Genetycy nieustannie pracują nad poznaniem tajemnicy ludzkiego DNA. Duża skala przeprowadzanych eksperymentów spowodowała przyrost ilości danych genetycznych. Wykorzystanie metod statystycznych i obliczeniowych jest kluczem do prawidłowej analizy informacji pochodzących z genomu człowieka.
Kwas deoksyrybonukleinowy, czyli DNA, został wyizolowany w 1869 roku przez Fryderyka Mieschera. Jednak dopiero w 1957 roku James Watson oraz Francis Crick poznali jego budowę. DNA zbudowany jest z odcinków kodujących, które stanowią około 3% całego genomu oraz z odcinków niekodujących, służących m. in. do regulacji ekspresji genów. Wiek XX i XXI to intensywne badania nad materiałem genetycznym, które przyniosły rewolucyjne odkrycia. Dotyczą one np. diagnozowania, czy określenia ryzyka zachorowań na powszechnie występujące choroby. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu zaawansowanych technologii, takich jak sekwencjonowanie nowej generacji, mikromacierze DNA, bądź spektrometria MALDI-TOF.
Uwaga naukowców skupiona została na ustaleniu położenia w chromatynie genów oraz fragmentów DNA o nieznanej funkcji, a także sprawdzeniu ich sekwencji za pomocą technik biologii molekularnej. Możliwe jest to dzięki wykorzystaniu rozbudowanych metod badawczych, mapowania i genotypowania. Mapowanie umożliwia ustalenie położenia genów w chromosomach. Metoda ta służy między innymi do umiejscawiania na chromosomach loci cech ilościowych (ang. Quantitative Trait Locus, QTL), czyli miejsc w genomie kontrolujących cechę uwarunkowaną przez wiele genów. Są to np. wzrost, masa ciała, kolor skóry czy oczu. Mapowanie QTL umożliwia oszacowanie lokalizacji i ilości genów odpowiedzialnych za wystąpienie danej cechy oraz ich wpływu na jej ekspresję. Genotypowanie pozwala m.in. na poznanie polimorfizmów. Może być to określenie polimorfizmu pojedynczego nukleotydu (ang. Single Nucleotide Polymorphism, SNP). W tym przypadku dochodzi do zamiany jednego nukleotydu na poziomie DNA. SNP jest najczęściej polimorfizmem dwuallelicznym (występuje w postaci dwóch postaci danego genu), ponieważ allele przekazywane są od obojga z rodziców. O polimorfizmie mówimy gdy najrzadszy wariant alleliczny w danym locus (miejscu na chromosomie) występuje z częstością większą niż 1%. Podobnie jak mutacja, jest on efektem zmian sekwencji DNA, jednak występuje w populacji znacznie częściej. Polimorfizmy stanowią około 90% całej zmienności występującej w ludzkim genomie (występują co 100 – 300 nukleotydów). Obserwowane są one zarówno w rejonach kodujących, jak i niekodujących. Powstanie polimorfizmów jest najczęściej wynikiem ewolucji. Selekcja naturalna przyczynia się bowiem do zwiększenia ilości korzystnych oraz redukcji szkodliwych wariantów. Jednak zmiany w sekwencji DNA mogą dawać również efekt niekorzystny, np. poprzez wywoływanie chorób lub zmian w odpowiedzi organizmu na substancje chemiczne, takie jak leki. Jeśli chcemy poznać własny genom, czyli swój materiał genetyczny oraz zmiany w nim występujące (mutacje i polimorfizmy) pomocne w tym celu będzie genotypowanie. W procesie tym wykorzystywane są techniki biologii molekularnej, m.in.: sekwencjonowanie DNA, mikromacierze, łańcuchowa reakcja polimerazy – PCR, sondy ASO (ang. allele specyfic oligonucleotide).
Badania asocjacyjne, z definicji to te, które znajdują asocjacje, czyli związki pomiędzy wariantami genetycznymi a wystąpieniem danej cechy w populacji. Największe zainteresowanie naukowców budzi przeprowadzanie takich badań w skali całego genomu, czyli GWAS (ang. Genome-wide association study). Analizy te obejmują sprawdzenie sekwencji nukleotydowej w całym materiale genetycznym. W badaniach typu GWAS poszukiwany jest związek między markerami umieszczonymi na macierzy SNP (jest ich od 200 tys. do 2 mln) a zmiennością danej cechy lub wystąpieniem choroby.
Prawidłowe badanie GWAS jest badaniem epidemiologicznym, prowadzonym na tysiącach osób. Badanie to polega na utworzeniu dwóch grup. Jednej - badanej, wyodrębnionej pod kątem żadanej cechy oraz drugiej - kontrolnej. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie informacji na temat częstości występowania polimorfizmu w poszczególnych grupach. Analizie podlegają polimorfizmy SNP, a także zmiany dłuższych odcinków DNA związane z insercją i delecją. Sukces GWAS w określeniu wystąpienia schorzeń związany jest z: (1) ilością loci wpływających na wystąpienie danej cechy w populacji; (2) wielkością próby eksperymentalnej; (3) zróżnicowaniem danej cechy w populacji; (4) ilością wariantów podlegających analizie.
Uzyskanie wiarygodnych wyników analizy asocjacyjnej wymaga odpowiedniej analizy statystycznej. Każdy GWAS to setki tysięcy, a czasem miliony testów statystycznych. Zmusza to naukowców do stosowania niskich progów istotności statystycznej. Prawidłowe jej ustalenie powinno obejmować odpowiednią ilość testowanych SNP oraz fenotypów. Wykazanie związku danego markera z chorobą wymaga potwierdzenia jego występowania w innych populacjach oraz precyzyjnego mapowania w celu określenia jego lokalizacji. Wyniki asocjacji przedstawiane są w formie wykresu - Manhattan plot, który przedstawia logarytm dziesiętny wartości prawdopodobieństwa dla markera genetycznego w zależności od jego lokalizacji w chromosomie (Rys. 1.). Swoją nazwę diagram zawdzięcza charakterystycznemu wyglądowi, który przypomina panoramę wieżowców Manhattanu.
Rys.1. Przykładowy wykres Manhattan Plot dla 0.5 mln markerów genetycznych obecnych w genomie człowieka. Źródło: Pracownia Biobank UŁ
W związku z intensywnie przeprowadzanymi projektami naukowymi dochodzi do rozwoju badań asocjacyjnych, a co za tym idzie, z uzyskaniem ogromnej ilości danych genetycznych. Przeprowadzono miedzy innymi HapMap Project, Human Genome Diversity Project czy 1000 Genome Project. Przedsięwzięcia te miały na celu scharakteryzowanie genomu człowieka oraz jego polimorfizmów. Dostarczyły one informacji na temat różnorodności genetycznej w populacjach i zdrowia osób badanych. Naukowcy mogą wykorzystywać uzyskane dane do szukania ich nieznanych powiązań z chorobami.
Badania GWAS zyskały popularność po 2000 roku. Związane było to z szybkim rozwojem metod pozwalających na wykrycie prawie 10 milionów SNP. Od tego czasu wykonano ponad 3000 analiz dotyczących zarówno powszechnie występujących schorzeń, jak i zmienności fenotypowych, takich jak pigmentacja, BMI, grupy krwi czy cechy charakteru. Wykazano ponad 10000 istotnych statystycznie asocjacji między wariantami genetycznymi a wystąpieniem danej cechy. Sukces GWAS polega na identyfikacji genetycznych czynników ryzyka wystąpienia tych zmienności. Niemal co tydzień publikowane są nowe doniesienia w tym zakresie. Odkrywane są polimorfizmy np. zwiększające ryzyko zachorowalności na cukrzycę typu 2, chorobę Parkinsona, otyłość, chorobę Crohna, podatności na nowotwory czy choroby psychiczne w krajach Europy zachodniej.
Rozwój technologii molekularnych oraz metod analitycznych pozwolił uzyskać informacje na temat wpływu zmian w materiale genetycznym na rozwój chorób. Nie należy jednak zapomnieć o oddziaływaniu na nasze zdrowie czynników środowiskowych oraz niewłaściwego stylu życia. Określenie czynników genetycznych i środowiskowych prowadzących do powstania chorób pozwoli na dostosowanie metod prewencji i terapii.
Dzięki osiągnieciom GWAS możliwe jest zidentyfikowanie różnic genetycznych między ludźmi. Badania te mogą okazać się przełomowe w dostarczaniu informacji niezbędnych do projektowania metod terapeutycznych ukierunkowanych na określoną osobę.
