Ген-кандидат - Candidate gene
Ген - кандидат подход к проведению генетической ассоциации исследований фокусируется на ассоциаций между генетической изменчивости в пределах предварительно определенных генов , представляющих интерес, и фенотипы или болезненных состояний. Это контрастирует с общегеномными ассоциативными исследованиями (GWAS), которые сканируют весь геном на предмет общих генетических вариаций. Гены-кандидаты чаще всего выбираются для изучения на основе априорных знаний о биологическом функциональном воздействии гена на рассматриваемый признак или заболевание. Обоснование сосредоточения внимания на аллельных вариациях в конкретных, биологически значимых областях генома заключается в том, что определенные мутации будут напрямую влиять на функцию рассматриваемого гена и вести к исследованию фенотипа или болезненного состояния. Этот подход обычно использует дизайн исследования случай-контроль, чтобы попытаться ответить на вопрос: «Является ли один аллель гена-кандидата более часто встречающимся у субъектов с заболеванием, чем у субъектов без заболевания?» Гены-кандидаты, предположительно связанные со сложными признаками , обычно не воспроизводились последующими GWAS. Неспособность исследований генов-кандидатов пролить свет на конкретные гены, лежащие в основе таких признаков, приписывают недостаточной статистической мощности .
Выбор
Подходящие гены-кандидаты обычно выбираются на основе известной биологической, физиологической или функциональной значимости для рассматриваемого заболевания. Этот подход ограничен тем, что он полагается на существующие знания об известной или теоретической биологии болезни. Тем не менее, молекулярные инструменты позволяют понять механизмы заболевания и точно определить потенциальные области генома, представляющие интерес. Полногеномные исследования ассоциации (GWAS) и картирование локуса количественных признаков (QTL) исследуют общие вариации во всем геноме и, как таковые, могут обнаруживать новую интересующую область, которая находится в или рядом с потенциальным геном-кандидатом. Данные микроматрицы позволяют исследователям изучить дифференциальную экспрессию генов между случаями и контролями и могут помочь точно определить новые потенциальные гены, представляющие интерес.
Большая изменчивость между организмами иногда может затруднить отличить нормальную вариацию однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) от гена-кандидата с вариацией, связанной с заболеванием. При анализе больших объемов данных существует несколько других факторов, которые могут помочь в выборе наиболее вероятного варианта. Эти факторы включают приоритеты в SNP, относительный риск функциональных изменений генов и неравновесие по сцеплению между SNP.
Кроме того, доступность генетической информации через онлайн-базы данных позволяет исследователям анализировать существующие данные и сетевые ресурсы для поиска новых мишеней для генов-кандидатов. Для исследования генов у разных видов доступно множество онлайн-баз данных.
- Ген - одна из таких баз данных, которая позволяет получить доступ к информации о фенотипах, путях и вариациях многих генов у разных видов.
- При изучении функциональности между генами в путях, Консорциум генных онтологий может помочь сопоставить эти отношения. Проект GO описывает генные продукты тремя разными способами независимо от вида: биологические процессы, клеточные компоненты и молекулярные функции. Использование этой информации может расширить априорное знание пути и, таким образом, помочь выбрать наиболее вероятный вовлеченный ген-кандидат.
- Topp Gene - еще одна полезная база данных, которая позволяет пользователям определять приоритеты генов-кандидатов с помощью функциональных аннотаций или сетевого анализа. ToppGene помогает исследователям выбрать подмножество вероятных генов-кандидатов из более крупных наборов генов-кандидатов, вероятно, обнаруженных с помощью высокопроизводительных геномных технологий.
- Lynx - это интегрированная платформа системной биологии, которая позволяет пользователям определять приоритеты генов-кандидатов, используя как функциональные аннотации, так и сети парных ассоциаций генов. Lynx предоставляет два сложных инструмента приоритизации, Cheetoh и PINTA, чтобы помочь пользователям выбирать гены-кандидаты из всего генома на основе соответствия входному списку генов, который может быть списком известных генов, способствующих определенному заболеванию или фенотипу, или дифференциально экспрессируемого гена из следующего технология секвенирования генерации РНК .
До подхода гена-кандидата
До того, как подход генов-кандидатов был полностью разработан, для идентификации генов, связанных с болезненными состояниями, использовались различные другие методы. Эти методы изучали генетическое сцепление и позиционное клонирование с помощью генетического скрининга и были эффективны при идентификации генов относительного риска при менделевских заболеваниях . Однако эти методы не так полезны при изучении сложных заболеваний по нескольким причинам:
- Сложные заболевания, как правило, различаются по возрасту начала и степени тяжести. Это может быть связано с вариацией пенетрантности и выразительности . Для большинства заболеваний человека вариативная выраженность фенотипа болезни является нормой. Это затрудняет выбор одной конкретной возрастной группы или фенотипического маркера для изучения.
- Истоки сложного заболевания связаны с множеством биологических путей, некоторые из которых могут различаться в зависимости от фенотипа заболевания.
- Наиболее важно то, что сложные заболевания часто демонстрируют генетическую гетерогенность - можно найти несколько генов, которые взаимодействуют друг с другом и создают одно болезненное состояние. Часто каждый отдельный ген частично отвечает за продуцируемый фенотип и общий риск заболевания.
Несмотря на недостатки исследований по анализу сцепления, они, тем не менее, полезны в предварительных исследованиях для выделения генов, связанных с заболеванием.
Критика
Изучение генов-кандидатов направлено на то, чтобы сбалансировать использование данных, пытаясь свести к минимуму вероятность получения ложноположительных или отрицательных результатов. Поскольку этот баланс часто может быть трудным, есть несколько критических замечаний в отношении подхода с генами-кандидатами, которые важно понять, прежде чем начинать такое исследование. Например, было показано, что подход с использованием генов-кандидатов приводит к высокому уровню ложноположительных результатов, что требует очень осторожного отношения к результатам отдельных генетических ассоциаций.
Одна критика заключается в том, что результаты ассоциаций в исследованиях генов-кандидатов нелегко воспроизвести в последующих исследованиях. Например, недавнее исследование 18 хорошо изученных генов-кандидатов на депрессию (10 публикаций или более в каждом) не выявило какой-либо значительной связи с депрессией, несмотря на то, что использовались выборки на несколько порядков больше, чем из исходных публикаций. Помимо статистических проблем (например, недостаточно эффективных исследований), эту несогласованность часто обвиняли в расслоении населения ; поэтому следует также проявлять осторожность в отношении критериев, определяющих определенный фенотип, а также других вариаций дизайна исследования.
Кроме того, поскольку эти исследования включают априорное знание, некоторые критики утверждают, что наших знаний недостаточно, чтобы делать прогнозы. Следовательно, результаты, полученные с помощью этих «основанных на гипотезах» подходов, зависят от способности выбирать вероятных кандидатов из генома, а не от использования анонимного подхода. Ограниченные знания о сложном заболевании могут привести к «информационному узкому месту», которое можно преодолеть с помощью сравнительной геномики у разных видов. Эту предвзятость также можно преодолеть путем тщательного выбора генов на основе того, какие факторы с наибольшей вероятностью участвуют в фенотипе.
Эти критические замечания важно помнить при рассмотрении их экспериментального подхода. Применительно к любому другому научному методу подход к генам-кандидатам сам по себе подвергается критике, но все же доказал, что он является мощно эффективным инструментом для изучения генетического состава сложных признаков .
Использование в научных исследованиях
Подход с использованием генов-кандидатов является мощным инструментом для изучения сложных заболеваний, особенно если его ограничения преодолеваются широким дополнительным подходом. Одним из самых ранних успехов в этой области было найти одну базовую мутацию в некодирующей области в APOC3 (аполипопротеина C3 гена) , что связано с более высоким риском гипертриглицеридемии и атеросклероза . В исследовании Кима и др. Гены, связанные с признаком ожирения как у свиней, так и у людей, были обнаружены с использованием сравнительной геномики и хромосомной наследственности. Используя эти два метода, исследователи смогли преодолеть критику, что исследования генов-кандидатов сосредоточены исключительно на предшествующих знаниях. Сравнительная геномика была завершена путем изучения локусов количественных признаков как человека, так и свиньи с помощью метода, известного как анализ комплексных признаков на уровне всего генома (GCTA), который позволил исследователям затем сопоставить генетическую дисперсию с конкретными хромосомами. Это позволило параметру наследуемости обеспечить понимание того, где фенотипические вариации были в определенных хромосомных областях, таким образом распространившись на маркеры-кандидаты и гены в этих областях. В других исследованиях могут также использоваться вычислительные методы для поиска генов-кандидатов широко распространенным, дополняющим образом, например, одно исследование Tiffin et al. изучение генов, связанных с диабетом 2 типа .
Многие исследования аналогичным образом использовали гены-кандидаты как часть междисциплинарного подхода к изучению признака или фенотипа. Один из примеров манипулирования генами-кандидатами можно увидеть в исследовании, проведенном Мартином Э. Федером по белкам теплового шока и их функциям у Drosophila melanogaster . Федер разработал целостный подход к изучению Hsp70 , гена-кандидата, который, как предполагалось, играет роль в адаптации организма к стрессу. D. melanogaster - очень полезный модельный организм для изучения этого признака, поскольку он может поддерживать различные генетические подходы к изучению гена-кандидата. Различные подходы, использованные в этом исследовании, включали как генетическую модификацию гена-кандидата (с использованием сайт-специфической гомологичной рекомбинации и экспрессии различных белков), так и изучение естественной вариации Hsp70 . Он пришел к выводу, что результаты этих исследований дали многогранный взгляд на Hsp70 . Манипуляции с генами-кандидатами также наблюдаются в исследовании Каспара Чейтера происхождения и функции устьиц у Physcomitrella patens , мха. PpSMF1 , PpSMF2 и PpSCRM1 были тремя генами-кандидатами, которые были отключены путем гомологичной рекомбинации, чтобы увидеть какие-либо изменения в развитии устьиц. В эксперименте с нокдауном Chater обнаружил, что PpSMF1 и PpSCRM1 ответственны за развитие устьиц у P. patens. Путем разработки и модификации этих генов-кандидатов они смогли подтвердить, каким образом этот ген был связан с измененным фенотипом. Понимание естественного и исторического контекста, в котором действуют эти фенотипы, путем изучения естественной структуры генома дополнило это.