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 historiemtDNA

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 populacjiryzyko 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 ZdrowiHLA-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 =

901000109000

= 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 medycznyPorównywano 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 mikrocefalinyChory 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

stópPrabhakar 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”