Садржај
- Преглед студија удружења широког генома (ГВАС)
- Како СНП могу утицати на биологију
- Како се раде: методе и резултати
- Ограничења
- Потенцијални утицај и клиничке примене
- Примери ГВАС успеха у медицини
Идентификовањем генетских фактора ризика за болест, знање може довести до раног откривања или чак мера превенције. ГВАС такође може побољшати лечење, омогућавајући истраживачима да дизајнирају третмане засноване на специфичној основној биологији неког стања (прецизни лек), уместо да лече јединственим приступом који је заједнички многим од ових стања.
Како ГВАС може променити наше разумевање генетске болести
Тренутно се односи на већину нашег генетског разумевања болести необичан стања повезана са појединачним специфичним мутацијама гена, као што је цистична фиброза.
Потенцијални утицај ГВАС-а је значајан, јер ове студије могу открити раније непознате варијације у великом броју гена у геному које су повезане са широким спектром уобичајених, сложених хроничних стања.
Брзи пример за то је да су ГВАС већ коришћени за идентификацију три гена који чине 74% приписаног ризика за старосну дегенерацију макуле, стање које се претходно није сматрало генетском болешћу.
Преглед студија удружења широког генома (ГВАС)
Пре него што пређемо на детаље студија асоцијација на целокупни геном (ГВАС), корисно је ове студије дефинисати са становишта велике слике.
ГВАС се може дефинисати као тестови који на крају могу идентификовати (често неколико) гена одговорних за низ уобичајених, хроничних медицинских стања за која се раније сматрало да су повезани само са животном средином или факторима животног стила. Са генима који повећавају ризик од стања, лекари би на тај начин могли да прегледају ризичне људе (или да понуде стратегије превенције), истовремено штитећи људе који нису у ризику од неизбежних нежељених ефеката и лажних позитивних резултата повезаних са скринингом.
Учење о генетским асоцијацијама са уобичајеним болестима такође може помоћи истраживачима да открију основну биологију. За већину болести лечење је првенствено усмерено на лечење симптома и то на једноставан начин. Разумевањем биологије могу се осмислити третмани који доспевају до корена проблема и то на персонализован начин.
Историја генетике и болести
Студије асоцијација на целокупни геном први пут су изведене 2002. године, а завршетак пројекта хуманог генома 2003. године омогућио је ове студије у потпуности. Пре ГВАС-а, разумевање генетске основе болести било је превасходно ограничено на стања са „једним геном“ која су имала врло значајне ефекте (попут цистичне фиброзе или Хунтингтонове болести) и велике генетске промене (као што је присуство додатног хромозома 21 са Даунов синдром). Проналажење специфичних гена који би могли бити повезани са болешћу био је велики изазов, јер су се обично испитивали само одређени гени.
За разлику од услова са „једним геном“, вероватно је да постоји много гена из многих различитих региона повезаних са најсложенијим хроничним болестима.
Разумевање основа гена, ДНК и хромозомаПолиморфизми појединачних нуклеотида (СНП) и генетска варијација
Студије асоцијација на целокупни геном траже специфичне локусе (полиморфизме једноструких нуклеотида) у целом геному који могу бити повезани са особином (као што је болест). Отприлике 99% плус људског генома је идентично међу свим људима. Други део, мање од 1% људског генома, садржи варијације између различитих људи које се могу јавити било где у геному, кроз нашу ДНК.
Полиморфизми једноструких нуклеотида (СНП) су само једна врста генетске варијације која се налази у геному, али су најчешће.
Студије о удруживању широм генома траже ове специфичне локусе или СНП (изговарајуће „снипс“) да би се утврдило да ли су неки чешћи код људи са одређеном болешћу.
СНП су подручје ДНК које варирају у једном нуклеотиду или базном пару. Нуклеотиди су основе које чине градивне блокове или „слова“ генетског кода.
Постоје само четири базе, А (аденин), Ц (цитозин), Г (гванин) и Т (тимин). Иако су „абецеда“ од само четири слова, варијације створене од различитих основа су готово неограничене и објашњавају разлике у особинама различитих људи.
Колико СНП-ова постоји у људском геному?
У људском геному има приближно 300 милијарди нуклеотида, од којих је отприлике један од 1.000 СНП. Геном сваког појединца садржи између четири милиона и пет милиона СНП-а.
Мали и главни СНП-ови
СНП-ови се класификују као главни или мањи у зависности од учесталости СНП-а у одређеној популацији. На пример, ако 80% људи има А (аденин) у једном положају, а 20% Т (тимин), СНП са А сматра се главним или уобичајеним СНП, а СНП са Т, малолетним СНП.
Када се СНП јављају унутар гена, ови региони се називају алелима, а већина има две могуће варијације. Израз „мала фреквенција алела“ једноставно се односи на фреквенцију ређег алела или мањег СНП-а.
Неке ретке болести карактерише један, ретки СНП; Хунтингтонова болест, на пример. Са најчешћим, сложеним болестима, попут дијабетеса типа ИИ или болести срца, уместо тога може бити много, релативно уобичајених СНП-а.
Локације СНП-а
СНП се налазе у различитим функционалним регионима генома, а овај регион заузврат игра улогу у ефекту који они могу имати. СНП-ови могу бити у:
- Кодирајућа секвенца гена
- Регија која не кодира
- Између гена (интергено)
Када се СНП пронађе са кодирајућом секвенцом гена, он може утицати на протеин који је кодиран од стране тог гена, мењајући његову структуру тако да делује штетно, благотворно или никако.
Сваки сегмент од три нуклеотида (три СНП) кодира једну аминокиселину. Међутим, постоји сувишак у генетском коду, тако да чак и ако се један нуклеотид промени, то можда неће довести до тога да се друга аминокиселина стави у протеин.
Промена аминокиселине може променити структуру и функцију протеина или не, а ако јесте, може резултирати различитим степенима дисфункције тог протеина. (Свака комбинација три базе одређује која ће од 21 могућих аминокиселина бити уметнута у одређени регион протеина.)
СНП-ови који спадају у некодирајући регион или између гена могу и даље имати утицај на биолошку функцију, где могу играти регулаторну улогу у експресији оближњих гена (могу утицати на функције као што је везивање фактора транскрипције, итд.).
Врсте СНП-ова у регионима кодирања
Унутар кодирајућег региона гена постоје и различити типови СНП-а.
- Синоним: Синонимни СНП неће променити аминокиселину.
- Нонсинонимоус: Са несинонимним СНП-има доћи ће до промене у аминокиселини, али то могу бити две различите врсте.
Типови несинонимних СНП-а укључују:
- Миссенсе мутације: Ове врсте мутација резултирају протеином који не функционише правилно или уопште не функционише.
- Бесмислене мутације: Ове мутације резултирају прераним стоп кодоном што резултира скраћивањем протеина.
СНП-ови насупрот мутацијама
Појмови мутација и СНП (варијација) понекад се користе наизменично, иако се термин мутација чешће користи за описивање ретких генетских варијанти; СНП се обично користи за описивање уобичајених генетских варијација.
Герм Целл против соматских мутација
Са недавним додавањем циљаних терапија за рак (лекови који циљају специфичне генетске промене или мутације у ћелијама карцинома које покрећу раст тумора), расправљање о генским мутацијама може бити веома збуњујуће. Врсте мутација које се налазе у ћелијама карцинома најчешће су соматске или стечене мутације.
Соматске или стечене мутације настају у процесу ћелије која постаје ћелија рака и присутне су само у ћелијама из којих потичу (на пример, канцерогене ћелије плућа). Пошто су стечени након рођења, не наслеђују се нити преносе са једне генерације на другу.
Када ове стечене промене или мутације укључују промену у једној бази, обично се називају једним нуклеотидом измена уместо СНП-а.
Мутације полних ћелија или наследнеза разлику од тога, јесу ли мутације или друге генетске промене у ДНК које су присутне од рођења (зачећа) и могу се наследити.
Наследне наспрам стечених генских мутација: Које су разлике?Код ГВАС-а фокус је на генетским варијацијама које се наслеђују, а самим тим и на мутацијама полних ћелија које могу бити пронађене.
Како СНП могу утицати на биологију
Многи СНП-ови имају мали утицај директно на биологију, али могу послужити као врло корисни маркери за проналажење региона генома који то чини. Иако се СНП могу појавити унутар гена, они се чешће налазе у некодирајућим регионима.
Када се утврди да су одређени СНП-ови повезани са особином у студијама асоцијација широм генома, истраживачи затим користе даље тестове за испитивање подручја ДНК у близини СНП-а. Притом могу да идентификују ген или гене који су повезани са неком особином.
Само удруживање не доказује да СНП (или одређени ген у близини СНП-а) узроци особина; потребна је даља процена. Научници могу погледати протеин који генерише ген како би проценили његову функцију (или дисфункцију). Притом је понекад могуће утврдити основну биологију која доводи до те болести.
Генотип и фенотип
Када говоримо о СНП-има и особинама, корисно је дефинисати још два појма. Наука врло дуго зна да су генетске варијације повезане са фенотиповима.
- Генотипови односе се на генетске варијације, као што су варијације СНП-а.
- Фенотипови односе се на особине (на пример, боју очију или боју косе), али могу такође укључивати болести, карактеристике понашања и још много тога.
Аналогно томе, истраживачи ГВАС-а могу потражити СНП-ове (генетске варијације) који су повезани са предиспозицијом да буду плавуша или бринета. Као и код налаза у студији повезаности широм генома, повезаност (корелација) између генотипа (СНП у овом случају) и особине (на пример, боје косе) не мора нужно значити да су генетски налази узрок особине.
СНП и људска болест
Важно је напоменути да код уобичајених болести специфични СНП обично није узрок болести, већ обично постоји комбинација неколико СНП-а (или барем оближњег гена) који могу допринети болести у различитом степену ( озбиљности) и на различите начине.
Поред тога, варијације СНП-а обично се комбинују са другим генетским факторима и факторима ризика околине / животног стила. Неки СНП-ови такође могу бити повезани са више болести.
Нису сви СНП-ови „лоши“ и неки СНП-ови (као што је утврђено код запаљенских болести црева) могу смањити ризик од болести, а не повећати ризик. Налази попут овог могу довести истраживаче да пронађу боље начине лечења болести, тако што ће научити о протеину који кодира ген и покушати да опонашају радње лековима.
Како се раде: методе и резултати
Студије удруживања широм генома могу имати различит дизајн, у зависности од питања на које треба одговорити. Када посматрају уобичајена медицинска стања (попут дијабетеса типа 2), истраживачи окупљају једну групу људи оболелих и другу групу која нема болест (фенотип). Затим се раде ГВАС да би се утврдило да ли постоје неке везе између генотипа (у облику СНП-ова) и фенотипа (болести).
Узимање узорка
Први корак у извођењу ових студија је добијање узорака ДНК од учесника. То се може урадити путем узорка крви или бриса образа. Узорак се пречишћава како би се ДНК изоловала од ћелија и других компонената у крви. Затим се изолована ДНК ставља на чип који се може скенирати у аутоматизованој машини.
Скенирање и статистичка анализа варијација
Затим се скенира читав геном узорака ДНК како би се трагало за генетским варијацијама (СНП) које су повезане са болешћу или неком другом особином или ако се специфични СНП (варијације) више примећују у групи болести. Ако се пронађу варијације, тада се врши статистичка анализа како би се проценило да ли су разлике између две групе статистички значајне.
Другим речима, резултати се анализирају како би се утврдила вероватноћа да су болест или особина заиста повезани са генетском варијацијом. Ови резултати се затим приказују на заплету на Менхетну.
Даља анализа и потврда праћења
Приликом процене налаза, истраживачи користе базе података о генотипу и фенотипу (ГВАС каталог) за поређење познатих референтних секвенци са онима које су пронађене. Међународни пројекат ХапМап (2005) пружио је основу која је, заједно са завршетком пројекта хуманог генома, омогућила ове студије.
Ако се открију варијације, каже се да су повезане са болешћу, али не нужно и узрочником болести, а спроводе се даљи тестови како би се ближе проучило подручје генома у региону где су пронађени СНП.
То често укључује секвенцирање одређеног региона (гледање секвенце парова база у ДНК), одређено подручје или секвенцирање целог егзона.
Поређење са другим генетским тестовима
Већина ретких генетских болести је узрокована генском мутацијом, али постоји низ различитих варијација (мутација) у истом гену које се могу јавити.
На пример, неколико хиљада варијација гена БРЦА потпада под термин БРЦА мутација. Анализа везе се може користити за тражење ових варијација. Међутим, није од велике помоћи када се посматрају уобичајене, сложене болести.
Ограничења
Као и код већине медицинских тестова, постоје ограничења за студије повезаности генома. Неки од њих укључују:
- Генетска ограничења: Нису све опасности од болести (генетске или животне средине) узроковане уобичајеним варијантама. На пример, нека стања су узрокована врло ретким варијантама, а друга узрокована већим променама у геному.
- Лажни негативи: ГВАС можда неће открити све варијанте које су укључене у одређено здравствено стање, те стога даје мање потпуне информације у вези са било којим асоцијацијама.
- Лажно позитиван: Свакако се могу открити асоцијације између локуса и болести које су пре случајне, а не везе између њих. Једна од већих брига неких људи је да удружење које је установио ГВАС можда неће имати истински значај за болест.
- Грешке: У студијама асоцијација широм генома увек постоји могућност грешке, на више места где би се то могло догодити, почев од лошег узорковања, до грешака у изоловању ДНК и примени на чип, до машинских грешака које би могле да се појаве аутоматизацијом. Када подаци постану доступни, могу се појавити и грешке у интерпретацији. Пажљива контрола квалитета у сваком кораку процеса је обавезна.
На ове студије утиче и величина узорка, с мањом вероватноћом да ће мањи узорак пружити значајне информације.
Потенцијални утицај и клиничке примене
Студије повезаности генома могу на много начина утицати на болест, од одређивања ризика, преко превенције, до дизајнирања персонализованих третмана и још много тога. Можда је највећи потенцијал ових студија њихова улога у помагању научницима да схвате основну биологију уобичајених, сложених медицинских стања.
Тренутно су многи, ако не и већина третмана за лечење болести, дизајнирани да помогну у лечењу симптоми болести.
Студије удруживања широм генома (заједно са пратећим студијама попут анализе ретких варијанти и секвенцирања целог генома) омогућавају истраживачима да пре свега проучавају биолошке механизме који узрокују ове болести, постављајући основу за развој третмана који се баве узроком. него једноставно лечити симптоме.
У теорији је већа вероватноћа да ће такви третмани бити ефикасни, а да узрокују мање нежељених ефеката.
Осетљивост и тако рано откривање болести
Тренутно су многи тестови који се користе за преглед здравствених стања засновани на просечном ризику појединаца. Под неким условима, то није исплативо и заправо би могло проузроковати више штете него користи за преглед свих.
Учењем да ли је особа мање или више подложна неком стању, скрининг се може прилагодити тој особи, да ли се скрининг може препоручити чешће, у ранијој доби, другим тестом или га можда уопште није потребно прегледати .
Подложност факторима ризика
Нису сви људи подједнако под утицајем токсина у околини. На пример, сматра се да су жене можда подложније карциногенима у дувану. Утврђивање подложности особе изложености могло би не само да помогне научницима да сагледају механизме превенције, већ може да усмери јавност на друге начине.
Могући пример је кафа. Многе студије су рађене на испитивању кафе и ризика од разних врста карцинома и других болести, са супротним резултатима. Може бити да одговор зависи од одређене особе и да пијење кафе може имати позитивне ефекте на једну особу, а штетно за друге због варијација у њиховом геному.
Фармакогеномика
Подручје фармакогеномије већ користи налазе који помажу у предвиђању реакције појединца на одређени лек. Варијације у генетском саставу особе могу утицати на то колико ће лек бити ефикасан, како се метаболише у телу и који нежељени ефекти могу да се појаве. Испитивање сада може помоћи неким људима да предвиде који антидепресиви могу бити ефикаснији.
Цоумадин (варфарин) је разређивач крви који може бити изазов за одговарајућу дозу. Ако је доза прениска, може бити неефикасна у спречавању настанка крвних угрушака, што потенцијално може довести до плућних емболија, срчаног удара или исхемијских можданих удара. С друге стране спектра, када је доза превисока (превише разређивача крви), резултат може бити подједнако катастрофалан, јер људи, на пример, крваре у мозак (хеморагични мождани удар).
Истраживачи су могли да користе ГВАС да демонстрирају варијације у неколико гена који имају врло значајан утицај на дозирање Цоумадина. Ово откриће довело је до развоја генетских тестова који се могу користити у клиници за помоћ лекарима у прописивању одговарајуће дозе лека.
Дијагностика и лечење вирусних болести
Неки људи су више подложни одређеним вирусним инфекцијама од других, а познато је да људи различито реагују на третмане. Комбинација ГВАС-а и секвенцирања следеће генерације може помоћи у доношењу одговора на оба наведена питања.
На пример, генетске варијације могу повећати осетљивост на ХПВ инфекцију и рак грлића материце. Знање ко је подложнији могло би помоћи лекарима да препоруче и превенцију и скрининг. Још један пример у коме би ГВАС могао бити од велике помоћи је лечење хепатитиса Ц, јер људи могу врло различито реаговати на тренутно доступне третмане.
Процена прогнозе
Чак и уз лечење, неки људи који имају врло сличну дијагнозу могу имати врло различите исходе од болести. ГВАС може помоћи у идентификовању ко ће добро реаговати, а ко не. Неко са лошом прогнозом ће можда требати бити агресивнији, док ће особи са врло добром прогнозом требати мање третмана; знајући ово пре времена може да поштеди нежељене ефекте код те особе.
Шта вам геномско тестирање може рећи о здравственим ризицимаПримери ГВАС успеха у медицини
Од 2018. године идентификовано је преко 10.000 локуса уобичајених болести (или других особина) и тај број наставља да се брзо повећава. Постоји неколико примера како ове студије могу променити лице медицине.
Нека од ових открића већ мењају наше схватање уобичајених болести.
Макуларна дегенерација
Један од првих налаза који су отворили очи у студијама повезаности генома било је у вези са старосном дегенерацијом макуле, водећим узроком слепила у Сједињеним Државама. Пре ГВАС-а, макуларна дегенерација се сматрала углавном еколошком / животном болешћу са мало генетске основе.
ГВАС је утврдио да три гена чине 74% ризика који се може приписати болести. Не само да је ово изненадило у стању за које се раније није мислило да је генетска болест, већ су ове студије помогле да се демонстрира биолошка основа болести гледајући варијацију гена за протеин комплемента Х. Овај ген кодира протеин који регулише упалу.
Знајући ово, научници могу надам се да осмисле третмане који су усмерени на узрок, а не на симптоме.
Запаљенска болест црева
ГВАС су идентификовали велики број локуса повезаних са развојем запаљенских болести црева (улцерозни колитис и Кронова болест), али такође су пронашли мутацију која изгледа штити од развоја улцерозног колитиса. Проучавајући протеин произведен од овог гена, научници могу надам се да дизајнирају лекове који би на исти начин могли да контролишу или спрече болест.
Много других медицинских стања
Постоји много чешћих медицинских стања у којима је ГВАС донео важне налазе. Само неколико њих укључује:
- Алцхајмерова болест
- Остеопороза
- Преурањено отказивање јајника (рана менопауза)
- Дијабетес типа 2
- Псоријаза
- Паркинсонова болест
- Неке врсте срчаних болести
- Гојазност
- Шизофренија
Реч од врло доброг
Студије о удруживању широм генома већ су побољшале наше разумевање многих уобичајених болести. Следећи трагове у овим студијама који указују на основне биолошке механизме болести има потенцијал да трансформише не само лечење већ и превенцију ових стања у будућности.