Komentarz

Badania asocjacji całego genomu – blaski i cienie

Christopher J. O’Donnell i Eizabeth G. Nabel, wybitni naukowcy zajmujący się od wielu lat problematyką genetycznego podłoża chorób układu krążenia, w swoim niezwykle wartościowym artykule podsumowali aktualny stan wiedzy na ten temat. Szczególnie dużo miejsca poświęcili omówieniu wyników badań typu asocjacji całego genomu (genomewide association studies, GWAS), które w ostatnich latach są głównym narzędziem w badaniu genetycznego podłoża powszechnych chorób uwarunkowanych wieloczynnikowo, m.in. układu krążenia: nadciśnienia tętniczego, choroby wieńcowej, niewydolności serca, wybranych zaburzeń rytmu serca, udaru mózgu i czynników ryzyka sercowo-naczyniowego, takich jak zaburzenia gospodarki lipidowej lub węglowodanowej. Autorzy przystępnie przedstawili skomplikowaną metodologię badań typu GWAS, wyniki najważniejszych badań tego typu dotyczących choroby wieńcowej, zawału mięśnia sercowego, niewydolności serca, chorób naczyń obwodowych i mózgowych, zaburzeń rytmu serca i wybranych czynników ryzyka sercowo-naczyniowego oraz najważniejsze wnioski i hipotezy z nich płynące.

Wysiłek tysięcy naukowców pracujących przez lata przy realizacji projektów Human Genome Project oraz International HapMap Project umożliwił na początku tego wieku poznanie milionów polimorfizmów genetycznych pojedynczego nukleotydu oraz stopnia ich wzajemnych sprzężeń w ludzkim genomie. Dzięki temu mogą być one wykorzystane jako markery genetyczne w badaniach typu GWAS. W ludzkim genomie zidentyfikowano ponad 7 milionów tzw. częstych polimorfizmów pojedynczego nukleotydu, tj. z częstością występowania rzadszego allela >5%, jednak wiele z nich dzięki zbliżonej lokalizacji na chromosomie jest silnie ze sobą sprzężonych. Dlatego w badaniach typu GWAS zwykle wystarczy zbadanie około 500 000 wybranych odpowiednio polimorfizmów jako markerów dla „pokrycia” całego genomu. Badania tego typu opierają się na założeniu, że wiele częstych wariantów polimorficznych genów, których każdy wywiera niewielki wpływ na daną, złożoną cechę organizmu, łącznie w sposób istotny i znaczący determinują zmienność tej cechy. Do cech tego typu zalicza się wiele fenotypów sercowo-naczyniowych, m.in. wartość ciśnienia tętniczego, stopień zaawansowania zmian miażdżycowych, ryzyko wystąpienia zawału mięśnia sercowego lub udaru mózgu. Badania GWAS posiadają dwie główne zalety. Odpowiednie dobranie markerów genetycznych umożliwia wykrycie sygnału z bardzo dużą dokładnością – od 10 do 100 kb na chromosomie, co umożliwia precyzyjną identyfikację istotnych dla danej cechy locus i stworzenie pełnych map chromosomalnych loci determinujących zmienność badanej cechy. Badania te umożliwiają także wykrycie alleli nawet o bardzo małym wpływie na zmienność danej cechy, co było praktycznie niemożliwe przy stosowaniu wcześniejszych metod badań z wykorzystaniem genów kandydatów. Jednak głównym ograniczeniem tej metody, podkreślanym przez autorów komentowanego opracowania, jest często brak możliwości bezpośredniego wykorzystania wyników badań GWAS w praktyce klinicznej. Wynika to właśnie z wysokiej czułości metody umożliwiającej identyfikację wariantów wywierających bardzo mały wpływ na daną cechę, a więc zwykle nieprzydających się do przewidywania ryzyka wystąpienia danej choroby. Dodatkowo identyfikowane warianty genetyczne rzadko same odgrywają rolę przyczynową, a jedynie są sprzężone z wariantami przyczynowymi, których identyfikacja wymaga zwykle dodatkowych badań.

Wyniki badań typu asocjacji całego genomu wymagają odpowiedniej analizy statystycznej uwzględniającej potencjalne problemy tego typu badań. Konieczna jest analiza w co najmniej dwóch genetycznych modelach: dominującym i addytywnym, oraz uwzględnienie problemów wynikających z wielokrotnych porównań skutkujących fałszywie dodatnimi wynikami. Ostateczne wyniki są zwykle prezentowane graficznie jako logarytm dziesiętny wartości prawdopodobieństwa dla danego markera genetycznego w zależności od jego lokalizacji chromosomowej w formie wykresu słupkowego, tzw. Manhattan plot. Charakterystyczna nazwa wynika z jego formy, która przypomina panoramę wieżowców Manhattanu. Wykazany związek markera z daną cechą zawsze wymaga potwierdzenia w innych populacjach oraz często bardziej precyzyjnego mapowania w celu zidentyfikowania właściwego locus genetycznego związanego bezpośrednio i przyczynowo z badaną chorobą oraz wyjaśnienia jego właściwości funkcjonalnych. W związku ze złożonością oraz koniecznością zaangażowania zwykle wielu środków materialnych i ludzkich, często na skalę międzynarodową, w celu wiarygodnego przeprowadzenia badań typu asocjacji całego genomu, dane na temat toczących się projektów oraz uzyskanych wyników są gromadzone w bazach danych dostępnych ogólnie na stronach internetowych, np. www.ncbi.nlm.nih.gov/gap (The National Center for Biotechnology Information, NCBI) lub www.genome.gov/GWAstudies (The National Human Genome Research Institute, NHGRI).

Oczekiwania związane z wynikami badań typu asocjacji całego genomu dla praktyki klinicznej dotyczą głównie możliwości precyzyjnego określenia indywidualnego ryzyka rozwoju danej choroby układu krążenia. Powinno to umożliwić wcześniejsze wdrożenie odpowiedniej profilaktyki oraz zindywidualizowane podejście terapeutyczne w oparciu o zidentyfikowany patomechanizm choroby. Już dzisiaj istnieje kilka firm, m.in. deCODE Genetics, Complete Scan, HealthCompass, Personal Genome Service i KnomeCOMPLETE, oferujących testy oceniające genetyczne ryzyko wystąpienia powszechnych chorób u danej osoby, oparte na wynikach badań typu asocjacji całego genomu. Testy te stały się szeroko dostępne, bez żadnych ograniczeń. Jest to jednak krytykowane przez specjalistów oraz Amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (Food and Drug Administration, FDA). Wykorzystanie zidentyfikowanych w badaniach asocjacji całego genomu polimorfizmów genetycznych w praktyce klinicznej w celu oceny ryzyka rozwoju danej choroby wymaga potwierdzenia potencjalnych korzyści z ich stosowania w prospektywnych badaniach klinicznych. Do tej pory nie dysponujemy wynikami takich badań. Autorzy komentowanego przeglądu wskazują, że dla skonstruowania wiarygodnego testu genetycznego potrzebnych jest przynajmniej 150 genów z ilorazem szans 1,5 lub 250 genów z ilorazem szans 1,25. Dostępne testy nie spełniają tych wymagań. Szeroka dostępność testów genetycznych stanowi także ryzyko zastosowania niewłaściwego testu w celu uzyskania odpowiedzi na pytania stawiane przez pacjenta lub błędną interpretację wyników.

Obecnie najistotniejszym pożytkiem wyników badań asocjacyjnych całego genomu wskazywanym przez autorów jest uzyskiwanie informacji na temat nowych szlaków biologicznych – często wcześniej niepodejrzewanych – które leżą u podłoża przyczyn powszechnych chorób układu krążenia uwarunkowanych wieloczynnikowo. Przykładem mogą być wyniki badań wskazujące na związek z różnymi postaciami miażdżycy tętnic i jej klinicznych powikłań genów kodujących czynniki zaangażowane w szlaki reakcji zapalnych i regulujące proliferację komórkową. Te nowo poznane elementy patogenezy dają podstawę do projektowania nowych rozwiązań prewencyjnych i terapeutycznych.

Piśmiennictwo

1. Gruchała M, Sobiczewski W, Rynkiewicz A. Genetyczne aspekty kardiologii klinicznej – co nowego? [W:] Kardiologia – co nowego? Kasprzak JD, Plewka M (red). Cornetis, Wrocław 2011: 127-144.

2. Gruchała M, Rynkiewicz A. Genetyka nadciśnienia tętniczego – aspekty kliniczne. [W:] Nadciśnienie tętnicze – co nowego? Kasprzak JD, Nowicki M (red). Cornetis, Wrocław 2011: 228-235.