Zmienność populacji człowieka. Polimorfizmy i asocjacje

Transkrypt

1 Zmienność populacji człowieka Polimorfizmy i asocjacje

2 Prezentacja } 2

3 MONOGENOWE CZYNNIKI GENETYCZNE DZIEDZICZENIE MENDLOWSKIE NIEPEŁNA PENETRACJA GENU DZIEDZICZENIE WIELOCZYNNIKOWE Z DOMINACJĄ POJEDYNCZEGO LOCUS DZIEDZICZENIE WIELOCZYNNIKOWE POLIGENOWE 3 CZYNNIKI ŚRODOWISKOWE

4 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) } badania adopcji } agregacja rodzinna } częstość objawów u krewnych I stopnia przewyższa obserwowaną u dalszych krewnych i osób niespokrewnionych np. choroba afektywna dwubiegunowa: ryzyko w populacji 1%, u krewnych 1 stopnia chorych 20% 4

5 Badania bliźniąt - statystyka } Model ACE: trzy składowe: } } } A (additive genetics) suma czynników genetycznych C (common environment) wspólne środowisko E (unique environment) różnice środowiska } Bliźnięta monozygotyczne: wspólne geny (A) i środowisko (C) korelacja (r MZ ) szacuje A+C; E = 1 - r MZ } Bliźnięta dizygotyczne: wspólne 50% genów i środowisko korelacja (r MZ ) szacuje ½A + C } Stąd: r MZ = A + C r DZ = 1 2 A + C A = 2(r MZ r DZ ) 5

6 Badania bliźniąt } Przykład Wikimedia Commons 6

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

8 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 8

9 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Analiza mtdna Analiza ndna Przyczyna szybka ekspansja populacji 9

10 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? 10

11 Geny na...? 11

12 Asocjacja Przyczyny asocjacji losowa (i nieprawidłowe obliczanie p) 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) 12

13 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 13

14 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)? 14

15 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 15

16 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%) 16

17 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. 17

18 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) 18 Terapię A częściej stosowano u pacjentów z dużymi kamieniami, które trudniej się leczy.

19 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 19

20 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 20

21 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% 21

22 22

23 Geny na...? 23

24 A w rzeczywistości... 24

25 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%) 25

26 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

27 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. 27

28 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. 28

29 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 29

30 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 30

31 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 31

32 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 32

33 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 33

34 Dziedziczenie ilościowe } Złożone cechy wykazują rozkład normalny w populacji } Genetyczny mechanizm dziedziczenia ilościowego dziedziczenie wielogenowe (Fisher 1918) 34 Plomin et al., 2009, Nat. Rev. Genet., 10 (12) pp

35 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) 35 Plomin et al., 2009, Nat. Rev. Genet., 10 (12) pp

36 Szkolna genetyka mendlowska } Jeden gen determinujący barwę kwiatu } Allel czerwony, allel biały } Jeden gen jedna cecha 36

37 Czy człowiek jest jak groszek? } Według szkolnych zadań tak } Gen determinujący kolor oczu, włosów itp. } Cechy wielogenowe kilka genów (kolor skóry ~6) 37

38 A co z nieco ciekawszymi cechami? } Gen inteligencji? } Geny zachowań? } Gen ryzyka } Gen homoseksualizmu } Gen alkoholizmu } A choroby wieloczynnikowe? } Gen raka? } Gen otyłości? 38

39 Zacznijmy od czegoś prostszego } Wzrost człowieka czy istnieje gen wzrostu? 39

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

41 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 41