Подходы к поиску и исследованию генов, определяющих важные для здоровья признаки
advertisement
Подходы к поиску и исследованию генов, определяющих важные для здоровья признаки Светлана Боринская Николай Янковский МФТИ 2011 ДАВНЫМ ДАВНО (~150 000 лет назад) ЖИЛИ БЫЛИ В АФРИКЕ АДАМЫ И ЕВЫ (популяция Ne~ 5000) Население мира Global Population, bln логарифмическая шкала 10 ОНИ ПЛОДИЛИСЬ И РАЗМНОЖАЛИСЬ 1 0.1 0.01 -40 -30 -20 -10 0 10 20 Century AD Peter Turchin, 2002 25 - 15 тыс. лет назад их потомки заселили почти всю Землю (50о ю.ш. - 70о с.ш.) ЧЕЛОВЕК ВОЗНИК ИЗ ОБЕЗЬЯНЫ ПУТЕМ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА, В АФРИКЕ ОКОЛО 150-200 ТЫСЯЧ ЛЕТ НАЗАД Конечно, люди очень похожи на обезьян (или обезьяны на людей). Но почему это должно означать общее происхождение? И у них много важных отличий. Как они возникли? ДРЕВО РОДСТВА ВЫСШИХ ПРИМАТОВ КАК, ГДЕ, КОГДА, ЗАЧЕМ ВОЗНИК ЧЕЛОВЕК ? Рисунок из статьи: H. Kaessmann, S. Paabo. The genetical history of humans and the great apes. Journal of Internal Medicine 2002; 251: 1-18. ОТВЕТЫ ГЕНЕТИКА http://www.blackwell-synergy.com/doi/full/10.1046/j.1365-2796.2002.00907.x?cookieSet=1 КАК СДЕЛАТЬ ЧЕЛОВЕКА ИЗ ЗАРОДЫШЕВОЙ КЛЕТКИ? работа генов в онтогенезе – индивидуальном развитии организма СТРУКТУРА ГЕНА Регуляторная часть Белок-кодирующая ДНК РНК белок У человека около 30 000 генов Набор генов в клетках организма одинаков. В каждой клетке часть генов работает, часть – “молчит”. В разных клетках работают разные гены, продукты которых осуществляют разные реакции. Поэтому клетки разные. У человека около 30 000 генов Набор генов одинаков во всех клетках организма В каждой клетке “звучит” свой аккорд генов. Набор генов одинаков во всех клетках организма Разные последовательности “аккордов” – разные пути развития клеток Набор генов у всех людей почти одинаков. При одной и той же общей “мелодии” СУЩЕСТВУЮТ ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ВАРИАЦИИ “АККОРДОВ” АХОНДРОПЛАЗИЯ возникает в результате единичной мутации в гене РЕЦЕПТОРА ГОРМОНА РОСТА Индивидуальные различия в ДНК возникли в результате мутаций. Как мутации могут менять работу генов? СТРУКТУРА ГЕНА Регуляторная часть Белок-кодирующая Ген - ДНК РНК белок Индивидуальные различия в ДНК возникли в результате мутаций. Как мутации могут менять работу генов? СТРУКТУРА ГЕНА Регуляторная часть Белок-кодирующая Ген - ДНК РНК белок Как мутации могут менять работу генов? Как мутации могут менять работу генов? Как мутации могут менять работу генов? Как мутации могут менять работу генов? Как мутации могут менять работу генов? Как мутации могут менять работу генов? Как мутации могут менять работу генов? Как мутации могут менять работу генов? Как мутации могут менять работу генов? Теперь мы знаем, как работают гены и как действуют мутации. Поможет ли это понять, КАК ОБЕЗЬЯНА ПРЕВРАТИЛАСЬ В ЧЕЛОВЕКА ? Техзадание генетику: Из обезьяны сделать человека… Ген кератина Ген кератина Ген кератина Гены морфогенеза костей Ген кератина Гены морфогенеза костей Ген кератина Гены морфогенеза костей Ген кератина Гены морфогенеза костей Ген кератина Гены морфогенеза костей Ген микроцефалина и др. Ген кератина Гены морфогенеза костей Ген микроцефалина и др. Ген кератина Гены морфогенеза костей Ген микроцефалина и др. Развитие речи – ген FOXP2 Ген кератина Гены морфогенеза костей Ген микроцефалина и др. Развитие речи – ген FOXP2 Ген кератина Гены морфогенеза костей Ген микроцефалина и др. Развитие речи – ген FOXP2 Гены, которые делают нас людьми проект «Геном шимпанзе» Следует различать появление мутаций (химический процесс) и фиксацию мутаций (популяционно-генетический процесс). Частота мутаций может меняться от поколения к поколению, случайно или под действием отбора. Разные условия среды ведут к фиксации разных мутаций УСЛОВИЯ 1 УСЛОВИЯ 2 СРЕДА ОТБИРАЕТ ТЕ ВАРИАНТЫ ГЕНОВ, КОТОРЫЕ ОБЕСПЕЧИВАЮТ ФОРМИРОВАНИЕ НУЖНЫХ ПРИЗНАКОВ ОТБОР ГЕНОТИПОВ У СПОРТСМЕНОВ по гену актинина Дефицит актинина, усиление аэробного обмена в мышцах ГЕНОТИПЫ Спринтеры - короткие силовые нагрузки, анаэробный обмен СИЛА олимпийцы силовики Стайеры – длительные нагрузки, аэробный обмен ВЫНОСЛИВОСТЬ контроль стайеры олимпийцы Yang et al., ACTN3 genotype is associated with human elite athletic performance. Am J Hum Genet. 2003 Sep;73(3):627-31 http://www.ajhg.org/AJHG ОТБОР ГЕНОТИПОВ У АЛКОГОЛИКОВ по гену ALDH (Юго Восточная Азия) генотипы: АЛКОГОЛИКИ Фермент не активен КОНТРОЛЬ Распространенность аллеля ALDH2*2 В других регионах аллель практически отсутствует Частота аллеля до 30% в ЮВ Азии Blood Acetaldehyde Concentrations of Han Chinese Men with Different ALDH2 Allelotypes (0.2 g/kg ethanol) Chen et al. Interaction between the functional polymorphisms of the alcohol-metabolism genes in protection against alcoholism. Am J Hum Genet 65:795-807, 1999 Гены ADH1B и ALDH2, кодирующе ферменты метаболизма алкоголя, полиморфны. Вариант ADH1B*48His кодирует высокоактивный фермент. ALDH2*504Lys кодирует каталитически неактивную субъединицу Алкогольдегидрогеназа Европа: Восточная Азия: Альдегиддегидрогеназа ADH1B*48Arg ALDH2*504Glu ADH1B*48His ALDH2*504Lys Географическое распределение частот аллелей ADH1B*48His Borinskaya et al., AJHG 2009 ALDH2*504Lys Li, Borinskaya et al., AHG 2009 МИКРОЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА АДАПТАЦИЯ К ПРИРОДНЫМ И АНТРОПОГЕННЫМ ФАКТОРАМ 15 000 лет назад население мира: 10 млн охотники-собиратели: 100% 1500 н.э. население мира: 350 млн охотники-собиратели: 1% 1960 население мира: 3 000 млн охотники-собиратели: 0.001% Bron: Times Atlas of Archaeology, p.78 Микроэволцюия: структура среды Природно-климатические факторы Биогенные факторы (доступность пищи, инфекции) Антропогенные факторы – оседлость, возрастание плотности населения, земледелие, скотоводство, развитие технологий хранения продуктов, усложнение структуры общества ПРАВИЛО БЕРГМАНА Если существует род, виды которого отличаются только величиной, тогда более мелкие виды этого рода будут тяготеть к более теплому климату, причем в точности в соответствии с их массой. Carl Bergmann, 1847 "Über die Verhältnisse der wärmeökonomie der Thiere zu ihrer Grösse." Göttinger Studien, Göttingen, 1847, 3 (1), 595-708. Вес тела (в кг) 70 Европа среднее Америка 60 ЮВ Азия 50 Африка 0 20 40 60 80 Среднегодовая температура (o F) D.F.Roberts. Body Weight, Race, and Climat // Am J Phys Anthropol 1953 11: 9 ПРАВИЛО БЕРГМАНА Зависимость веса тела и средней температуры в августе (1941-1970) у японцев Geographic Variation in Modern Japanese Somatometric Data and Its Interpretation. By M. KOUCHI. 1983. http://www.um.u-tokyo.ac.jp/publish_db/Bulletin/no22/no22004.html http://soil.msu.ru/~yes/ecology/Lection1.files/frame.htm Правило Аллена Животные, обитающие в областях с преобладающими низкими температурами, имеют, как правило, более короткие выступающие части тела (уши, лапы, хвост, нос) по сравнению с обитателями более теплых зон и областей. Д. Аллен (1877) Песец Заяц-беляк Обыкновенная лисица Толай Фенек Американский заяц Адаптация к климатическим условиям: правило Аллена для человека Чукчи – ср рост 164 см Масаи – ср рост 180-185 см Cерповидноклеточная анемия и малярия J.Buettner-Janusch, Physical Antropology: A perspective. 1973, John Wiley &Sons, Inc. Хемокиновый рецептор CCR5 является «посадочной площадкой» для входа HIV в клетку O’Brien, Nelsen, NatGenet 2004 ВИЧ-протективные мутации В генах CCR5, CCR2 и SDF1 Выживание после сероконверсии - two SDF1 + CCR - CCR - two SDF1 - one SDF1 - No mutations Популяционные частоты мутаций Годы Выборка 2587 ВИЧ-инфицированных индивидов, период наблюдений 1980 – 1995. O’Brien, 1998 по данным Winkler et al., Science 1998 SDF1 ССR2 CCR5 0 - 70 % 0 - 30 % 0 - 18 % Географическое распределение частоты ВИЧ-протективной мутации CCR5delta32 Svetlana A. Limborska Oleg P. Balanovsky aElena V. Balanovskaya Peter A. Slominsky Maria I. Schadrina Ludmila A. Livshits Sergey A. Kravchenko Vladimir M. Pampuha Elza K. Khusnutdinova Victor A. Spitsyn Analysis of CCR5delta32 Geographic Distribution and Its Correlation with Some Climatic and Geographic Factors// Hum Hered 2002;53:49– 54 Снижение риска инфицирования ВИЧ и летальности у гетерозигот по делеционному аллелю гена хемокинового рецептора CCR5del32: исследовании случая фокусной нозокомиальной ВИЧ-инфекции и мета-анализ Русские 1 Калмыки Выживаемость 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 Год Выживаемость детей (русские и калмыки), инфицированных ВИЧ в больницах Элисты и Ростова-на-Дону Боринская с соавт., Acta Naturae 2011 Мета-анализ 25 исследований: снижает ли гетерозиготность по CCR5del32 риск инфицирования? ВИЧ+ ВИЧ- Частота гетерозигот wt/del 0,3 0,2 0,1 0,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Отдельные исследования показали незначимость различий ВИЧ+ и ВИЧ- по частоте CCR5del32 Частота гетерозигот wt/CCR5del32 по отношению к гомозиготам wt/wt в выборках ВИЧ-инфицированных достоверно ниже, чем в контрольных выборках (p=0.0002 по двустороннему точному тесту Фишера). Боринская с соавт., Acta Naturae 2011 Риск инфицирования гетерозигот Samson et al., 1996 Morawetz et al., 1997 Zimmerman et al., 1997 Eugen-Olsen et al., 1997 Balotta et al., 1997 Stewart et al., 1997 Pastinen et al., 1998 Poljak et al., 1998 Alvarez et al., 1998 Казеннова и др., 1998 Шадрина и др, 2000 Ruiz et al., 2001 Barber et al., 2001 Barabás et al., 2002 Рябов и др., 2002 Phillpot et al., 2003 Bogner et al., 2004 Liu et al., 2004 Wasik et al., 2005 Trecarichi et al., 2006 Adojaan et al., 2007 Oh et al., 2008 Takácová et al., 2008 Parczewski et al., 2009 Наст. работа, русские MH-среднее 0 1 2 OR 3 4 5 OR=1.22, 95%CI=1.10-1.36. Устойчивость: необходимо добавить 28 исследований, в которых частоты генотипов не различались бы между выборками пациентов и контроля, чтобы итоговое значение эффекта снизилось до незначимого уровня. Боринская с соавт., Acta Naturae 2011 Зависимость величины эффекта (OR) от состава выборок, вошедших в мета-анализ (funnel-plot - "график-воронка"). Сильная асимметрия этого графика может указывать на избирательную представленность данных в публикациях (publication bias). 600 300 Объем выборки Объем выборки 400 200 100 0 400 200 0 0 0.5 1 1.5 2 OR Гипотетическое распределение исследований по размеру изученных выборок и силе эффекта Боринская с соавт., Acta Naturae 2011 0 0,5 1 1,5 OR 2 2,5 Распределение 25 исследований асимметрия незначима 3 Сила отбора Зависимость величины эффекта от степени риска и возможной генетической гетерогенности признака Неинфицированные пациенты группы высокого риска Частота гомозигот del32 / del32 Количество индивидов Лит. MSM 4.5% 5 из 111 Zimmerman et al., 1997 Больные гемофилией 16.3% 7 из 43 Salkowitz et al., 2001 Популяции европеоидов 1-2% Изученная группа Р=0.038 по двустороннему тесту Фишера Balanovsky et al., 2005 ГЕН ЛАКТАЗЫ LCT: способность усваивать молоко детьми и взрослыми (доминантный аллель Т в промоторе гена лактазы) Первичная гиполактазия – генетически детерминированное снижение активности гена лактазы у части взрослых 100% Симптомы при употреблении >200 мл молока: 15% Доля индивидов с высокой активностью лактазы 35%50% 98% Взрослые Финны Русские Японцы тошнота, диаррея, метеоризм, боли в животе и др. Персистенция лактазы является генетически гетерогенным признаком и обусловлена носительством производных аллелей в регуляторном участке гена LCT Сев.Африка Европа Африка и Ближний Восток По статье: Tishkoff et al.,. Convergent adaptation of human lactase persistence in Africa and Europe // Nat. Genet. 2007 РНК-мир и возникновение жизни МУТАЦИИ В ГЕНЕ МИОСТАТИНА Выявлена мутация в гене миостатина у породы овец тексель (Texel), имеющих повышенную продукция мышечной массы. Однонуклеотидная замена приводит к появлению участка распознавания miR-1 в 3'-UTR мРНК миостатина. В результате понижается уровень синтеза миостатина, негативно регулирующего рост мышечной ткани Clop et al., 2006. "A mutation creating a potential illegitimate microRNA target site in the myostatin gene affects muscularity in sheep.". Nat Genet 38 (7): 813–8 РНК-мир и возникновение жизни МУТАЦИИ В ГЕНЕ МИОСТАТИНА Ребенок 2 года, США Ребенок 7 мес, Германия Знаменитый бодибилдер Flex Wheeler (род. 1965 в США) с врожденной мутацией гена миостатина . Из 62 обследованных мужчин с необычайно высокой мышечной массой у 9 были найдены мутации в гене миостатина. Образование гамет у эмбриона 5 нед – 6-7 млн к рождению – 2 млн Естественный отбор действует на разных стадиях онтогенеза Пубертат: Покоящиеся яйцеклетки (300 000) Зрелые яйцеклетки (100-400) Оплодотворенные яйцеклетки Имплантированные эмбрионы Здоровые новорожденные 60% в доиндустриальных обществах Достигшие половой зрелости Proceedings of the Nutrition Society (2005), 64:153-161 Бесплодные 20% Население мира Global Population, bln 10 РЕЗКОЕ СНИЖЕНИЕ ЧИСЛЕННОСТИ МОЖЕТ МЕНЯТЬ ЧАСТОТЫ ВАРИАНТОВ ГЕНОВ В НЕСКОЛЬКО РАЗ ЗА ОДНО ПОКОЛЕНИЕ 1 0.1 0.01 -40 -30 -20 -10 0 10 20 Century AD Колебания численности населения Китая за 2000 лет Han Sui Tang Song Yuan Ming Peter Turchin, 2002 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !
