Ερευνητικοί σχεδιασμοί στη γενετική επιδημιολογία Ευαγγελία Η. Ντζάνη, MD, PhD Επίκουρη Καθηγήτρια Υγιεινής με έμφαση στην Επιδημιολογία Εργαστήριο Υγιεινής & Επιδημιολογίας Ιατρική Σχολή Πανεπιστημίου Ιωαννίνων

Σύγκρουση συμφερόντων Ουδέν

Επιδημιολογία και στάδια μεταφραστικής έρευνας Khoury M, et al. Am J Epidemiol 2010;172:517–524

Γενετική Επιδημιολογία Σχέση φαινότυπου-γονότυπου Η μελέτη της συμβολής του γενετικού υποστρώματος και της γενετικής ποικιλομορφίας στην ανθρώπινη νοσηρότητα Αίτια Πρόγνωση Ανταπόκριση στη θεραπεία …

Ιστορία 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, …)

Μεγάλες προσδοκίες… Εξατομικευμένη Διάγνωση Πρόγνωση Θεραπεία

Βασικές γνώσεις γενετικής Ι 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 ΙΙ 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

1ος νόμος Mendel

2ος νόμος Mendel

Όχι ακριβώς…

Βασικές γνώσεις γενετικής ΙΙΙ 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

Γενετική επιδημιολογία 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

‘Παραδοσιακοί’ τρόποι κληρονομικότητας Αυτοσωμική επικρατούσα Αυτοσωμική υπολειπόμενη Φυλοσύνδετη Σύνθετη Anticipation

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

Γενετικά νοσήματα Μονογονιδιακά νοσήματα (Μεντελιανά) Μεσογειακή αναιμία Δρεπανοκυτταρική αναιμία Χρωμοσωμιακές ανωμαλίες Σύνδρομο Down, Turner, Kleinefelter Σύνθετα νοσήματα ΣΔ Παχυσαρκία ADHD Επίκτητα σωματικά γενετικά νοσήματα Κακοήθειες

Δομημένη αναζήτηση γενετικού υπόβαθρου

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

Γονίδια υπεύθυνα για μεντελιανά νοσήματα 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

Γονίδια υπεύθυνα για μεντελιανά νοσήματα 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

Ανίχνευση γονιδίων υπεύθυνων για μεντελιανά νοσήματα Positional cloning 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

Νοσήματα σύνθετης κληρονομικότητας ΣΔ, ΣΝ, Alzheimer’s, Parkinson’s, οστεοαρθρίτιδα, … Ο τελικός φαινότυπος καθορίζεται από πολλά γονίδια. Η συμβολή κάθε γονιδίου είναι συνήθως μικρή (OR < 1.5)

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)

Αλλά και… Μελέτες γενετικών αλληλεπιδράσεων Μελέτες αλληλεπιδράσεων γονιδίων και περιβάλλοντος Μελέτες Μεντελιανής τυχαιοποίησης Μελέτες γενετικής έκφρασης …

Επιδημιολογικοί σχεδιασμοί μελετών γενετικής συσχέτισης σύνθετων νοσημάτων Μελέτες ασθενών-μαρτύρων (case-control) Προοπτικές κοόρτες (prospective cohorts) Αναδρομικές κοόρτες (retrospective cohorts) Συγχρονικές μελέτες (cross-sectional) Εμφωλεασμένες μελέτες (nested)

Βασικός σχεδιασμός Μια ομάδα ασθενών με τις συχνότητες γονοτύπων και αλληλίων τους και Μια ομάδα ‘υγιών’ ατόμων με τις συχνότητες γονοτύπων και αλληλίων τους

Βασικός σχεδιασμός

Βασικός σχεδιασμός

Μοριακή πληροφορία ευρείας κλίμακας Αδρά δεδομένα 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.

Γενετική επιδημιολογία Fishing 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)

Είδη συσχέτισης Αληθής συσχέτιση Έμμεση συσχέτιση λόγω ανισορροπίας σύνδεσης (linkage disequilibrium) Συσχέτιση λόγω τύχης Συσχέτιση λόγω συστηματικού σφάλματος Συσχέτιση λόγω τύχης και συστηματικού σφάλματος

Αληθής συσχέτιση vs. Συστηματικού σφάλματος Ntzani EE, at al. AJE 2007;165:973–984

Παλιά και νέα προβλήματα Μικρά μεγέθη δείγματος Μικρά μεγέθη σχέσης Μεγάλος αριθμός γενετικών δεικτών Αδυναμία επικύρωσης

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

Αδυναμία επικύρωσης Ioannidis et al. Nat Genet 2001

Όχι πάντα… Ioannidis et al. Nat Genet 2001

Φυλετικές διαφορές Ioannidis et al. Nat Genet 2004

Publication bias

Genome-wide association studies GWAS

Genome-wide association studies GWAS

Genome-wide association studies GWAS Ταυτόχρονη (συν)εκτίμηση εκατομμυρίων επιδημιολογικών σχέσεων Μικρό (πια) κόστος Μεγάλη ταχύτητα Τεράστιο (;) μέγεθος δείγματος

Ψύλλοι στα άχυρα;

Estrada K, et al. Nat Genet 2012

Estrada K, et al. Nat Genet 2012

Ιεράρχηση τεκμηρίων: τα κριτήρια της Βενετίας (IJE, 2008) 1ο γράμμα = ποσότητα 2ο γράμμα = επικύρωση 3ο γράμμα = προστασία από συστηματικό σφάλμα

Ιεράρχηση τεκμηρίων: τα κριτήρια της Βενετίας (IJE, 2008)

Πηγές συστηματικού σφάλματος Επίπεδο μελέτης Βιολογική αιτιότητα Συστηματικό σφάλμα επιλογής (selection bias) Συστηματικό σφάλμα φάσματος νόσου (spectrum of disease bias) …..

Πηγές συστηματικού σφάλματος Επίπεδο πεδίου 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 μεγα-κοόρτες 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

Συνόψεις πεδίου DNA 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

Μεταφραστική Επιδημιολογία (Translational Epidemiology) Khoury M, et al. Am J Epidemiol 2010;172:517–524

Επιδημιολογία και στάδια μεταφραστικής έρευνας 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