Kandidátský gen - Candidate gene
Přístup kandidátského genu k provádění studií genetické asociace se zaměřuje na asociace mezi genetickými variacemi v předem specifikovaných požadovaných genech a fenotypy nebo chorobnými stavy. To je v kontrastu k asociačním studiím celého genomu (GWAS), které skenují celý genom na společné genetické variace. Kandidátní geny jsou nejčastěji vybrány ke studiu na základě a priori znalosti biologického funkčního dopadu genu na daný znak nebo nemoc. Důvodem pro zaměření na alelickou variaci ve specifických, biologicky relevantních oblastech genomu je, že určité mutace budou mít přímý dopad na funkci příslušného genu a povedou ke zkoumání fenotypu nebo chorobného stavu. Tento přístup obvykle využívá návrh studie případové kontroly, aby se pokusil odpovědět na otázku: „Je jedna alela kandidátního genu častěji pozorována u subjektů s onemocněním než u subjektů bez onemocnění?“ Kandidátní geny, u nichž se předpokládá, že jsou asociovány s komplexními znaky, nebyly obecně replikovány následnými GWAS. Selhání studií kandidátských genů osvětlit specifické geny, které jsou základem těchto vlastností, bylo přičítáno nedostatečné statistické síle .
Výběr
Vhodné kandidátské geny jsou obecně vybírány na základě známého biologického, fyziologického nebo funkčního významu pro dané onemocnění. Tento přístup je omezen jeho spoléháním na stávající znalosti o známé nebo teoretické biologii nemocí. Molekulární nástroje však umožňují nahlédnout do mechanismů onemocnění a určit potenciální oblasti zájmu v genomu. Genomické asociační studie (GWAS) a mapování kvantitativního znakového lokusu (QTL) zkoumají společné variace v celém genomu a jako takové mohou detekovat novou oblast zájmu, která je v potenciálním kandidátském genu nebo v jeho blízkosti. Data z mikroarray umožňují výzkumníkům zkoumat rozdílnou genovou expresi mezi případy a kontrolami a mohou pomoci určit nové potenciální zajímavé geny.
Velká variabilita mezi organismy může někdy ztěžovat rozlišení normální variace jednonukleotidových polymorfismů (SNP) od kandidátního genu s variací spojenou s nemocí. Při analýze velkého množství dat existuje několik dalších faktorů, které mohou pomoci vést k nejpravděpodobnější variantě. Tyto faktory zahrnují priority v SNP, relativní riziko funkční změny v genech a nerovnováhu vazeb mezi SNP.
Dostupnost genetických informací prostřednictvím online databází navíc umožňuje výzkumným pracovníkům těžit stávající data a webové zdroje pro nové cíle kandidátských genů. K výzkumu genů napříč druhy je k dispozici mnoho online databází.
- Gen je jednou z takových databází, která umožňuje přístup k informacím o fenotypech, cestách a variacích mnoha genů napříč druhy.
- Při zkoumání funkčnosti mezi geny v drahách může konsorcium Gene Ontology pomoci zmapovat tyto vztahy. Projekt GO popisuje genové produkty třemi různými způsoby způsobem nezávislým na druhu: biologickými procesy, buněčnými složkami a molekulárními funkcemi. Použití těchto informací může a priori dále rozšířit znalosti o dráze, a tím pomoci vybrat nejpravděpodobnější zapojený kandidátský gen.
- Topp Gene je další užitečná databáze, která uživatelům umožňuje upřednostňovat kandidátské geny pomocí funkčních anotací nebo síťové analýzy. ToppGene pomáhá výzkumníkům při výběru podmnožiny pravděpodobných kandidátních genů z větších sad kandidátních genů, objevených pravděpodobně pomocí vysoce výkonných genomových technologií.
- Lynx je integrovaná systémová biologická platforma, která umožňuje uživatelům upřednostňovat kandidátské geny pomocí funkčních anotací i asociací asociací genových párů. Lynx poskytuje dva sofistikované nástroje pro stanovení priorit, Cheetoh a PINTA, které pomáhají uživatelům vybrat kandidátské geny z celého genomu na základě relevance k seznamu vstupních genů, což může být seznam známých genů přispívajících k určité chorobě nebo fenotypu, nebo odlišně exprimovaný gen od dalšího -generační technologie sekvenování RNA .
Před přístupem kandidát-gen
Než byl přístup kandidátského genu plně vyvinut, byly k identifikaci genů spojených s chorobnými stavy použity různé další metody. Tyto metody studovaly genetickou vazbu a poziční klonování pomocí genetického screeningu a byly účinné při identifikaci genů relativního rizika u mendelovských chorob . Tyto metody však nejsou tak prospěšné při studiu komplexních onemocnění z několika důvodů:
- Komplexní onemocnění se obvykle liší věkem nástupu a závažností. To může být způsobeno změnami penetrace a expresivity . U většiny lidských chorob je normou variabilní expresivita fenotypu onemocnění. To ztěžuje výběr jedné konkrétní věkové skupiny nebo fenotypového markeru ke studiu.
- Počátky komplexního onemocnění zahrnují mnoho biologických cest, z nichž některé se mohou mezi fenotypy onemocnění lišit.
- A co je nejdůležitější, komplexní choroby často ilustrují genetickou heterogenitu - lze nalézt více genů, které interagují a produkují jeden chorobný stav. Každý jeden gen je často částečně zodpovědný za produkovaný fenotyp a celkové riziko poruchy.
Navzdory nevýhodám studií vazebné analýzy jsou nicméně užitečné v předběžných studiích k izolaci genů spojených s nemocí.
Kritika
Studie kandidátských genů se snaží vyvážit využití dat a zároveň se snaží minimalizovat šanci na vytvoření falešně pozitivních nebo negativních výsledků. Protože tato rovnováha může být často obtížná, existuje několik kritik přístupu kandidátského genu, které je důležité pochopit před zahájením takové studie. Ukázalo se například, že přístup kandidátského genu produkuje vysokou míru falešně pozitivních výsledků, což vyžaduje, aby se nálezy jednotlivých genetických asociací zacházelo s velkou opatrností.
Jedna kritika je, že nálezy asociace v rámci studií kandidátských genů nebyly snadno replikovány v navazujících studiích. Například nedávné zkoumání 18 dobře studovaných kandidátských genů pro depresi (10 publikací nebo více) neprokázalo žádnou významnou souvislost s depresí, přestože byly použity vzorky řádově větší než vzorky z původních publikací. Kromě statistických problémů (např. Nedostatečně zmocněné studie) byla za tuto nejednotnost často obviňována stratifikace populace ; proto je také třeba věnovat pozornost tomu, jaká kritéria definují určitý fenotyp, jakož i další variace ve studii designu.
Navíc, protože tyto studie obsahují apriorní znalosti, někteří kritici tvrdí, že naše znalosti nejsou dostatečné k tomu, abychom z nich mohli předpovídat. Výsledky získané z těchto přístupů založených na „hypotézách“ proto závisí spíše na schopnosti vybrat věrohodné kandidáty z genomu než na použití anonymního přístupu. Omezené znalosti komplexních chorob mohou vyústit v `` zúžení informací``, které lze překonat srovnávací genomikou napříč různými druhy. Tuto zaujatost lze také překonat pečlivým výběrem genů na základě faktorů, které jsou s největší pravděpodobností zahrnuty do fenotypu.
Tyto kritiky je důležité si zapamatovat při zkoumání jejich experimentálního přístupu. S jakoukoli jinou vědeckou metodou samotný přístup kandidátského genu podléhá kritice, ale stále se ukazuje jako mocně účinný nástroj pro studium genetické výbavy komplexních znaků .
Použití ve výzkumných studiích
Kandidátský genový přístup je účinný nástroj ke studiu komplexních chorob, zejména pokud jsou jeho omezení překonána širokým komplementárním přístupem. Jeden z prvních úspěchů v této oblasti bylo najít jediné báze mutaci v oblasti nekódující části APOC3 (apolipoprotein C3 gen), který spojené s vyšším rizikem hypertriglyceridemie a aterosklerózy . Ve studii Kim a kol. Byly geny spojené s rysem obezity u prasat i lidí objeveny pomocí srovnávací genomiky a chromozomální dědičnosti. Použitím těchto dvou metod dokázali vědci překonat kritiku, že studie kandidátských genů se zaměřují pouze na předchozí znalosti. Srovnávací genomika byla dokončena zkoumáním kvantitativních znakových rysů lidí i prasat metodou známou jako genomová komplexní analýza vlastností (GCTA), která vědcům umožnila poté mapovat genetickou variabilitu na konkrétní chromozomy. To umožnilo parametru dědičnosti poskytnout pochopení toho, kde byla fenotypová variace na specifických chromozomálních oblastech, čímž se rozšířila na kandidátské markery a geny v těchto oblastech. Jiné studie mohou také použít výpočetní metody k nalezení kandidátských genů rozšířeným, komplementárním způsobem, jako je jedna studie Tiffina a kol. studium genů spojených s diabetem 2. typu .
Mnoho studií podobně použilo kandidátské geny jako součást multidisciplinárního přístupu ke zkoumání znaku nebo fenotypu. Jeden příklad manipulace kandidátských genů lze vidět ve studii, kterou dokončil Martin E. Feder o proteinech tepelného šoku a jejich funkci u Drosophila melanogaster . Feder navrhl holistický přístup ke studiu Hsp70 , kandidátského genu, u kterého se předpokládalo, že hraje roli v tom, jak se organismus adaptoval na stres. D. melanogaster je velmi užitečný modelový organismus pro studium tohoto znaku, protože může podporovat různorodý počet genetických přístupů ke studiu kandidátského genu. Různé přístupy, které tato studie provedla, zahrnovaly jak geneticky modifikující kandidátský gen (pomocí místně specifické homologní rekombinace a expresi různých proteinů), tak zkoumání přirozené variace Hsp70 . Došel k závěru, že výsledky těchto studií poskytly mnohostranný pohled na Hsp70 . Manipulace kandidátních genů je také vidět ve studii Caspara C. Chatera o původu a funkci průduchů v mechu Physcomitrella patens . PpSMF1 , PpSMF2 a PpSCRM1 byly tři kandidátské geny, které byly sraženy homologní rekombinací, aby byly vidět jakékoli změny ve vývoji průduchů. S experimentem knock down Chater pozoroval, že PpSMF1 a PpSCRM1 jsou zodpovědné za vývoj průduchů v P. patens. Inženýrstvím a modifikací těchto kandidátských genů byli schopni potvrdit způsoby, kterými byl tento gen spojen se změněným fenotypem. Pochopení přirozeného a historického kontextu, ve kterém tyto fenotypy fungují, zkoumáním struktury přirozeného genomu to doplnilo.