Ερευνητικοί σχεδιασμοί στη

γενετικήεπιδημιολογία

Ευαγγελία Η. Ντζάνη, MD, PhDΕπίκουρη Καθηγήτρια Υγιεινής με έμφαση στην Επιδημιολογία

Εργαστήριο Υγιεινής & ΕπιδημιολογίαςΙατρική Σχολή Πανεπιστημίου Ιωαννίνων

Σύγκρουσησυμφερόντων

Ουδέν

Επιδημιολογίακαιστάδιαμεταφραστικήςέρευνας

Khoury M, et al. Am J Epidemiol 2010;172:517–524

Σχέση φαινότυπου-γονότυπου

Η μελέτη της συμβολής του γενετικού υποστρώματος και της γενετικής ποικιλομορφίας στην ανθρώπινη νοσηρότητα• Αίτια• Πρόγνωση• Ανταπόκριση στη θεραπεία• …

ΓενετικήΕπιδημιολογία

• 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, …)

Ιστορία

Εξατομικευμένη

• Διάγνωση

• Πρόγνωση

• Θεραπεία

…Μεγάλεςπροσδοκίες

• Εύρος γονιδιώματος: 3,3 x 106 bp• 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• …

Βασικές γνώσεις γενετικής Ι

• 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

Βασικές γνώσεις γενετικής ΙΙ

1ος νόμοςMendel

2 ος νόμοςMendel

…Όχιακριβώς

• 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

Βασικές γνώσεις γενετικής ΙΙΙ

• 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

Γενετική επιδημιολογία

• Αυτοσωμική επικρατούσα• Αυτοσωμική υπολειπόμενη• Φυλοσύνδετη• Σύνθετη• Anticipation

‘ ’ Παραδοσιακοί τρόποικληρονομικότητας

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

• Μονογονιδιακά νοσήματα (Μεντελιανά)• Μεσογειακή αναιμία• Δρεπανοκυτταρική αναιμία

• Χρωμοσωμιακές ανωμαλίες• Σύνδρομο Down, Turner, Kleinefelter

• Σύνθετα νοσήματα• ΣΔ• Παχυσαρκία• ADHD

• Επίκτητα σωματικά γενετικά νοσήματα • Κακοήθειες

Γενετικάνοσήματα

Δομημένηαναζήτησηγενετικούυπόβαθρου

• 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

Μεντελιανά χαρακτηριστικά

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

Μεντελιανάνοσήματα

• 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

Γονίδιαυπεύθυναγιαμεντελιανάνοσήματα

• 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

Γονίδιαυπεύθυναγιαμεντελιανάνοσήματα

• 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

Ανίχνευσηγονιδίωνυπεύθυνωνγιαμεντελιανά νοσήματα

Positional cloning

• ΣΔ, ΣΝ, Alzheimer’s, Parkinson’s, οστεοαρθρίτιδα, …

• Ο τελικός φαινότυπος καθορίζεται από πολλά γονίδια.

• Η συμβολή κάθε γονιδίου είναι συνήθως μικρή (OR < 1.5)

Νοσήματασύνθετηςκληρονομικότητας

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)

…Αλλάκαι• Μελέτες γενετικών αλληλεπιδράσεων

• Μελέτες αλληλεπιδράσεων γονιδίων και περιβάλλοντος

• Μελέτες Μεντελιανής τυχαιοποίησης

• Μελέτες γενετικής έκφρασης

• …

• Μελέτες ασθενών-μαρτύρων (case-control)

• Προοπτικές κοόρτες (prospective cohorts)

• Αναδρομικές κοόρτες (retrospective cohorts)

• Συγχρονικές μελέτες (cross-sectional)

• Εμφωλεασμένες μελέτες (nested)

Επιδημιολογικοίσχεδιασμοίμελετών γενετικήςσυσχέτισηςσύνθετωννοσημάτων

• Μια ομάδα ασθενών με τις συχνότητες γονοτύπων και αλληλίων τους

και

• Μια ομάδα ‘υγιών’ ατόμων με τις συχνότητες γονοτύπων και αλληλίων τους

Βασικόςσχεδιασμός

Βασικόςσχεδιασμός

Βασικόςσχεδιασμός

Μοριακήπληροφορία ευρείαςκλίμακας Αδράδεδομένα

• 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.

ΓενετικήεπιδημιολογίαFishing 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)

• Αληθής συσχέτιση

• Έμμεση συσχέτιση λόγω ανισορροπίας σύνδεσης (linkage disequilibrium)

• Συσχέτιση λόγω τύχης

• Συσχέτιση λόγω συστηματικού σφάλματος

• Συσχέτιση λόγω τύχης και συστηματικού σφάλματος

Είδησυσχέτισης

Αληθήςσυσχέτιση vs. Συστηματικούσφάλματος

Ntzani EE, at al. AJE 2007;165:973–984

• Μικρά μεγέθη δείγματος

• Μικρά μεγέθη σχέσης

• Μεγάλος αριθμός γενετικών δεικτών

• Αδυναμία επικύρωσης

Παλιάκαι νέαπροβλήματα

Ασθενείςσχέσεις

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

Αδυναμία επικύρωσης

Ioannidis et al. Nat Genet 2001

…Όχιπάντα

Ioannidis et al. Nat Genet 2001

Φυλετικέςδιαφορές

Ioannidis et al. Nat Genet 2004

Publication bias

Genome-wide association studies GWAS

Genome-wide association studies GWAS

• Ταυτόχρονη (συν)εκτίμηση εκατομμυρίων επιδημιολογικών σχέσεων

• Μικρό (πια) κόστος

• Μεγάλη ταχύτητα

• Τεράστιο (;) μέγεθος δείγματος

Genome-wide association studies GWAS

;Ψύλλοισταάχυρα

Estrada K, et al. Nat Genet 2012

Estrada K, et al. Nat Genet 2012

: Ιεράρχησητεκμηρίων τακριτήρια τηςΒενετίας (IJE, 2008)

1ο γράμμα = ποσότητα2ο γράμμα = επικύρωση3ο γράμμα = προστασία από συστηματικό σφάλμα

: Ιεράρχησητεκμηρίων τακριτήρια τηςΒενετίας (IJE, 2008)

Πηγέςσυστηματικούσφάλματος Επίπεδομελέτης

• Βιολογική αιτιότητα

• Συστηματικό σφάλμα επιλογής (selection bias)

• Συστηματικό σφάλμα φάσματος νόσου (spectrum of disease bias)

• …..

Πηγέςσυστηματικούσφάλματος Επίπεδοπεδίου

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) …

-Συνασπισμοί και μεγακοόρτες• Συνάθροιση δεδομένων από πολλαπλές κοόρτες• Μεγέθη δείγματος έως και 1 εκατομμυρίου συμμετεχόντων• Χρήση (υπαρχόντων) δεδομένων συστημάτων υγείας Kaiser

Permanente• Σύνδεση βιολογικών δεικτών με ηλεκτρονικά δεδομένα σχετικά με

την υγεία (electronic health record data)• Ζητήματα χρηματοδότησης, διαχείρισης, εναρμόνισης και

ανάλυσης δεδομένων

Published meta-analysis vs. consortia

Janssens ACJW, et al. Genet Med 2009;11:153-62

ΣυνόψειςπεδίουDNA repair genes and various cancer types

• 240 associations • 1087 datasets• 15 nominally significant associations for 10 genes • 1 association: modest credibility

13 associations: weak credibility.

further study

Vineis P et al. J Natl Cancer Inst 2009;101:24-36

Risk of Bladder, Breast, Colorectal, Esophageal, and Gastric Cancer and Glioma by Genetic Variants

Dong, L. M. et al. JAMA 2008;299:2423-2436

Μεταφραστική έρευνα

“Translational research means different things to different people, but it seems important to almost everyone.”

S. H. Woolf

ΜεταφραστικήΕπιδημιολογία(Translational Epidemiology)

Khoury M, et al. Am J Epidemiol 2010;172:517–524

Επιδημιολογίακαιστάδιαμεταφραστικήςέρευνας

Khoury M, et al. Am J Epidemiol 2010;172:517–524

Fishing takes patience…

• A failure???

• Inherent in research?

• A few ‘positive’ results OR thousands of ‘negative’ results?

Triumphs in a row…

•A triumph of biotechnology

• A triumph of bioinformatics

• A triumph of modelling and inference methodology

• A triumph of personalized medicine

A hype cycle…

Ευχαριστίες

John PA Ioannidis Evangelos Evangelou Orestis Panagiotou Georgia Salanti Joanna Tzoulaki Kostas Tsilidis Gianis Dimoliatis Athina Tatsioni Maria Chondrogiorgi Giorgos Ntritsos Maria Pappa Xanthippi Tseretopoulou