Полногеномные ассоциативные исследования: насколько предсказуемым является риск рака у человека?
От чрезмерного энтузиазма до научных оценок и суровой реальности время, необходимое для этого перехода, в последнее время резко сократилось. Поскольку технология высокопроизводительного скрининга быстро развивается, она позволяет тестировать новые концептуальные проекты исследований для лечения очень сложных заболеваний, таких как рак. Одновременное профилирование экспрессии тысяч генов с помощью микрочипов вызвало оптимизм десять лет назад. Считалось, что мы можем перейти от эмпирической, общей системы стадирования опухоль – узел – метастаз к более точной и индивидуализированной прогностической и прогностической молекулярной системе, основанной на сигнатурах экспрессии генов. Однако примерно 9 лет спустя представление о том, что одни данные профилирования экспрессии генов имеют ограничения в клинической практике, все чаще принимается. .
Подобный сверхоптимизм был порожден за последние 2–3 года исследованиями общегеномных ассоциаций (GWA). Эти исследования стали очень популярными, потому что они могут выявить множество достоверных воспроизводимых ассоциаций между генетическими вариантами и заболеваниями у людей. Многие новые локусы и генетические варианты, описанные впервые, были идентифицированы с помощью сканирования всего генома. Считалось, что люди, несущие однонуклеотидный полиморфизм (SNP) высокого риска, сталкиваются с повышенным риском развития рака. Таким образом, несколько компаний уже коммерциализировали эти «ДНК-чипы», предлагая клиентам, платящим 1000 долларов США, возможность быть информированными об их индивидуальном риске развития рака или других распространенных сложных заболеваний .. Однако насколько надежны генетические данные, предоставленные исследованиями GWA, и готовы ли они к первичному клиническому использованию?
Беспристрастный дизайн исследований GWA, включая большой размер выборки и исследования репликации, позволил идентифицировать многие локусы восприимчивости. Несмотря на эту беспристрастную оценку, которая снижает частоту ложноположительных и ложноотрицательных результатов, остается много вопросов и множество проблем для клинического использования. В этой редакционной статье рассматриваются два ключевых вопроса: предсказуем ли индивидуальный риск развития определенного типа рака? Как исследования GWA могут привести к индивидуальным стратегиям профилактики солидного рака?
Преобладающая ныне концепция дарвиновской эволюции и ступенчатого развития опухолей, пожалуй, наиболее убедительно сформулирована Питером Ноуэллом в 1976 г.. Его статья включила идею возникновения рака в результате множественных мутаций или «ударов» в общую структуру развития и прогрессирования опухоли посредством накопления и отбора генетических изменений. Эта модель эволюции рака за счет накопления мутаций как в онкогенах, так и в генах-супрессорах опухолей, а также поэтапного отбора популяций более злокачественных опухолевых клеток с тех пор получила широкое распространение и распространение на все распространенные формы рака. В то время, когда мы начинаем видеть, как базовое понимание молекулярных изменений, лежащих в основе туморогенеза, воплощается в разработке таргетных методов лечения, стоит отметить дальновидность Ноуэлла, который предположил, что индивидуальные различия в генетических и биологических изменениях в каждой опухоли могут гарантируют индивидуальное лечение.
Целевой скрининг и первичная профилактика
Целевой скрининг и первичная профилактика среди населения и отдельных лиц могут изменить текущие неблагоприятные клинические исходы у пациентов, диагностированных на поздних стадиях заболевания. Однако существуют два важных вопроса. Во-первых, можно ли разделить людей на категории высокого, среднего и низкого риска? Во-вторых, как можно применить индивидуализированную профилактику для выбора профилактического вмешательства, которое с наибольшей вероятностью принесет пользу конкретному человеку?
Первые шаги в достижении этих целей уже сделаны. Например, те, кто являются носителями наследственных мутаций с высокой пенетрантностью в BRCA1 , BRCA2 , генах восстановления несоответствия и гене CDH1 , сталкиваются с очень высоким риском (~ 75%) развития рака груди – яичников, толстой кишки – эндометрия и диффузный тип рака желудка соответственно . Для этих лиц из группы высокого риска, выявленных в настоящее время с помощью широко доступных генетических тестов, в настоящее время рекомендуется профилактическое хирургическое вмешательство или усиленное наблюдение. Однако эти мутации с большим влиянием на риск рака редки в общей популяции (<0,3%) и составляют менее 3–10% ежегодно диагностируемых рака в этих конкретных местах .
Как можно предсказать риск рака у оставшихся 99,7% или более населения в целом?
Сканирование всего генома
Генетические варианты в нашем кодирующем и некодирующем геноме включают качественные изменения в последовательности нуклеотидов, известные как SNP, и количественные структурные изменения, известные как варианты числа копий (CNV). После характеристики более 3,1 миллиона SNP у людей в рамках проекта HapMap II , компании предоставляют платформы для генотипирования с более чем 1 миллионом SNP. Одна из проблем для следующей волны исследований GWA возникает из-за того, что компании, которые обеспечивают высокопроизводительное генотипирование на контрактной основе, сделали исследования GWA доступными для групп клинических исследований.
Полногеномные ассоциативные исследования - мощный ресурс для изучения сложных черт человека. Такие исследования сравнивают вариации в геномах двух групп людей. Они ищут ассоциации между вариантами последовательности ДНК и интересующими фенотипами, например, у онкологических больных и контрольной группы (не затронутых). В идеале, идентификация участков генома, содержащих генетические варианты, влияющие на фенотипы (известные как локусы количественных признаков [QTL]) и их связь с индивидуальным разнообразием рака (фенотипические вариации) и исходом (рецидив или излечение) может иметь серьезные клинические последствия. Действительно, эта исследовательская стратегия может привести как к открытиям новых лекарств, так и к точным прогнозам реакции. Несомненно, персонализированная медицина - главная цель 21 века. Однако, учитывая огромные резервуары генетической изменчивости, возникновение мутаций и взаимодействия генов с окружающей средой в эволюционной истории , насколько реалистична оценка взаимоотношений генотип-фенотип для инновационной персонализированной профилактики рака?
В настоящее время зарегистрировано более 300 реплицированных ассоциаций для более чем 70 распространенных заболеваний, состояний и биологических измерений в результате исследований GWA (см. Каталог опубликованных исследований GWA в Национальном исследовательском институте генома человека). Например, в настоящее время известно более 30 локусов, связанных с болезнью Крона [5] , почти 20 локусов, связанных с диабетом 2 типа, и более 40 локусов, связанных с ростом. Всего 2 года назад соответствующие цифры были два, три и ноль соответственно .
Данные
При раке исследования GWA выявили более 30 новых очагов заболеваний для наиболее распространенных видов рака, таких как рак легких, груди, простаты, толстой кишки и желудка, а также меланома .
Что касается рака груди, недавно были опубликованы четыре исследования GWA. Используя исследования репликации, было идентифицировано семь SNP в шести локусах. Наиболее сильно ассоциированный SNP был в интроне 2 гена FGFR2 , рецепторной тирозинкиназы, которая амплифицируется и сверхэкспрессируется в 5-10% опухолей молочной железы. Относительный риск для каждого SNP был небольшим - от 1,07 до 1,41 .
На сегодняшний день рак предстательной железы имеет наибольшее количество локусов восприимчивости (не менее 15), идентифицированных в исследованиях GWA . Первым и наиболее важным возникшим регионом стал 8q24. В этой области, по крайней мере, три различных локуса в отдельных блоках неравновесного сцепления присутствуют на 8q24, и все они были подтверждены при последующих сканированиях всего генома.
Было выполнено меньше исследований GWA, и меньше локусов было идентифицировано для колоректального рака, рака легких и желудка . Результаты всех этих GWA последовательно подтверждают небольшие относительные риски (<2) для носителей этих вариантов.
Ограничения
Как сообщалось ранее, целевая первичная профилактика в настоящее время используется в клинической практике для лечения редких наследственных онкологических синдромов, но, за исключением очень небольшой части населения, несущей эти наследственные мутации, точные оценки риска для подавляющего большинства людей не могут быть сделаны. Нормальные клетки переходят в злокачественные под воздействием множественных генетических нарушений и их взаимодействий, а также при взаимодействии гена и окружающей среды.
Беспристрастные исследования GWA позволяют выявлять локусы риска и генетические варианты. Однако они не могут сказать нам, как эти локусы взаимодействуют или какие из этих вариантов являются причинами, а какие являются простыми следствиями фенотипа (болезни). Помимо SNP, CNV также влияют на канцерогенез, хотя до сих пор неясно, в какой степени они вносят вклад в онкогенез .
Следовательно, мы не можем сделать вывод о том, вносят ли, какие и каким образом варианты ДНК (SNP / CNV), идентифицированные в исследованиях GWA, причинный вклад в фенотипическую изменчивость (гетерогенность рака). В результате ни уже идентифицированные локусы, ни те, которые, как ожидается, будут обнаружены в новых исследованиях GWA, не могут использоваться в качестве маркеров для прогнозирования риска развития рака у человека. Эти изменения ДНК, возможно, представляют собой «легкую» часть работы и представляют собой лишь часть головоломки.
Потребуется гораздо больше генетических, эпигенетических и личных геномных данных. Более быстрое, дешевое и надежное секвенирование ДНК - теперь девиз многих конкурирующих компаний. Создавая технологии секвенирования третьего поколения, несколько компаний, включая Complete Genomics, Pacific Biosciences, Illumina и Helicos Biosciences, обещают обеспечить надежное секвенирование генома человека менее чем за 1000 долларов США . Однако в научном сообществе существует скептицизм относительно того, могут ли данные появиться с помощью этой новой технологии, насколько они будут точными и, что наиболее важно, как синтезировать, анализировать и интерпретировать эту гору собранных генетических и геномных данных .
Солидный рак - очень сложное, динамичное и неоднородное заболевание. Есть опасения по поводу того, позволяют ли современные технологии и научная мысль предсказывать конкретный фенотип рака для отдельного человека. Мощным ресурсом для понимания и прогнозирования гетерогенности рака (фенотипического разнообразия) является изучение естественной генетической изменчивости и естественного отбора, произошедшего на протяжении эволюционной истории . Учитывая, что несколько взаимодействующих локусов (изменения ДНК или QTL) ответственны за отдельный фенотип, генотипирование и моделирование причинно-следственных связей может привести к точным предсказаниям. Следовательно, обнаружение изменений ДНК с помощью исследований GWA и оценка функциональной роли генов с помощью исследований профилей экспрессии важно для прогнозирования разнообразия сложных признаков для каждого конкретного солидного рака.
Однако ни исследования GWA, ни данные профилирования экспрессии генов сами по себе не могут иметь прогностических клинических значений . Вместо этого объединение всех традиционных и новейших данных по генетике и геномике для построения моделей вероятностных «причинно-следственных связей» дает большие перспективы для подхода к персонализированной биомедицине рака .
Вывод
Полногеномные ассоциативные исследования - мощные ресурсы для беспристрастного выявления генетических изменений. Эта оценка генетической изменчивости важна для понимания фенотипического разнообразия рака.
Однако существует множество проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем мы сможем достичь персонализированного прогнозирования рисков и индивидуальных мер профилактики. Сюда входит установление генетических нарушений, вызывающих рак, и разработка причинно-следственных сетевых моделей, объединяющих генетические, геномные и экологические факторы для прогнозирования фенотипического разнообразия рака.
