Ген -модификатор заболевания человека — это ген-модификатор [1] [2] , который изменяет экспрессию гена человека в другом локусе , что в свою очередь вызывает генетическое заболевание . В то время как медицинская генетика имела тенденцию различать моногенные признаки, управляемые простым менделевским наследованием , и количественные признаки с кумулятивными многофакторными причинами, все больше доказательств свидетельствуют о том, что заболевания человека существуют в непрерывном спектре между ними. [3]
В контексте человеческих заболеваний термины «ген-модификатор» и « олигоген » имеют схожие значения, и характеристика конкретного локуса зависит от характеристики фенотипа ( эффектов), которые он вызывает или модифицирует. Термин «ген-модификатор» можно понимать как ген, в котором генетическая вариация модифицирует эффекты мутации в главном локусе , но не оказывает влияния на нормальное состояние, условие, которое не обязательно выполняется для олигогенных взаимодействий. [1] Изучение заболеваний, возникающих в результате взаимодействий между генами, важно для понимания генетической основы заболевания. Для этих целей полезно изучение как генов-модификаторов, так и олигогенов.
Ранние теории, установившие вероятное существование генов-модификаторов и генных взаимодействий как детерминант фенотипической изменчивости, возникли из теорий эволюции, в частности, эволюции состояния аллельного доминирования. Хотя многие проницательные ранние теоретики внесли свой вклад в современное понимание генов-модификаторов, здесь особое внимание уделяется теориям Рональда А. Фишера , Сьюэлла Райта и Джона Б. С. Холдейна . Фишер и Райт предложили несколько противоположные теории эволюции доминирования в 1928 и 1931 годах соответственно. Оба стремились объяснить наблюдение, что в подавляющем большинстве случаев аллели дикого типа доминировали над большинством вредных мутаций. [4] Их теории эволюции доминирования имели далеко идущие последствия для областей эволюции, популяционной и количественной генетики и биохимии и заложили раннюю основу современного понимания генов-модификаторов болезней человека.
Фишер предположил, что, поскольку отрицательное селективное давление сильнее всего против доминантных, вредных мутаций, возникающие de novo мутации изначально кодоминантны , но развивают рецессивность через накопление аллелей модификаторов в других локусах, которые ослабляют неблагоприятные фенотипы. [5] Он сослался на эксперименты по разведению настурции и дрозофилы , в которых отчетливый мутантный фенотип теряется при последовательных ауткроссингах и восстанавливается при инбридинге потомства. [6] Он утверждал, что с помощью ауткроссинга селекционер выбирает модифицирующие факторы, которые ослабляют мутантный фенотип, а с помощью инбридинга и ограничения генофонда модификаторов восстанавливается доминирование мутации. Важно, что Фишер утверждает, что «даже в небольших изолированных группах существует достаточное разнообразие модифицирующих факторов», чтобы наблюдать эту эволюцию доминирования в наблюдаемой последовательности поколений. [6]
Райт бросил вызов теории Фишера и предположил, что доминирование аллелей дикого типа развивается не путем отбора модификаторов, а путем отбора физиологических границ в биохимических путях, что часто позволяет им функционировать даже при возникновении мутаций, например, в ферментах-компонентах. Он утверждал, что эффекты конкуренции и генетического дрейфа в популяциях, ограниченных в генетическом разнообразии, превзойдут слабое давление отбора, действующее на аллели модификаторов с номинальными фенотипическими последствиями. [7] [4]
В конечном итоге объяснение Райтом эволюции доминирования получило наибольшую поддержку со стороны экспериментальных биохимиков и генетиков, а позднее и теоретиков, [8] [9] [10], но именно теория Фишера впервые ввела концепцию генов-модификаторов.
Для области генов-модификаторов наиболее важные ответы на теорию Фишера были получены от Холдейна. Холдейн показал, что, вопреки аргументу Фишера, несмотря на сниженную интенсивность отбора на доминирование в самоопыляемых популяциях, доминирование часто более распространено в инбредных, чем в аутбредных видах растений. [10] В 1941 году Холдейн применил генетическую модель генов-модификаторов, которая возникла из теорий эволюции доминирования, к фенотипической изменчивости заболеваний у людей. Он проанализировал данные, собранные Джулией Белл о наследуемости нескольких заболеваний человека с количественными фенотипами, в частности, изменчивости возраста начала. [11] Из этих данных Холдейн пришел к выводу, что ни один фактор не может быть доказано ответственным за наблюдаемую фенотипическую изменчивость в том, что считалось простыми, моногенными заболеваниями. Он предложил очень простую теорию, которая, тем не менее, является действенной в изучении олигогенных и сложных генетических заболеваний человека сегодня. Холдейн предположил, что существует три возможных источника наблюдаемой фенотипической изменчивости моногенных признаков: [11]
Холдейн предоставил фундаментальную теоретическую основу для существования генов-модификаторов. Появляющиеся экспериментальные данные подтвердили вероятное существование и важность генов-модификаторов генетических заболеваний человека, и несколько заболеваний служат моделями для хода этих появляющихся данных.
Характеристика метаболического расстройства, фенилкетонурии (ФКУ), представляет собой прогресс от первоначального биохимического открытия, которое дало информацию для генетических исследований и привело к пониманию того, что генетическая гетерогенность в пределах основного локуса, и в дополнение к нему, ответственна за вариации клинических фенотипов. [3] В 1953 году GA Jervis идентифицировал дефект печеночного фермента фенилаланингидроксилазы (PAH) как причину ФКУ. [12] Это привело к пониманию того, что аберрантный метаболизм фенилаланина ответственен за наблюдаемый фенотип, и к разработке диагностики, измеряющей уровни фенилаланина в крови или моче. [13] Важно, что разработка клинической диагностики способствовала лучшей характеристике фенотипической вариации, вызывая теории о том, что генетическая вариация может лежать в основе этих наблюдений. В 1983 году Woo et al. картировали и клонировали этот ген ФАГ, подтвердив теоретическую аллельную гетерогенность. [14] Важно отметить, что фенотипическая гетерогенность, необъяснимая аллельной гетерогенностью в гене PAH, наблюдалась с течением времени, и были охарактеризованы новые мутации в рециркуляции тетрагидробиоптерина, как, например, Блау и др. в 1993 году. [15]
Исследования муковисцидоза (МВ) демонстрируют прогрессию от генетической к молекулярной характеристике основного локуса, МВТР. В 1985 году ген был картирован с помощью анализа сцепления Цуй и др. [16] , а в 1989 году ген был клонирован Риорданом и др. [17] Когда анализ аллельной изменчивости в МВТР оказался недостаточным для получения надежных корреляций генотип-фенотип или объяснения общей фенотипической гетерогенности при МВ, было заподозрено существование локусов-модификаторов, и исследования ассоциаций, такие как Зеленски и др. в 1999 году, идентифицировали и охарактеризовали эти локусы. [18]
Характеристика генов-модификаторов заболеваний человека и олигогенного наследования обещает понимание обилия фенотипических вариаций заболеваний человека, что представляет собой большую проблему для индивидуально эффективной терапии. Характеристика этих фенотипов и генов, ответственных за них, основывалась на сочетании молекулярных методов, обычно используемых для характеристики простых моногенных заболеваний, и статистических методов, обычно используемых для характеристики сложных признаков . [3]
Понимание механизма генов-модификаторов заболеваний и олигогенного наследования может дать уникальное понимание функций взаимодействий генов, лежащих в основе заболеваний человека. В настоящее время методы молекулярной характеристики механизмов заболеваний разработаны для многих моногенных заболеваний, но эти исследования не улучшают понимание генетических взаимодействий и их фенотипических последствий. Методология изучения сложных признаков в первую очередь статистическая и включает большие популяции людей, в которых генетические модификаторы не могут быть экспериментально изменены. Таким образом, в популяциях людей роли генетических модификаторов часто устанавливаются статистическими последствиями без доказательств причинно-следственной связи или возможности функциональной характеристики. Изучение модификаторов заболеваний человека и олигогенных заболеваний является гибридной областью, которая может дать уникальное и всестороннее понимание сложных механистических причин заболеваний человека, необходимых для разработки эффективных терапевтических средств [3]
Характеристика сложных мультигенных взаимодействий, ответственных за заболевание, и, кроме того, разработка эффективных терапевтических средств, чрезвычайно сложна, и молекулярные механизмы немногих олигогенных заболеваний были выяснены. Пигментный ретинит является одним из заболеваний, для которого идентифицированы гены, ответственные за фенотипическую изменчивость, и охарактеризованы молекулярные механизмы, с помощью которых они взаимодействуют. [3] Были обнаружены мутации в гене RDS человека, которые уменьшают образование функциональных гомодимеров белка Rds-Rds, и при дигенном наследовании мутации в ROM1 предотвращают тетрамеризацию гомодимеров Rds-Rds и Rom1-Rom1. В состоянии двойного мутанта дозировка функционального тетрамерного комплекса достаточно снижена, чтобы вызвать RP. [19] [20]
За исключением задачи полного понимания молекулярной основы сложных заболеваний, изучение генов-модификаторов и олигогенов может улучшить клинические диагнозы и прогнозы, комбинаторно улучшая точность корреляций генотип-фенотип и переходя от клинической зависимости от эпидемиологических данных к генетическим и биологическим данным, специфичным для пациента. В конечном счете, разработка терапевтических средств для человеческих заболеваний, основанных на понимании их молекулярных механизмов, является сложной задачей. В случае, когда мультигенные взаимодействия приводят к заболеванию, необходимо предпринять ряд тщательных методологических шагов для определения этих механизмов.
Для общего случая, когда основной локус причинно связан с болезнью, но существует значительная необъяснимая фенотипическая вариация, этот процесс открытия обычно начинается с установления наследуемости фенотипа болезни и обоснованной вероятности того, что гены-модификаторы вносят вклад в наблюдаемую фенотипическую вариацию. Процесс продолжается с идентификации локусов-модификаторов и функционального определения механизмов их взаимодействия с другими генами, вызывающими болезнь, и завершается открытием и разработкой эффективных терапевтических средств для лечения болезни, основанных на механистическом понимании функций генов-модификаторов. Для опытных исследователей, использующих современные методы, каждый шаг в этом процессе лечения генетических заболеваний человека путем изучения взаимодействий генов-модификаторов представляет собой большие трудности.
Характеристика взаимодействий генов-модификаторов может быть не самым простым подходом к лечению заболеваний. Это, безусловно, верно в случае, когда гены-модификаторы не существуют или функционально не вносят вклад в фенотип интересующего заболевания. Таким образом, первый шаг установления вероятности того, что гены-модификаторы действительно существуют и вносят вклад в наблюдаемую вариацию, имеет решающее значение для этого описанного исследовательского процесса. Обычно это делается путем исключения других источников гетерогенности как вероятных причин фенотипической вариации интересующего заболевания. Вспоминая модель Холдейна, эти источники обычно классифицируются как 1) генетическая вариация в главном локусе 2) другие источники генетической гетерогенности, которые включают, но не ограничиваются генами-модификаторами, и 3) влияние окружающей среды. [11]
Решающее значение для эффективного изучения молекулярной основы генетических заболеваний человека с помощью генетических модификаторов имеет установление того, что клиническая изменчивость фенотипа не может быть объяснена другими факторами, такими как гетерогенность основного локуса или влияние окружающей среды. Методы установления наследуемости заболеваний, приписываемых генам-модификаторам, можно разделить на семейные исследования и исследования всей популяции.
Семейные исследования фенотипической изменчивости и наследуемости для установления существования локусов-модификаторов основывались на фундаментальных принципах. Если гетерогенность в локусах-модификаторах лежит в основе наблюдаемой фенотипической изменчивости, то в целом, чем более схожи их генетические фоны, тем более схожими будут их фенотипы. Таким образом, межсемейная фенотипическая изменчивость будет больше, чем внутрисемейная изменчивость. [1] Исследователи используют исследования братьев и сестер , например, для оценки наследуемости фенотипа, контролируя такие источники изменчивости, как гетерогенность основного локуса и влияние окружающей среды. В одном из таких примеров Ванской и др. сравнивают функцию легких между монозиготными и дизиготными парами близнецов, а также между братьями и сестрами с муковисцидозом (МВ). Сравнивая корреляции фенотипов между родственниками, они оценивают, используя несколько моделей, факторы наследуемости функции легких, которые все превышают 0,5, после поправки на вариацию в генотипе основного локуса (CFTR) и другие источники вариации [21] , и эта значительная доля источников вариации требует дальнейшего изучения для характеристики этих факторов.
Подходы к популяции в целом являются еще одним важным методом демонстрации вероятности взаимодействия генов-модификаторов. Эти подходы обычно включают более сложное статистическое моделирование, но в конечном итоге служат той же цели, что и семейные исследования, контролируя источники фенотипической дисперсии в популяциях заболеваний для оценки степени остаточной наследуемости, приписываемой локусам-модификаторам. Векслер и др. используют эти методы в выборке из примерно 4000 пациентов с болезнью Хантингтона (БХ) из одной из наиболее хорошо охарактеризованных популяций в мире в Венесуэле, чтобы оценить, что около 40% остаточной вариации в возрасте начала заболевания приписывается неопознанным генетическим локусам, помимо локуса БХ. [22]
Возможно, наиболее очевидно важным для понимания роли локусов-модификаторов в возникновении генетических заболеваний человека является их идентификация. Размер и сложность генома человека делают эту задачу сложной. Методы идентификации локусов-модификаторов можно разделить на три основных подхода: корреляции генотипа и фенотипа, исследования сцепления и ассоциации и экспериментальный фенотипический анализ на животных моделях. [3]
Обычно предположение об ответственности модификаторных локусов за фенотипическую изменчивость заболеваний человека возникает из наблюдений корреляций генотип-фенотип, которые отклоняются от простого менделевского наследования мутаций в одном локусе. Синдром Барде-Бидля (BBS) является одним из таких примеров. BBS является генетически гетерогенным расстройством с как минимум 6 известными причинными локусами. Первоначально считалось, что рецессивное наследование мутаций в любом из этих локусов вызывает заболевание, но как только был клонирован первый ген BBS, BBS6, мутационный и гаплотипический анализ показал, что некоторые мутации не соответствуют ожидаемой моногенной рецессивной передаче. [3] Катсанис и др. были первыми, кто продемонстрировал явление «триаллельного» наследования, формы дигенного наследования BBS, которое изначально, казалось, передавалось рецессивным образом. Проведя генотипирование 163 родословных BBS, они продемонстрировали, что для проявления заболевания, вероятно, необходимо присутствие трех мутантных аллелей, включая аллели в BBS2, BBS6 и, возможно, в других локусах [23] , и они выявили дигенный механизм наследования в том, что ранее считалось простым менделевским расстройством.
Генетический анализ сцепления и ассоциативные исследования являются широко используемыми методами идентификации локусов-модификаторов. Появление новых генетических маркеров и автоматизированных методов генотипирования привело к большому разнообразию в применении этих исследований. [24] Распространенные методологии, используемые для идентификации локусов-модификаторов заболеваний человека, включают анализ сцепления в семьях, исследования ассоциаций-кандидатов и исследования ассоциаций по всему геному.
В примере исследования семейного сцепления генотипирование и анализ сцепления, проведенные в популяции из 197 пар сибсов и их родителей, выявили один ген-модификатор, ответственный за мекониевую непроходимость, фенотип кишечной непроходимости, обнаруженный у подгруппы пациентов с муковисцидозом. [18] Их исследование представляет собой пример полезности и осуществимости анализа сцепления при идентификации локусов-модификаторов с помощью простого генотипирования и анализа сцепления, особенно когда изучаемые фенотипы являются бинарными, и можно протестировать подгруппу маркеров-кандидатов.
Исследования ассоциаций, подходы на основе генома или биологически информированных кандидатов, также могут выявить локусы модификаторов. Для определения генов, ответственных за заболевание, исследования ассоциаций обычно сравнивают популяции случаев и контрольные популяции с фенотипическими признаками заболевания, представляющего интерес, и без них соответственно. Для определения локусов модификаторов заболеваний, представляющих интерес, для которых обычно устанавливаются основные причинные локусы, исследователи рассматривают популяцию, состоящую только из лиц, пораженных заболеванием. Распределение генотипа маркера сравнивается у пациентов с «модифицированными» фенотипами, представляющими интерес, и без них, чтобы обнаружить маркеры в неравновесном сцеплении с потенциальными локусами модификаторов. [25] [26] [27] Исследования ассоциаций для обнаружения маркеров, связанных с локусами модификаторов, требуют больших популяций и плотных карт геномных маркеров, особенно для обнаружения маркеров с незначительным влиянием на фенотипы, для которых количественная оценка или дихотомизация могут быть сложными. Поскольку эти типы ассоциативных исследований ограничены популяциями пациентов, страдающих заболеванием, основной проблемой является сбор значительной популяции, которая придаст исследованию достаточную статистическую мощность. [1] В то время как общегеномные подходы к ассоциативным исследованиям являются систематическими и всеобъемлющими, подходы кандидатов избавляют исследователя от некоторой строгости статистического анализа, например, уменьшая необходимость в множественных коррекциях тестирования, но требуют осознанного выбора кандидатов. [1]
Милет и др. провели исследование ассоциаций кандидатов для модификаторов генетического гемохроматоза (GH), чтобы объяснить его изменчивую пенетрантность. В то время как большинство случаев GH вызваны мутациями в гене HFE, они сосредоточились на генах в двух путях кандидатов, тех, которые участвуют в не-HFE GH, и тех, которые участвуют в экспрессии гормона запаса железа гепсидина, и нашли доказательства того, что несколько общих однонуклеотидных полиморфизмов в этих кандидатах изменяют уровни ферритина в сыворотке. [25] Выявленные локусы модификаторов имеют установленные роли в метаболизме железа, и при очень простой интерпретации их результаты предлагают будущие пути для функционального исследования, как следствие их информированного подхода кандидатов.
Corvol et al. провели исследование ассоциаций по всему геному для выявления модификаторов заболевания легких при муковисцидозе, определив пять ассоциированных локусов. Их методы иллюстрируют большой размер выборки, необходимый для проведения статистически мощного анализа, способного идентифицировать локусы относительно небольших эффектов. Чтобы получить большую популяцию из 6365 пациентов, они объединяют данные по новым и ранее зарегистрированным субъектам и используют линейные смешанные модели, которые позволяют включать затронутых братьев и сестер. [27] Консорциум генетических модификаторов болезни Хантингтона (GeM-HD) провел аналогичное исследование ассоциаций по всему геному, впервые продемонстрировавшее локусы модификаторов, модулирующие возраст начала фенотипа при болезни Хантингтона (HD). Их анализы проводились на популяции из 1089 человек, затронутых HD, генетические образцы для которых собирались в течение почти 30 лет. [26]
Корреляции генотипа и фенотипа, а также анализы сцепления и ассоциации у людей могут эффективно идентифицировать гены-модификаторы со статистической поддержкой, но не устанавливают функциональные или причинные эффекты генов-модификаторов. В то время как генетические фоны не могут быть экспериментально изменены в популяциях людей, трансгенная экспрессия генов-модификаторов в моделях животных эффективно использовалась для демонстрации того, что вариации в определенных локусах могут вызывать фенотипические вариации. Например, Икеда и др. установили, что moth1 является геном-модификатором гена tub, мутации в котором вызывают ожирение, дегенерацию сетчатки и потерю слуха у мышей tubby. [28] [3] В форме дикого типа белок Mtap1a, кодируемый нейронально экспрессируемым moth1, защищает от потери слуха. Икеда и др. показали с помощью трансгенной экспрессии у мышей, что полиморфизмы последовательностей в Mtap1a имеют решающее значение в возникновении фенотипа потери слуха, связанного с мутацией гена tub. [28]
Необъяснимые вариации в фенотипе заболеваний человека представляют собой сложную проблему, и при наличии устоявшихся методологий идентификации и характеристики генов-модификаторов возникает соблазн рассматривать их в качестве объяснения, что может привести к лучшему пониманию биологических механизмов заболеваний, например, путем описания взаимодействий между продуктами генов. [1]
Но выявление новых модификаторных локусов является сложной задачей и становится все более сложной, поскольку те варианты, которые легче всего обнаружить с помощью современных методов, все чаще идентифицируются и характеризуются. Тем не менее, для большинства генетических заболеваний человека менее 20% наследуемости объясняется известными вариантами. [29] Некоторые утверждают, что необъяснимая наследуемость может быть обусловлена многими редкими вариантами, которые типичные ассоциативные исследования не предназначены для обнаружения, или структурной генетической изменчивостью . Хотя сложная идентификация новых генетических вариантов может быть не самым эффективным подходом к разработке механистически информированных лекарств, она может привести к разработке более безопасных, индивидуализированных и эффективных стратегий вмешательства, оценок риска и прогнозов. [30]
Зук и др. утверждают, что биомедицинские исследования должны быть сосредоточены на взаимодействующих молекулярных механизмах уже обнаруженных генетических вариантов. Они утверждают, что генетические взаимодействия являются обычным явлением. Широко используемые оценки наследуемости в узком смысле, отношение аддитивной генетической дисперсии (рассчитанной на основе измеренных эффектов известных вариантов) к общей фенотипической дисперсии (выведенной из популяционных данных) предполагают аддитивные эффекты в эффектах наследуемости вариантов. Для большинства человеческих черт эта доля остается ниже 0,2. Они утверждают, что предположение о том, что эффекты наследуемости являются аддитивными, переоценивает наследуемость, приписываемую всем генетическим вариациям, лежащим в основе заболевания, и, таким образом, недооценивает долю наследуемости, приписываемую уже обнаруженным. Таким образом, они утверждают, исследования должны быть сосредоточены на молекулярных основах уже обнаруженных вариантов, поскольку оценки обнаруженных источников наследуемости неверны, и нет достаточных доказательств того, что существуют необнаруженные генетические модификаторы. Более того, «доля фенотипической дисперсии, объясняемая вариантом в человеческой популяции, является крайне плохим предиктором важности гена для биологии или медицины», и эффективная терапия может быть нацелена на продукты генов, которые объясняют очень мало клинически наблюдаемых вариаций фенотипа. [29]