Zmienność genetyczna człowieka
Zmienność prawidłowa i choroby
wieloczynnikowe
Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka
Kassemann & Pääbo, 2002, J. Int. Med. 251:1-18
Problem ras ludzkich
• Zagadnienie zmienności genetycznej człowieka
• Czy biologia uzasadnia podziały rasowe?
Nott JC i Gliddon GR (1868) Indigenous Races of the Earth
Poligenizm i monogenizm
• Monogenizm - wszyscy ludzie pochodzą od jednej pary przodków
• różnice rasowe jako skutek “degeneracji”
• Poligenizm - wiele par przodków
• polifiletyzm - odrębne gatunki
• nieortodoksyjne interpretacje Księgi Rodzaju (wielu Adamów, itp.)
• w kontekście naukowym od XVIII w.
• np. Voltaire, David Hume
Johann Friedrich Blumenbach
• 1775 - De generis humani varietate nativa
• 5 ras
• kaukaska
• mongolska
• malajska
• etiopska
• amerykańska
• Nie uważał żadnej rasy za “gorszą” co do zdolności
• Adam i Ewa byli rasy kaukaskiej i pochodzili z Azji
Georges Cuvier
• Tableau élémentaire de l'histoire naturelle des animaux (1798)
• podział ludzkości na trzy rasy:
kaukaską, mongolską i etiopską
• Adam i Ewa byli rasy kaukaskiej
• “rasa biała przewyższa inne pod względem geniuszu, odwagi i
aktywności”
A Darwin?
• Używał terminu “rasa” wobec odmian zwierząt i roślin
• U człowieka rozróżnienie
kulturowe, a nie biologiczne
• “dzicy” i “cywilizowani”
• Podkreślał, że człowiek to jeden gatunek
Wcześni ewolucjoniści
• Darwin uważał, że wszyscy ludzie mają wspólne ewolucyjne pochodzenie
• większość zwolenników Darwina podzielała ten pogląd
• Alfred R. Wallace - różnice między rasami pojawiły się tuż po powstaniu człowieka (czyli są “od zawsze”)
• Ernst Haeckel - różne rasy powstały niezależnie z przedludzkich
“podludzi” (Urmenschen)
• August Schleicher - różne grupy języków powstały niezależnie
• Henry F. Osborn (1916) - czarni i biali pochodzą od różnych gatunków naczelnych
Zagadnienie ras ludzkich
• Argument Lewontina (1972)
• zmienność wewnątrz grup kontynentalnych (mierzona współczynnikiem FST) większa niż między grupami (85%/15%)
• markery jednoznacznie odróżniające “rasy” - ~6% zmienności
Kontrargument Edwardsa (2003)
• Analiza Lewontina dotyczyła pojedynczych genów
• Korelacja zmienności dla
większej liczby genów pozwala na rozróżnianie populacji z
różnych kontynentów
• Przy zastosowaniu metody
zakładającej podział na zadaną liczbę grup
Zmienność a rasy
• Istnieją cechy, których
zmienność wykazuje korelację (kowariancja)
• nie tworzą wyraźnych zgrupowań, tylko gradienty
• nie dzielą na tradycyjnie pojmowane rasy
• dają różne wyniki zależnie od wybranych do analizy genów
Różne cechy - różne podziały
Zagadnienie ras ludzkich
• Tradycyjne podziały rasowe oparte na cechach, które nie są dobrą miarą różnorodności genetycznej
• kolor skóry (~6 genów), kształt nosa i oczu – wpływ doboru
Rasy a taksonomia
• Przy analizie genetycznej
wszystkie populacje spoza Afryki są odgałęzieniem jednej z grup
afrykańskich
• Różnorodność największa w Afryce
Różne geny - różne historie
mtDNA chr. Y
Zagadnienie ras ludzkich
• Zmienność i zróżnicowanie genetyczne to fakt
• Istnieją genetyczne wyróżniki poszczególnych populacji, związane z ich historią
• Łączenie różnych populacji w duże zgrupowania na podstawie koloru skóry, zamieszkiwanego kontynentu itp. nie ma sensu biologicznego
• Współcześni biolodzy mówiąc o “rasach” w istocie mówią o zróżnicowaniu genetycznym, które ma charakter ciągły
• Patrz:
• http://raceandgenomics.ssrc.org/
Zagadnienie ras
• Zmienność genetyczna jest faktem - ma charakter ciągły
• Ustalanie absolutnych granic jest arbitralne - rasy to konstrukt społeczny, a nie biologiczny
• Rasy u zwierząt odpowiadają znacznie większym różnicom między osobnikami, niż u człowieka
• Nie ma dowodów na determinowane biologicznie różnice predyspozycji fizycznych na poziomie “ras”
• niekiedy są na poziomie mniejszych populacji
• nie ma dowodów na różnice w cechach “charakteru”
Zmienność genetyczna człowieka
Aspekty medyczne - polimorfizmy i asocjacje
Różnorodność genetyczna człowieka
• Projekt “1000 genomów” – poszukiwanie różnic w genomach różnych ludzi (2500 osób)
• Wstępne dane (2012):
• 38 mln. miejsc zmiennych (SNP)
• 1,4 mln. indeli
• >14 000 większych delecji
• Więcej nukleotydów, niż w całym genomie drożdży
Projekt 1000 genomów
Genom i medycyna
• Poszukiwanie mutacji sprawczych
• choroby jednogenowe (mendlowskie) są rzadkie
• Poszukiwanie genetycznego podłoża cech wielogenowych
• częste choroby to cechy wielogenowe
• genetyczne podłoże zmienności prawidłowej
• Badanie zmian genetycznych w nowotworach
• zmiany somatyczne
Cechy wieloczynnikowe
Cechy wieloczynnikowe
• Częste choroby, odziedziczalna część ryzyka
• np. nowotwory (nie dziedziczne)
• choroby serca i układu naczyniowego
• cukrzyca
• choroby psychiczne
• Prawidłowa zmienność fenotypowa
• Za odziedziczalność muszą też odpowiadać częste warianty sekwencyjne (częste polimorfizmy)
Cechy wieczoczynnikowe a mendlowskie
Mendlowskie Wieloczynnikowe
Proste dziedziczenie, allele pojedynczych genów, wysoka penetracja
Złożone dziedziczenie: wiele czynników
(genetycznych i środowiskowych), każdy z nich osobno ma niską penetrację
Mutacja powoduje chorobę Polimorfizymy genów wpływają na ryzyko (zwiększają albo zmniejszają)
Badanie: analiza sprzężeń, sekwencjonowanie
Badanie: metody statystyczne, głównie nieparametryczne
Rzadkie choroby Wiele częstych chorób i cech prawidłowych
Odziedziczalność
• Za każdy fenotyp odpowiada interakcja genotypu ze środowiskiem
• Odziedziczalność: proporcja zmienności fenotypowej wyjaśnianej zmiennością genetyczną w populacji
• badania bliźniąt
• monozygotyczne (MZ) vs. dizygotyczne (DZ)
• agregacja rodzinna
• częstość objawów u krewnych I stopnia przewyższa obserwowaną u dalszych krewnych i osób niespokrewnionych
Nieporozumienia dotyczące odziedziczalności
• Nie jest to miara udziału cech dziedzicznych w fenotypie
• jest to miara udziału cech dziedzicznych w zmienności fenotypu
• kowariancja genotypu i fenotypu
Nieporozumienia dotyczące odziedziczalności
• Nie jest to miara podobieństwa potomstwa i rodziców
• np. typowe choroby autosomalne recesywne: chore dzieci zdrowych rodziców, 100% odziedziczalność
Nieporozumienia dotyczące odziedziczalności
• Nie jest to własność cechy
• zależy od struktury populacji, środowiska itp.
• W populacji jednolitej genetycznie (klony) całość zmienności cechy jest spowodowana zmianami środowiska - 0% odziedziczalności
Agregacja rodzinna
• Czy cecha występuje częściej u krewnych osób mających tę
cechę
Agregacja rodzinna
• Choroby afektywne (ostre cykliczne zaburzenia nastroju)
• jednobiegunowa (epizody depresyjne)
• dwubiegunowa (epizody maniakalne i depresyjne)
• Choroba jednobiegunowa
• ryzyko w populacji ~3 % (mężczyźni) ~5-9% (kobiety)
• krewni I stopnia osoby chorej – ryzyko ~10%
• stosunkowo mała odziedziczalność
• Choroba dwubiegunowa
• ryzyko w populacji ~1%
• krewni I stopnia osoby chorej – ryzyko ~ 20%
• istotna odziedziczalność
Agregacja rodzinna
λS = ryzyko w populacji
ryzyko dla krewnych 1 stopnia chorych
Np.
populacja 0,8
krewni 1 stopnia chorych 8,5
λS = 10,6
λS – recurrence risk ratio
Agregacja rodzinna
• Przykładowe wartości λS
• Choroby mendlowskie:
• mukowiscydoza: 0,25/0,0004 = 500
• choroba Huntingtona: 0,5/0,0001 = 5000
• Choroby wieloczynnikowe
• autyzm: ~ 110
• stwardnienie rozsiane: ~25
• schizofrenia: ~10
• cukrzyca typ I (IDDM): ~15
• cukrzyca typ II (NIDDM): ~3,5
Asocjacja
• Nieprzypadkowe współwystępowanie czynników (alleli i fenotypów) na poziomie populacji
• Czy zawsze asocjacja oznacza zależność przyczynową?
• Czy każda asocjacja ma wartość diagnostyczną?
• Czy asocjacja odkrywa “gen na ....”?
Asocjacje mogą być zwodne
• Allel 3A4 cytochromu P450 (CYP3A) i rak prostaty (bardziej zaawansowana postać w momencie diagnozy)
• CYP3A może w pływać na tempo hydroksylowania testosteronu - związek przyczynowy?
• Nie ma wpływu allelu 3A4 na kinetykę metabolizmu testosteronu
• Allel 3A4 częściej występuje u ludzi pochodzenia afrykańskiego (Afroamerykanie), niż europejskiego
• Podobne korelacje dla raka prostaty dla innych alleli częstszych w populacji afrykańskiej
• Bardziej zaawansowany rak prostaty u Afroamerykanów (przyczyny społeczne)?
Asocjacja
• Zależności funkcjonalne
• często z allelami MHC (HLA) - związane z funkcjonowaniem układu odpornościowego
• poszukuje się asocjacji dla bardzo intensywnie poznawanych polimorfizmów SNP w genomie człowieka
• farmakogenetyka i farmakogenomika – polimorfizmy a działanie leków
• CRHR1 (receptor kortykotropiny) - skuteczność terapii kortykosteroidami w leczeniu astmy
• HLA-B27 - nadwrażliwość na skutki uboczne Abcaviru
• HTR2A (serotonina 2A) - reakcja na środki antydepresyjne
Zesztywniające zapalenie stawów
Asocjacja - przykład
Chorzy Zdrowi HLA-B27 + 90 1000
HLA-B27 - 10 9000
test statystyczny Fishera (Fisher exact test):
p≈2·10-76
Ryzyko 8%
Ryzyko 0,11%
Ryzyko dla całej populacji ~1%
HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów
Geny na...?
Geny na …?
A w rzeczywistości…
Dla porównania
Chorzy Zdrowi HLA-B27 + 90 1000
HLA-B27 - 10 9000
test statystyczny Fishera (Fisher exact test):
p≈2·10-76
Ryzyko 8%
Ryzyko 0,11%
Ryzyko dla całej populacji ~1%
HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów
€
OR =
90 100010
9000
= 81
O korelacji i wynikaniu…
Ważne!!
• Asocjacja to nie jest “gen na...”!
• Czynnik ryzyka nie ma zwykle znaczenia diagnostycznego
• Może być przydatny w diagnostyce różnicowej
• Zawsze należy analizować asocjację na tle ogólnego ryzyka w populacji, jakie są wartości bezwzględne
Przyczyny asocjacji alleli
• Struktura populacji (ukryta zmienna)
• Paradoks Simpsona: Jeżeli zmieszamy dwie populacje, w których nie występuje asocjacja markera i choroby, ale są różne częstości występowania choroby (oraz markera), w zmieszanej populacji
pojawi się asocjacja markera z chorobą (problem ukrytej zmiennej).
• Należy badać populacje jednorodne etnicznie, a nawet tylko pojedyncze duże rodziny
Paradoks Simpsona - przykład
Mężczyźni Kobiety
Historia 1/5 (20%) 2/8 (25%)
Geografia 6/8 (75%) 4/5 (80%)
Razem 7/13 (54%) 6/13 (46%)
Prosty przykład: uniwersytet powinien faworyzować kobiety przy przyjmowaniu na studia doktoranckie:
Przykład medyczny
Porównywano dwie terapie kamieni nerkowych
Terapia A Terapia B
78 % (273/350) 83% (289/350)
Ale:
Terapia A Terapia B
Małe kamienie 93% (81/87) 87% (234/270) Duże kamienie 73% (192/263) 69% (55/80)
Razem 78 % (273/350) 83% (289/350)
Terapię A częściej stosowano u pacjentów z dużymi kamieniami, które trudniej się leczy.
Podwójna ślepa próba
• Przy badaniach działania leków. terapii itp.
• Terapia vs. placebo; nowa terapia vs. dotychczasowa, itp.
• Ani pacjent, ani lekarz oceniający efekty nie wie, do której grupy należy dany pacjent
Genetyczne czynniki ryzyka
• Badania GWAS – asocjacje na skalę genomu
• Korelacja wariantów genetycznych z ryzykiem choroby
• Znajduje się wiele korelacji, ale żadna nie może być decydującym czynnikiem
• Tajemnica brakującej odziedziczalności
Badanie Wellcome Trust 2005-2007
• GWAS – genome-wide association study
• 7 ważnych schorzeń wieloczynnikowych, 17 000 osób (chorych i zdrowych), 200 badaczy, 9 milionów funtów
• Jeden z kilku dużych projektów GWA, których wyniki opublikowano w 2007 r.
Wyniki badań Wellcome Trust
• Choroba afektywna dwubiegunowa
• Wiele asocjacji, ale żadna bardzo istotna
• Choroba wieńcowa
• Kilka loci znacznie zwiększających ryzyko, w tym locus na chr. 9 o 50%
u heterozygot i dwukrotnie u homozygot
• Choroba Crohna
• Odkryto warianty w 3 genach zwiększające ryzyko (RGM, NKX2-3 i PTPN2) oraz zawierający 7 nowych genów obszar
Wyniki badań Wellcome Trust
• Nadciśnienie
• Brak wyraźnych czynników ryzyka - liczne warianty o stosunkowo małym wpływie
• Reumatoidalne zapalenie stawów
• Odkryto czynniki ryzyka związane z polimorfizmami w kilku genach
• Korelacja z chorobami serca i cukrzycą typu I
Wyniki badań Wellcome Trust
• Cukrzyca typu I
• Odkryto 4 nowe genetyczne czynniki ryzyka, w tym gen PTPN2(choroba Crohna)
• W sumie znanych jest już co najmniej 10 takich genów
• Cukrzyca typu II
• Kilka nowych czynników ryzyka
• Gen FTO - efekt pośredni, wpływa na ryzyko otyłości
• Geny CDKAL1, CDKN2A i IGF2BP2-efekt bezpośredni
• Potwierdzenie asocjacji dla kilku genów odkrytych w innych badaniach - w sumie
~10 genów
Powtarzalność badań asocjacji
Luka odziedziczalności
• “Missing heritability”
• Klasyczne badania wykazują znaczną odziedziczalność wielu cech wieloczynnikowych
• Badania asocjacyjne wykazują jedynie niewielki wzrost
prawdopodobieństwa dla danego polimorfizmu (np. badania asocjacji tłumaczą tylko 5% różnic wzrostu)
• Za odziedziczalność złożonych cech wieloczynnikowych odpowiadają interakcje genetyczne wielu polimorfizmów
Brakująca odziedziczalność
• “Ciemna materia” genomu
• Wykrywane asocjacje wyjaśniają kilka % odziedziczalności
• Możliwe odpowiedzi:
• Inne, jeszcze nie opisane (rzadkie) warianty
• pomóc może projekt 1000 genomów
• Oddziaływania wielu wariantów między sobą
• pomóc mogą teoretycy opisujący sieci zależności
• Zmienność liczby kopii
Zmienność liczby kopii
• Niekiedy dotyczy obszarów zawierających geny
• Ludzie o diecie wysokoskrobiowej - więcej kopii genu kodującego enzym rozkładający skrobię (amylaza, gen AMY1) w porównaniu z ludźmi o diecie niskoskrobiowej
“Jeden gen – jedna cecha”?
• Proste przełożenie jednego genu na jedną cechę fenotypową (jak u Mendla) zdarza się rzadko
• Na powstanie wielu cech wpływają interakcję wielu różnych genów
• Powstają złożone sieci współzależności – złożoność budowana przez oddziaływania i kombinacje, a nie liczbę elementów
składowych
Na przykład wzrost
• W determinowaniu wzrostu
człowieka bierze udział około 150 genów
Przyszłość
• Nie badania asocjacji pojedynczych loci
• Badanie na skalę całego genomu, dla wielu loci
Analiza dla 1000 loci SNP
“Geny człowieczeństwa”
Genom człowieka i szympansa
Różnice
• Nowe geny
• Utrata genów
• Zmienna liczba kopii
• Mutacje
• Różnice ekspresji
Skład genomu człowieka i szympansa
• Ogromna większość genów człowieka występuje u szympansa i vice versa
• Człowiek utracił niektóre geny (np. receptorów węchowych),
niektóre zyskał (Morpheus – nieznana funkcja, miR-941 - miRNA)
• Nie da się przypisać różnic między człowiekiem a szympansem obecności/nieobecności specyficzego “genu człowieczeństwa”
Różnice na poziomie białek
• Przeciętne białko ludzkie różni się 2 aminokwasami od szympansiego odpowiednika
• 29% białek jest identycznych
• Sekwencja to nie wszystko (regulacja!)
Nowe geny
• ~50-60 potencjalnych nowych genów
• W większości niepotwierdzona funkcja
Utrata genów
• Liczne przypadki specyficznej utraty genu w linii człowieka
• liczne receptory węchowe
• jedna z keratyn, ok. 240 tys. lat temu
• owłosienie?
• sekwencja regulatorowa genu AR (receptor androgenu)
• kolczyste wyrostki penisa, wibrysy
kot
Utrata genów
• Liczne przypadki specyficznej utraty genu w linii człowieka
• sekwencja regulatorowa genu GADD45G
• hamuje podziały komórek, u człowieka nie jest aktywny w mózgu
• nadmiernie aktywny u niektórych chorych na psychozy i autyzm
Mutacje i dobór naturalny
• Efekty działania mutacji obserwujemy pośrednio
• różnice sekwencji między populacjami (gatunkami)
• polimorfizm sekwencji w obrębie populacji
• Na allele wytworzone przez mutacje może działać dobór
• Za zmiany częstości powstających alleli może odpowiadać dryf genetyczny
• Obserwujemy mutacje utrwalone całkowicie lub częściowo (polimorfizmy) w puli genowej
Jak szukać śladów działania doboru
• Większość sekwencji genów zmienia się jednostajnie, w
tempie wyznaczanym przez eliminację mutacji
niekorzystnych – “zegar molekularny”
• Odstępstwa od jednostajnego tempa w określonej gałęzi –
dobór specyficzny dla tej gałęzi
Równomierne tempo zmian
Przyspieszone zmiany Spowolnione zmiany
Różnice w genach
• Około 500-600 genów – znaczące odchylenia od zegara molekularnego (sugeruje odstępstwa od neutralności)
• Około 200 obszarów regulatorowych o przyspieszonej ewolucji w linii człowieka (HAR – Human Accelerated Regions)
Zmiany genów – „gen mowy”
• Dyspraksja werbalna (Gopnik, 1990)
• Rzadka choroba dziedziczna objawiająca się zaburzeniami mowy (czynnej i biernej)
• Brak wyraźnego zaburzenia innych funkcji poznawczych
Gen FOXP2 (2001)
FOXP2
• Gen koduje czynnik transkrypcyjny - białko regulujące działanie innych genów
• Niezbędny do rozwoju mózgu, niezbędny do życia
• Chorzy z dysprakjsą werbalną mają tylko niewielką zmianę (mutację) w tym genie
Enard et al. (2002) Nature 418, 869-72
FOXP2 – szybka ewolucja
Nie tylko u ludzi
• Ekspresja FOXP2 koreluje ze złożonością śpiewu ptaków (zdolność uczenia się głosów i imitacji)
• Uszkodzenie FOXP2 zaburza zdolność komunikacji głosowej u myszy (a także uczenie sensomotoryczne)
Czy Neandertalczyk potrafił mówić
• Sekwencja FOXP2 taka, jak u Homo sapiens
• Mutacja sekwencji regulatorowej GADD45G - też podobnie, jak u człowieka
MYH16
• Jedna z form łańcucha ciężkiego miozyny
• Mutacja ok. 2,5 mln lat temu – związek z ewolucją kształtu
czaszki – osłabienie mięśni szczęki, zmniejszenie
twarzoczaszki, wzrost mózgoczaszki
Geny mikrocefaliny
Chory 13 lat Zdrowy 11 lat
Szybka ewolucja genu u człowieka
Podobnie inne geny powiązane z mikrocefalią (ASPM, CDK5RAP2, MCPH1) Mikrocefalia
Kouprina et al., PLoS Biology, 2004, 5:E126
HACNS1 - element regulatorowy
• Enhancer HACNS1 (Human Accelerated Conserved
Noncoding Sequence 1)
• Sekwencja 546bp konserwowana u kręgowców lądowych
• 16 zmian po rozdzieleniu linii szympans-człowiek (vs. 4
oczekiwane przy założeniu
neutralności, p=1,3×10-6) Prabhakar et al., 2008, Science 321:1346-50
Co kontroluje sekwencja HACNS1?
• Wprowadzono gen reporterowy pod kontrolą HACNS1 i
homologów z szympansa i rezusa do myszy transgenicznych
• Tylko ludzki HACNS1 wykazuje silną ekspresję specyficzną dla zawiązków dłoni i stóp
• Specyficznie ludzkie cechy budowy dłoni
• Specyficznie ludzkie cechy budowy stóp
Prabhakar et al., 2008, Science 321:1346-50
miR-941
miRNA - cząsteczki RNA regulujące działanie genów
miR-941
• Gen miRNA, występuje tylko u człowieka
• ten jest jedynym o wysokiej ekspresji w CNS
• Pojawił się między 6-7 a 1 milion lat temu
• występuje już u Denisowian, ale nie u szympansa
• Liczba kopii u człowieka jest zmienna (2-11)
• w toku ewolucji po wyjściu z Afryki malała
miR-941 – ewolucja liczby kopii
Funkcja mIR-941
• Regulacja (hamowanie) szlaku sygnałowego insuliny i
hedgehog
• może reguulować czas życia?
Podsumowanie
• Nie ma jednego, czy kilku “genów człowieczeństwa”
• Za różnice między ludźmi a innymi gatunkami odpowiada kumulacja wielu, pozornie niewielkich, różnic
• Niewielkie zmiany sekwencji mogą pociągać znaczne zmiany fenotypowe
• Istotne są też różnice na poziomie regulacji – trudniejsze do zbadania
Triumf Darwina
• Ewolucja cech specyficznie ludzkich była związana z
szeregiem cząstkowych zmian dotykających różnych genów
• Koncepcja Darwina wyrażona językiem genomiki
porównawczej! “różnica między człowiekiem a innymi zwierzętami ma
charakter ilościowy, a nie jakościowy”