Zmienność genetyczna człowieka. Zmienność prawidłowa i choroby wieloczynnikowe

Transkrypt

1 Zmienność genetyczna człowieka Zmienność prawidłowa i choroby wieloczynnikowe

2

3 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Kassemann & Pääbo, 2002, J. Int. Med. 251:1-18

4 Problem ras ludzkich Zagadnienie zmienności genetycznej człowieka Czy biologia uzasadnia podziały rasowe? Nott JC i Gliddon GR (1868) Indigenous Races of the Earth

5

6 Poligenizm i monogenizm Monogenizm - wszyscy ludzie pochodzą od jednej pary przodków różnice rasowe jako skutek degeneracji Poligenizm - wiele par przodków polifiletyzm - odrębne gatunki nieortodoksyjne interpretacje Księgi Rodzaju (wielu Adamów, itp.) w kontekście naukowym od XVIII w. np. Voltaire, David Hume

7 Johann Friedrich Blumenbach De generis humani varietate nativa 5 ras kaukaska mongolska malajska etiopska amerykańska Nie uważał żadnej rasy za gorszą co do zdolności Adam i Ewa byli rasy kaukaskiej i pochodzili z Azji

8 Georges Cuvier Tableau élémentaire de l'histoire naturelle des animaux (1798) podział ludzkości na trzy rasy: kaukaską, mongolską i etiopską Adam i Ewa byli rasy kaukaskiej rasa biała przewyższa inne pod względem geniuszu, odwagi i aktywności

9 A Darwin? Używał terminu rasa wobec odmian zwierząt i roślin U człowieka rozróżnienie kulturowe, a nie biologiczne dzicy i cywilizowani Podkreślał, że człowiek to jeden gatunek

10 Wcześni ewolucjoniści Darwin uważał, że wszyscy ludzie mają wspólne ewolucyjne pochodzenie większość zwolenników Darwina podzielała ten pogląd Alfred R. Wallace - różnice między rasami pojawiły się tuż po powstaniu człowieka (czyli są od zawsze ) Ernst Haeckel - różne rasy powstały niezależnie z przedludzkich podludzi (Urmenschen) August Schleicher - różne grupy języków powstały niezależnie Henry F. Osborn (1916) - czarni i biali pochodzą od różnych gatunków naczelnych

11 Zagadnienie ras ludzkich Argument Lewontina (1972) zmienność wewnątrz grup kontynentalnych (mierzona współczynnikiem FST) większa niż między grupami (85%/15%) markery jednoznacznie odróżniające rasy - ~6% zmienności

12 Kontrargument Edwardsa (2003) Analiza Lewontina dotyczyła pojedynczych genów Korelacja zmienności dla większej liczby genów pozwala na rozróżnianie populacji z różnych kontynentów Przy zastosowaniu metody zakładającej podział na zadaną liczbę grup

13 Zmienność a rasy Istnieją cechy, których zmienność wykazuje korelację (kowariancja) nie tworzą wyraźnych zgrupowań, tylko gradienty nie dzielą na tradycyjnie pojmowane rasy dają różne wyniki zależnie od wybranych do analizy genów

14 Różne cechy - różne podziały

15 Zagadnienie ras ludzkich Tradycyjne podziały rasowe oparte na cechach, które nie są dobrą miarą różnorodności genetycznej kolor skóry (~6 genów), kształt nosa i oczu wpływ doboru

16 Rasy a taksonomia Przy analizie genetycznej wszystkie populacje spoza Afryki są odgałęzieniem jednej z grup afrykańskich Różnorodność największa w Afryce

17 Różne geny - różne historie mtdna chr. Y

18 Zagadnienie ras ludzkich Zmienność i zróżnicowanie genetyczne to fakt Istnieją genetyczne wyróżniki poszczególnych populacji, związane z ich historią Łączenie różnych populacji w duże zgrupowania na podstawie koloru skóry, zamieszkiwanego kontynentu itp. nie ma sensu biologicznego Współcześni biolodzy mówiąc o rasach w istocie mówią o zróżnicowaniu genetycznym, które ma charakter ciągły Patrz:

19 Zagadnienie ras Zmienność genetyczna jest faktem - ma charakter ciągły Ustalanie absolutnych granic jest arbitralne - rasy to konstrukt społeczny, a nie biologiczny Rasy u zwierząt odpowiadają znacznie większym różnicom między osobnikami, niż u człowieka Nie ma dowodów na determinowane biologicznie różnice predyspozycji fizycznych na poziomie ras niekiedy są na poziomie mniejszych populacji nie ma dowodów na różnice w cechach charakteru

20 Zmienność genetyczna człowieka Aspekty medyczne - polimorfizmy i asocjacje

21 Różnorodność genetyczna człowieka Projekt 1000 genomów poszukiwanie różnic w genomach różnych ludzi (2500 osób) Wstępne dane (2012): 38 mln. miejsc zmiennych (SNP) 1,4 mln. indeli > większych delecji Więcej nukleotydów, niż w całym genomie drożdży

22 Projekt 1000 genomów

23 Genom i medycyna Poszukiwanie mutacji sprawczych choroby jednogenowe (mendlowskie) są rzadkie Poszukiwanie genetycznego podłoża cech wielogenowych częste choroby to cechy wielogenowe genetyczne podłoże zmienności prawidłowej Badanie zmian genetycznych w nowotworach zmiany somatyczne

24 Cechy wieloczynnikowe

25 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)

26 Cechy wieczoczynnikowe a mendlowskie Mendlowskie Wieloczynnikowe Proste dziedziczenie, allele pojedynczych genów, wysoka penetracja Złożone dziedziczenie: wiele czynników (genetycznych i środowiskowych), każdy z nich osobno ma niską penetrację Mutacja powoduje chorobę Polimorfizymy genów wpływają na ryzyko (zwiększają albo zmniejszają) Badanie: analiza sprzężeń, sekwencjonowanie Badanie: metody statystyczne, głównie nieparametryczne Rzadkie choroby Wiele częstych chorób i cech prawidłowych

27 Odziedziczalność Za każdy fenotyp odpowiada interakcja genotypu ze środowiskiem Odziedziczalność: proporcja zmienności fenotypowej wyjaśnianej zmiennością genetyczną w populacji badania bliźniąt monozygotyczne (MZ) vs. dizygotyczne (DZ) agregacja rodzinna częstość objawów u krewnych I stopnia przewyższa obserwowaną u dalszych krewnych i osób niespokrewnionych

28 Nieporozumienia dotyczące odziedziczalności Nie jest to miara udziału cech dziedzicznych w fenotypie jest to miara udziału cech dziedzicznych w zmienności fenotypu kowariancja genotypu i fenotypu

29 Nieporozumienia dotyczące odziedziczalności Nie jest to miara podobieństwa potomstwa i rodziców np. typowe choroby autosomalne recesywne: chore dzieci zdrowych rodziców, 100% odziedziczalność

30 Nieporozumienia dotyczące odziedziczalności Nie jest to własność cechy zależy od struktury populacji, środowiska itp. W populacji jednolitej genetycznie (klony) całość zmienności cechy jest spowodowana zmianami środowiska - 0% odziedziczalności

31 Agregacja rodzinna Czy cecha występuje częściej u krewnych osób mających tę cechę

32 Agregacja rodzinna Choroby afektywne (ostre cykliczne zaburzenia nastroju) jednobiegunowa (epizody depresyjne) dwubiegunowa (epizody maniakalne i depresyjne) Choroba jednobiegunowa ryzyko w populacji ~3 % (mężczyźni) ~5-9% (kobiety) krewni I stopnia osoby chorej ryzyko ~10% stosunkowo mała odziedziczalność Choroba dwubiegunowa ryzyko w populacji ~1% krewni I stopnia osoby chorej ryzyko ~ 20% istotna odziedziczalność

33 Agregacja rodzinna λ S = ryzyko dla krewnych 1 stopnia chorych ryzyko w populacji λ S recurrence risk ratio Np. populacja 0,8 krewni 1 stopnia chorych 8,5 λ S = 10,6

34 Agregacja rodzinna Przykładowe wartości λ S Choroby mendlowskie: mukowiscydoza: 0,25/0,0004 = 500 choroba Huntingtona: 0,5/0,0001 = 5000 Choroby wieloczynnikowe autyzm: ~ 110 stwardnienie rozsiane: ~25 schizofrenia: ~10 cukrzyca typ I (IDDM): ~15 cukrzyca typ II (NIDDM): ~3,5

35 Asocjacja Nieprzypadkowe współwystępowanie czynników (alleli i fenotypów) na poziomie populacji Czy zawsze asocjacja oznacza zależność przyczynową? Czy każda asocjacja ma wartość diagnostyczną? Czy asocjacja odkrywa gen na...?

36 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)?

37 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

38 Zesztywniające zapalenie stawów

39 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%

40 Geny na...?

41 Geny na?

42 A w rzeczywistości

43 Dla porównania HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy Zdrowi HLA-B Ryzyko 8% HLA-B Ryzyko 0,11% Ryzyko dla całej populacji ~1% test statystyczny Fishera (Fisher exact test): 90 p OR = =

44 O korelacji i wynikaniu

45 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

46

47 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). Należy badać populacje jednorodne etnicznie, a nawet tylko pojedyncze duże rodziny

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

49 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) Terapię A częściej stosowano u pacjentów z dużymi kamieniami, które trudniej się leczy.

50 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

51 Genetyczne czynniki ryzyka Badania GWAS asocjacje na skalę genomu Korelacja wariantów genetycznych z ryzykiem choroby Znajduje się wiele korelacji, ale żadna nie może być decydującym czynnikiem Tajemnica brakującej odziedziczalności

52 Badanie Wellcome Trust GWAS genome-wide association study 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.

53 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

54 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

55 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 Geny CDKAL1, CDKN2A i IGF2BP2-efekt bezpośredni Potwierdzenie asocjacji dla kilku genów odkrytych w innych badaniach - w sumie ~10 genów

56 Powtarzalność badań asocjacji

57 Luka odziedziczalności Missing heritability Klasyczne badania wykazują znaczną odziedziczalność wielu cech wieloczynnikowych Badania asocjacyjne wykazują jedynie niewielki wzrost prawdopodobieństwa dla danego polimorfizmu (np. badania asocjacji tłumaczą tylko 5% różnic wzrostu) Za odziedziczalność złożonych cech wieloczynnikowych odpowiadają interakcje genetyczne wielu polimorfizmów

58 Brakująca odziedziczalność Ciemna materia genomu Wykrywane asocjacje wyjaśniają kilka % odziedziczalności Możliwe odpowiedzi: Inne, jeszcze nie opisane (rzadkie) warianty pomóc może projekt 1000 genomów Oddziaływania wielu wariantów między sobą pomóc mogą teoretycy opisujący sieci zależności Zmienność liczby kopii

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

60 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

61 Na przykład wzrost W determinowaniu wzrostu człowieka bierze udział około 150 genów

62 Przyszłość Nie badania asocjacji pojedynczych loci Badanie na skalę całego genomu, dla wielu loci

63 Analiza dla 1000 loci SNP

64 Geny człowieczeństwa

65 Genom człowieka i szympansa

66 Różnice Nowe geny Utrata genów Zmienna liczba kopii Mutacje Różnice ekspresji

67 Skład genomu człowieka i szympansa Ogromna większość genów człowieka występuje u szympansa i vice versa Człowiek utracił niektóre geny (np. receptorów węchowych), niektóre zyskał (Morpheus nieznana funkcja, mir mirna) Nie da się przypisać różnic między człowiekiem a szympansem obecności/nieobecności specyficzego genu człowieczeństwa

68 Różnice na poziomie białek Przeciętne białko ludzkie różni się 2 aminokwasami od szympansiego odpowiednika 29% białek jest identycznych Sekwencja to nie wszystko (regulacja!)

69 Nowe geny ~50-60 potencjalnych nowych genów W większości niepotwierdzona funkcja

70 Utrata genów Liczne przypadki specyficznej utraty genu w linii człowieka liczne receptory węchowe jedna z keratyn, ok. 240 tys. lat temu owłosienie? sekwencja regulatorowa genu AR (receptor androgenu) kolczyste wyrostki penisa, wibrysy kot

71 Utrata genów Liczne przypadki specyficznej utraty genu w linii człowieka sekwencja regulatorowa genu GADD45G hamuje podziały komórek, u człowieka nie jest aktywny w mózgu nadmiernie aktywny u niektórych chorych na psychozy i autyzm

72 Mutacje i dobór naturalny Efekty działania mutacji obserwujemy pośrednio różnice sekwencji między populacjami (gatunkami) polimorfizm sekwencji w obrębie populacji Na allele wytworzone przez mutacje może działać dobór Za zmiany częstości powstających alleli może odpowiadać dryf genetyczny Obserwujemy mutacje utrwalone całkowicie lub częściowo (polimorfizmy) w puli genowej

73 Jak szukać śladów działania doboru Większość sekwencji genów zmienia się jednostajnie, w tempie wyznaczanym przez eliminację mutacji Równomierne tempo zmian niekorzystnych zegar molekularny Odstępstwa od jednostajnego tempa w określonej gałęzi dobór specyficzny dla tej gałęzi Przyspieszone zmiany Spowolnione zmiany

74 Różnice w genach Około genów znaczące odchylenia od zegara molekularnego (sugeruje odstępstwa od neutralności) Około 200 obszarów regulatorowych o przyspieszonej ewolucji w linii człowieka (HAR Human Accelerated Regions)

75 Zmiany genów gen mowy Dyspraksja werbalna (Gopnik, 1990) Rzadka choroba dziedziczna objawiająca się zaburzeniami mowy (czynnej i biernej) Brak wyraźnego zaburzenia innych funkcji poznawczych Gen FOXP2 (2001)

76 FOXP2 Gen koduje czynnik transkrypcyjny - białko regulujące działanie innych genów Niezbędny do rozwoju mózgu, niezbędny do życia Chorzy z dysprakjsą werbalną mają tylko niewielką zmianę (mutację) w tym genie

77 FOXP2 szybka ewolucja Enard et al. (2002) Nature 418,

78 Nie tylko u ludzi Ekspresja FOXP2 koreluje ze złożonością śpiewu ptaków (zdolność uczenia się głosów i imitacji) Uszkodzenie FOXP2 zaburza zdolność komunikacji głosowej u myszy (a także uczenie sensomotoryczne)

79 Czy Neandertalczyk potrafił mówić Sekwencja FOXP2 taka, jak u Homo sapiens Mutacja sekwencji regulatorowej GADD45G - też podobnie, jak u człowieka

80 MYH16 Jedna z form łańcucha ciężkiego miozyny Mutacja ok. 2,5 mln lat temu związek z ewolucją kształtu czaszki osłabienie mięśni szczęki, zmniejszenie twarzoczaszki, wzrost mózgoczaszki

81 Geny mikrocefaliny Mikrocefalia Chory 13 lat Zdrowy 11 lat Kouprina et al., PLoS Biology, 2004, 5:E126 Szybka ewolucja genu u człowieka Podobnie inne geny powiązane z mikrocefalią (ASPM, CDK5RAP2, MCPH1)

82 HACNS1 - element regulatorowy Enhancer HACNS1 (Human Accelerated Conserved Noncoding Sequence 1) Sekwencja 546bp konserwowana u kręgowców lądowych 16 zmian po rozdzieleniu linii szympans-człowiek (vs. 4 oczekiwane przy założeniu neutralności, p=1,3 10-6) Prabhakar et al., 2008, Science 321:

83 Co kontroluje sekwencja HACNS1? Wprowadzono gen reporterowy pod kontrolą HACNS1 i homologów z szympansa i rezusa do myszy transgenicznych Tylko ludzki HACNS1 wykazuje silną ekspresję specyficzną dla zawiązków dłoni i stóp Specyficznie ludzkie cechy budowy dłoni Specyficznie ludzkie cechy budowy stóp Prabhakar et al., 2008, Science 321:

84 mir-941 mirna - cząsteczki RNA regulujące działanie genów

85 mir-941 Gen mirna, występuje tylko u człowieka ten jest jedynym o wysokiej ekspresji w CNS Pojawił się między 6-7 a 1 milion lat temu występuje już u Denisowian, ale nie u szympansa Liczba kopii u człowieka jest zmienna (2-11) w toku ewolucji po wyjściu z Afryki malała

86 mir-941 ewolucja liczby kopii

87 Funkcja mir-941 Regulacja (hamowanie) szlaku sygnałowego insuliny i hedgehog może reguulować czas życia?

88 Podsumowanie Nie ma jednego, czy kilku genów człowieczeństwa Za różnice między ludźmi a innymi gatunkami odpowiada kumulacja wielu, pozornie niewielkich, różnic Niewielkie zmiany sekwencji mogą pociągać znaczne zmiany fenotypowe Istotne są też różnice na poziomie regulacji trudniejsze do zbadania

89 Triumf Darwina Ewolucja cech specyficznie ludzkich była związana z szeregiem cząstkowych zmian dotykających różnych genów Koncepcja Darwina wyrażona językiem genomiki porównawczej! różnica między człowiekiem a innymi zwierzętami ma charakter ilościowy, a nie jakościowy