МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2014, том 48, № 4, с. 573-586
= ОБЗОРЫ =
УДК 577.21
ПОЛНОГЕНОМНЫЙ ПОИСК АССОЦИАЦИЙ КАК МЕТОД АНАЛИЗА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ АРХИТЕКТУРЫ ПОЛИГЕННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ (НА ПРИМЕРЕ РАССЕЯННОГО СКЛЕРОЗА)
© 2014 г. O. O. Фаворова1'2*, В. В. Башинская1-2, О. Г. Кулакова1,2, А. В. Фаворов3-4, А. Н. Бойко1-5
1Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова Министерства здравоохранения Российской Федерации, Москва, 117997
2Российский кардиологический научно-производственный комплекс Министерства здравоохранения Российской Федерации, Москва, 121552 3Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук, Москва, 119333 4Oncology Biostatistics and Bioinformatics, Johns Hopkins School of Medicine, Baltimore, MD 21205, US 5Московский городской центр рассеянного склероза, Москва, 127018 Поступила в редакцию 27.02.2014 г.
Принята к печати 04.03.2014 г.
Полногеномный поиск ассоциаций (genome-wide association study, или GWAS) является мощным инструментом исследования генетической архитектуры полигенных заболеваний человека, который применяется для выявления генетических факторов, связанных с риском развития, клиническими фенотипами и эффективностью лечения этих заболеваний. Этот метод основан на определении частот одно-нуклеотидных полиморфных вариантов (single nucleotide polymorphism, SNP), распределенных по всему геному, с использованием микрочипов или других технологий, которые позволяют одновременно гено-типировать от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов SNP в одном образце. Возможность обнаружения SNP с высокозначимыми различиями в частотах между сравниваемыми группами больных и индивидов контрольной группы сделала GWAS методом, широко используемым для изучения генетической предрасположенности к комплексным заболеваниям, формирующимся на полигенной основе. На примере рассеянного склероза (РС), который может служить прототипом всех комплексных заболеваний, мы рассматриваем основные достижения и проблемы, связанные с применением GWAS для выявления генов, вовлеченных в развитие РС, расширения на этой основе представлений о молекулярных механизмах, участвующих в патогенезе, и идентификации генетических факторов риска.
Ключевые слова: полногеномный поиск ассоциаций (GWAS), комплексные заболевания, полигенные заболевания, рассеянный склероз, геном, человек, генетическая предрасположенность, однонуклеотид-ный полиморфизм, локус, ассоциация, фактор риска.
GENOME-WIDE ASSOCIATION STUDY AS A METHOD FOR GENETIC ARCHITECTURE ANALYSIS IN POLYGENIC DISEASES (BY THE EXAMPLE OF MULTIPLE SCLEROSIS), by O. O. Favorova12*, V. V. Bashinskaya1,2, O. G. Kulakova1,2, А. V. Favorov3,4, A. N. Boyko1,5 (1Pirogov Russian National Research Medical University, Moscow, 117997 Russia; *e-mail: olga_favorova@mail.ru,Russian Cardiology Scientific and Production Center, Moscow, 121552 Russia; 3\àvilov Institute of General Genetics, Russian Academy of Sciences, Moscow, 119333 Russia; 4Oncology Biostatistics and Bioinformatics, Johns Hopkins School of Medicine, Baltimore, MD 21205, US; 5Moscow City Multiple Sclerosis Center, Moscow, 127018 Russia). Genome-wide association study (GWAS), which is a powerful tool for investigating the genetic architecture of polygenic disease in humans, is generally applied for identification of genetic factors of disease susceptibility, clinical phenotypes and treatment response. The differences in allele frequencies of genome-wide distributed single nucleotide polymorphisms (SNPs) are analyzed with microarray technique or other technologies, that allow simultaneous genotyping from tens of thousands to several millions SNPs per sample. The power to explore highly-reliable differences between compared groups of patients and controls allowed GWAS to become a common approach for
Принятые сокращения: КЗ — комплексное заболевание; ОШ — отношение шансов, РС — рассеянный склероз; GWAS — полногеномный поиск ассоциаций (genome-wide association study); SNP — однонуклеотидный полиморфизм (single nucleotide polymorphism); CDCV — гипотеза "распространенное заболевание—распространенный вариант" ("common disease-common variant" hypothesis); Th2 — Т-хелперы типа 2.
* Эл. почта: olga_favorova@mail.ru
identification of genetic susceptibility for complex diseases with polygenic nature. The main achievements and challenges of GWAS in multiple sclerosis (MS), which is a prototype example of complex disease, are reviewed here for identification of MS causative genes, which expand the knowledge on molecular mechanisms of MS pathogenesis and genetic risk factors.
Keywords: genome-wide association study, GWAS, complex disease, polygenic disease, multiple sclerosis, genome, human, susceptibility, single nucleotide polymorphism, locus, association, risk factor.
DOI: 10.7868/S002689841404003X
Абсолютное большинство всех заболеваний человека относят в настоящее время к комплексным (или многофакторным, или мультифактори-альным) заболеваниям, понимая под этим, что причин их возникновения несколько, и они не до конца поняты [1, 2]. Одним из факторов, приводящих к развитию комплексных заболеваний (КЗ), несомненно, является генетическая предрасположенность. Действительно, для КЗ характерна семейная агрегация: риск заболеть тем же КЗ у родственников больного выше, чем в популяции в среднем, и тем выше, чем короче генетическая дистанция по отношению к пробанду [3]. Однако передача КЗ в семьях происходит не по Менделевскому типу; такой тип наследования характерен для полигенных заболеваний, которые возникают в результате совместного вклада множества независимо действующих или взаимодействующих полиморфных генов [4], каждый из которых сам по себе вносит небольшой вклад в развитие заболевания. На фоне генетической предрасположенности действуют и остальные факторы риска, к которым в настоящее время относят эпигенетическую регуляцию, не связанную с изменениями нуклеотидной последовательности генома, но влияющую на уровень транскрипции генов (определяется ковалентной модификацией ДНК или гистоновых белков, а также РНК-интерференцией), и воздействие внешней среды. Все эти факторы находятся в запрограммированном или случайном взаимодействии друг с другом. Основная цель идентификации генетических, эпигенетических или средовых факторов риска состоит в том, чтобы получить инструменты для индивидуального прогноза предрасположенности к КЗ. Важный аспект таких исследований — выявление молекулярных основ патогенеза того или иного КЗ для разработки новых стратегий профилактики и лечения.
В этом обзоре мы опишем современные подходы к исследованию генетической архитектуры полигенных КЗ на примере рассеянного склероза (РС), который называют прототипом всех КЗ [4]. РС — демиелинизирующее заболевание центральной нервной системы с прогрессирующей нейродегенерацией, обусловленное аутоиммунным воспалением в генетически предрасположенном индивиде [6]. РС страдают в основном
молодые люди, ведущие активную трудовую деятельность. Это заболевание, которым болеют более 2 млн. человек в мире [5], приводит к ранней инвалидизации и сокращению времени жизни в среднем на 15 лет по сравнению с общей популяцией.
Поиск генов, вовлеченных в развитие РС, ведется уже давно. Многочисленные исследования на протяжении десятилетий проводились с использованием подхода "ген-кандидат", при котором гены, связанные, возможно, с развитием РС, выбирают исходя из представлений о его патогенезе. Выявлен ряд локусов, вовлеченных в развитие РС (например, генов HLA классов I [7] и II [8], а также генов 117ЯА [9], И2ВЛ [10], С11ТА [11] и др.). В работе [12] представлены сводные данные об ассоциации распространенных групп аллелей гена HLA-DRB7 класса II с РС в разных популяциях мира, а также перечень не-HLA-генов, значимые ассоциации которых с РС найдены более чем в двух независимых исследованиях. Список генов, ассоциированных с развитием РС, можно также найти на сайте Оепо1а1ог [13]. В то же время, во многих ассоциативных исследованиях получены отрицательные результаты, что не удивительно, поскольку, принимая во внимание сложность патогенеза РС и неполноту наших знаний о нем, выбор генов-кандидатов легко может оказаться неудачным.
Следующим этапом исследования генетической предрасположенности к РС стал полногеномный анализ сцепления. Анализ сцепления генетического локуса с заболеванием проводят в семьях, более чем один член которых болен РС, с тем, чтобы проследить наследование заболевания и идентифицировать области генома, которые отклоняются от независимой сегрегации и косегре-гируют с заболеванием. Анализ сцепления с использованием в качестве маркеров сотен высокополиморфных микросателлитных повторов, относительно равномерно распределенных по геному, проведен более чем в 30 исследованиях, выполненных в разных странах на семьях, включающих несколько больных РС. В большинстве случаев полный геномный поиск сцепления в различных этнических группах, равно как мета-анализ объединенных данных, не дал совпадающих результатов, что может свидетельствовать о
генетической гетерогенности РС в разных популяциях. Единственное исключение составил ло-кус HLA класса II, расположенный в области главного комплекса гистосовместимости на хромосоме 6p21, участие которого в развитии РС было показано ранее при анализе ассоциации.
Следующей ступенью стал анализ сцепления с РС однонуклеотидных полиморфизмов (single nucleotide polymorphisms, SNP) [14], менее информативных, чем микросателлитные повторы вследствие наличия только двух аллелей, но более часто встречающихся в геноме. Несмотря на большую плотность покрытия генома, в результате этого исследования также не было найдено областей со статистически значимым сцеплением вне локуса HLA, что свидетельствует о низкой чувствительности метода [15].
ПРИНЦИПЫ МЕТОДА ПОЛНОГЕНОМНОГО ПОИСКА АССОЦИАЦИЙ
В последние годы наиболее распространенным методом поиска новых генов, вовлеченных в формирование предрасположенности к полигенным заболеваниям, в том числе и к РС, стал полногеномный поиск ассоциаций (genome-w
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.