Персональная геномика: пора наводить порядок

В октябрьском номере журнала “Nature” опубликована подборка материалов о состоянии рынка генетического анализа.

Отрасль услуг по персональному генетическому тестированию развивается так стремительно, что регулирующие органы не успевают контролировать деятельность работающих в этом направлении компаний. На сегодняшний день уже не один десяток фирм предлагают недорогие диагностические наборы для домашнего использования. Проанализировать геном чрезвычайно просто: вы заказывается в Интернете набор для получения пробы и отсылаете по почте пробирку с образцом слюны или соскобом слизистой оболочки щеки. Через несколько недель на сайте компании вы можете ознакомиться с вашим персональным списком рисков заработать различные заболевания, составленным на основе результатов сканирования от пятисот тысяч до миллиона генетических маркеров и анализа их комбинаций.

Однако ценность такого тестирования до сих пор вызывает споры. Именно поэтому отрасль остро нуждается в строгих нормативах, которые сослужат хорошую службу не только здоровью клиентов, но и репутации самих компаний.

В сентябре Комиссия по генетике человека Великобритании издала свод принципов, целью которого является помощь клиентам компаний, занимающихся генетическим тестированием, и повышение качества услуг по персональной геномике. Однако эти принципы относятся преимущественно к рекламе, которая должна содержать достоверную информацию об ограниченности возможностей генетического тестирования, в том числе тот факт, что полученные результаты нельзя приравнивать к медицинским диагнозам.

Рано или поздно правительству все равно придется вмешаться в ситуацию, так как саморегулирование отрасли не обеспечивает достаточной защиты прав потребителя. Учитывая невероятную скорость развития отрасли, представителям правительства предстоит трудная работа, а предлагающим ДНК-тестирование компаниям тем временем следует принять правила игры и предоставлять клиентам только клинически ценную информацию, сопровождаемую подробным объяснением неясных моментов.

Со временем стоимость подобных услуг будет неизбежно снижаться, а их популярность, соответственно, – расти. Однако, одновременно с ростом количества людей, желающих получить достоверную информацию о нуждающихся во внимании аспектах их здоровья, снижается уровень точности предоставляемых данных. Причина этого кроется в том, что постоянно ведущиеся полногеномные ассоциативные исследования выявляют все новые маркеры риска развития различных заболеваний, что все больше усложняет интерпретацию получаемых данных. В частности, исследователи часто уделяют слишком много внимания маркерам, не являющимся наиболее показательными для сложных признаков.

На сегодняшний день идентифицировано более 1000 вариантов генов, ассоциированных с различными признаками и заболеваниями. На основании этих данных компании предлагают желающим ДНК-тестирование, открывающее секреты их генотипа. Такая информация представляет большую ценность с точки зрения повышения эффективности профилактики различных заболеваний, однако эффективность ее интерпретации на сегодняшний день далека от совершенства.

Это ведет к тому, что получаемая потребителями информация со временем будет сводиться к расплывчатой констатации неопределенной возможности несколько повышенного риска того или иного малопонятного заболевания. В таком случае большинство клиентов будет просто уделять больше внимания регулярным медицинским обследованиям. Однако если неопределенный, немного повышенный риск будет относиться, например, к раку молочной железы, некоторые особо мнительные особы могут предпринимать радикальные и, возможно, бессмысленные меры, такие как профилактическая мастэктомия.

Повестка дня для персонализированной медицины

Некоторые специалисты сомневаются в точности результатов генетического тестирования. Однако Крейг Вентер (Craig Venter) и его коллеги, сравнив результаты тестирования на предрасположенность к 13 заболеваниям, предоставленные пяти индивидуумам двумя лабораториями по анализу ДНК, пришли к заключению, что воспроизводимость первичных данных, получаемых специалистами 23andMe и Navigenics, очень высока и соответствует заявляемым компаниями 99,7%.

Существует еще два спорных вопроса: имеют ли прогнозируемые риски клиническую ценность и насколько точной может быть корреляция между генетическим вариантом и определенным заболеванием? Некоторые из воспользовавшихся услугами по генетическому тестированию людей утверждают, что разные компании предоставили им разные прогнозы по поводу одного и того заболевания.

Изучение этого аспекта показало, что оценки абсолютного риска или вероятности развития у индивидуума того или иного заболевания у 23andMe и Navigenics различаются довольно значительно. Этот параметр вычисляется из двух других показателей: относительного и среднепопуляционного рисков. Относительный риск зависит исключительно от индивидуального генотипа, а среднепопуляционный риск очень сильно зависит от того, каким образом определена популяция. Navigenics разделяет среднепопуляционные риски для мужчин и женщин (например, инфаркты чаще происходят у мужчин, чем у женщин), тогда как 23andMe преимущественно принимает во внимание возраст (например, вероятность развития ревматоидного артрита повышается с возрастом). Расхождения в определении популяции снижают качество интерпретации абсолютных рисков развития заболеваний.

Даже при исключении влияния переменной среднепопуляционного риска авторы установили, что в среднем в результатах, предоставленных 23andMe и Navigenics для 5 индивидуумов, только около 60% прогнозов относительных рисков заболеваемости количественно совпадали. Причем для одних заболеваний воспроизводимость результатов была выше, чем для других.

Основным фактором, обуславливающим расхождения результатов, является набор маркеров, выбираемых компанией для вычисления относительного риска. Маркеры риска выявляют при проведении полногеномных ассоциативных исследований, в рамках которых анализируют сотни и тысячи миллионов маркеров в геномах здоровых и больных индивидуумов. Каждый маркер представлен разными аллелями. Аллели, чаще встречающиеся у пациентов с четким диагнозом, относят к разряду аллелей риска, коэффициент риска которых выше 1. Например, у 38% пациентов с болезнью Альцгеймера ген ApoЕ представлен аллелью риска ApoE4, тогда как в группе контроля этот аллель встречается всего в 14% случаев. Коэффициент риска для ApoE4 в этом случае рассчитывается как отношение вероятности встречаемости у больных к вероятности встречаемости в группе контроля (0.38/0.62)/(0.14/0.86) и составляет 3,7. Чем больше различия встречаемости аллеля у больных и здоровых людей, тем более выражена его ассоциация с заболеванием. И наоборот, аллели, обеспечивающие защиту от того или иного недуга, реже встречаются у страдающих от него людей и имеют коэффициент выше единицы.

Предлагающие генетическое тестирование компании используют результаты одних и тех же исследований, однако на сегодняшний день 23andMe и Navigenics работают с разными панелями маркеров для одних и тех же заболеваний. Ряд маркеров признается обеими компаниями. Причем компании, как правило, одинаково оценивают степень предсказательности таких маркеров.

Одним из заболеваний, точность прогнозирования которого оказалась одинаковой для обеих компаний, является целиакия (наследственное заболевание кишечника). Для этого заболевания обе компании использовали один сильный маркер, встречающийся у 90% пациентов с этим заболеванием. Коэффициент риска для этого маркера равен 7. Кроме этого маркера Navigenics использует еще семь слабых маркеров, которые практически не оказывают влияния на конечный результат оценки относительного риска. Эти данные свидетельствуют от том, что в целом количество маркеров не влияет на воспроизводимость прогноза, которая в большей степени зависит от существования единого сильного маркера.

Отсутствие таких общепризнанных сильных маркеров приводит к значительным расхождениям в результатах, предоставляемых разными компаниями. Так, например, согласно результатам, полученным 23andMe, относительный риск развития псориаза у одного из участников исследования составляет 4,02, тогда как по подсчетам Navigenics этот показатель составляет всего 1,25.

Другую проблему представляет собой использование маркеров, имеющих неопределенные коэффициенты риска. Например, один из используемых Navigenics маркеров диабета 2 типа, согласно данным специализированной литературы, имеет наиболее высокий коэффициент риска из всех используемых Navigenics маркеров данного заболевания. Однако компания предупреждает, что эффект этого маркера статистически недостоверен и его наличие в геноме может не влиять на вероятность развития заболевания. Очевидно, что среднестатистический клиент не уделит достаточного внимания подобному результату.

Полученные в ходе анализа результаты легли в основу приведенных ниже рекомендаций по усовершенствованию работы компаний, предоставляющих услуги по генетическому тестированию.

• Указывать генетический вклад тестируемых маркеров.
На сегодняшний день маркеры, идентифицированные при проведении полногеномных ассоциативных исследований, не в полной мере объясняют наследуемость заболеваний. Например, согласно современным данным, наследуемость целиакии примерно на 60-65% невозможно объяснить наличием известных генетических факторов, а существование неизвестных маркеров заболевания приводит к появлению ложноотрицательных результатов генетического тестирования. Для избежания связанных с этим недоразумений компаниям рекомендуется указывать долю (в процентах) генетического вклада используемых ими маркеров в наследуемость заболевания, а также долю, остающуюся на неизвестные на момент проведения анализа факторы. В настоящее время компании, как правило, указывают отношение генетического вклада к вкладу факторов окружающей среды.

• Уделять больше внимания прогнозированию высоких рисков.
Большинство генетических прогнозов (около 80%), предоставляемых на сегодняшний день, содержат информацию лишь о незначительном повышении относительного риска (в пределах от 0,5 до 1,5) развития того или иного заболевания по сравнению со среднепопуляционным риском. В связи с этим компаниям рекомендовано акцентировать внимание клиентов на заболеваниях, риск развития которых можно прогнозировать с высокой степенью вероятности. Это позволит клиентам выбирать оптимальные методы профилактики. В то же время не стоит пренебрегать и информацией о незначительном увеличении риска развития заболеваний.

• Генотипировать непосредственно маркеры риска.
Если компания не имеет возможности генотипировать описанный в литературе маркер, она обычно прибегает к принципу неравновесного сцепления (неслучайной ассоциации аллелей) для подбора маркера-заменителя. По оценкам авторов, около 1% маркеров индивидуума не попадают под правило неравновесного сцепления. Очевидно, что в таких случаях использование маркера-заменителя чревато получением ложных результатов. Учитывая огромное количество тестируемых маркеров, при анализе генома такое небольшое отклонение от правила неизменно приведет хотя бы к одной ошибке. Избежать этого позволит непосредственное генотипирование специфических ключевых маркеров заболеваний.

• Тестировать фармакогеномные маркеры.
По существующим оценкам, ежегодно в США около 100 000 человек умирает от побочных эффектов различных препаратов. Идентификация вариантов генов, отвечающих за метаболизм препаратов, может значительно улучшить ситуацию. В связи с этим авторы рекомендуют компаниям тестировать максимально возможное количество маркеров этого класса.

• Использовать одни и те же сильные маркеры.
Компании договорились использовать клинически подтвержденные маркеры, однако и сами маркеры, и их количество выбираются по усмотрению сотрудников компаний. Этот недостаток согласованности ведет к разночтению предоставляемых клиентам результатов. Внедрение результатов новых ассоциативных исследований геномов со временем приведет к устранению таких несоответствий. Однако на сегодняшний день оптимальным решением является переход к использованию универсального комплекса сильных маркеров.

Рекомендации научной общественности

• Проводить мониторинг результатов изменений образа жизни.
Одним из основных вопросов, касающихся целесообразности генетического тестирования, является долгосрочное влияние их результатов на образ жизни клиентов и, соответственно, вызванное этим улучшение состояния их здоровья. Этот вопрос уже активно изучается, а полученные в результате исследований результаты будут использованы для повышения эффективности тестирования и улучшения репутации отрасли в целом.

• Проводить перспективные исследования.
Совпадение прогнозов, предоставляемых разными компаниями, не равносильно их точности и значимости. На сегодняшний день невозможно уверенно заявлять о том, что прогнозы какой-либо из компаний более точны. Для эффективной оценки клинической значимости прогнозов и, соответственно, прогностической ценности маркеров необходимо проведение перспективных исследований с участием десятков или даже сотен тысяч клиентов компаний.

• Подтверждать информативность маркеров в геномах разных этнических групп.
Полногеномные ассоциативные исследования проводятся преимущественно на популяциях европейского происхождения. Однако ассоциированные с заболеваниями маркеры могут отличаться для разных популяций из-за различий в частоте встречаемости аллелей и особенностей неравновесного сцепления. Поэтому специалистам следует подтверждать информативность используемых маркеров и сцепленных с ними генетических последовательностей.

• Перейти от генотипирования к секвенированию.
Рано или поздно персональное секвенирование генома станет экономически целесообразным. Преимущество секвенирования перед генотипированием заключается в том, что оно выявляет полный спектр генетических вариаций индивидуума, тогда как генотипирование позволяет лишь делать логические выводы. Однако не следует забывать, что кроме идентификации генетических маркеров исключительно важна интерпретация полученных результатов, поэтому секвенирование также не решает проблему точности прогнозирования.

Генетика человека: в яблочко или мимо?

При проведении полногеномных ассоциативных исследований ученые идентифицировали сотни генетических индикаторов различных заболеваний. Келли Рей Чи (Kelly Rae Chi) рассматривает три из них для того, чтобы оценить «меткость» такого подхода.

Появившаяся пять лет назад технология, позволяющая сравнивать геномы индивидуумов посредством анализа десятков тысяч известных однонуклеотидных различий, разбросанных по всему геному, вызвала большой резонанс не только в научной среде, но и в широкой общественности. Эти различия, так называемые единичные нуклеотидные полиморфизмы, или «снипы» (от англ. single nucleotide polymorphisms, SNPs), являются контрольными точками при изучении геномов. В основе подхода лежит идея, согласно которой определенные вариации генотипа лежат в основе предрасположенности к различным заболеваниям.

В рамках полногеномных ассоциативных исследований ученые сканируют снипы тысяч людей. Если при проведении такого сканирования обнаруживается ассоциация между каким-либо вариантом ДНК и высоким риском развития того или иного заболевания, это указывает на часть генома, с большой степенью вероятности частично ответственную за лежащие в основе заболевания механизмы.

Многие исследователи с готовностью приняли эту гипотезу, однако, несмотря на достаточно большое количество доказательств, она работает далеко не во всех случаях.

Ниже приведены три примера. Один является практически безупречным доказательством эффективности подхода. Второй демонстрирует сложности интерпретации результатов вне биологического контекста. А третий показывает, что на современном уровне развития генетическое тестирование в некоторых случаях не может обеспечить получение адекватной информации.

«Прямое попадание» в гемоглобин

В 2007 году исследователи провели полногеномное сканирование генов здоровых взрослых в поисках снипов, ассоциированных с очень высокими или очень низкими уровнями фетального гемоглобина. Среди находок особое внимание привлекли обнаруженные во многих популяциях варианты гена BCL11A, располагающегося на 2-й хромосоме.

У большинства людей фетальный (плодный) гемоглобин вскоре после рождения практически полностью замещает взрослая версия этого белка. У некоторых индивидуумов на протяжении всей жизни сохраняется относительно высокая экспрессия фетального гемоглобина. Обычно это никак не сказывается на состоянии здоровья, однако при таких наследственных болезнях системы крови, как серповидноклеточная анемия и бета-талассемия, наличие фетального гемоглобина значительно смягчает течение заболевания.

Снипы часто находятся вне последовательности гена, поэтому находки генетического тестирования в таких случаях являются лишь контрольными точками, предоставляющими приблизительные координаты искомого гена. В описываемом случае попадание было, напротив, непосредственно в ген. Белок, кодируемый геном BCL11A, был известен как контролирующий экспрессию других генов и ассоциированный с прогрессией злокачественных опухолей. Были даже созданы нокаутированные мыши, не имеющие гена BCL11A, однако никто даже не подозревал о его роли в кроветворении.

Эксперименты на культурах человеческих клеток-предшественников кроветворения показали, что подавление экспрессии гена BCL11A повышает продукцию фетального гемоглобина. А в ходе последующей работы на мышах ученые установили, что этот ген регулирует подавление продукции фетального гемоглобина в процессе развития организма.

Однако точный механизм функционирования этого гена на сегодняшний день еще не расшифрован. Работающие над этой задачей ученые надеются, что полученные ими результаты со временем помогут людям, страдающим упомянутыми выше наследственными заболеваниями крови.

Таким образом, ген BCL11A является находкой, демонстрирующей ценность результатов полногеномного сканирования, с которой в данном случае не могут не согласиться даже не верящие в целесообразность подхода пессимисты.

Вокруг да около шизофрении

Изучение генетики шизофрении много раз заходило в тупик. Многочисленные ассоциативные исследования выявляли многообещающие гены-мишени, которые не выдерживали дальнейших проверок. Очевидно, что на модные полногеномные исследования научная общественность возлагала большие надежды. Однако первые четыре работы не выявили достоверных ассоциаций. В рамках исследования, результаты которого были опубликованы в прошлом году, ученые проанализировали геномы 500 пациентов с шизофренией и 3 000 здоровых людей. После этого геномы еще 16 000 человек были протестированы на наличие 12 идентифицированных последовательностей-кандидатов. В результате обнаружено три генных варианта, статистически достоверно ассоциированных с шизофренией, однако только один из них (ZNF804A) является геном, кодирующим белок с неизвестными функциями.

Для подтверждения показательности этого маркера ученые с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии сравнили активность мозга 115 здоровых людей, почти половина которых имела по крайней мере одну копию ассоциированного с высокой вероятностью развития шизофрении варианта ZNF804A. Оказалось, что у людей с изучаемым вариантом гена наблюдается повышенная активность взаимодействия определенных зон мозга, сходная с наблюдаемой при шизофрении.

Отчасти проблема с поиском ассоциированных с шизофренией генов обусловлена расплывчатостью и субъективностью критериев заболевания, а также широким спектром и различиями в выраженности его симптомов. В данном случае очень полезным подспорьем оказалась магнитно-резонансная томография. Сейчас исследователи занимаются изучением функций ZNF804A и особенностей функционирования различных вариантов этого гена.

В данном случае, несмотря на, казалось бы, неплохие результаты, в научной и медицинской среде осталось много сомневающихся. Они утверждают, что сами по себе получаемые с помощью магнитно-резонансной томографии изображения недостаточно показательны, а наблюдаемые при шизофрении изменения очень незначительны. Авторы описанной работы с ними не согласны и споры по поводу информативности вариаций гена ZNF804A в диагностике шизофрении продолжаются.

В полный рост

Результаты, полученные при изучении генов, отвечающих за длину тела, более ясны, чем в случае шизофрении, однако не более информативны. В 2007 году анализ геномов 5 000 человек, показал, что вариант гена HMGA2 частично объясняет вариабельность роста – примерно на 0,3%. С тех пор открыты еще более 40 локусов, участвующих в формировании роста. Взятые вместе, все идентифицированные генетические маркеры объясняют вариабельность этого признака на «целых» 5%.

Считается, что рост человека на 60-80% обусловлен его генотипом. Очевидно, что даже знание более 40 неинформативных маркеров практически не дает нам никакой информации и только оптимисты способны заявлять, что сегодня о генетике роста мы знаем гораздо больше, чем знали 3 года назад.

На сегодняшний день ученые не знают практически ничего о том, какую роль выполняют известные им локусы в определении роста человека. Как и в ряде других случаев, большинство ассоциированных с ростом снипов расположены между генами или внутри генов с неизвестными функциями. Из-за скудного финансирования и недостатка биологической информации исследования в этой области практически стоят на месте.

Некоторые идентифицируемые локусы задействованы в молекулярных механизмах, участие которых в росте и развитии организма известно давно. Исследование 1995 года показало, что ген, родственный гену HMGA2, оказывает влияние на рост: не имеющие этого гена мыши отличались малой длиной тела, а у животных с усеченной версией HMGA2 развивался гигантизм.

Наиболее трудно прогнозировать влияние локусов, расположенных вне генов. Такие локусы далеко не всегда оказывают влияние на близлежащие гена, они могут изменять активность участков ДНК, отдаленных от них на миллионы нуклеотидных оснований.

Ученые называют рост «модельным признаком», так как его легко измерить и он является относительно стабильной величиной по сравнению с такими признаками как кровяное давление или уровень глюкозы в крови. Однако при проведении ассоциативных исследований генетических основ роста для получения лишь слабых ассоциаций пришлось проанализировать геномы десятков тысяч людей. Этот факт свидетельствует о том, что даже изучение таких простых на первый взгляд признаков, как рост, может стать исключительно трудной задачей.

Литература:
Putting DNA to the test // Nature 461, 697-698 (2009)
Pauline C. Ng, Sarah S. Murray, Samuel Levy & J. Craig Venter An agenda for personalized medicine Nature 461, 724-726 (2009)
Kelly Rae Chi Human genetics: Hit or miss? // Nature 461,  461б 712-714 (2009)

Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru

19.10.2009