Conţinut
- Prezentare generală a studiilor de asociere a genomului larg (GWAS)
- Cum pot afecta SNP biologia
- Cum sunt realizate: metode și rezultate
- Limitări
- Impactul potențial și aplicațiile clinice
- Exemple de succese GWAS în medicină
Prin identificarea factorilor genetici de risc pentru o boală, cunoștințele ar putea duce la detectarea precoce sau chiar la măsuri de prevenire. GWAS poate îmbunătăți, de asemenea, tratamentul, permițând cercetătorilor să proiecteze tratamente bazate pe biologia specifică care stă la baza unei afecțiuni (medicină de precizie), mai degrabă decât să trateze cu abordarea unică pentru toate, comună pentru multe dintre aceste afecțiuni.
Modul în care GWAS poate schimba înțelegerea noastră asupra bolilor genetice
În prezent, o mare parte din înțelegerea noastră genetică a bolii se referă la neobișnuit afecțiuni asociate cu mutații genice specifice, cum ar fi fibroza chistică.
Impactul potențial al GWAS este semnificativ, deoarece aceste studii pot dezvălui variații anterior necunoscute ale unui număr de gene din genomul general care sunt asociate cu o gamă largă de afecțiuni cronice comune, complexe.
Un exemplu rapid în acest sens este că GWAS au fost deja utilizate pentru a identifica trei gene care reprezintă 74% din riscul atribuibil degenerescenței maculare legate de vârstă, o afecțiune care nu fusese considerată anterior o boală genetică.
Prezentare generală a studiilor de asociere a genomului larg (GWAS)
Înainte de a intra în detaliile studiilor de asociere la nivel de genom (GWAS), este util să definiți aceste studii dintr-un punct de vedere general.
GWAS poate fi definit ca teste care pot identifica în cele din urmă (adesea mai multe) gene responsabile pentru o serie de afecțiuni medicale cronice comune, care au fost considerate anterior ca fiind legate doar de factorii de mediu sau de stilul de viață. În cazul genelor care cresc riscul apariției unei afecțiuni, medicii ar putea, astfel, să depisteze acele persoane cu risc (sau să ofere strategii de prevenire), protejând în același timp persoanele care nu prezintă risc de efectele secundare inevitabile și de falsurile pozitive asociate screeningului.
Învățarea despre asociațiile genetice cu boli comune poate ajuta, de asemenea, cercetătorii să descopere biologia care stă la baza lor. Pentru majoritatea bolilor, tratamentele vizează în primul rând tratarea simptomelor și într-o manieră unică. Înțelegând biologia, pot fi concepute tratamente care ajung la rădăcina problemei și într-un mod personalizat.
Istoria geneticii și a bolilor
Studiile de asociere la nivel de genom au fost efectuate pentru prima dată în 2002, finalizarea proiectului de genom uman în 2003 făcând aceste studii pe deplin posibile. Înainte de GWAS, înțelegerea bazei genetice a bolii era limitată în primul rând la afecțiunile „genei unice” care aveau efecte foarte semnificative (cum ar fi fibroza chistică sau boala Huntington) și modificări genetice mari (cum ar fi prezența unui cromozom 21 suplimentar cu Sindromul Down). Găsirea genelor specifice care ar putea fi asociate cu o boală a fost o mare provocare, deoarece doar genele specifice au fost examinate de obicei.
Spre deosebire de condițiile „genei unice”, este probabil că există multe gene din multe regiuni diferite asociate cu cele mai complexe boli cronice.
Înțelegerea elementelor de bază ale genelor, ADN-ului și cromozomilorPolimorfisme cu nucleotide unice (SNP) și variație genetică
Studiile de asociere la nivelul genomului caută loci specifici (polimorfisme cu nucleotide unice) în întregul genom care pot fi asociate cu o trăsătură (cum ar fi o boală). Aproximativ 99% plus din genomul uman este identic în rândul tuturor oamenilor. Cealaltă porțiune, mai puțin de 1% din genomul uman, conține variații între diferite persoane care pot apărea oriunde în genom, în ADN-ul nostru.
Polimorfismele cu nucleotide unice (SNP) sunt doar un tip de variație genetică care se găsește în genom, dar sunt cele mai frecvente.
Studiile de asociere la nivel de genom caută acești loci specifici sau SNP (pronunțate „snips”) pentru a vedea dacă unele sunt mai frecvente la persoanele cu o anumită boală.
SNP-urile sunt o zonă a ADN-ului care variază într-o singură pereche de nucleotide sau baze. Nucleotidele sunt bazele care alcătuiesc elementele de bază sau „literele” codului genetic.
Există doar patru baze, A (adenină), C (citozină), G (guanină) și T (timină). În ciuda faptului că este un „alfabet” de doar patru litere, variațiile create de diferite baze sunt aproape nelimitate și explică diferențele de trăsături între diferiți oameni.
Câți SNP există în genomul uman?
Există aproximativ 300 de miliarde de nucleotide în genomul uman, dintre care aproximativ una din 1.000 este un SNP. Genomul fiecărui individ conține între patru milioane și cinci milioane de SNP-uri.
SNP-uri minore și majore
SNP-urile sunt clasificate ca majore sau minore în funcție de frecvența unui SNP într-o anumită populație. De exemplu, dacă 80% dintre oameni aveau un A (adenină) într-o singură poziție și 20% aveau un T (timină), SNP cu A ar fi considerat un SNP major sau comun, iar SNP cu un T, un minor SNP.
Când SNP apar în interiorul unei gene, aceste regiuni sunt denumite alele, majoritatea având două variante posibile. Termenul „frecvență alelă minoră” se referă pur și simplu la frecvența alelei mai puțin frecvente sau a unui SNP minor.
Unele boli rare se caracterizează printr-un singur SNP rar; Boala Huntington, de exemplu. Cu cele mai frecvente boli complexe, cum ar fi diabetul de tip II sau bolile de inimă, pot exista în schimb multe SNP relativ comune.
Locațiile SNP-urilor
SNP-urile se găsesc în diferite regiuni funcționale ale genomului, iar această regiune, la rândul său, joacă un rol în efectul pe care îl pot avea. SNP-urile pot sta în:
- Secvența codificatoare a unei gene
- O regiune necodificatoare
- Între gene (intergenice)
Când se găsește un SNP cu secvența codificatoare a unei gene, acesta poate avea un efect asupra proteinei codificate de acea genă, schimbându-și structura astfel încât să aibă un efect dăunător, un efect benefic sau niciun efect.
Fiecare segment de trei nucleotide (trei SNP) codifică un aminoacid. Cu toate acestea, există redundanță în codul genetic, astfel încât, chiar dacă o nucleotidă se schimbă, aceasta nu poate duce la plasarea unui aminoacid diferit într-o proteină.
O modificare a unui aminoacid poate modifica structura și funcția unei proteine sau nu și, dacă da, poate duce la diferite grade de disfuncție a proteinei respective. (Fiecare combinație de trei baze determină care dintre cei 21 de aminoacizi posibili vor fi introduși într-o anumită regiune dintr-o proteină.)
SNP-urile care se încadrează într-o regiune necodificatoare sau între gene pot avea în continuare un efect asupra funcției biologice, unde pot juca un rol de reglementare în expresia genelor din apropiere (pot afecta funcții precum legarea factorului de transcripție etc.).
Tipuri de SNP-uri în regiuni de codificare
În regiunea de codificare a unei gene, există și diferite tipuri de SNP-uri.
- Sinonim: Un SNP sinonim nu va schimba aminoacidul.
- Fără sinonim: Cu SNP-uri sinonime, va exista o modificare a aminoacidului, dar acestea pot fi de două tipuri diferite.
Tipurile de SNP-uri sinonime includ:
- Mutații Missense: Aceste tipuri de mutații duc la o proteină care nu funcționează corect sau nu funcționează deloc.
- Mutații fără sens: Aceste mutații duc la un codon oprit prematur care are ca rezultat o scurtare a proteinei.
SNP vs. Mutații
Termenii mutație și SNP (variație) sunt uneori folosiți interschimbabil, deși termenul mutație este mai des folosit pentru a descrie variante genetice rare; SNP este de obicei folosit pentru a descrie variații genetice comune.
Celule germinale vs. mutații somatice
Odată cu adăugarea recentă de terapii specifice cancerului (medicamente care vizează modificări genetice specifice sau mutații în celulele canceroase care determină creșterea unei tumori), discutarea mutațiilor genetice poate fi foarte confuză. Tipurile de mutații găsite în celulele canceroase sunt cel mai adesea mutații somatice sau dobândite.
Mutații somatice sau dobândite apar în procesul unei celule care devin celule canceroase și sunt prezente numai în celulele din care provin (de exemplu, celulele pulmonare canceroase). Deoarece sunt dobândite după naștere, nu sunt moștenite sau transmise de la o generație la alta.
Când aceste modificări sau mutații dobândite implică schimbarea într-o singură bază, acestea sunt denumite de obicei o singură nucleotidă modificare în loc de un SNP.
Celulele germinale sau mutațiile ereditare, în schimb, sunt mutații sau alte modificări genetice ale ADN-ului care sunt prezente de la naștere (concepție) și care pot fi moștenite.
Mutații genetice ereditare vs. dobândite: Care sunt diferențele?Cu GWAS, accentul se pune pe variațiile genetice care sunt moștenite și, prin urmare, mutațiile celulelor germinale care pot fi găsite.
Cum pot afecta SNP biologia
Mulți SNP au un impact redus direct asupra biologiei, dar pot servi drept markeri foarte utili pentru a găsi regiunea genomului care o are. În timp ce SNP-urile pot apărea în cadrul unei gene, acestea se găsesc mai frecvent în regiunile necodificate.
Când se constată că anumite SNP sunt asociate cu o trăsătură în studiile de asociere la nivel de genom, cercetătorii folosesc teste suplimentare pentru a examina aria ADN-ului din apropierea SNP. Procedând astfel, ei pot identifica apoi o genă sau gene care sunt asociate cu o trăsătură.
O asociație singură nu dovedește că un SNP (sau o anumită genă lângă un SNP) cauzele o trăsătură; este necesară o evaluare suplimentară. Oamenii de știință se pot uita la proteina generată de genă pentru a evalua funcția (sau disfuncția) acesteia. Procedând astfel, este uneori posibil să ne dăm seama de biologia care stă la baza acestei boli.
Genotip și fenotip
Când vorbim despre SNP-uri și trăsături, este util să mai definim încă doi termeni. Știința știe de foarte mult timp că variațiile genetice sunt legate de fenotipuri.
- Genotipuri se referă la variații genetice, cum ar fi variațiile SNP.
- Fenotipuri se referă la trăsături (de exemplu, culoarea ochilor sau culoarea părului), dar pot include și boli, caracteristici comportamentale și multe altele.
Într-o analogie, cercetătorii GWAS ar putea căuta SNP-uri (variații genetice) care sunt asociate cu predispoziția de a fi blond sau brunet. Ca și în cazul descoperirilor dintr-un studiu de asociere la nivel de genom, asocierea (corelația) dintre genotip (SNP în acest caz) și o trăsătură (de exemplu, culoarea părului) nu înseamnă neapărat că descoperirile genetice sunt cauză a trăsăturii.
SNP și boala umană
Este important să rețineți că, în cazul bolilor frecvente, un SNP specific nu este de obicei cauza unei boli singur, ci mai degrabă există de obicei o combinație de mai mulți SNP (sau cel puțin gena din apropiere) care pot contribui la o boală în diferite grade ( severitate) și în moduri diferite.
În plus, variațiile SNP sunt de obicei combinate cu alți factori genetici și factori de risc de mediu / stil de viață. Unele SNP pot fi asociate și cu mai multe boli.
Nu toate SNP-urile sunt „rele” și unele SNP (așa cum s-a constatat cu boala inflamatorie intestinală) pot reduce riscul unei boli, mai degrabă decât să crească riscul. Astfel de descoperiri îi pot determina pe cercetători să găsească tratamente mai bune pentru boli, învățând despre proteinele codificate de genă și încercând să imite acțiunile cu un medicament.
Cum sunt realizate: metode și rezultate
Studiile de asociere la nivel de genom pot avea modele diferite în funcție de întrebarea la care trebuie răspuns. Când se uită la afecțiuni medicale comune (cum ar fi diabetul de tip 2), cercetătorii adună un grup de persoane cu boală și un alt grup care nu are boala (fenotipul). GWAS se fac apoi pentru a vedea dacă există asociații între genotip (sub formă de SNP) și fenotip (boala).
Prelevarea de probe
Primul pas în realizarea acestor studii este obținerea de probe de ADN de la participanți. Acest lucru se poate face printr-o probă de sânge sau un tampon de obraz. Proba este purificată pentru a izola ADN-ul de celule și alte componente din sânge. ADN-ul izolat este apoi plasat pe un cip care poate fi scanat într-o mașină automată.
Scanarea și analiza statistică a variațiilor
Întregul genom al probelor de ADN este apoi scanat pentru a căuta variații genetice (SNP) care sunt asociate cu o boală sau altă trăsătură, sau dacă SNP (variații) specifice sunt văzute mai mult în grupul de boală. Dacă se găsesc variații, se face apoi analiza statistică pentru a estima dacă variațiile dintre cele două grupuri sunt semnificative statistic.
Cu alte cuvinte, rezultatele sunt analizate pentru a determina probabilitatea ca boala sau trăsătura să fie într-adevăr legată de variația genetică. Aceste rezultate sunt apoi afișate într-un complot din Manhattan.
Analize suplimentare și confirmare de urmărire
Atunci când evaluează descoperirile, cercetătorii folosesc baze de date de genotip și fenotip (catalogul GWAS) pentru a compara secvențele de referință cunoscute cu cele găsite. Proiectul internațional HapMap (2005) a oferit bazele care, împreună cu finalizarea Proiectului genomului uman, au făcut posibile aceste studii.
Dacă se detectează variații, se spune că sunt asociate cu o boală, dar nu neapărat cauza unei boli, și se efectuează teste suplimentare pentru a privi mai atent zona genomului din regiunea în care au fost găsite SNP-urile.
Aceasta implică adesea secvențierea unei regiuni specifice (privind secvența perechilor de baze din ADN), zona particulară sau secvențierea întregului exon.
Comparație cu alte teste genetice
Majoritatea bolilor genetice rare sunt cauzate de o mutație genetică, dar există o serie de variații diferite (mutații) în aceeași genă care pot apărea.
De exemplu, câteva mii de variații ale genei BRCA intră sub termenul mutație BRCA. Analiza legăturii poate fi utilizată pentru a căuta aceste variații. Cu toate acestea, nu este foarte util atunci când ne uităm la boli comune, complexe.
Limitări
La fel ca în majoritatea testelor medicale, există limitări ale studiilor de asociere la nivel de genom. Unele dintre acestea includ:
- Limitări genetice: Nu toate riscurile de boală (genetice sau de mediu) sunt cauzate de variante comune. De exemplu, unele condiții sunt cauzate de variante foarte rare, iar altele sunt cauzate de modificări mai mari ale genomului.
- Negative false: Este posibil ca GWAS să nu detecteze toate variantele implicate într-o anumită afecțiune medicală și, prin urmare, să ofere informații mai puțin complete cu privire la orice asociație.
- Falsuri pozitive: Cu siguranță, pot fi detectate asociații între loci și boli care se datorează întâmplării mai degrabă decât unei legături între cele două. Una dintre preocupările mai mari pentru unii oameni este că o asociație găsită de GWAS ar putea să nu aibă vreo relevanță adevărată pentru boli.
- Erori: Există întotdeauna un potențial de eroare în studiile de asociere la nivel de genom, cu mai multe locuri în care acest lucru ar putea apărea începând cu eșantionare slabă, la erori în izolarea ADN-ului și aplicarea acestuia la un cip, la erori ale mașinilor care ar putea apărea cu automatizarea. Odată ce datele sunt disponibile, ar putea apărea și erori de interpretare. Este necesar un control atent al calității la fiecare etapă a procesului.
Aceste studii sunt, de asemenea, afectate de dimensiunea eșantionului, o dimensiune mai mică a eșantionului fiind mai puțin probabilă să furnizeze informații semnificative.
Impactul potențial și aplicațiile clinice
Studiile de asociere la nivel de genom au potențialul de a afecta boala în multe moduri, de la determinarea riscului, la prevenire, la proiectarea tratamentelor personalizate și multe altele. Poate că cel mai mare potențial al acestor studii este totuși rolul lor de a ajuta oamenii de știință să descopere biologia care stă la baza unor afecțiuni medicale comune și complexe.
În prezent, multe, dacă nu chiar cele mai multe dintre tratamentele pe care le avem pentru boli sunt concepute pentru a ajuta la simptome a bolii.
Studiile de asociere la nivel de genom (împreună cu studii de urmărire, cum ar fi analiza variantelor rare și secvențierea genomului întreg) permit cercetătorilor să studieze mecanismele biologice care cauzează aceste boli în primul rând, stabilind scena pentru dezvoltarea tratamentelor care abordează cauza mai degrabă decât să trateze pur și simplu simptomele.
Astfel de tratamente sunt, în teorie, mai susceptibile de a fi eficiente, provocând în același timp mai puține efecte secundare.
Susceptibilitatea și deci detectarea precoce a bolilor
În prezent, multe dintre testele utilizate pentru a depista afecțiunile medicale se bazează pe riscul mediu al persoanelor. În anumite condiții, nu este rentabil și ar putea cauza mai mult rău decât bine pentru ecranarea tuturor.
Aflând dacă o persoană este mai mult sau mai puțin susceptibilă la o afecțiune, screening-ul ar putea fi adaptat acelei persoane individuale, dacă screeningul poate fi recomandat mai des, la o vârstă mai timpurie, cu un test diferit, sau poate că nu trebuie deloc să fie testat deloc .
Susceptibilitatea la factorii de risc
Nu toți oamenii sunt la fel de afectați de toxinele din mediu. De exemplu, se crede că femeile pot fi mai susceptibile la cancerigeni din tutun. Determinarea susceptibilității unei persoane la expuneri nu numai că ar putea ajuta oamenii de știință să privească mecanismele de prevenire, ci ar putea îndruma publicul în alte moduri.
Un posibil exemplu este cel al cafelei. S-au făcut multe studii privind cafeaua și riscul apariției diferitelor tipuri de cancer și alte boli, cu rezultate contradictorii. S-ar putea ca răspunsul să depindă de persoana respectivă și că consumul de cafea poate avea efecte pozitive pentru o persoană și poate fi dăunător altora datorită variațiilor genomului lor.
Farmacogenomică
Domeniul farmacogenomicii folosește deja descoperiri pentru a ajuta la prezicerea răspunsului unui individ la un anumit medicament. Variațiile în structura genetică a unei persoane pot afecta cât de eficient va fi un medicament, cum este metabolizat în organism și ce efecte secundare pot apărea. Testarea poate ajuta acum unii oameni să prezică care antidepresive pot fi mai eficiente.
Coumadin (warfarina) este un diluant de sânge care poate fi o provocare de dozare adecvată. Dacă doza este prea mică, poate fi ineficientă în prevenirea cheagurilor de sânge, putând duce la emboli pulmonari, atacuri de cord sau accidente vasculare cerebrale ischemice. Pe cealaltă parte a spectrului, atunci când doza este prea mare (prea mult subțire de sânge), rezultatul poate fi la fel de catastrofal, persoanele sângerând, de exemplu, în creier (accident vascular cerebral hemoragic).
Cercetătorii au reușit să utilizeze GWAS pentru a demonstra variații ale mai multor gene care au o influență foarte semnificativă asupra dozării Coumadin. Această constatare a condus la dezvoltarea unor teste genetice care pot fi utilizate în clinică pentru a ajuta medicii să prescrie doza adecvată de medicament.
Diagnosticul și tratamentul bolilor virale
Unele persoane sunt mai susceptibile la anumite infecții virale decât altele și se știe că oamenii răspund diferit la tratamente. Combinația dintre GWAS și secvențierea următoarei generații poate ajuta la aducerea de răspunsuri la ambele probleme.
De exemplu, variația genetică poate crește susceptibilitatea la infecția cu HPV și cancerul de col uterin. Știind cine este mai susceptibil ar putea ajuta medicii să recomande atât prevenirea, cât și screeningul. Un alt exemplu în care GWAS ar putea fi foarte util este în tratamentul hepatitei C, deoarece oamenii pot răspunde foarte diferit la tratamentele disponibile în prezent.
Prognoză estimativă
Chiar și în cazul tratamentului, unele persoane care par să aibă un diagnostic foarte similar pot avea rezultate foarte diferite de la o boală. GWAS poate ajuta la identificarea cine va răspunde bine și cine nu. Este posibil ca cineva cu un prognostic slab să fie tratat mai agresiv, în timp ce o persoană cu un prognostic foarte bun poate avea nevoie de mai puțin tratament; cunoașterea acestui lucru din timp ar putea economisi acea persoană efecte secundare.
Ce vă poate spune testarea genomică despre riscurile asupra sănătățiiExemple de succese GWAS în medicină
Începând din 2018, au fost identificate peste 10.000 de loci pentru boli comune (sau alte trăsături), iar acest număr continuă să crească rapid. Există mai multe exemple despre modul în care aceste studii pot schimba fața medicamentului.
Unele dintre aceste descoperiri ne schimbă deja înțelegerea bolilor comune.
Degenerescenta maculara
Una dintre primele descoperiri deschise pentru ochi ale studiilor de asociere la nivel de genom a fost în ceea ce privește degenerescența maculară legată de vârstă, principala cauză de orbire din Statele Unite. Înainte de GWAS, degenerescența maculară era considerată în mare măsură o boală de mediu / stil de viață cu o bază genetică redusă.
GWAS a stabilit că trei gene reprezintă 74% din riscul imputabil pentru boală. Acest lucru nu numai că a fost surprinzător într-o afecțiune care nu fusese considerată anterior ca o boală genetică, dar aceste studii au ajutat la demonstrarea bazei biologice a bolii examinând o variație a genei pentru proteina H. complementară. Această genă codifică o proteină. care reglează inflamația.
Știind acest lucru, oamenii de știință pot, sperăm, să proiecteze tratamente care vizează mai degrabă cauza decât simptomele.
Boala inflamatorie a intestinului
GWAS au identificat un număr mare de loci asociați cu dezvoltarea bolilor inflamatorii intestinale (colită ulcerativă și boala Crohn), dar au găsit și o mutație care pare să protejeze împotriva dezvoltării colitei ulcerative. Studiind proteinele produse de această genă, oamenii de știință pot spera să proiecteze un medicament care ar putea controla sau preveni boala.
Multe alte afecțiuni medicale
Există multe afecțiuni medicale mai frecvente în care GWAS a făcut constatări importante. Doar câteva dintre acestea includ:
- Boala Alzheimer
- Osteoporoza
- Insuficiență ovariană prematură (menopauză timpurie)
- Diabetul de tip 2
- Psoriazis
- boala Parkinson
- Unele tipuri de boli de inimă
- Obezitatea
- Schizofrenie
Un cuvânt de la Verywell
Studiile de asociere la nivel de genom ne-au îmbunătățit deja înțelegerea multor boli comune. În urma indiciilor din aceste studii care indică mecanismele biologice de bază ale bolii, are potențialul de a transforma nu numai tratamentul, ci și prevenirea acestor condiții în viitor.