Ερευνητικοί σχεδιασμοί στη γενετική επιδημιολογία

1. Ερευνητικοί σχεδιασμοί στη γενετική επιδημιολογία Ευαγγελία Η. Ντζάνη, MD, PhDΕπίκουρη Καθηγήτρια Υγιεινής με έμφαση στην Επιδημιολογία Εργαστήριο Υγιεινής & Επιδημιολογίας Ιατρική Σχολή Πανεπιστημίου Ιωαννίνων

2. Σύγκρουση συμφερόντων Ουδέν

3. Επιδημιολογία και στάδια μεταφραστικής έρευνας Khoury M, et al. Am J Epidemiol 2010;172:517–524

4. Γενετική Επιδημιολογία Σχέση φαινότυπου-γονότυπου Η μελέτη της συμβολής του γενετικού υποστρώματος και της γενετικής ποικιλομορφίας στην ανθρώπινη νοσηρότητα • Αίτια • Πρόγνωση • Ανταπόκριση στη θεραπεία • …

5. Ιστορία • Μέχρι το 1980, ήταν αδύνατη η συσχέτιση φαινοτύπου-γονοτύπου, λόγω τεχνολογικής αδυναμίας • Πρώτες επιτυχίες: ανίχνευση του γενετικού υπόβαθρου μονογονιδιακών νοσημάτων (κυστική ίνωση, αιμοχρωμάτωση, δυσανεξία στη λακτόζη…)  πάνω από 2.000 γονίδια μέχρι σήμερα • Μελλοντικές επιτυχίες: εξακρίβωση του γενετικού υπόβαθρου σύνθετων νοσημάτων (ΣΔ, στεφανιαία νόσος, …)

6. Μεγάλες προσδοκίες… Εξατομικευμένη • Διάγνωση • Πρόγνωση • Θεραπεία

7. Βασικές γνώσεις γενετικής Ι • Εύρος γονιδιώματος: 3,3 x 106bp • 3% κωδικοποιούμενες αλληλουχίες • 30.000 – 40.000 γονίδια με πρωτεϊνικό προϊόν • 99,9% του γονιδιώματος 2 μη-συγγενών ατόμων είναι πανομοιότυπο. • Στοιχεία γενετικής ποικιλομορφίας • SNPs • Synonymous • Non-synonymous (κωδικοποιούμενοι) • Μικροδορυφορικοί δείκτες • …

8. Βασικές γνώσεις γενετικής ΙΙ • 46 χρωμοσώματα (22 ζεύγη αυτοσωμικών συν 2 χρωμοσώματα φύλου) • Ένα από τη μαμά, ένα από το μπαμπά • Γονίδια με την ίδια σειρά (συνήθως) • Γενετική ποικιλομορφία σε επίπεδο αλληλουχιών

9. 1ος νόμος Mendel

10. 2ος νόμος Mendel

11. Όχι ακριβώς…

12. Βασικές γνώσεις γενετικής ΙΙΙ • Χαρτογράφηση γονιδίων  χρήση της αρχής του ανασυνδυασμού • Όσο πιο μακριά βρίσκονται 2 γονίδια, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα μονού αριθμού ανασυνδυασμών μέχρι max 50%. • Κλάσμα των ανασυνδυασμών (ποσοστό μειώσεων που οδηγούν σε ανασυνδυασμό)  δείκτης της απόστασης των δύο γονιδίων • 1 centimorgan⋍ 1 billion bases

13. Γενετική επιδημιολογία • Η μελέτη της επίδρασης του γονιδιώματος και της ποικιλομορφίας του στην ανθρώπινη νοσηρότητα θα ήταν πολύ εύκολη αν ακολουθούσε τους νόμους του Mendel ... αλλά Η σύνθεση του γονιδιώματος είναι πολύ πιο πολύπλοκη και πολλά νοσήματα εμφανίζουν σύνθετη κληρονομικότητα

14. ‘Παραδοσιακοί’ τρόποι κληρονομικότητας • Αυτοσωμική επικρατούσα • Αυτοσωμική υπολειπόμενη • Φυλοσύνδετη • Σύνθετη • Anticipation

15. Manolio TA et al. Nature. 2009; 461: 747–753.

16. Γενετικά νοσήματα • Μονογονιδιακά νοσήματα (Μεντελιανά) • Μεσογειακή αναιμία • Δρεπανοκυτταρική αναιμία • Χρωμοσωμιακές ανωμαλίες • Σύνδρομο Down, Turner, Kleinefelter • Σύνθετα νοσήματα • ΣΔ • Παχυσαρκία • ADHD • Επίκτητα σωματικά γενετικά νοσήματα • Κακοήθειες

17. Δομημένη αναζήτηση γενετικού υπόβαθρου

18. Μεντελιανά χαρακτηριστικά • Χαρακτηριστικά ή ασθένειες που υπόκεινται στους νόμους του Mendel • μονογονιδιακά νοσήματα  ο τελικός φαινότυπος καθορίζεται από ένα ζεύγος γονιδίων ≠ ‘σύνθετα’ νοσήματα  ο τελικός φαινότυπος καθορίζεται από πολλά γονίδια

19. Μεντελιανά νοσήματα • Η μεγαλύτερη πρόοδος έως τώρα στην γενετική με πρακτικό – κλινικό αντίκτυπο. • Διάγνωση • Πρόγνωση • Προγεννητική διάγνωση • Θεραπεία

20. Γονίδια υπεύθυνα για μεντελιανά νοσήματα • Η απόλυτη απόδειξη είναι η ανίχνευση της ‘ένοχης’ μετάλλαξης  όχι τόσο συχνό • ‘Αθώοι’ πολυμορφισμοί σε στενή ανισορροπία σύνδεσης  συγχυτικοί παράγοντες • Μελέτη πολλαπλών οικογενειών/ασθενών • Μελέτες γονιδιακής έκφρασης

21. Γονίδια υπεύθυνα για μεντελιανά νοσήματα • Τα Μεντελιανά νοσήματα σχετίζονται με δομικές αλλαγές των πρωτεϊνών  αλλαγές σε κωδικοποιούμενες αλληλουχίες • Στενή σχέση μεταξύ της σοβαρότητας της βλάβης της πρωτεΐνης και της πιθανότητας κλινικής εμφάνισης • Στενή σχέση μεταξύ της παρουσίας μετάλλαξης που επιδρούν σε αλληλουχίες αμινοξέων που διατηρούνται κατά την εξέλιξη • Όσο πιο βαριά είναι η βλάβη στο γονίδιο, τόσο πιο σοβαρός είναι ο κλινικός φαινότυπος

22. Ανίχνευση γονιδίων υπεύθυνων για μεντελιανά νοσήματα Positional cloning • Ομάδες οικογενειών όπου υπάρχει το νόσημα και οι οποίες έχουν εξεταστεί εκτενώς ως προς τον φαινότυπο και τις παραλλαγές του • Όσο πιο ‘καθαρός’ είναι ο φαινότυπος, τόσο πιο εύκολο είναι να βρεις το γονίδιο. • Ανάγκη διευκρίνισης της ομάδας ασθενών που έχει την πιο ισχυρή σχέση (π.χ. γονίδιο BRCA1 και καρκίνος του μαστού) • Πάντα ανεξάρτητη επικύρωση

23. Νοσήματα σύνθετης κληρονομικότητας • ΣΔ, ΣΝ, Alzheimer’s, Parkinson’s, οστεοαρθρίτιδα, … • Ο τελικός φαινότυπος καθορίζεται από πολλά γονίδια. • Η συμβολή κάθε γονιδίου είναι συνήθως μικρή (OR < 1.5)

24. Σχεδιασμοί μελετών γενετικής επιδημιολογίας • Μελέτες κληρονομικότητας • Μελέτες γενετικής σύνδεσης (Linkage analysis studies) • Μελέτες γονιδίου – στόχου (Candidate gene studies) • Μελέτες σάρωσης του γονιδιώματος (Genome-wide association studies) • Μελέτες καταγραφής αλληλουχιών (Sequencing studies)

25. Αλλά και… • Μελέτες γενετικών αλληλεπιδράσεων • Μελέτες αλληλεπιδράσεων γονιδίων και περιβάλλοντος • Μελέτες Μεντελιανήςτυχαιοποίησης • Μελέτες γενετικής έκφρασης • …

26. Επιδημιολογικοί σχεδιασμοί μελετών γενετικής συσχέτισης σύνθετων νοσημάτων • Μελέτες ασθενών-μαρτύρων (case-control) • Προοπτικές κοόρτες (prospective cohorts) • Αναδρομικές κοόρτες (retrospective cohorts) • Συγχρονικές μελέτες (cross-sectional) • Εμφωλεασμένες μελέτες (nested)

27. Βασικός σχεδιασμός • Μια ομάδα ασθενών με τις συχνότητες γονοτύπων και αλληλίων τους και • Μια ομάδα ‘υγιών’ ατόμων με τις συχνότητες γονοτύπων και αλληλίων τους

28. Βασικός σχεδιασμός

29. Βασικός σχεδιασμός

30. Μοριακή πληροφορία ευρείας κλίμακαςΑδρά δεδομένα • 1000 Genomes Project: 4,9 τρισεκατομμύρια βάσεις • Τουλάχιστον 40 μεγα-βάσεις πληροφορίας πρωτεϊνικής φύσης • www.reactome.org  3.916 πρωτεΐνες, 2.955 πρωτεϊνικά συμπλέγματα, 3.541 πρωτεϊνικές αντιδράσεις, 1.045 βιολογικές οδοί για τον Homo sapiens.

31. Γενετική επιδημιολογίαFishing in a sea of data… ~ 20,000,000 σημεία γενετικής ποικιλομορφίας > 100 ‘σύνθετα’ νοσήματα ~ 10 εκβάσεις σχετιζόμενες με κάθε νόσημα ~ 10 υπο-πληθυσμούς > 3 δυνατές συγκρίσεις > 600,000,000,000 πιθανές γενετικές συσχετίσεις (αγνοώντας αλληλεπιδράσεις GxG ή GxE)

32. Είδη συσχέτισης • Αληθής συσχέτιση • Έμμεση συσχέτιση λόγω ανισορροπίας σύνδεσης (linkage disequilibrium) • Συσχέτιση λόγω τύχης • Συσχέτιση λόγω συστηματικού σφάλματος • Συσχέτιση λόγω τύχης και συστηματικού σφάλματος

33. Αληθής συσχέτιση vs. Συστηματικού σφάλματος Ntzani EE, at al. AJE 2007;165:973–984

34. Παλιά και νέα προβλήματα • Μικρά μεγέθη δείγματος • Μικρά μεγέθη σχέσης • Μεγάλος αριθμός γενετικών δεικτών • Αδυναμία επικύρωσης

35. Ασθενείς σχέσεις Ioannidis, JP et al. Am J Epidemiol 2006;164(7):609-14

36. Αδυναμία επικύρωσης Ioannidis et al. Nat Genet2001

37. Όχι πάντα… Ioannidis et al. Nat Genet2001

38. Φυλετικές διαφορές Ioannidis et al. Nat Genet2004

39. Publication bias

40. Genome-wide association studies GWAS

41. Genome-wide association studies GWAS

42. Genome-wide association studies GWAS • Ταυτόχρονη (συν)εκτίμηση εκατομμυρίων επιδημιολογικών σχέσεων • Μικρό (πια) κόστος • Μεγάλη ταχύτητα • Τεράστιο (;) μέγεθος δείγματος

43. Ψύλλοι στα άχυρα;

44. Estrada K, et al. Nat Genet 2012

45. Estrada K, et al. Nat Genet 2012

46. Ιεράρχηση τεκμηρίων: τα κριτήρια της Βενετίας(IJE, 2008) 1ο γράμμα = ποσότητα 2ο γράμμα= επικύρωση 3ο γράμμα= προστασία από συστηματικό σφάλμα

48. Ιεράρχηση τεκμηρίων: τα κριτήρια της Βενετίας(IJE, 2008)

49. Πηγές συστηματικού σφάλματοςΕπίπεδο μελέτης Βιολογική αιτιότητα Συστηματικό σφάλμα επιλογής (selection bias) Συστηματικό σφάλμα φάσματος νόσου (spectrum of disease bias) …..

50. Πηγές συστηματικού σφάλματοςΕπίπεδο πεδίου • Συστηματικό σφάλμα επιλεκτικής αναφοράς (selective reporting bias) • Συστηματικό σφάλμα χρονικής υστέρησης (time-lag bias) • Συστηματικό σφάλμα δημοσίευσης (publication bias) • Συστηματικό σφάλμα επιδίωξης στατιστικής σημαντικότητας (significance chasing bias) • …