![30 глупых вопросов Product Manager [Карьера в IT]](https://i.ytimg.com/vi/-WCQlXIL9M4/hqdefault.jpg)
Зміст
- Огляд досліджень асоціацій, що мають широкий геном (GWAS)
- Як SNPs можуть впливати на біологію
- Як це робиться: методи та результати
- Обмеження
- Потенційний вплив та клінічне застосування
- Приклади успіхів GWAS у медицині
Виявляючи генетичні фактори ризику захворювання, знання можуть призвести до раннього виявлення або навіть заходів запобігання. GWAS може також вдосконалити лікування, дозволяючи дослідникам розробляти лікування на основі конкретної базової біології захворювання (точна медицина), а не лікувати за допомогою універсального підходу, загального для багатьох із цих станів.
Як GWAS може змінити наше розуміння генетичної хвороби
В даний час більша частина нашого генетичного розуміння хвороби пов’язана з нечасто стани, пов’язані з одиничними специфічними мутаціями генів, такими як муковісцидоз.
Потенційний вплив GWAS є значним, оскільки ці дослідження можуть виявити раніше невідомі варіації в ряді генів геному в цілому, які пов'язані з широким спектром загальних, складних хронічних захворювань.
Швидким прикладом цього є те, що GWAS вже використовувались для ідентифікації трьох генів, на які припадає 74% ризику, пов’язаного з віковою дегенерацією жовтої плями - захворюванням, яке раніше не вважалося генетичним захворюванням.
Огляд досліджень асоціацій, що мають широкий геном (GWAS)
Перш ніж вдаватися в подробиці досліджень асоціацій, що стосуються всього геному (GWAS), корисно визначити ці дослідження з точки зору загальної картини.
GWAS можна визначити як тести, які в кінцевому підсумку можуть ідентифікувати (часто декілька) генів, відповідальних за низку загальних хронічних захворювань, про які раніше вважали, що вони пов'язані лише з навколишнім середовищем або факторами життя. Таким чином, маючи гени, що підвищують ризик захворювання, лікарі можуть проводити скринінг тих людей, які перебувають у групі ризику (або пропонувати стратегії профілактики), одночасно захищаючи людей, яким не загрожує ризик, від неминучих побічних ефектів та помилкових спрацьовувань, пов'язаних із скринінгом.
Дізнання про генетичні асоціації із загальними захворюваннями також може допомогти дослідникам розкрити основну біологію. Для більшості захворювань лікування спрямоване в першу чергу на лікування симптомів і в універсальному варіанті. Розуміючи біологію, можна розробити методи лікування, які сягають кореня проблеми та персоналізовано.
Історія генетики та хвороб
Загальногеномні дослідження асоціацій вперше були проведені в 2002 році, а завершення проекту генома людини в 2003 році зробило ці дослідження цілком можливими. До GWAS розуміння генетичної основи хвороби обмежувалось насамперед умовами «одного гена», які мали дуже значні наслідки (наприклад, муковісцидоз або хвороба Хантінгтона) та великими генетичними змінами (такими як наявність зайвої хромосоми 21 з Синдром Дауна). Знайти конкретні гени, які можуть бути пов’язані із захворюванням, було великим випробуванням, оскільки зазвичай досліджувались лише конкретні гени.
На відміну від станів «одного гена», цілком ймовірно, що існує багато генів з багатьох різних регіонів, пов’язаних із найскладнішими хронічними захворюваннями.
Розуміння основ генів, ДНК та хромосомОднонуклеотидні поліморфізми (SNP) та генетична варіація
Загальногеномні дослідження асоціацій шукають специфічні локуси (однонуклеотидні поліморфізми) у всьому геномі, які можуть бути пов’язані з ознакою (наприклад, хворобою). Приблизно 99% плюс геному людини є однаковим серед усіх людей. Інша частина, менше 1% геному людини, містить варіації між різними людьми, які можуть траплятися де завгодно в геномі, у нашій ДНК.
Однонуклеотидні поліморфізми (SNP) є лише одним із типів генетичних варіацій, виявлених у геномі, але є найбільш поширеними.
Загальногеномні дослідження асоціацій шукають ці специфічні локуси або SNP (вимовляються «фрагменти»), щоб побачити, чи є деякі з них частіше у людей з певним захворюванням.
SNP - це ділянка ДНК, яка змінюється в межах одного нуклеотиду або пари основ. Нуклеотиди - це основи, з яких складаються будівельні блоки або «букви» генетичного коду.
Існує лише чотири основи, А (аденин), С (цитозин), G (гуанін) і Т (тимін). Незважаючи на те, що вони є "алфавітом" лише з чотирьох букв, варіації, створені різними основами, майже безмежні і пояснюють різницю в рисах характеру між різними людьми.
Скільки СНП існує в геномі людини?
У геномі людини налічується приблизно 300 мільярдів нуклеотидів, з яких приблизно кожен 1000 є SNP. Геном кожної особини містить від чотирьох до п'яти мільйонів SNP.
Малі та основні SNP
SNP класифікуються як основні або незначні залежно від частоти SNP у конкретній популяції. Наприклад, якби 80% людей мали А (аденин) в одному положенні, а 20% мали Т (тимін), СНП з А вважалося б основним або загальним СНП, а СНП з Т, другорядним SNP.
Коли SNP відбуваються всередині гена, ці регіони називають алелями, причому більшість із них мають дві можливі варіації. Термін "незначна частота алелів" просто відноситься до частоти менш часто зустрічається алелю або незначного SNP.
Деякі рідкісні захворювання характеризуються єдиним, рідкісним SNP; Наприклад, хвороба Хантінгтона. З найпоширенішими складними захворюваннями, такими як діабет II типу або серцеві захворювання, натомість може бути багато відносно поширених ОНП.
Розташування СНП
SNP містяться в різних функціональних областях геному, і ця область, у свою чергу, відіграє роль у впливі, який вони можуть мати. SNPs можуть полягати в:
- Кодуюча послідовність гена
- Некодуюча область
- Між генами (інтергенні)
Коли SNP виявляється з кодуючою послідовністю гена, він може впливати на білок, кодований цим геном, змінюючи свою структуру, так що він має шкідливий ефект, сприятливий ефект або взагалі не впливає.
Кожен сегмент з трьох нуклеотидів (три SNP) кодує одну амінокислоту. Однак у генетичному коді є надмірність, так що навіть якщо один нуклеотид змінюється, це не може призвести до того, що інша амінокислота буде поміщена в білок.
Зміна амінокислоти може змінити структуру та функцію білка чи ні, а якщо так, то може призвести до різного ступеня дисфункції цього білка. (Кожна комбінація з трьох основ визначає, яка з 21 можливої амінокислоти буде вставлена в певну область білка.)
SNP, які потрапляють в некодуючий регіон або між генами, все ще можуть впливати на біологічну функцію, де вони можуть відігравати регуляторну роль у експресії сусідніх генів (вони можуть впливати на такі функції, як зв'язування фактора транскрипції тощо).
Типи SNP у регіонах кодування
В межах кодуючої області гена також є різні типи SNP.
- Синонімічний: Синонімічний SNP не змінить амінокислоту.
- Несинонім: При несинонімних SNP відбуватиметься зміна амінокислоти, але вони можуть бути двох різних типів.
Типи несинонімічних SNP включають:
- Мутації промаху: Ці типи мутацій призводять до білка, який не працює належним чином або взагалі не функціонує.
- Нісенітні мутації: Ці мутації призводять до передчасного стоп-кодону, що призводить до скорочення білка.
SNP проти мутацій
Терміни мутація та SNP (варіація) іноді використовуються як взаємозамінні, хоча термін мутація частіше використовується для опису рідкісних генетичних варіантів; SNP зазвичай використовується для опису загальних генетичних варіацій.
Зародкові клітини проти соматичних мутацій
З недавнім додаванням цілеспрямованих методів лікування раку (ліків, спрямованих на специфічні генетичні зміни або мутації ракових клітин, що сприяють росту пухлини), обговорення генних мутацій може викликати заплутаність. Види мутацій, виявлені в ракових клітинах, найчастіше є соматичними або набутими мутаціями.
Соматичні або набуті мутації виникають у процесі перетворення клітини в ракову клітину і присутні лише в клітинах, в яких вони походять (наприклад, ракові клітини легенів). Оскільки вони набуваються після народження, вони не передаються у спадок або передаються від одного покоління до іншого.
Коли ці придбані зміни або мутації включають зміну однієї основи, їх зазвичай називають одним нуклеотидом зміна замість SNP.
Зародкові клітини або спадкові мутаціїнавпаки, це мутації або інші генетичні зміни в ДНК, які є від народження (зачаття) і можуть передаватися у спадок.
Спадкові та набуті генні мутації: у чому різниця?З GWAS основна увага приділяється генетичним варіаціям, які передаються у спадок, а отже, мутація зародкових клітин, які можуть бути знайдені.
Як SNPs можуть впливати на біологію
Багато ОНП мають незначний вплив безпосередньо на біологію, але можуть слугувати дуже корисними маркерами для пошуку області геному, яка це робить. Хоча SNP можуть виникати всередині гена, вони частіше зустрічаються в некодуючих регіонах.
Коли виявляється, що певні SNP пов’язані з якоюсь ознакою при дослідженні асоціацій у цілому геному, дослідники потім використовують подальші тести для вивчення ділянки ДНК поблизу SNP. Роблячи це, вони можуть потім ідентифікувати ген або гени, які пов'язані з ознакою.
Асоціація сама по собі не доводить, що SNP (або конкретний ген поблизу SNP) причини риса; необхідна подальша оцінка. Вчені можуть розглянути білок, який генерується геном, щоб оцінити його функцію (або дисфункцію). Роблячи це, іноді можна з’ясувати основну біологію, яка веде до цієї хвороби.
Генотип і фенотип
Говорячи про SNP та особливості, корисно визначити ще два терміни. Науці дуже давно відомо, що генетичні варіації пов’язані з фенотипами.
- Генотипи відносяться до генетичних варіацій, таких як варіації SNP.
- Фенотипи посилаються на риси характеру (наприклад, колір очей або колір волосся), але можуть також включати захворювання, особливості поведінки та багато іншого.
За аналогією з дослідниками GWAS можуть шукати SNP (генетичні варіації), які пов’язані зі схильністю бути блондинкою або брюнетою. Як і висновки у дослідженні асоціацій, що стосуються всього генома, зв’язок (кореляція) між генотипом (SNP у даному випадку) та ознакою (наприклад, кольором волосся) не обов'язково означає, що генетичні знахідки є причина ознаки.
ОНП та хвороби людини
Важливо зазначити, що при загальних захворюваннях конкретний SNP, як правило, не є причиною самої хвороби, а, як правило, існує комбінація декількох SNP (або принаймні сусіднього гена), які можуть сприяти захворюванню різним ступенем ( тяжкості) та різними способами.
Крім того, варіації SNP зазвичай поєднуються з іншими генетичними факторами та факторами ризику навколишнього середовища / способу життя. Деякі ОНП також можуть бути пов'язані з кількома захворюваннями.
Не всі SNP є "поганими", і деякі SNP (як було встановлено при запальних захворюваннях кишечника) можуть зменшити ризик захворювання, а не збільшити ризик. Такі висновки можуть змусити дослідників знайти кращі методи лікування захворювань, дізнавшись про білок, кодований геном, і намагаючись імітувати дії за допомогою ліків.
Як це робиться: методи та результати
Загальногеномні дослідження асоціацій можуть мати різний дизайн, залежно від питання, на яке потрібно відповісти. Розглядаючи загальні захворювання (такі як цукровий діабет 2 типу), дослідники збирають одну групу хворих на хворобу та іншу групу, яка не має захворювання (фенотип). Потім проводяться GWAS, щоб з’ясувати, чи є якісь асоціації між генотипом (у формі SNP) та фенотипом (хвороба).
Відбір проб
Першим кроком у виконанні цих досліджень є отримання зразків ДНК від учасників. Це можна зробити за допомогою зразка крові або мазка на щоці. Зразок очищається для виділення ДНК з клітин та інших компонентів крові. Потім виділену ДНК поміщають на чіп, який можна сканувати в автоматизованій машині.
Сканування та статистичний аналіз варіацій
Потім сканується весь геном зразків ДНК з метою виявлення генетичних варіацій (SNP), які пов’язані із захворюванням або іншою ознакою, або якщо конкретні SNP (варіації) спостерігаються більше в групі захворювань. Якщо виявляються варіації, тоді проводиться статистичний аналіз, щоб оцінити, чи є варіації між двома групами статистично значущими.
Іншими словами, результати аналізуються, щоб визначити ймовірність того, що хвороба чи ознака справді пов’язані з генетичними варіаціями. Потім ці результати відображаються на Манхеттенському сюжеті.
Подальший аналіз та підтвердження подальших дій
При оцінці знахідок дослідники використовують бази даних генотипу та фенотипу (каталог GWAS) для порівняння відомих еталонних послідовностей з тими, які знайдені. Міжнародний проект HapMap (2005) створив основу, яка, поряд із завершенням проекту «Геном людини», зробила ці дослідження можливими.
Якщо виявляються варіації, вони кажуть, що вони пов’язані із захворюванням, але не обов’язково причиною захворювання, і проводяться подальші тести для більш детального вивчення ділянки геному в регіоні, де були виявлені ОНП.
Це часто включає секвенування певної області (дивлячись на послідовність пар основ в ДНК), конкретну область або секвенування цілого екзону.
Порівняння з іншими генетичними тестами
Більшість рідкісних генетичних захворювань спричинені генною мутацією, але існує цілий ряд різних варіацій (мутацій) одного і того ж гена, які можуть виникнути.
Наприклад, кілька тисяч варіацій гена BRCA підпадають під термін мутація BRCA. Для пошуку цих варіацій можна використовувати аналіз зв’язків. Однак це не дуже корисно при розгляді загальних, складних захворювань.
Обмеження
Як і у більшості медичних тестів, існують обмеження щодо досліджень асоціацій, що стосуються всього геному. Деякі з них включають:
- Генетичні обмеження: Не всі ризики захворювання (генетичні чи екологічні) спричинені типовими варіантами. Наприклад, деякі стани викликані дуже рідкісними варіантами, а інші - більшими змінами в геномі.
- Фальшиві негативи: GWAS може не виявити всіх варіантів, які пов'язані з певним медичним станом, і, отже, надавати менш повну інформацію стосовно будь-яких асоціацій.
- Хибно позитивні: Звичайно, можуть бути виявлені асоціації між локусами та хворобами, які обумовлені випадковістю, а не зв’язком між ними. Одне з найбільших занепокоєнь у деяких людей полягає в тому, що асоціація, заснована GWAS, може не мати жодного справжнього значення для захворювання.
- Помилки: Завжди існує можливість помилок у дослідженнях асоціацій по всьому геному, де існує безліч місць, де це може статися, починаючи з поганого відбору проб, до помилок у виділенні ДНК та нанесенні її на чіп, до машинних помилок, які можуть виникнути при автоматизації. Як тільки дані стануть доступними, можуть трапитись і помилки в інтерпретації. Ретельний контроль якості на кожному кроці процесу є обов’язковим.
На ці дослідження також впливає обсяг вибірки, причому менший обсяг вибірки рідше надає значну інформацію.
Потенційний вплив та клінічне застосування
Загальногеномні дослідження асоціацій можуть впливати на захворювання різними способами, починаючи від визначення ризику, закінчуючи профілактикою, розробкою персоналізованих методів лікування тощо. Мабуть, найбільший потенціал цих досліджень полягає в тому, що вони допомагають вченим з'ясувати основну біологію загальних, складних медичних станів.
В даний час багато, якщо не більшість методів лікування захворювань, призначені допомогти симптоми захворювання.
Загальногеномні дослідження асоціацій (поряд із подальшими дослідженнями, такими як аналіз рідкісних варіантів та секвенування цілого геному) дозволяють дослідникам вивчати біологічні механізми, що спричиняють ці захворювання, в першу чергу, створюючи основу для розробки методів лікування, що стосуються причини а не просто лікувати симптоми.
Подібне лікування, теоретично, з більшою ймовірністю буде ефективним, при цьому спричиняючи менше побічних ефектів.
Сприйнятливість і, таким чином, раннє виявлення хвороби
В даний час багато тестів, що використовуються для скринінгу медичних захворювань, базуються на середньому ризику людей. За певних умов це не економічно ефективно і насправді може завдати більшої шкоди, ніж користі, перевірити всіх.
Дізнавшись, чи є людина більш-менш сприйнятливою до захворювання, скринінг може бути пристосований до цієї конкретної людини, чи можна рекомендувати скринінг частіше, у більш ранньому віці, з іншим тестом, чи, можливо, не потрібно проходити скринінг взагалі .
Сприйнятливість до факторів ризику
Не всі люди однаково впливають на токсини в навколишньому середовищі. Наприклад, вважається, що жінки можуть бути більш сприйнятливими до канцерогенів у тютюні. Визначення сприйнятливості людини до опромінення може не тільки допомогти вченим розглянути механізми профілактики, але й може спрямовувати громадськість іншими способами.
Можливий приклад - кава. Було проведено багато досліджень, присвячених каві та ризику різних видів раку та інших захворювань, що дало суперечливі результати. Можливо, відповідь залежить від конкретної людини, і що вживання кави може мати позитивні наслідки для однієї людини і бути шкідливим для інших через зміни в їх геномі.
Фармакогеноміка
У галузі фармакогеноміки вже використовуються результати, які допомагають передбачити реакцію людини на певний препарат. Варіації генетичного складу людини можуть впливати на ефективність того чи іншого препарату, його метаболізм в організмі та можливі побічні ефекти. Тепер тестування може допомогти деяким людям передбачити, які антидепресанти можуть бути більш ефективними.
Кумадин (варфарин) - це розріджувач крові, який може бути складним для відповідної дози. Якщо доза занадто низька, це може бути неефективним у запобіганні утворення тромбів, що потенційно може призвести до легеневих емболій, інфарктів або ішемічних інсультів. З іншого боку спектру, коли доза занадто висока (занадто багато розріджує кров), результат може бути настільки ж катастрофічним, що спричиняє кровотеча, наприклад, у мозок у людей (геморагічний інсульт).
Дослідники змогли використовувати GWAS, щоб продемонструвати варіації в декількох генах, які мають дуже значний вплив на дозування Кумадіна. Ця знахідка призвела до розробки генетичних тестів, які можуть бути використані в клініці для допомоги лікарям у призначенні належної дози препарату.
Діагностика та лікування вірусних захворювань
Деякі люди більш сприйнятливі до певних вірусних інфекцій, ніж інші, і відомо, що люди по-різному реагують на лікування. Поєднання GWAS та послідовності наступного покоління можуть допомогти знайти відповіді на обидва ці питання.
Наприклад, генетичні зміни можуть збільшити сприйнятливість до ВПЛ-інфекції та раку шийки матки. Знання того, хто є більш сприйнятливим, може допомогти лікарям рекомендувати як профілактику, так і скринінг. Інший приклад, коли GWAS може бути дуже корисним, - це лікування гепатиту С, оскільки люди можуть дуже по-різному реагувати на наявні в даний час методи лікування.
Оцінка прогнозу
Навіть під час лікування деякі люди, які, схоже, мають дуже подібний діагноз, можуть мати дуже різні результати від захворювання. GWAS може допомогти визначити, хто буде добре реагувати, а хто ні. До когось із поганим прогнозом може знадобитися більш агресивне ставлення, тоді як до людини з дуже хорошим прогнозом може знадобитися менше лікування; знання цього заздалегідь може позбавити цю людину побічних ефектів.
Що геномне тестування може розповісти вам про ризики для здоров’яПриклади успіхів GWAS у медицині
Станом на 2018 рік було виявлено понад 10 000 локусів загальних захворювань (або інших ознак), і ця кількість продовжує швидко зростати. Є кілька прикладів того, як ці дослідження можуть змінити обличчя медицини.
Деякі з цих відкриттів вже змінюють наше розуміння загальних захворювань.
Дегенерація жовтої плями
Одним із перших відкритих очей результатів досліджень асоціацій, що стосуються геному, було стосується вікової дегенерації жовтої плями, яка є основною причиною сліпоти в США. До GWAS дегенерація жовтої плями вважалася в основному хворобою навколишнього середовища / способу життя з малою генетичною основою.
GWAS встановив, що на три гени припадає 74% ризику захворювання. Це не тільки дивувало в стані, який раніше не вважався генетичним захворюванням, але ці дослідження допомогли продемонструвати біологічну основу захворювання, розглянувши варіацію гена білка комплементу H. Цей ген кодує білок що регулює запалення.
Знаючи це, вчені можуть сподіватися на розробку методів лікування, спрямованих на причину, а не на симптоми.
Запальна хвороба кишечника
GWAS виявили велику кількість локусів, пов'язаних з розвитком запальних захворювань кишечника (виразковий коліт та хвороба Крона), але також виявили мутацію, яка, як видається, захищає від розвитку виразкового коліту. Вивчаючи білок, що виробляється цим геном, вчені можуть сподіватися на розробку ліків, які також можуть контролювати або запобігати хворобі.
Багато інших медичних станів
Існує набагато більше загальних захворювань, при яких GWAS зробив важливі висновки. Лише деякі з них включають:
- хвороба Альцгеймера
- Остеопороз
- Передчасна недостатність яєчників (рання менопауза)
- Діабет 2 типу
- Псоріаз
- хвороба Паркінсона
- Деякі типи серцевих захворювань
- Ожиріння
- Шизофренія
Слово з дуже добре
Загальногеномні дослідження асоціацій вже покращили наше розуміння багатьох загальних захворювань. Дослідження цих досліджень, які вказують на основні біологічні механізми розвитку хвороби, можуть перетворити не тільки лікування, але, можливо, і профілактику цих станів у майбутньому.