Genetyka człowieka II. Zaburzenia chromosomowe, cechy wieloczynnikowe, polimorfizmy i asocjacje

Transkrypt

1 Genetyka człowieka II Zaburzenia chromosomowe, cechy wieloczynnikowe, polimorfizmy i asocjacje

2 Zaburzenia chromosomowe W przypadku autosomów ciężki i plejotropowy fenotyp przeważnie letalny tylko 3 wyjątki Główna przyczyna spontanicznych poronień (często nie dochodzi do zagnieżdżenia zarodka) W przypadku chromosomów płci (X,Y) fenotyp może być łagodniejszy 2

3 Zaburzenia autosomów Trisomia 21 zespół Downa ~1/800 urodzeń, zależnie od wieku matki Częste poronienia samoistne (75%) Zaburzenia rozwojowe, opóźnienie umysłowe Choroby serca, otyłość, cukrzyca, Alzheimer Trisomia 13 zespół Patau ~1/8000 1/ urodzeń Wady rozwojowe (przepukliny, serce, czaszka i mózg) Średnia przeżywalność: 2 dni, mniej niż 6 miesięcy, bardzo rzadko kilkanaście lat Trisomia 18 zespół Edwardsa 1/3000 1/8000 urodzeń Liczne wady rozwojowe, niedorozwój, mikrocefalia, wady serca 5% szans na przeżycie 1 r. ż. 3

4 Wiek matki a zespół Downa W ok. 85% nondysjunkcja w oogenezie 4 Wikimedia Commons

5 Zaburzenia chromosomów płci - cięższe X0 zespół Turnera ~1/2500 dziewczynek Cukrzyca 2 x częściej, nadciśnienie, osteoporoza, niedoczynność tarczycy Normalna długość życia IQ na ogół normalne XXY zespół Klinefeltera ~1/1000 chłopców Długie ręce i nogi 70% drobne problemy rozwojowe i z uczeniem Piersi, żeńskie owłosienie, bezpłodność 5

6 Zaburzenia chromosomów płci - lekkie XXX XYY Lekkie objawy ze względu na inaktywację X, zwykle brak ewidentnych zewnętrznych objawów Niekiedy zaburzenia cyklu menstrualnego i umiarkowane problemy rozwoju intelektualnego, wysoki wzrost ~1/1000 dziewczynek bardzo rzadko XXXX i XXXXX (kilkaset przypadków w historii, cięższe objawy) Zwykle brak ewidentnych zewnętrznych objawów, >90% nie wie, że ma ten kariotyp ~1/1000 chłopców Nieco zwiększone ryzyko opóźnień w nauce, wysoki wzrost, normalny poziom testosteronu Wcześniejsze doniesienia o korelacji z zachowaniem agresywnym - fałszywe 6

7 Cechy wieloczynnikowe Polimorfizmy i asocjacje 7

8 MONOGENOWE CZYNNIKI GENETYCZNE DZIEDZICZENIE MENDLOWSKIE NIEPEŁNA PENETRACJA GENU DZIEDZICZENIE WIELOCZYNNIKOWE Z DOMINACJĄ POJEDYNCZEGO LOCUS DZIEDZICZENIE WIELOCZYNNIKOWE POLIGENOWE 8 CZYNNIKI ŚRODOWISKOWE

9 Odziedziczalność Za każdy fenotyp odpowiada interakcja genotypu ze środowiskiem Odziedziczalność:proporcja zmienności fenotypowej wyjaśnianej zmiennością genetyczną w populacji 9

10 Cechy wieloczynnikowe Częste choroby, odziedziczalna część ryzyka np. nowotwory (nie dziedziczne) choroby serca i układu naczyniowego cukrzyca choroby psychiczne Prawidłowa zmienność fenotypowa Za odziedziczalność muszą też odpowiadać częste warianty sekwencyjne (częste polimorfizmy) 10

11 Zmienność genetyczna człowieka Różnice w sekwencjach (geny, obszary niekodujące) Różnice liczby kopii (paralogów)

12 Różnorodność genetyczna człowieka Projekt 1000 genomów poszukiwanie różnic w genomach różnych ludzi (2500 osób) Wstępne dane (2010) 15 mln. miejsc zmiennych 0,5-1% genomu Więcej nukleotydów, niż w całym genomie drożdży 12

13 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Analiza mtdna Analiza ndna Przyczyna szybka ekspansja populacji 13

14 Asocjacje Nieprzypadkowe współwystępowanie czynników (alleli i fenotypów) na poziomie populacji (korelacja) Czy zawsze asocjacja oznacza zależność przyczynową? Czy każda asocjacja ma wartość diagnostyczną? Czy asocjacja odkrywa gen na...? Czy zawsze czynnik ryzyka? 14

15 Geny na...? 15

16 Asocjacja Przyczyny asocjacji losowa (i błędy statystyczne) relacja przyczynowa związek bezpośredni (plejotropizm, jednym z efektów allelu A jest podatność na chorobę) dobór naturalny (allel A zwiększa fitness u chorych) nie zawsze czynnik ryzyka struktura populacji i efekty statystyczne zależności etniczne paradoks Simpsona (dodatkowa zmienna ukryta) bliskie sprzężenie + historia (nierównowaga sprzężeń) 16

17 Struktura populacji Lander & Schork, w rejonie San Francisco jest wyraźna asocjacja między allelem HLA-A1 a umiejętnością jedzenia pałeczkami HLA-A1 jest częstszy u Azjatów niż u Europejczyków 17

18 Asocjacje mogą być zwodne Allel 3A4 cytochromu P450 (CYP3A) i rak prostaty (bardziej zaawansowana postać w momencie diagnozy) CYP3A może w pływać na tempo hydroksylowania testosteronu - związek przyczynowy? Nie ma wpływu allelu 3A4 na kinetykę metabolizmu testosteronu Allel 3A4 częściej występuje u ludzi pochodzenia afrykańskiego (Afroamerykanie), niż europejskiego Podobne korelacje dla raka prostaty dla innych alleli częstszych w populacji afrykańskiej Bardziej zaawansowany rak prostaty u Afroamerykanów (przyczyny społeczne)? 18

19 Przyczyny asocjacji alleli Struktura populacji (ukryta zmienna) Paradoks Simpsona: Jeżeli zmieszamy dwie populacje, w których nie występuje asocjacja markera i choroby, ale są różne częstości występowania choroby (oraz markera), w zmieszanej populacji pojawi się asocjacja markera z chorobą (problem ukrytej zmiennej). Jest to przyczyna artefaktów Należy badać populacje jednorodne etnicznie, a nawet tylko pojedyncze duże rodziny 19

20 Paradoks Simpsona Prosty przykład: uniwersytet powinien faworyzować kobiety przy przyjmowaniu na studia doktoranckie: Mężczyźni Kobiety Wydział historii 1/5 (20%) 2/8 (25%) Wydział geografii 6/8 (75%) 4/5 (80%) Razem 7/13 (54%) 6/13 (46%) 20

21 University of California, Berkeley, 1973 Przyjęcia na studia doktoranckie Kierunek Mężczyźni (przyjęci) Kobiety (przyjęte) A % % B % 25 68% C % % D % % E % % F 272 6% 341 7% Razem % % Więcej kobiet zgłaszało się na trudniejsze kierunki. 21

22 Przykład medyczny Porównywano dwie terapie kamieni nerkowych Terapia A Terapia B 78 % (273/350) 83% (289/350) Ale: Terapia A Terapia B Małe kamienie 93% (81/87) 87% (234/270) Duże kamienie 73% (192/263) 69% (55/80) Razem 78 % (273/350) 83% (289/350) 22 Terapię A częściej stosowano u pacjentów z dużymi kamieniami, które trudniej się leczy.

23 Podwójna ślepa próba Przy badaniach działania leków. terapii itp. Terapia vs. placebo; nowa terapia vs. dotychczasowa, itp. Ani pacjent, ani lekarz oceniający efekty nie wie, do której grupy należy dany pacjent 23

24 Asocjacja Zależności funkcjonalne często z allelami MHC (HLA) - związane z funkcjonowaniem układu odpornościowego poszukuje się asocjacji dla bardzo intensywnie poznawanych polimorfizmów SNP w genomie człowieka farmakogenetyka i farmakogenomika polimorfizmy a działanie leków CRHR1 (receptor kortykotropiny) - skuteczność terapii kortykosteroidami w leczeniu astmy HLA-B27 - nadwrażliwość na skutki uboczne Abcaviru HTR2A (serotonina 2A) - reakcja na środki antydepresyjne 24

25 Asocjacja - przykład HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy Zdrowi HLA-B Ryzyko 8% HLA-B Ryzyko 0,11% test statystyczny Fishera (Fisher exact test): p Ryzyko dla całej populacji ~1% 25

26 26

27 Geny na...? 27

28 A w rzeczywistości... 28

29 A w rzeczywistości... Ryzyko schizofrenii u posiadaczy wariantu wzrasta z ~2% (w populacji) do ~4,5% (posiadający wariant) >95% posiadających wariant nie zachoruje (dla choroby dwubiegunowej, odpowiednio ~4% i ~10%) 29

30 Dla przypomnienia HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów HLA-B27 + HLA-B27 - Chorzy Zdrowi OR = = 81 test statystyczny Fishera (Fisher exact test): p

31 Sprzężenie (bliskie) Allel genu d w pobliżu markera A zmutował dając związany z chorobą allel D wiele pokoleń temu mutacja A 1 d A 1 D Jeżeli odległość A do d jest niewielka, wówczas większość chromosomów w populacji niosących D niesie też A 1 Ale nie odwrotnie! Nierównowaga sprzężeń (linkage disequilibrium) nieprzypadkowe skojarzenie alleli w sprzężonych loci efekt założycielski. Maleje z czasem. 31

32 Badanie Wellcome Trust GWA genome-wide association 7 ważnych schorzeń wieloczynnikowych, osób (chorych i zdrowych), 200 badaczy, 9 milionów funtów Jeden z kilku dużych projektów GWA, których wyniki opublikowano w 2007 r. 32

33 Wyniki badań Wellcome Trust Choroba afektywna dwubiegunowa Wiele asocjacji, ale żadna bardzo istotna Choroba wieńcowa Kilka loci znacznie zwiększających ryzyko, w tym locus na chr. 9 o 50% u heterozygot i dwukrotnie u homozygot Choroba Crohna Odkryto warianty w 3 genach zwiększające ryzyko (RGM, NKX2-3 i PTPN2) oraz zawierający 7 nowych genów obszar 33

34 Wyniki badań Wellcome Trust Nadciśnienie Brak wyraźnych czynników ryzyka - liczne warianty o stosunkowo małym wpływie Reumatoidalne zapalenie stawów Odkryto czynniki ryzyka związane z polimorfizmami w kilku genach Korelacja z chorobami serca i cukrzycą typu I 34

35 Wyniki badań Wellcome Trust Cukrzyca typu I Odkryto 4 nowe genetyczne czynniki ryzyka, w tym gen PTPN2(choroba Crohna) W sumie znanych jest już co najmniej 10 takich genów Cukrzyca typu II Kilka nowych czynników ryzyka Gen FTO - efekt pośredni, wpływa na ryzyko otyłości GenyCDKAL1,CDKN2AiIGF2BP2-efekt bezpośredni Potwierdzenie asocjacji dla kilku genów odkrytych w innych badaniach - w sumie ~10 genów 35

36 Ważne!! Asocjacja to nie jest gen na...! Czynnik ryzyka nie ma zwykle znaczenia diagnostycznego Może być przydatny w diagnostyce różnicowej Zawsze należy analizować asocjację na tle ogólnego ryzyka w populacji, jakie są wartości bezwzględne 36

37 Luka odziedziczalności Missing heritability Klasyczne badania wykazują znaczną odziedziczalność wielu cech wieloczynnikowych Badania asocjacyjne wykazują jedynie niewielki wzrost prawdopodobieństwa dla danego polimorfizmu Za odziedziczalność złożonych cech wieloczynnikowych odpowiadają interakcje genetyczne wielu polimorfizmów 37

38 Dziedziczenie ilościowe Złożone cechy wykazują rozkład normalny w populacji Genetyczny mechanizm dziedziczenia ilościowego dziedziczenie wielogenowe (Fisher 1918) 38 Plomin et al., 2009, Nat. Rev. Genet., 10 (12) pp

39 Ilościowe podejście do badań asocjacji Tradycyjne podejście do GWA chorzy vs. kontrole Podejście ilościowe spektrum fenotypów, każdemu przypisać ilościową wartość opisującą fenotyp lub ryzyko (BMI, IQ, poziom cholesterolu itp.) Nie zawsze łatwo (np. choroby serca, psychiczne) Nieco inne narzędzia opisu zmienność nie ryzyko, wartości parametrów nie choroby Statystyka ilościowa (regresja liniowa, wariancja, kowariancja) nie jakościowa (regresja logistyczna, asocjacja) 39 Plomin et al., 2009, Nat. Rev. Genet., 10 (12) pp

40 Szkolna genetyka mendlowska Jeden gen determinujący barwę kwiatu Allel czerwony, allel biały Jeden gen jedna cecha 40

41 Czy człowiek jest jak groszek? Według szkolnych zadań tak Gen determinujący kolor oczu, włosów itp. Cechy wielogenowe kilka genów (kolor skóry ~6) 41

42 A co z nieco ciekawszymi cechami? Gen inteligencji? Geny zachowań? Gen ryzyka Gen homoseksualizmu Gen alkoholizmu A choroby wieloczynnikowe? Gen raka? Gen otyłości? 42

43 Zacznijmy od czegoś prostszego Wzrost człowieka czy istnieje gen wzrostu? 43

44 Genetyka wzrostu Na zmienność wzrostu człowieka wpływają warianty ponad 150 genów GIANT (Genetic Investigation of Anthropometric Traits), Lango et al. Nature (7317):

45 Zmienność liczby kopii Niekiedy dotyczy obszarów zawierających geny Stwierdzono asocjacje wariantów liczby kopii z autyzmem Ludzie o diecie wysokoskrobiowej - więcej kopii genu kodującego enzym rozkładający skrobię (amylaza, gen AMY1) w porównaniu z ludźmi o diecie niskoskrobiowej 45

46 Jeden gen jedna cecha? Proste przełożenie jednego genu na jedną cechę fenotypową (jak u Mendla) zdarza się rzadko } Na powstanie wielu cech wpływają interakcję wielu różnych genów } Powstają złożone sieci współzależności złożoność budowana przez oddziaływania i kombinacje, a nie liczbę elementów składowych } 46