HC14. Van zeldzaam naar veelvoorkomend

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college worden verschillende manieren om het genoom in kaart te brengen behandeld
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn een aantal recente ontwikkelingen besproken, zoals: kandidaatgen onderzoek, hypothese vrij onderzoek, GWAS en toekomstig onderzoek
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen met betrekking tot het tentamen gedaan
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Kans op genetische aandoeningen

Monogenetische aandoeningen hebben meestal een duidelijk overervingspatroon en worden veroorzaakt door een fout in één gen. Deze aandoeningen zijn dominant of recessief en kunnen met DNA testen worden onderzocht:

• Ziekte en ziektekansen
• Voorspelt het risico op ziekte: veelal gebaseerd op het aantal risico allelen voor die ziekte
  • Geeft geen ja/nee uitslag
  • Bv. diabetes en hart- en vaatziekten
• Er zijn duizenden varianten in ieder genoom
  • Wat is onschuldig en wat niet?

Multifactoriële ziektes:

De oorzaak is van een genetische aandoening is vaak multifactorieel → wordt veroorzaakt door:

• Leefstijl
  • Overgewicht
  • Roken
  • Onvoldoende beweging
  • Voeding
• Genetica
  • Gen A
  • Gen B
  • Gen C
  • Gen D
  • Gen E
• Omgeving
  • Luchtvervuiling
  • Klimaat

Polygenetische aandoeningen:

Een aandoening kan polygenetisch zijn:

• Meerdere genen dragen bij aan het verhoogde risico
• Bijdrage van de afzonderlijke genen is klein
• Het overervingspatroon is niet eenvoudig vast te stellen → dit kan op een bepaalde manier toch vastgesteld worden:

1. Er wordt vastgesteld of de ziekte een genetische oorzaak heeft
   • Dit kan d.m.v. tweelingonderzoek: één-eiige tweelingen delen 100% van hun genetisch materiaal → dus 100% van de erfelijke aanleg voor ziekten
   • Twee-eiige tweelingen (en normale broers en zussen) delen 50% van hun genetisch materiaal → dus 50% van de erfelijke aanleg voor ziekte
   • Dit wordt uitgedrukt in de heritability score: h2
     • Geeft het relatieve aandeel van genetische factoren bij het ontstaan van fenotypische verschillen tussen personen in een populatie: h2 = 2(r(MZ) – r(DZ))
       • MZ = monozygote tweeling
       • DZ = dizygote tweeling
2. Er wordt onderzocht welke genen betrokken zijn bij de ziekte
   • Wordt gedaan door groepen te vergelijkingen in het drager zijn van een bepaald gen en in het hebben van de ziekte → als er evenveel gezonde dragers zijn als zieken, heeft het gen niks met de ziekte te maken
3. Er wordt gekeken of de patiënt drager is van de erfelijke aanleg m.b.v. genoom wijde associatie studie
   • Dit kan met moderne technieken steeds sneller → de steekproeven worden steeds groter

Odds-ratio:

De kans op een ziekte wordt vaak uitgedrukt in de Odds-ratio. Deze beschrijft de kans op ziekte als er een bepaald variant aanwezig is. De verhouding tussen zieken en gezonden die drager zijn en tussen zieken en gezonden die geen drager zijn wordt berekend:

• Kans op drager:           A/C = 20/10 = 2
• Kans op niet drager:   B/D = 30/40 = 0,75
• Odds-ratio:                  (A/C)/(B/D) = 2,67

→ Dragers hebben dus een 2,67x zo groot risico op de ziekte:

• Risico op de ziekte in de totale populatie:     5%
• Risico op de ziekte voor dragers:                   2,67 x 5 = 13,4%

Onderzoek van genvarianten

Tot 2007 konden we slechts enkele genvarianten per keer onderzoeken. Technisch gezien was dit heel lastig. Er waren meerdere alternatieven om genvarianten te onderzoeken.

Kandidaatgen onderzoek:

Bij kandidaatgen onderzoek wordt op basis van biologische kennis onderzoek gedaan naar de aanwezigheid van genvarianten in één gen, dat betrokken zou kunnen zijn bij een ziekte (bv. het insuline-receptorgen en diabetes). Bij 1-30 genvarianten van 1000 proefpersonen kostte het enkele weken/maanden om dit onderzoek uit te voeren.

Achteraf bleek dat kandidaatgenstudies niet succesvol waren bij veelvoorkomende aandoeningen zoals hart- en vaatziekten en diabetes: 

• Lage a priori kans dat een gen betrokken is bij ziekte
• Veel vals positieve associates.

Hypothese vrij onderzoek:

Een alternatief was het tegelijkertijd onderzoeken van alle genen in het hele genoom. Dit werd in 2007 ontwikkeld. Er werd eerst in kaart gebracht welke genvarianten er in de bevolking aanwezig waren:

• Humane genoom project
• Hapmap project
• 1000 genomes project

Bij deze onderzoeken is van 2500 mensen uit alle delen van de wereld de genetische variatie in kaart gebracht → er 84 miljoen genetische varianten. Elke persoon heeft heel veel variaties in het genoom: gemiddeld heeft iedereen op iedere 1000 baseparen een genetische verandering t.o.v. het referentiegenoom. Er zijn dus miljoenen varianten per persoon. Deze zijn meestal niet ziekte veroorzakend.

Single Nucleotide Polymorfisme: 

Een SNP betreft een variatie in het DNA  van een enkele nucleotide lang. Op één plaats in het genoom kan men dan bij verschillende mensen een ander nucleotide aantreffen. SNPs zijn meestal niet ziekteveroorzakend, maar kunnen wel aanleiding geven voor verschillen in het fenotype:

• Haarkleur
• Lengte
• Hard of zacht oorsmeer
• Et cetera

Linkage disquilibrium:

Het was niet mogelijk om alle genetische variantie te meten. Dit werd opgelost door gebruik te maken van de eigenschappen van de overerving van het DNA → recombinatie. Het linkage disquilibrium zegt:

• Als 2 genvarianten dicht bij elkaar liggen op een chromosoom, is de kans kleiner dat er recombinatie (crossing over) tussen plaatsvindt
  • Varianten blijven aan elkaar gelinkt → hoe dichter de genen bij elkaar liggen, hoe groter de kans dat ze samen overgeërfd worden aan het kind
• Recombinatie is niet random → er zijn bepaalde recombinatie “hotspots”

HapMap project:

In 2008 werd de linkage disequilibrium (LD) structuur van het hele genoom in kaart gebracht. Zo werd duidelijk waar vaak recombinatie plaatsvindt. Zo werd er ontdekt dat de linkage disquilibrium structuur in Europeanen anders is dan bijvoorbeeld in Aziaten. Door van ieder linkage disequilibrium blok één of enkele varianten te meten, konden ook de andere 18 genotypes bepaald worden. Dit heet imputeren.

Genoom wijde associatiestudie (GWAS):

Sinds 2007 is het mogelijk om bij een proefpersoon honderdduizenden genvarianten tegelijkertijd te onderzoeken: GWAS. Hierbij wordt er slim gebruik gemaakt van de eigenschappen van het DNA, zoals de LD-structuur. Hierdoor levert het meten van 500.000 genvarianten informatie over miljoenen genvarianten. Dit werkt echter alleen voor veelvoorkomende varianten met een frequentie van >5%.

Bij GWAS worden dus alle genen (bijna 550.000 genvarianten) onderzocht. Hierbij worden miljoenen varianten geïmputeerd. Dit kost ongeveer 1-2 dagen aan werk, door automatisering kunnen wel 25.000 personen per week onderzocht worden.

De frequentie van honderdduizenden varianten in het genoom van duizenden gezonde en zieke mensen wordt vergeleken. Er wordt dus onderzocht of een bepaald genvariant een associatie heeft met een verhoogd risico op een ziekte:

• De hoeveelheid risicovarianten van een patiënt worden geteld
  • Hoe meer risicovarianten, hoe groter het risico op de ziekte
• Leefstijl speelt echter ook vaak een grote rol → GWAS heeft dus niet altijd nut voor het voorspellen van een ziekte
• Veel varianten die geassocieerd zijn met multifactoriële ziekten liggen in de niet-coderende delen van het genoom: junk DNA
  • Dit zijn enhancers of repressors van genen
  • Zitten vaak duizenden baseparen van het gen verwijderd
• Door GWAS is nu wel veel meer bekend over het ontstaan van een ziekte

Toekomstig onderzoek:

GWAS werkt alleen op bekende, relatief vaak voorkomende varianten (>5%). Minder vaak voorkomende genvarianten (<1%) kunnen nog niet goed onderzocht worden. Een oplossing hiervoor is next generation genoom of exoom sequencing. Alle variatie in een genoom wordt gemeten. Een aantal van dit soort onderzoeken hebben al plaatsgevonden:

• 1000 genomes project (2015)
• Genome of the Netherlands (2014)
  • 250 Nederlandse families → variaties specifiek voor de Nederlandse bevolking

Next generation sequencing wordt steeds makkelijker en eenvoudiger:

• Steeds meer toepassing in de kliniek
  • Nu al voor monogenetische ziekten
• Verder functioneel onderzoek naar genvarianten
  • Causale varianten worden geïdentificeerd
  • Onderzoek naar de interactie van genvarianten en leefstijlfactoren
• Bio-informatica (Big Data analyse)
  • Op basis van iemands genetische profiel in combinatie met leefstijlfactoren wordt een risicoprofiel opgesteld

Next generation of exoom sequencing heeft wel een aantal nadelen:

• Apparatuur is kostbaar
  • De kosten zijn ongeveer 1000 euro per persoon, maar de prijs daalt snel
• Interpretatie is moeilijk
  • Er zijn miljoenen varianten per persoon → wat is relevant en wat niet?