Zmienność populacji człowieka Polimorfizmy i asocjacje
Prezentacja } http://wiki.biol.uw.edu.pl/ 2
MONOGENOWE CZYNNIKI GENETYCZNE DZIEDZICZENIE MENDLOWSKIE NIEPEŁNA PENETRACJA GENU DZIEDZICZENIE WIELOCZYNNIKOWE Z DOMINACJĄ POJEDYNCZEGO LOCUS DZIEDZICZENIE WIELOCZYNNIKOWE POLIGENOWE 3 CZYNNIKI ŚRODOWISKOWE
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
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
Badania bliźniąt } Przykład Wikimedia Commons 6
Zmienność genetyczna człowieka } Różnice w sekwencjach (geny, obszary niekodujące) } Różnice liczby kopii (paralogów) 2007 7
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
Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Analiza mtdna Analiza ndna Przyczyna szybka ekspansja populacji 9
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
Geny na...? 11
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
Struktura populacji } Lander & Schork, 1994 - 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
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
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
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
University of California, Berkeley, 1973 Przyjęcia na studia doktoranckie Kierunek Mężczyźni (przyjęci) Kobiety (przyjęte) A 825 62% 108 82% B 560 63% 25 68% C 325 37% 593 34% D 417 33% 375 35% E 191 28% 393 24% F 272 6% 341 7% Razem 8442 44% 4321 35% Więcej kobiet zgłaszało się na trudniejsze kierunki. 17
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.
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
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
Asocjacja - przykład } HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy Zdrowi HLA-B27 + 90 1000 Ryzyko 8% HLA-B27-10 9000 Ryzyko 0,11% test statystyczny Fishera (Fisher exact test): p 2 10-76 Ryzyko dla całej populacji ~1% 21
22
Geny na...? 23
A w rzeczywistości... 24
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
Dla przypomnienia } HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów HLA-B27 + HLA-B27 - Chorzy Zdrowi 90 1000 10 9000 OR = 90 1000 10 9000 = 81 test statystyczny Fishera (Fisher exact test): p 2 10-76 26
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
Badanie Wellcome Trust 2005-2007 } GWA genome-wide association } 7 ważnych schorzeń wieloczynnikowych, 17 000 osób (chorych i zdrowych), 200 badaczy, 9 milionów funtów } Jeden z kilku dużych projektów GWA, których wyniki opublikowano w 2007 r. 28
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
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
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
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
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
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. 872-8
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. 872-8
Szkolna genetyka mendlowska } Jeden gen determinujący barwę kwiatu } Allel czerwony, allel biały } Jeden gen jedna cecha 36
Czy człowiek jest jak groszek? } Według szkolnych zadań tak } Gen determinujący kolor oczu, włosów itp. } Cechy wielogenowe kilka genów (kolor skóry ~6) 37
A co z nieco ciekawszymi cechami? } Gen inteligencji? } Geny zachowań? } Gen ryzyka } Gen homoseksualizmu } Gen alkoholizmu } A choroby wieloczynnikowe? } Gen raka? } Gen otyłości? 38
Zacznijmy od czegoś prostszego } Wzrost człowieka czy istnieje gen wzrostu? 39
Genetyka wzrostu } Na zmienność wzrostu człowieka wpływają warianty ponad 150 genów GIANT (Genetic Investigation of Anthropometric Traits), Lango et al. Nature. 2010 467(7317):832-8. 40
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