Съдържание
- Общ преглед на проучванията за асоцииране с широк геном (GWAS)
- Как SNPs могат да повлияят на биологията
- Как се правят: Методи и резултати
- Ограничения
- Потенциално въздействие и клинични приложения
- Примери за успехи на GWAS в медицината
Чрез идентифициране на генетични рискови фактори за дадено заболяване знанията могат да доведат до ранно откриване или дори мерки за превенция. GWAS може също така да подобри лечението, позволявайки на изследователите да проектират лечения въз основа на специфичната основна биология на дадено състояние (прецизна медицина), вместо да лекуват с универсалния подход, общ за много от тези състояния.
Как GWAS може да промени нашето разбиране за генетичните заболявания
В момента голяма част от нашето генетично разбиране за болестта е свързана необичайни състояния, свързани с единични специфични генни мутации, като муковисцидоза.
Потенциалното въздействие на GWAS е значително, тъй като тези проучвания могат да разкрият неизвестни досега вариации в редица гени в генома като цяло, които са свързани с широк спектър от често срещани, сложни хронични състояния.
Бърз пример за това е, че GWAS вече са били използвани за идентифициране на три гена, които представляват 74% от свързания риск за свързана с възрастта дегенерация на макулата, състояние, което преди това не е било считано за генетично заболяване.
Общ преглед на проучванията за асоцииране с широк геном (GWAS)
Преди да се впуснете в подробностите на проучванията за асоцииране в целия геном (GWAS), е полезно да дефинирате тези изследвания от гледна точка на общата картина.
GWAS може да се определи като тестове, които в крайна сметка могат да идентифицират (често няколко) гена, отговорни за редица често срещани, хронични медицински състояния, за които преди се е смятало, че са свързани само с околната среда или факторите на начина на живот. С гените, които повишават риска от заболяване, лекарите могат по този начин да проверят хората в риск (или да предложат стратегии за превенция), като същевременно предпазват хората, които не са изложени на риск от неизбежните странични ефекти и фалшивите положителни резултати, свързани с скрининга.
Изучаването на генетични асоциации с често срещани заболявания също може да помогне на изследователите да разкрият основната биология. За повечето заболявания лечението е насочено главно към лечение на симптоми и по един универсален начин. Чрез разбиране на биологията могат да бъдат проектирани лечения, които стигат до корена на проблема и по персонализиран начин.
История на генетиката и болестите
Проучванията за асоцииране в целия геном бяха проведени за пръв път през 2002 г., като завършването на проекта за човешкия геном през 2003 г. направи тези изследвания напълно възможни. Преди GWAS разбирането за генетичната основа на заболяването беше ограничено главно до състояния на „единичен ген“, които имаха много значими ефекти (като муковисцидоза или болест на Хънтингтън) и големи генетични промени (като наличието на допълнителна хромозома 21 с Синдром на Даун). Намирането на специфичните гени, които биха могли да бъдат свързани със заболяване, беше голямо предизвикателство, тъй като обикновено се изследваха само специфични гени.
За разлика от условията на „единичен ген“, вероятно има много гени от много различни региони, свързани с най-сложните хронични заболявания.
Разбиране на основите на гените, ДНК и хромозомитеЕдинични нуклеотидни полиморфизми (SNP) и генетична вариация
Проучванията за асоцииране в целия геном търсят специфични локуси (единични нуклеотидни полиморфизми) в целия геном, които могат да бъдат свързани с черта (като заболяване). Приблизително 99% плюс човешкия геном е идентичен сред всички хора. Другата част, по-малко от 1% от човешкия геном, съдържа вариации между различни хора, които могат да се появят навсякъде в генома, в цялата ни ДНК.
Еднонуклеотидните полиморфизми (SNP) са само един вид генетични вариации, открити в генома, но са най-често срещаните.
Проучванията за асоцииране в целия геном търсят тези специфични локуси или SNPs (произнасяни „фрагменти“), за да се види дали някои са по-чести при хора с определено заболяване.
SNPs са област на ДНК, която варира в един нуклеотид или двойка основи. Нуклеотидите са основите, които изграждат градивните блокове или „буквите“ на генетичния код.
Има само четири основи, А (аденин), С (цитозин), G (гуанин) и Т (тимин). Въпреки че са „азбука“ от само четири букви, вариациите, създадени от различни основи, са почти неограничени и отчитат разликите в чертите между различните хора.
Колко SNPs съществуват в човешкия геном?
В човешкия геном има около 300 милиарда нуклеотиди, от които приблизително един на 1000 е SNP. Геномът на всеки индивид съдържа между четири милиона и пет милиона SNP.
Малки и големи SNP
SNP се класифицират като основни или незначителни в зависимост от честотата на SNP в определена популация. Например, ако 80% от хората имат A (аденин) в една позиция и 20% имат T (тимин), SNP с A ще се счита за основен или общ SNP, а SNP с T, непълнолетен SNP.
Когато SNP се срещат в един ген, тези региони се наричат алели, като повечето имат две възможни вариации. Терминът "малка честота на алела" просто се отнася до честотата на по-рядко срещания алел или незначителен SNP.
Някои редки заболявания се характеризират с единичен, рядък SNP; Болест на Хънтингтън, например. При най-често срещаните, сложни заболявания като диабет тип II или сърдечни заболявания, вместо това може да има много, относително често срещани SNP.
Местоположения на SNP
SNPs се намират в различни функционални области на генома и този регион от своя страна играе роля за ефекта, който те могат да имат. SNP могат да се крият в:
- Кодиращата последователност на ген
- Некодиращ регион
- Между гени (интергенен)
Когато се открие SNP с кодиращата последователност на ген, той може да има ефект върху протеина, кодиран от този ген, променяйки структурата му, така че да има вреден ефект, благоприятен ефект или никакъв ефект.
Всеки сегмент от три нуклеотида (три SNP) кодира една аминокиселина. Съществува обаче излишък в генетичния код, така че дори ако един нуклеотид се промени, това може да не доведе до поставяне на различна аминокиселина в протеин.
Промяната в аминокиселината може да промени структурата и функцията на протеин или не и ако е така, може да доведе до различна степен на дисфункция на този протеин. (Всяка комбинация от три основи определя коя от 21 възможни аминокиселини ще бъде вмъкната в определена област в протеин.)
SNP, които попадат в некодиращ регион или между гени, все още могат да имат ефект върху биологичната функция, където могат да играят регулаторна роля в експресията на близките гени (те могат да повлияят на функции като свързване на транскрипционен фактор и т.н.).
Видове SNP в кодиращи региони
В рамките на кодиращата област на гена има и различни видове SNP.
- Синоним: Синонимният SNP няма да промени аминокиселината.
- Несинонимни: При несинонимни SNP ще има промяна в аминокиселината, но те могат да бъдат от два различни типа.
Видовете несинонимни SNP включват:
- Мисенс мутации: Тези видове мутации водят до протеин, който не функционира правилно или изобщо не функционира.
- Глупости мутации: Тези мутации водят до преждевременно спиране на кодон, което води до скъсяване на протеина.
SNPs срещу мутации
Термините мутация и SNP (вариация) понякога се използват взаимозаменяемо, въпреки че терминът мутация се използва по-често за описване на редки генетични варианти; SNP обикновено се използва за описване на често срещани генетични вариации.
Зародишни клетки срещу соматични мутации
С неотдавнашното добавяне на целенасочени терапии за рак (лекарства, насочени към специфични генетични промени или мутации в раковите клетки, които стимулират растежа на тумора), обсъждането на генни мутации може да бъде много объркващо. Видовете мутации, открити в раковите клетки, са най-често соматични или придобити мутации.
Соматични или придобити мутации възникват в процеса на превръщането на клетката в ракова клетка и присъстват само в клетките, от които произхождат (например ракови белодробни клетки). Тъй като са придобити след раждането, те не се наследяват или предават от едно поколение на друго.
Когато тези придобити промени или мутации включват промяна в една основа, те обикновено се наричат единичен нуклеотид промяна вместо SNP.
Зародишни клетки или наследствени мутацииза разлика от това са мутации или други генетични промени в ДНК, които присъстват от раждането (зачеването) и могат да бъдат наследени.
Наследствени срещу придобити генни мутации: Какви са разликите?При GWAS фокусът е върху генетичните вариации, които се наследяват и следователно могат да бъдат открити мутации на зародишни клетки.
Как SNPs могат да повлияят на биологията
Много SNP имат малко въздействие директно върху биологията, но могат да служат като много полезни маркери за намиране на региона на генома, който го прави. Въпреки че SNPs могат да се появят в един ген, те са по-често срещани в некодиращи региони.
Когато се установи, че някои SNPs са свързани с черта в проучванията за асоцииране в целия геном, изследователите след това използват допълнителни тестове, за да изследват областта на ДНК в близост до SNP. По този начин те могат след това да идентифицират ген или гени, които са свързани с даден признак.
Само асоциация не доказва, че SNP (или определен ген в близост до SNP) причини черта; необходима е допълнителна оценка. Учените могат да разгледат протеина, генериран от гена, за да оценят неговата функция (или дисфункция). По този начин понякога е възможно да се разбере основната биология, която води до това заболяване.
Генотип и фенотип
Когато говорим за SNP и черти, е полезно да дефинираме още два термина. Науката знае от много дълго време, че генетичните вариации са свързани с фенотипите.
- Генотипове се отнасят до генетични вариации, като вариации в SNP.
- Фенотипове се отнасят до черти (например цвят на очите или цвят на косата), но могат да включват и заболявания, поведенчески характеристики и много други.
По аналогия с GWAS изследователите могат да търсят SNP (генетични вариации), които са свързани с предразположение да бъдат блондинки или брюнетки. Както при констатациите в проучване за асоцииране в целия геном, асоциацията (корелация) между генотипа (SNP в този случай) и черта (например цвят на косата) не означава непременно, че генетичните находки са кауза на чертата.
SNP и човешка болест
Важно е да се отбележи, че при често срещаните заболявания специфичен SNP обикновено не е причина само за заболяване, а по-скоро обикновено има комбинация от няколко SNP (или поне близкия ген), които могат да допринесат за заболяване в различна степен ( тежест) и по различни начини.
В допълнение, вариациите в SNP обикновено се комбинират с други генетични фактори и рискови фактори от околната среда / начина на живот. Някои SNP също могат да бъдат свързани с повече от едно заболяване.
Не всички SNP са "лоши" и някои SNP (както е установено при възпалително заболяване на червата) могат да намалят риска от заболяване, вместо да увеличат риска. Открития като този може да накарат изследователите да намерят по-добро лечение на болестта, като научат за кодирания от гена протеин и се опитват да имитират действията с медикаменти.
Как се правят: Методи и резултати
Изследванията за асоцииране в целия геном могат да имат различен дизайн в зависимост от въпроса, на който трябва да се отговори. Когато разглеждат често срещаните медицински състояния (като диабет тип 2), изследователите събират една група хора с болестта и друга група, която няма болестта (фенотипа). След това се правят GWAS, за да се види дали има някакви връзки между генотипа (под формата на SNP) и фенотипа (болестта).
Вземане на проби
Първата стъпка в извършването на тези изследвания е да се вземат проби от ДНК от участниците. Това може да стане чрез кръвна проба или тампон на бузата. Пробата се пречиства, за да се изолира ДНК от клетките и други компоненти в кръвта. След това изолираната ДНК се поставя върху чип, който може да бъде сканиран в автоматизирана машина.
Сканиране и статистически анализ на вариациите
След това целият геном на ДНК пробите се сканира, за да се търсят генетични вариации (SNP), които са свързани с болест или друга черта, или ако специфични SNP (вариации) се наблюдават повече в групата на заболяванията. Ако се открият вариации, тогава се прави статистически анализ, за да се оцени дали вариациите между двете групи са статистически значими.
С други думи, резултатите се анализират, за да се определи вероятността болестта или признакът наистина да е свързан с генетичната вариация. След това тези резултати се показват в парцел в Манхатън.
Допълнителен анализ и потвърждение за последващи действия
Когато оценяват констатациите, изследователите използват бази данни за генотип и фенотип (каталог на GWAS), за да сравняват известни референтни последователности с тези, които са намерени. Международният проект HapMap (2005) предостави основите, които, заедно със завършването на проекта за човешкия геном, направиха тези изследвания възможни.
Ако се открият вариации, се казва, че те са свързани със заболяване, но не е задължително причината за заболяването и се провеждат допълнителни тестове, за да се разгледа по-отблизо областта на генома в региона, където са открити SNP.
Това често включва секвениране на специфичен регион (разглеждане на последователността на базовите двойки в ДНК), конкретната област или цялото екзонно секвениране.
Сравнение с други генетични тестове
Повечето редки генетични заболявания се причиняват от генна мутация, но има редица различни вариации (мутации) в един и същи ген, които могат да възникнат.
Например, няколко хиляди вариации в гена BRCA попадат под термина BRCA мутация. Анализът на връзките може да се използва за търсене на тези вариации. Това обаче не е много полезно, когато се разглеждат често срещани, сложни заболявания.
Ограничения
Както при повечето медицински тестове, има ограничения за проучванията за асоцииране в целия геном. Някои от тях включват:
- Генетични ограничения: Не всички рискове от заболяване (генетични или екологични) се причиняват от често срещани варианти. Например, някои състояния са причинени от много редки варианти, а други са причинени от по-големи промени в генома.
- Фалшиви негативи: GWAS може да не открие всички варианти, които са свързани с определено медицинско състояние, и следователно да даде по-малко пълна информация относно каквито и да било асоциации.
- Фалшиви положителни резултати: Със сигурност могат да бъдат открити асоциации между локусите и болестите, които се дължат на случайност, а не на връзка между двете. Един от най-големите опасения за някои хора е, че асоциация, открита от GWAS, може да няма истинско значение за болестта.
- Грешки: Винаги има вероятност за грешка в проучванията за асоцииране в целия геном, с множество места, където това може да се случи, започвайки с лошо вземане на проби, до грешки при изолирането на ДНК и прилагането й към чип, до машинни грешки, които могат да възникнат при автоматизация. След като данните са налични, могат да възникнат и грешки в интерпретацията. Внимателният контрол на качеството на всяка стъпка от процеса е задължителен.
Тези проучвания също се влияят от размера на извадката, като по-малкият размер на пробата е по-малко вероятно да предостави значителна информация.
Потенциално въздействие и клинични приложения
Проучванията за асоцииране в целия геном имат потенциал да повлияят на заболяването по много начини, от определяне на риска, до профилактика, до проектиране на персонализирано лечение и много други. Може би най-големият потенциал на тези изследвания обаче е тяхната роля да помагат на учените да разберат основната биология на често срещаните сложни медицински състояния.
Понастоящем много, ако не и повечето от леченията, които провеждаме, са предназначени да помогнат при симптоми на болестта.
Проучванията за асоцииране в целия геном (заедно с последващи проучвания, като анализ на редки варианти и секвениране на целия геном) позволяват на изследователите да изследват биологичните механизми, които причиняват тези заболявания, като първоначално поставят началото на лечението, насочено към причината. вместо просто да лекува симптомите.
Подобно лечение на теория е по-вероятно да бъде ефективно, като същевременно причинява по-малко странични ефекти.
Чувствителност и по този начин ранно откриване на болестта
Понастоящем много от тестовете, използвани за скрининг на медицински състояния, се основават на средния риск за хората. При някои условия това не е рентабилно и всъщност може да причини повече вреда, отколкото полза за скрининг на всички.
Чрез научаване дали човек е повече или по-малко податлив на заболяване, скринингът може да бъде съобразен с това отделно лице, дали скринингът може да бъде препоръчан по-често, в по-ранна възраст, с различен тест или може би изобщо не е необходимо да бъде изследван .
Податливост към рискови фактори
Не всички хора са еднакво засегнати от токсините в околната среда. Например, смята се, че жените могат да бъдат по-податливи на канцерогени в тютюна. Определянето на податливостта на човек към експозиция може не само да помогне на учените да разгледат механизмите за превенция, но може да насочи обществеността по други начини.
Възможен пример е този за кафе. Правени са много изследвания, разглеждащи кафето и риска от различни видове рак и други заболявания, с противоречиви резултати. Възможно е отговорът да зависи от конкретния човек и че пиенето на кафе може да има положителни ефекти за един човек и да бъде вредно за другите поради вариации в техния геном.
Фармакогеномика
Областта на фармакогеномиката вече използва открития, за да помогне да се предскаже реакцията на индивида към дадено лекарство. Вариациите в генетичния състав на човек могат да повлияят на това колко ефективно ще бъде дадено лекарство, как се метаболизира в тялото и какви странични ефекти могат да възникнат. Тестването вече може да помогне на някои хора да предскажат кои антидепресанти могат да бъдат по-ефективни.
Кумадин (варфарин) е разредител на кръвта, който може да бъде предизвикателство за подходяща доза. Ако дозата е твърде ниска, тя може да бъде неефективна за предотвратяване на образуването на кръвни съсиреци, което може да доведе до белодробни емболии, инфаркти или исхемични инсулти. От другата страна на спектъра, когато дозата е твърде висока (прекалено много разредител на кръвта), резултатът може да бъде еднакво катастрофален, като хората кървят, например, в мозъка си (хеморагичен инсулт).
Изследователите са успели да използват GWAS, за да демонстрират вариации в няколко гена, които имат много значително влияние върху дозирането на Coumadin. Това откритие доведе до разработването на генетични тестове, които могат да се използват в клиниката, за да се помогне на лекарите при предписване на подходящата доза от лекарството.
Диагностика и лечение на вирусни заболявания
Някои хора са по-податливи на определени вирусни инфекции от други и е известно, че хората реагират по различен начин на лечение. Комбинацията от GWAS и последователността от следващо поколение може да помогне да се отговори и на двата въпроса.
Например, генетичните вариации могат да увеличат податливостта към HPV инфекция и рак на маточната шийка. Знанието кой е по-податлив може да помогне на лекарите да препоръчат както превенция, така и скрининг. Друг пример, при който GWAS може да бъде много полезен, е лечението на хепатит С, тъй като хората могат да реагират много различно на наличните в момента лечения.
Оценка на прогнозата
Дори и при лечение, някои хора, които изглежда имат много подобна диагноза, могат да имат много различни резултати от заболяване. GWAS може да помогне да се определи кой ще реагира добре и кой не. Някой с лоша прогноза може да се нуждае от по-агресивно лечение, докато човек с много добра прогноза може да се нуждае от по-малко лечение; знаейки това преди време, може да спести на този човек странични ефекти.
Какво може да ви каже геномното тестване за здравните рисковеПримери за успехи на GWAS в медицината
Към 2018 г. са идентифицирани над 10 000 локуса за често срещани заболявания (или други белези) и този брой продължава да нараства бързо. Има няколко примера за това как тези изследвания могат да променят облика на медицината.
Някои от тези открития вече променят разбирането ни за често срещаните заболявания.
Дегенерация на макулата
Едно от първите откриващи очите открития в проучванията за асоцииране на целия геном е по отношение на свързаната с възрастта дегенерация на макулата, водещата причина за слепота в Съединените щати. Преди GWAS, дегенерацията на макулата се считаше до голяма степен за заболяване на околната среда / начин на живот с малко генетична основа.
GWAS установи, че три гена представляват 74% от свързания риск за заболяването. Това не само беше изненадващо при състояние, което преди това не се смяташе за генетично заболяване, но тези проучвания помогнаха да се демонстрира биологичната основа на заболяването, като се разгледа вариацията в гена на комплементния протеин H. Този ген кодира протеин който регулира възпалението.
Знаейки това, учените могат да се надяват да проектират лечения, насочени към причината, а не към симптомите.
Възпалително заболяване на червата
GWAS са идентифицирали голям брой локуси, свързани с развитието на възпалителни заболявания на червата (улцерозен колит и болест на Crohn), но също така са открили мутация, която изглежда предпазва от развитието на улцерозен колит. Изследвайки протеина, произведен от този ген, учените могат да се надяват да създадат лекарство, което също да контролира или предотвратява болестта.
Много други медицински състояния
Има много по-често срещани медицински състояния, при които GWAS е направил важни констатации. Само няколко от тях включват:
- Болест на Алцхаймер
- Остеопороза
- Преждевременна яйчникова недостатъчност (ранна менопауза)
- Диабет тип 2
- Псориазис
- болестта на Паркинсон
- Някои видове сърдечни заболявания
- Затлъстяване
- Шизофрения
Дума от Verywell
Проучванията за асоцииране в целия геном вече подобриха разбирането ни за много често срещани заболявания. Следвайки уликите в тези проучвания, които сочат към основните биологични механизми на заболяването, има потенциал да промени не само лечението, но и евентуално предотвратяване на тези състояния в бъдеще.