии профилактики), одновременно защищая людей, не подвергающихся риску, от неизбежных побочных эффектов и ложноположительных результатов, связанных со скринингом.
Изучение генетических ассоциаций с распространенными заболеваниями также может помочь исследователям раскрыть основную биологию. В отношении большинства заболеваний лечение направлено в первую очередь на устранение симптомов и является универсальным методом. Понимая биологию, можно разработать методы лечения, которые помогут раскрыть корень проблемы индивидуально.
История генетики и болезней
Полногеномные ассоциативные исследования были впервые выполнены в 2002 году, а завершение проекта генома человека в 2003 году сделало эти исследования вполне возможными. До GWAS понимание генетической основы заболевания ограничивалось в первую очередь состояниями «одного гена», которые имели очень значительные эффекты (например, муковисцидоз или болезнь Хантингтона) и большие генетические изменения (такие как наличие дополнительной 21 хромосомы с Синдром Дауна). Поиск конкретных генов, которые могут быть связаны с заболеванием, было сложной задачей, поскольку обычно исследуются только определенные гены.
В отличие от состояний «одного гена», вероятно, что существует множество генов из разных регионов, связанных с наиболее сложными хроническими заболеваниями.
Понимание основ генов, ДНК и хромосомПолиморфизм одиночных нуклеотидов (SNP) и генетическая изменчивость
Полногеномные исследования ассоциации ищут конкретные локусы (однонуклеотидные полиморфизмы) во всем геноме, которые могут быть связаны с признаком (например, с болезнью). Примерно более 99% генома человека идентичны у всех людей. Другая часть, менее 1% генома человека, содержит различия между разными людьми, которые могут встречаться в любом месте генома, по всей нашей ДНК.
Однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) - это только один из типов генетических вариаций, обнаруживаемых в геноме, но они наиболее распространены.
Полногеномные ассоциативные исследования ищут эти специфические локусы или SNP (произносится как «кусочки»), чтобы увидеть, встречаются ли некоторые из них чаще у людей с определенным заболеванием.
SNP - это область ДНК, которая варьируется в одном нуклеотиде или паре оснований. Нуклеотиды - это основания, которые составляют строительные блоки или «буквы» генетического кода.
Всего четыре основания: A (аденин), C (цитозин), G (гуанин) и T (тимин). Несмотря на то, что это «алфавит» всего из четырех букв, вариации, создаваемые разными основами, почти безграничны и объясняют различия в чертах характера разных людей.
Сколько SNP существует в геноме человека?
В геноме человека около 300 миллиардов нуклеотидов, из которых примерно один из 1000 является SNP. Геном каждого человека содержит от четырех до пяти миллионов SNP.
Второстепенные и основные SNP
SNP классифицируются как основные или второстепенные в зависимости от частоты SNP в конкретной популяции. Например, если 80% людей имеют A (аденин) в одной позиции, а 20% - T (тимин), SNP с A будет считаться основным или общим SNP, а SNP с T - второстепенным. SNP.
Когда SNP встречаются в гене, эти области называются аллелями, большинство из которых имеют два возможных варианта. Термин «частота минорного аллеля» просто относится к частоте менее распространенного аллеля или минорного SNP.
Некоторые редкие заболевания характеризуются одним редким SNP; Например, болезнь Хантингтона. При большинстве распространенных сложных заболеваний, таких как диабет II типа или болезни сердца, вместо этого может быть много относительно распространенных SNP.
Расположение SNP
SNP находятся в разных функциональных областях генома, и эта область, в свою очередь, играет роль в том эффекте, который они могут оказывать. SNP могут находиться в:
- Кодирующая последовательность гена
- Некодирующая область
- Между генами (межгенные)
Когда SNP обнаруживается с кодирующей последовательностью гена, он может оказывать влияние на белок, кодируемый этим геном, изменяя его структуру таким образом, что он оказывает вредное воздействие, положительный эффект или вообще не влияет.
Каждый сегмент из трех нуклеотидов (три SNP) кодирует одну аминокислоту. Однако в генетическом коде существует избыточность, так что даже если один нуклеотид изменится, это не может привести к размещению другой аминокислоты в белке.
Изменение аминокислоты может изменить структуру и функцию белка или нет, и если да, то может привести к разной степени дисфункции этого белка. (Каждая комбинация трех оснований определяет, какая из 21 возможной аминокислоты будет вставлена в конкретную область белка.)
SNP, которые попадают в некодирующую область или между генами, могут по-прежнему влиять на биологическую функцию, где они могут играть регулирующую роль в экспрессии близлежащих генов (они могут влиять на такие функции, как связывание факторов транскрипции и т. Д.).
Типы SNP в областях кодирования
В кодирующей области гена также есть разные типы SNP.
- Синоним: Синонимичный SNP не изменяет аминокислоту.
- Несинонимный: В несинонимичных SNP будет изменение аминокислоты, но они могут быть двух разных типов.
Типы несинонимичных SNP включают:
- Миссенс-мутации: Эти типы мутаций приводят к тому, что белок не функционирует должным образом или вообще не функционирует.
- Бессмысленные мутации: Эти мутации приводят к преждевременному стоп-кодону, что приводит к укорочению белка.
SNP против мутаций
Термины мутация и SNP (вариация) иногда используются как синонимы, хотя термин «мутация» чаще используется для описания редких генетических вариантов; SNP обычно используется для описания общих генетических вариаций.
Зародышевые клетки против соматических мутаций
В связи с недавним добавлением таргетных методов лечения рака (лекарств, которые нацелены на определенные генетические изменения или мутации в раковых клетках, которые вызывают рост опухоли), обсуждение генных мутаций может быть очень запутанным. Типы мутаций, обнаруживаемых в раковых клетках, чаще всего являются соматическими или приобретенными мутациями.
Соматические или приобретенные мутации возникают в процессе превращения клетки в раковую и присутствуют только в тех клетках, из которых они происходят (например, раковые клетки легких). Поскольку они приобретаются после рождения, они не передаются по наследству и не передаются из поколения в поколение.
Когда эти приобретенные изменения или мутации включают изменение одного основания, их обычно называют одним нуклеотидом. внесение изменений вместо SNP.
Зародышевые клетки или наследственные мутацииНапротив, это мутации или другие генетические изменения в ДНК, которые присутствуют с рождения (зачатие) и могут передаваться по наследству.
Наследственные и приобретенные генные мутации: в чем разница?В GWAS основное внимание уделяется наследственным генетическим вариациям и, следовательно, мутациям зародышевых клеток, которые могут быть обнаружены.
Как SNP могут влиять на биологию
Многие SNP оказывают незначительное влияние непосредственно на биологию, но могут служить очень полезными маркерами для поиска той области генома, которая оказывает влияние. Хотя SNP могут встречаться внутри гена, они чаще встречаются в некодирующих областях.
Когда в рамках полногеномных ассоциативных исследований обнаруживается, что определенные SNP связаны с признаком, исследователи затем используют дополнительные тесты для изучения области ДНК рядом с SNP. При этом они могут идентифицировать ген или гены, связанные с признаком.
Сама по себе ассоциация не доказывает, что SNP (или конкретный ген рядом с SNP) причины черта; требуется дальнейшая оценка. Ученые могут изучить белок, который вырабатывается геном, чтобы оценить его функцию (или дисфункцию). Поступая таким образом, иногда можно выяснить основную биологию, которая приводит к этой болезни.
Генотип и фенотип
Говоря о SNP и характеристиках, полезно определить еще два термина. Науке очень давно известно, что генетические вариации связаны с фенотипами.
- Генотипы относятся к генетическим вариациям, таким как вариации в SNP.
- Фенотипы относятся к чертам характера (например, цвету глаз или цвету волос), но могут также включать заболевания, поведенческие характеристики и многое другое.
По аналогии с GWAS исследователи могут искать SNP (генетические вариации), которые связаны с предрасположенностью к тому, чтобы быть блондинкой или брюнеткой. Как и в случае результатов полногеномного исследования ассоциации, ассоциация (корреляция) между генотипом (в данном случае SNP) и признаком (например, цветом волос) не обязательно означает, что генетические данные являются определяющими. причина черты.
SNP и болезни человека
Важно отметить, что при распространенных заболеваниях конкретный SNP обычно не является единственной причиной заболевания, скорее, обычно существует комбинация нескольких SNP (или, по крайней мере, ближайшего гена), которые могут способствовать заболеванию в разной степени ( степени тяжести) и по-разному.
Кроме того, вариации SNP обычно сочетаются с другими генетическими факторами и факторами риска окружающей среды / образа жизни. Некоторые SNP также могут быть связаны с более чем одним заболеванием.
Не все SNP являются «плохими», и некоторые SNP (как это было обнаружено при воспалительном заболевании кишечника) могут снизить риск заболевания, а не увеличивать его. Подобные открытия могут привести исследователей к поиску более эффективных методов лечения заболеваний, изучая белок, кодируемый геном, и пытаясь имитировать действие лекарства.
Как они работают: методы и результаты
Полногеномные исследования ассоциации могут иметь различный дизайн в зависимости от вопроса, на который нужно ответить. При изучении распространенных заболеваний (таких как диабет 2 типа) исследователи собирают одну группу людей с этим заболеванием и другую группу, у которой нет этого заболевания (фенотип). Затем выполняется GWAS, чтобы увидеть, есть ли какие-либо ассоциации между генотипом (в форме SNP) и фенотипом (заболеванием).
Отбор проб
Первым шагом в проведении этих исследований является получение образцов ДНК от участников. Это можно сделать с помощью анализа крови или мазка из щеки. Образец очищается, чтобы изолировать ДНК от клеток и других компонентов крови. Затем выделенная ДНК помещается на чип, который можно сканировать на автомате.
Сканирование и статистический анализ вариаций
Затем весь геном образцов ДНК сканируется для поиска генетических вариаций (SNP), связанных с заболеванием или другим признаком, или если конкретные SNP (вариации) больше встречаются в группе заболевания. Если обнаруживаются вариации, проводится статистический анализ, чтобы оценить, являются ли различия между двумя группами статистически значимыми.
Другими словами, результаты анализируются, чтобы определить вероятность того, что болезнь или признак действительно связаны с генетической изменчивостью. Затем эти результаты отображаются на графике Манхэттена.
Дальнейший анализ и последующее подтверждение
При оценке результатов исследователи используют базы данных генотипов и фенотипов (каталог GWAS) для сравнения известных эталонных последовательностей с найденными. Международный проект HapMap (2005 г.) предоставил основу, которая, наряду с завершением проекта «Геном человека», сделала эти исследования возможными.
Если обнаруживаются вариации, говорят, что они связаны с заболеванием, но не обязательно с его причиной, и проводятся дополнительные тесты для более тщательного изучения области генома в регионе, где были обнаружены SNP.
Это часто включает секвенирование определенной области (с учетом последовательности пар оснований в ДНК), определенной области или секвенирования всего экзона.
Сравнение с другими генетическими тестами
Большинство редких генетических заболеваний вызваны мутацией гена, но может возникнуть ряд различных вариаций (мутаций) одного и того же гена.
Например, несколько тысяч вариаций в гене BRCA подпадают под термин мутация BRCA. Для поиска этих вариаций можно использовать анализ связей. Однако это не очень помогает при рассмотрении общих сложных заболеваний.
Ограничения
Как и в случае с большинством медицинских тестов, существуют ограничения на исследования ассоциаций на уровне всего генома. Некоторые из них включают:
- Генетические ограничения: Не весь риск заболеваний (генетических или экологических) вызван общими вариантами. Например, одни состояния вызваны очень редкими вариантами, а другие - более значительными изменениями в геноме.
- Ложноотрицательные результаты: GWAS может не обнаруживать все варианты, связанные с определенным заболеванием, и поэтому дает менее полную информацию о каких-либо ассоциациях.
- Ложные срабатывания: Конечно, между локусами и болезнью могут быть обнаружены ассоциации, которые являются результатом случайности, а не связи между ними. Одной из самых серьезных проблем для некоторых людей является то, что ассоциация, обнаруженная GWAS, может не иметь никакого реального отношения к болезни.
- Ошибки: Всегда существует вероятность ошибки в общегеномных ассоциативных исследованиях, причем во многих местах, где это могло произойти, начиная с плохого отбора проб, до ошибок при выделении ДНК и ее нанесения на чип, до машинных ошибок, которые могут возникнуть при автоматизации. Как только данные будут доступны, также могут возникнуть ошибки в интерпретации. Тщательный контроль качества на каждом этапе процесса является обязательным.
На эти исследования также влияет размер выборки, при этом меньший размер выборки с меньшей вероятностью предоставит важную информацию.
Возможное влияние и клиническое применение
Полногеномные ассоциативные исследования могут влиять на болезнь разными способами, от определения риска до профилактики, разработки индивидуального лечения и многого другого. Однако, возможно, наибольший потенциал этих исследований заключается в том, что они помогают ученым понять биологию, лежащую в основе общих сложных заболеваний.
В настоящее время многие, если не большинство из имеющихся у нас методов лечения болезней, предназначены для облегчения симптомы болезни.
Полногеномные исследования ассоциации (наряду с последующими исследованиями, такими как анализ редких вариантов и полногеномное секвенирование) позволяют исследователям изучать биологические механизмы, которые в первую очередь вызывают эти заболевания, закладывая основу для разработки методов лечения, направленных на устранение причины. а не просто лечить симптомы.
Теоретически такие методы лечения более эффективны, но вызывают меньше побочных эффектов.
Восприимчивость и, следовательно, раннее выявление заболеваний
В настоящее время многие тесты, используемые для выявления заболеваний, основаны на среднем индивидуальном риске. При некоторых условиях это нерентабельно, и проверка всех может принести больше вреда, чем пользы.
Узнав, является ли человек более или менее восприимчивым к заболеванию, скрининг может быть адаптирован к этому конкретному человеку, может ли скрининг рекомендоваться чаще, в более раннем возрасте, с другим тестом или, возможно, не нужно его вообще .
Восприимчивость к факторам риска
Не все люди одинаково подвержены воздействию токсинов в окружающей среде. Например, считается, что женщины могут быть более восприимчивы к канцерогенным веществам, содержащимся в табаке. Определение восприимчивости человека к воздействиям может не только помочь ученым взглянуть на механизмы предотвращения, но и направить общественность в других направлениях.
Возможный пример - кофе. Было проведено множество исследований, посвященных кофе и риску различных видов рака и других заболеваний, с противоречивыми результатами. Возможно, ответ зависит от конкретного человека, и что употребление кофе может иметь положительный эффект для одного человека и быть вредным для других из-за различий в их геноме.
Фармакогеномика
В области фармакогеномики уже используются открытия, чтобы помочь предсказать реакцию человека на конкретное лекарство. Изменения в генетическом составе человека могут повлиять на эффективность препарата, его метаболизм в организме и возможные побочные эффекты. Теперь тестирование может помочь некоторым людям предсказать, какие антидепрессанты могут быть более эффективными.
Кумадин (варфарин) - разжижитель крови, который бывает сложно дозировать надлежащим образом. Если доза слишком мала, она может быть неэффективной для предотвращения образования тромбов, что может привести к легочной эмболии, сердечным приступам или ишемическим инсультам. С другой стороны спектра, когда доза слишком высока (слишком много разжижителя крови), результат может быть столь же катастрофическим, например, с кровотечением в мозг (геморрагический инсульт).
Исследователи смогли использовать GWAS, чтобы продемонстрировать вариации в нескольких генах, которые имеют очень значительное влияние на дозировку кумадина. Это открытие привело к разработке генетических тестов, которые можно использовать в клинике, чтобы помочь врачам назначить правильную дозу препарата.
Диагностика и лечение вирусных заболеваний
Некоторые люди более восприимчивы к определенным вирусным инфекциям, чем другие, и известно, что люди по-разному реагируют на лечение. Комбинация GWAS и секвенирования следующего поколения может помочь найти ответы на обе эти проблемы.
Например, генетическая изменчивость может увеличить восприимчивость к инфекции ВПЧ и раку шейки матки. Знание того, кто более восприимчив, может помочь врачам порекомендовать как профилактику, так и обследование. Другой пример, в котором GWAS может быть очень полезным, - это лечение гепатита C, поскольку люди могут очень по-разному реагировать на доступные в настоящее время методы лечения.
Оценка прогноза
Даже при лечении у некоторых людей с очень похожим диагнозом исход болезни может сильно отличаться. GWAS может помочь определить, кто ответит хорошо, а кто нет. Кому-то с плохим прогнозом может потребоваться более агрессивное лечение, тогда как человеку с очень хорошим прогнозом может потребоваться меньшее лечение; знание этого заранее может избавить человека от побочных эффектов.
Что геномное тестирование может рассказать вам о рисках для здоровьяПримеры успехов GWAS в медицине
По состоянию на 2018 год было идентифицировано более 10000 локусов распространенных заболеваний (или других признаков), и это число продолжает быстро расти. Есть несколько примеров того, как эти исследования могут изменить лицо медицины.
Некоторые из этих открытий уже меняют наше понимание распространенных болезней.
Макулярная дегенерация
Одним из первых открывающих глаз результатов полногеномных ассоциативных исследований была возрастная дегенерация желтого пятна, ведущая причина слепоты в США. До GWAS дегенерация желтого пятна считалась в основном болезнью окружающей среды / образа жизни с небольшой генетической основой.
GWAS определил, что на три гена приходится 74% приписываемого риска заболевания. Это было не только неожиданно для состояния, которое ранее не считалось генетическим заболеванием, но и эти исследования помогли продемонстрировать биологическую основу заболевания, изучив вариацию в гене белка комплемента Н. Этот ген кодирует белок. что регулирует воспаление.
Зная это, ученые могут разработать методы лечения, направленные на устранение причины, а не симптомов.
Воспалительное заболевание кишечника
GWAS идентифицировали большое количество локусов, связанных с развитием воспалительных заболеваний кишечника (язвенный колит и болезнь Крона), но также обнаружили мутацию, которая, по-видимому, защищает от развития язвенного колита. Изучая белок, производимый этим геном, ученые могут разработать лекарство, которое также могло бы контролировать или предотвращать болезнь.
Многие другие заболевания
GWAS сделал важные выводы по многим другим распространенным заболеваниям. Вот лишь некоторые из них:
- Болезнь Альцгеймера
- Остеопороз
- Преждевременная недостаточность яичников (ранняя менопауза)
- Сахарный диабет 2 типа
- Псориаз
- болезнь Паркинсона
- Некоторые виды болезней сердца
- Ожирение
- Шизофрения
Слово от Verywell
Полногеномные исследования ассоциации уже улучшили наше понимание многих распространенных заболеваний. Следуя подсказкам в этих исследованиях, которые указывают на лежащие в основе биологические механизмы заболевания, можно изменить не только лечение, но, возможно, профилактику этих состояний в будущем.