Evolutionary medical genomics ppt 2013

423 views
276 views

Published on

«Nothing in biomedicine makes sense except in the light of evolution». From this point of view, genetics of predispositions has to answer
two basic questions:
1. Is the natural genetic polymorphism identified with modern genomics proved to be the result of neutral evolution or whether it is an
aggravated genetic (mutation) load determining the susceptibility to common diseases, which inexplicably has not been culled by the natural
selection well-timed?
2. Are effects of different predisposing alleles synergistic or at least additive when combined in a single genotype, or they are mutually
neutralized?
Evolutionary and population arguments help to understand that the «genetics of predispositions» studies natural balanced genetic
polymorphism, i.e. not newly formed alterations of genes (mutations), but alleles passed natural selection and fixed in human populations. Not
anomalies, not pathological or pathogenic variants of the genome are investigated, but infinite number of its natural, «normal» variants.
Thus the answers on the above two questions are:
1. Evolutionary medical genomics testifies that the vast majority of polymorphic variants of genes (alleles) that are observed in the
genomes of modern human populations are selectively neutral.
2. In many cases, the effects of various predisposing alleles are mutually neutralized through the mechanisms of opposite (antagonistic)
pleiotropy and homeostasis.

Published in: Services
0 Comments
2 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
423
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
1
Actions
Shares
0
Downloads
7
Comments
0
Likes
2
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Evolutionary medical genomics ppt 2013

  1. 1. • I Международный Форум • «Молекулярная медицина - новая модель здравоохранения XXI века: технологии, экономика, образование» • 26 – 27 июня 2013 • Санкт-Петербургский государственный университет экономики и финансов 1
  2. 2. ЭВОЛЮЦИОННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ ГЕНОМИКА Хромов-Борисов Никита Николаевич1 Рубанович Александр Владимирович2 1Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. И.П. Павлова, Санкт-Петербург Nikita.KhromovBorisov@gmail.com http://independent.academia.edu/NikitaKhromovBorisov 2Институт общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН, Москва, Россия Rubanovich@vigg.ru 2
  3. 3. EVOLUTIONARY MEDICAL GENOMICS Nikita N. Khromov-Borisov1 Alexandr V. Rubanovich2 1Saint-Petersburg I.P. Pavlov State Medical University, Saint- Petersburg, Russia Nikita.KhromovBorisov@gmail.com http://independent.academia.edu/NikitaKhromovBorisov 2Vavilov Institute of General Genetics of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia Rubanovich@vigg.ru 3
  4. 4. Николай Ге. "Что есть истина?". Христос и Пилат. 1890. Холст, масло. 233 x 171. Третьяковская Галерея 4
  5. 5. Albert Einstein • ‘‘We can’t solve problems by using • the same kind of thinking we used when we created them’’ • «Мы не сможем решить проблемы, если будем использовать тот же стиль мышления, который мы использовали, когда создавали их». • Альберт Эйнштейн • По: Heng H.H.Q. The genome-centric concept: resynthesis of evolutionary theory // BioEssays, 2009. – Vol. 31. – P. 512–525. 5
  6. 6. Theodosius Dobzhansky, 1973 • Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution. • The American Biology Teacher, 1973. – Vol. 35. – P. 125-129. • «Ничто в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции». • Феодосий Добржанский 6
  7. 7. Pierre Teilhard de Chardin • “Evolution is a light which illuminates all facts, a trajectory which all lines of thought must follow - this is what evolution is”. • «Эволюция есть свет, который освещает все факты, траектория, которой должны следовать все линии мышления – вот что такое эволюция». • Pierre Teilhard de Chardin - один из величайших мыслителей нашего времени. • Тейар был креационистом, но таким, кто понимал, что Творение реализовано в этом мире посредством эволюции. 7
  8. 8. Peter Brian Medawar • “For a biologist, the alternative to thinking in evolutionary terms is not to think at all” • «Для биолога альтернативой мышлению в эволюционных терминах является не думать вообще». 8
  9. 9. Ajit Varki, J. Mol. Med., 2012 • “Nothing in medicine makes sense, except in the light of evolution”. • «Ничто в медицине не имеет смысла кроме как в свете эволюции». • “Understanding human evolution, where we came from, is very important to understanding who we are and where we’re going.” • «Понимание эволюции человека, т.е. того, откуда мы пришли, очень важно для понимания, куда мы идем». 9
  10. 10. Что делает нас людьми? 10
  11. 11. Различия в заболеваемости и тяжести болезней у человека и человекообразных обезьян (ЧОО) Заболевание Человек ЧОО Инфаркт миокарда Часто Очень редко Интерстициальный фиброз миокарда Редко Часто Тропическая малярия Чувстви- тельны Устой- чивы Бактериальные болезни, переносимые половым путем Часто Очень редко ВИЧ-инфекции, прогрессирующие до СПИД Часто Редко Инфекция пенного вируса (спумавируса) Редко Часто Болезнь Альцгеймера Часто Редко Карциномы Часто Редко Бактериальные патогены, экспрессирующие Neu5Ac Часто Редко 11
  12. 12. Универсальная для человека мутация в гене гидролазы Neu5Gc, вызывающая избыток Neu5Ac, определяет его чувствительность к микробным патогенам и может играть важную роль в эволюции мозга человека 12
  13. 13. • Antolin M.F., Jenkins K.P., Carl T. Bergstrom C.T., Crespi B.J., De S., Hancock A., Hanley K.A., Meagher T.R., Moreno-Estrada A., Nesse R.M., Omenn G.S., Stearns S.C. • Evolution and medicine in undergraduate education: a prescription for all biology students • Evolution, 2006. – Vol. 66. – No. 6. – P. 1991– 2006 13
  14. 14. Азы теории эволюции • Генетические вариации являются материалом для эволюционного процесса. • Адаптации внутри популяции осуществляются посредством процесса естественного отбора в специфических условиях внешней среды. • Фенотипическая пластичность обеспечивает приспособленность к варьирующим условиям среды. • Продолжительность жизни эволюционирует посредством компромиссов между признаками, которые обуславливают приспособленность на ранних стадиях развития и на поздних стадиях. • Человек коэволюционирует со множеством симбионтов и патогенных организмов. 14
  15. 15. • Ganten D., Nesse R. • The evolution of evolutionary molecular medicine. Genomics are transforming evolutionary biology into a science with new importance for modern medicine • J. Mol. Med., 2012. – Vol. 90. – P. 467 – 470 15
  16. 16. • Эволюция приходит в медицину, геномика уходит в эволюцию. • Тело человека является живым архивом эволюции, записанным в наших генах, клетках и органах. • Почему мы такие, какие есть? • Почему существуют болезни? • Почему наши тела являются хрупкими в некоторых аспектах? • Почему одни наши органы, структуры, механизмы и метаболические пути сохранились в ходе эволюции, а другие нет? • Подобные вопросы требуют эволюционных ответов. 16
  17. 17. • Дарвиновская (эволюционная) медицина никоим образом не является практическим методом. • Она есть просто применение основ эволюционной биологии к медицине, точно также, как медицинская генетика использует основы генетики. 17
  18. 18. Псевдоэволюционные воззрения на связь AB0 с пищеварением • Между AB0 и пищеварением – сильная связь: для каждой группы своя диета. • Аллель 0 более древняя и поэтому ее носители – охотники и плотоядны. • Аллель A моложе и поэтому ее носители – фермеры и вегетарианцы. 18
  19. 19. Постгеномная эра • Мы купили по цене доллар за букву огромную трудночитаемую книгу без оглавления. • Эрик Ландер • После секвенирования генома человечество оказалось в положении игрока телевизионного капитал-шоу «Поле чудес», который отгадал все буквы, но не смог прочитать слово. 19
  20. 20. Генетика предрасположенностей • Модное ныне увлечение исследованиями генетической предрасположенности к заболеваниям или склонностей к занятиям той или иной деятельностью (например, к занятиям спортом) целесообразно назвать • генетикой предрасположенностей. 20
  21. 21. 21
  22. 22. • Однако прогностическая эффективность подавляющего большинства выявляемых связей «предрасполагающих» вариантов (аллелей, генотипов, гаплотипов) с той или иной многопричинной болезнью оказывается очень низкой. • Иными словами, наличие в генотипе данного человека предрасполагающей аллели не свидетельствует о неизбежном наличии у него болезни в настоящем или о ее возникновении в будущем. 22
  23. 23. Yannis Pitsiladis University of Glasgow. • «В настоящее время предсказательная способность спортивной генетики нулевая. • Нет никаких прямых доказательств существования генетических показателей успешности спортсменов. • Эффективность спортсмена зависит прежде всего от социоэкономических, культурных и средовых факторов. • Так что секундомер намного лучше предсказывает спортивные достижения бегуна, чем вся эта генетика». • http://news.menshealth.com/why-kenyans-keep-winning-marathons/2011/06/03/ 23
  24. 24. Основные причины низкой предсказательной ценности результатов в генетике предрасположенностей 24
  25. 25. 1. Плохо различимые (неальтернативные) фенотипы – тень Ламарка • Низкая эффективность результатов в генетике предрасположенностей кроется уже в неопределенности при определении (диагностике) изучаемого признака. • Например, как отличить «спортсмена» от «неспортсмена»? • В качестве неспортсменов часто отбирают людей, ведущих сидячий образ жизни. • Но если вдуматься, то это чистой воды ламаркизм, утверждающий влияние «упражнения» и «неупражнения» органа на его эволюционную судьбу. 25
  26. 26. 2. Генотип не определяет фенотип однозначно • Например, даже зная всю последовательность генома у данного человека, мы не сможем предсказать окружность его талии. • Фенотип является продуктом запутаннейших (нелинейных) взаимодействий множества генов друг с другом и со средой и с шумовыми факторами, которые могут быть как гармоничными, так и конфликтующими, конкурирующими, взаимно нейтрализующими, разнонаправленными. • Гены, среда и шумы действуют совместно на всех уровнях биологической организации, и количество их взаимосвязей не поддается учету. 26
  27. 27. 3. Разнообразие генетических уникальностей не поддается учету и контролю • Число аллелей астрономическое. • По данным NCBI dbSNP Build 137 на 26 июня 2012 их насчитывается 38 072 522. • Число их комбинаций не поддается учету и изучению; оно гораздо больше, чем число жителей Земли – 6,5 миллиардов, а возможно даже больше, чем число атомов во Вселенной – 1067. • Поэтому заведомо невозможно доказать, что именно данный уникальный генотип является причиной данного заболевания или данной склонности. • Для этого надо иметь большие выборки субъектов с таким генотипом, но он уникален. 27
  28. 28. ПоGWASили и прослезились • Совместный эффект всех локусов, для которых с помощью технологии GWAS выявлена связь с кровяным давлением, объясняет всего лишь малую долю (~2%) его наследуемости. • Таким образом, подобно другим сложным признакам, предрасположенность к гипертензии наталкивается на загадку скрытой наследуемости (missing heritability). 28
  29. 29. Энциклопедия элементов ДНК http://genome.ucsc.edu/ENCODE/ 29
  30. 30. Развенчан миф о «мусорной ДНК» • По крайней мере 80% генома человека является биологически активным, • до этого господствовало представление, что большая часть ДНК является «мусорной». • Оказалось, что РНК-копии клетка снимает с трех четвертей нашего генома! • И эти некодирующие» молекулы РНК играют роль огромного пульта управления, с которого контролируется вся жизнь клетки. 30
  31. 31. 4. Генотипическую среду у человека принципиально невозможно учесть • Даже при применении технологии широкогеномного генотипирования (GWAS), позволяющей анализировать сразу до 1,2 млн. аллелей, за бортом оказываются десятки миллионов вариантов. • На фоне столь неопределенной, неконтролируемой исследователями генотипической среды вряд ли можно делать сколько-нибудь определенные предсказания о наличии или развитии данной предрасположенности у данного человека. 31
  32. 32. • Поэтому следует ожидать, что их вклад в ту или иную предрасположенность будет заведомо малым. • Нейтральностью и сбалансированностью объясняется тот факт, что предрасполагающие генотипы встречаются как у больных, так и у здоровых, и различаются лишь их частоты в группах субъектов с данной болезнью и без нее. 32
  33. 33. «Гены паразитов – фенотипы хозяев» Докинз Р. Расширенный фенотип: длинная рука гена. – М.: Астрель: CORPUS, 2010. – 512 с. • В генетике предрасположенностей предаётся забвению гомеостаз, обусловленный во многом избыточностью (дублированием) и взаимозаменяемостью многих жизненно важных генов и компенсаторными и регуляторными генными взаимодействиями. • С трудом и неоднозначно выявляются межгенные взаимодействия и эпигенетические явления. • Мало внимания уделяется классической проблеме взаимодействия хромосомных и митохондриевых генов. • Упускаются из виду повсеместно распространенные энтеровирусы и прочие инфекционные агенты. • Сейчас становится ясным, что генетика человека в немалой степени становится генетикой его микробиоты, т.е. населяющих его микробов. 33
  34. 34. Генетический и физиологический гомеостаз 34
  35. 35. • Почти каждая болезнь зависит от многих генов. • Почти каждый ген может принимать участие в становлении сразу нескольких заболеваний. 35
  36. 36. На становление одной болезни могут влиять много генов G-1 G-2 G-3 . . . G-k Disease Один ген может влиять на становление многих болезней Gene D-1 D-2 D-3 . . . D-k 36
  37. 37. 5. Плейотропия • Часто тот или иной вариант генотипа оказывается предрасполагающим не к одной, а сразу к нескольким болезням. 37
  38. 38. • Paaby A.B., Rockman M.V. • The many faces of pleiotropy • Trends in Genetics • 2013. – Vol. 9. – No. . – P. 66-73. 38
  39. 39. Два способа, которыми аллели могут затрагивать многие признаки 39 (a) Каждая из двух аллелей (A/a) независимо влияют и на красный и на синий признаки. (b) Каждая из двух аллей затрагивает синий признак, который в свою очередь влияет на красный признак.
  40. 40. VDR и ESR - рецепторы «витамина» D и эстрогена • Активность VDR простирается далеко за пределы метаболизма кальция и паратиреоидного гормона (ПТГ). • Он участвует в транскрипции 900 генов, некоторые из которых являются ключевыми для здоровья, такие как MTSS1 (белок 1, супрессирующий метастазирование), а также ключевые компоненты врожденного иммунитета (антимикробный пептид кателицидин, бета-дефензины, TLR2 – толл-подобный рецептор и др.). • Роль VDR во врожденном иммунитете уникальна для человека. • Никакое другое модельное животное (в частности мышь) не выработало эволюционно такую функцию для этого рецептора. • Рецептор эстрогена прямо или опосредованно отвечает за экспрессию 6000 генов, т.е. 26% всего генома.
  41. 41. 5. Разнонаправленная плейотропия • Одним из основных механизмов поддержания гомеостаза является плейотропия (множественное, разветвленное действие гена на несколько признаков), особенно, когда она разнонаправленная («компромиссная» или «компенсаторная») и/или антагонистическая. 41
  42. 42. Пример: Множественность физиологических функций АПФ • Ангиотензин-превращающий фермент (АПФ) не только контролирует кровяное давление, но и принимает участие в процессах оплодотворения, формирования иммунных клеток, развития атеросклероза. • Его высокая экспрессия в иммунных клетках макрофагах предотвращает формирование злокачественных опухолей. • Поэтому применение ингибиторов АПФ может спровоцировать рак и болезнь Альцгеймера. 42
  43. 43. Nawaz S.K., Hasnain S. Pleiotropic effects of ACE polymorphism. Biochemia Medica, 2009. – Vol. 19. – No 1. – P. 36–49. Связь установлена Связь отсутствует Связь спорная Диабетическая нефропатия Диабет типа 2 Гипертензия Атеросклероз Дибетическая ретинопатия ИБС и инсульты Болезнь Альцгеймера; аллель D – «защитная» Рак желудка Рак кишечника Болезнь Паркинсона Системная красная волчанка Продолжительность жизни Рак молочной железы Рак ротовой полости Лечение остеопороза Заболевания, якобы связанные («ассоциированные») с диморфизмом ID в гене ACE 43 Коричневым цветом выделены связи, которые в России продолжают считаться установленными.
  44. 44. Два основных варианта эволюционного процесса • 1. Дарвиновский естественный отбор • 2. Нейтральная эволюция – дрейф генов 44
  45. 45. Нейтральная эволюция • С точки зрения эволюционного учения одним из первейших вопросов, на который должна дать ответ генетика предрасположенностей, может звучать так: • является ли генетический полиморфизм, выявляемый современной геномикой, результатом нейтральной эволюции или же он является отягчающим генетическим (мутационным) грузом, определяющим предрасположенность к распространенным болезням, и который почему-то естественный отбор вовремя не отбраковал? 45
  46. 46. • Нарождающаяся на наших глазах новая область молекулярной медицины – эволюционная медицинская геномика - свидетельствует, что подавляющее большинство вариантов (аллелей), которые наблюдаются в геномах современных популяций человека, являются селективно нейтральными. • Действительно, оказывается, что кодирующие, т.е. функционально значимые районы в геноме человека, демонстрируют гораздо меньшую степень варьирования, чем некодирующие, т.е. участки, функция которых неизвестна. 46
  47. 47. • Абсолютное число синонимичных вариантов превышает число несинонимичных (миссенс) вариантов, несмотря даже на то, что число позиций, в которых могут происходить несинонимичные варианты, в три раза превышает число позиций, в которых могут происходить синонимичные мутации. • Доля синонимичных вариантов в 4 раза больше доли несинонимичных: 80% и 20%, соответственно. • В целом, нейтралистские эволюционные воззрения приводят к выводу, что исторические адаптивные эволюционные события не являются источником болезней. • Напротив, эволюция является источником устойчивости и причиной того, что люди столь успешно существуют в широко изменяющихся условиях. 47
  48. 48. • Tennessen J.A., Bigham A.W., O’Connor T.D., Fu W., Kenny E.E., Gravel S., McGee S., Do R., Liu X., Jun G., Kang H.M., Jordan D., Leal S.M., Gabriel S., Rieder M.J., Abecasis G., Altshuler D., Nickerson D.A., Boerwinkle E., Sunyaev S., Bustamant C.D., Bamshad M.J., Akey J.M., Broad GO, Seattle GO, and on behalf of the NHLBI Exome Sequencing Project • Evolution and Functional Impact of Rare Coding Variation from Deep Sequencing of Human Exomes • Science, 2012. – Vol. 337. – No. 6090. – P. 64-69 48
  49. 49. Среднее число (точки) и размах (вертикальные линии) для синонимичных, миссенс, сплайсинговые и нонсенс однонуклеотидные варианты (SNVs). 49
  50. 50. 5. Изучается природный сбалансированный генетический полиморфизм • Итак, в генетике предрасположенностей изучается природный сбалансированный генетический полиморфизм, т.е. • не генетические новообразования (мутации), • а аллели, прошедшие естественный отбор и закрепившиеся в популяциях человека. • Т.е. изучаются не аномалии генома, не патологические или патогенные его варианты, а его бесконечно разнообразные, но естественные, «нормальные» вариации. 50
  51. 51. • Второй важнейший вопрос в генетике предрасположенностей: • Усиливаются ли, или хотя бы складываются, «вредные» эффекты предрасполагающих аллелей при их объединении в одном генотипе или же они взаимно нейтрализуются? 51
  52. 52. 6. Различаются лишь частоты предрасполагающих генотипов • Предрасполагающие генотипы (аллели, гаплотипы) встречаются и у больных и у здоровых, а различаются лишь их частоты в группах субъектов с данной болезнью и без нее. • То есть заведомо наличие в генотипе данного человека предрасполагающей аллели не свидетельствует о неизбежном наличии у него болезни или иной склонности в настоящем или о ее возникновении в будущем. • Наличие или развитие болезни не предсказываются, а лишь оцениваются их вероятности. 52
  53. 53. Ошибочность использования баллов для идентификации индивидуумов с повышенным риском гипертензии 53 Частотные распределения в двух выборках с крайними значениями кровяного давления для 35 предрасполагающих к его повышению аллелей почти полностью перекрываются.
  54. 54. Paynter N.P., Chasman D.I., Pare G., Buring J.E., Cook N.R., ScD, Miletich J.P., Ridker P.M. Association between a literature-based genetic risk score and cardiovascular events in 19,313 women // JAMA, 2010. – Vol. 303. – No. 7. – P. 631–637. Баллы генетического риска (GRS - genetic risk score) не улучшают предсказание риска сердечнососудистых заболеваний. 54
  55. 55. Тромбоэмболизм, 11 маркеров (Капустин С.И., 2007) 55 0 2 4 6 8 10 12 Число предрасполагающих аллелей 0 25 50 75 100 125 Численность 593 больных с венозным тромбозом, контрольная группа 225 человек Pval = 0,046 (кр. Манна-Уитни); Pval = 0,52 (кр. χ2); BF = 105
  56. 56. • Представим, что нам удастся собрать в одном геноме все известные аллели, предрасполагающие к занятиям определенным видом спорта. • Очевидно, что в силу неаддитивности межгенных и средовых влияний спортивные способности субъекта с таким геномом не будут кратными числу предрасполагающих аллелей. • 200 предрасполагающих аллелей в одном геноме вряд ли приведут к 200-кратному увеличению спортивных характеристик у их носителей. • Поэтому заменять слово «аллель» словом «балл» и подсчитывать число баллов некорректно, поскольку их суммарный вклад не будет равен сумме вкладов каждой из аллелей по отдельности. • А в силу разнонаправленной плейотропии этих аллелей не окажется ли наш супермен суперидиотом? 56
  57. 57. Микробиомика 57
  58. 58. • "Многочисленные разнообразные ассоциации микроорганизмов, населяющие пищеварительный тракт человека в значительной степени определяют духовное и физическое здоровье человека". Илья Ильич Мечников 58
  59. 59. Илья Ильич Мечников (3 [15] мая 1845 — 2 [15] июля 1916) — русский и французский биолог (зоолог, эмбриолог, иммунолог, физиолог и патолог), первооткрыватель фагоцитоза и внутриклеточного пищеварения, создатель фагоцитарной теории иммунитета, основатель научной геронтологии. Лауреат Нобелевской премии в области физиологии и медицины (1908). 59
  60. 60. • В ЖКТ взрослого человека присутствуют 1014 клеток бактерий, что в 10 раз больше числа клеток во всем организме человека. • Их совместный геном (называемый микробиомом) содержит более 5 миллионов генов, что на два порядка превышает генетический потенциал организма хозяина. • Соответствующий громадный арсенал генных продуктов создает разнообразие биохимических реакция и продуктов метаболизма, которые существенно дополняют физиологию организма хозяина. 60
  61. 61. • В «нормальной» микробиоте преобладают анаэробные бактерии, число клеток которых превышает число аэробных и факультативных анаэробных в 100 – 1000 раз. • В целом микробиота ЖКТ человека насчитывает 500 - 1000 видов, которые представлены ограниченным числом известных типов. • Наиболее распространенными в ЖКТ человека являются бактерии типа Firmicutes и Bacteriodetes, остальные виды принадлежат типам Proteobacteria, Verrumicrobia, Actinobacteria, Fusobacteria и Cyanobacteria. 61
  62. 62. • Метаболическая мощность микробиоты ЖКТ сопоставима с таковой для печени и поэтому микробиоту ЖКТ человека можно рассматривать как самостоятельный орган. • Эти бактерии существенны для биологии организма хозяина. • Например, они облегчают метаболизм неперевариваемых полисахаридов, производят важные витамины, они необходимы для развития и дифференцировки эпителия кишечника и иммунной системы, они обеспечивают защиту от проникновения оппортунистических патогенов и они играют ключевую роль в подержании тканевого гомеостаза. 62
  63. 63. Влияние микробиоты на физиологию организма хозяина 63
  64. 64. • Stecher B., Maier L., Hardt W.-D. • ‘Blooming’ in the gut: how dysbiosis might contribute to pathogen evolution • Nature Reviews Microbiology • 2013 64
  65. 65. Дисбиоз (дисбактериоз) • При дисбиозе микробиота способна к инвазии и размножению патогенов, использующих ниши, которые образуются после нарушения баланса. • Дисбиоз является потенциальным триггером для различных различных болезней и недугов от дарреи и запоров до воспаления кишечника, ожирения, рака, диабета, аллергии и астмы. • Большинство из этих заболеваний сопровождаются воспалительным процессом, который часто вызывается изменением иммунного ответа на бактерии в кишечнике. • Дисрегуляции иммунитета и дисбиоз кишечного тракта часто совпадают и могут служить причиной один другого. 65
  66. 66. • Итак, в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) человека насчитывается 1014 клеток бактерий • Если предположить, что на каждые 108 клеточные деления бактерий возникает один жизнеспособный мутант, то получается, что 1014 клеток бактерий в ЖКТ после каждого цикла клеточного деления произведут миллион (106) новых жизнеспособных мутантных клеток. • Известно, что бактерии в ЖКТ делятся каждые 20 мин. • Столь быстрое порождение столь большого числа новых мутантных клеток бактерий при каждом цикле деления позволяет микробиоте в ЖКТ легко приспосабливаться (адаптироваться) к изменения среды в ЖКТ. 66
  67. 67. Горизонтальный перенос генов от бактерий к человеку 67
  68. 68. • Riley D.R., Sieber K.B., Robinson K.M., White J.R., Ganesan A., Nourbakhsh S., Hotopp J.C.D. • Bacteria-human somatic cell lateral gene transfer is enriched in cancer samples • PLOS Computational Biology, 1913. - Vol. 9 . - No. 6. - e1003107. doi:10.1371/journal.pcbi.1003107 68
  69. 69. Горизонтальный перенос генов • ДНК бактерий способна встраиваться в геном соматических клеток человека и может играть роль в канцерогенезе, ибо она чаще обнаруживается в опухолевых клетках. • Подобные случайные мутации могут вызывать болезни подобно другим мутагенам физической или химической природы. 69
  70. 70. • Обширные участки ДНК, подобные ДНК Acinetobacter обнаружены в ДНК митохондрий из клеток острого миелоидного лейкоза. • Идентифицированы также специфические включения ДНК, подобной ДНК Pseudomonas в участки, прилежащие к нетранслируемым регуляторным областям четырех протоонкогенов. 70
  71. 71. Acinetobacter baumannii Мазок костного мозга при остром миелоидном лейкозе 71
  72. 72. Нет пророка в своем отечестве Сергей Михайлович Гершензон (11.02.1906 — 07.04.1998) • С.М. Гершензон с сотрудниками в 1939 - 1941 гг. открыли мутагенное действие чужеродной ДНК на гены дрозофилы. • Действие оказалось локус- специфичным: ДНК из тимуса теленка вызывала мутации лишь некоторых генов, контролирующих признаки крыла. • В дальнейшем были успешно использованы ДНК различного происхождения, а также синтетические полинуклеотиды. 72
  73. 73. • Chen R., Mias G.I., Li-Pook-Than J., Jiang L., Lam H.Y.K., Chen R., Miriami E., Karczewski K.J., Hariharan M., Dewey F.E., Cheng Y., Clar M.J., Im H., Habegger L., Balasubramanian S., O’Huallachain M., Dudley J.T., Hillenmeyer S., Haraksingh R., Sharon D., Euskirchen G., Lacroute P., Bettinger K., Boyle A.P., Kasowski M., Grubert F., Seki S., Garcia M., Whirl-Carrillo M., Gallardo M., Blasco M.A., Greenberg P.L., Snyder P., Klein T.E., Altman R.B., Butte A.J., Ashley E.A., Gerstein M., Nadeau K.C., Tang H., Snyder M. • Personal omics profiling reveals dynamic molecular and medical phenotypes • Cell, 2012. – Vol. 148. – P. 1293–1307. 73
  74. 74. Графическое резюме 74
  75. 75. iPOP • integrative personal omics profile (iPOP) – интегративный персональный профиль «омик» объединяет геномную информацию с регулярным мониторингом физиологического состояния посредством множества методов с высокой пропускной способностью • В работе представлены результаты такого анализа, который объединил данные геномики, транскриптомики, протеомики, метаболомики и профили аутоантител, полученные для одного субъекта в течение 14 месяцев. 75
  76. 76. • Выявлены интенсивные гетероаллельные изменения как в здоровом, так и в болезненном состояниях и неожиданный механизм редактирования РНК. • Таким образом, продолжительный мониторинг iPOP можно использовать для определения состояния здоровья субъекта посредством объединения геномной информации с дополнительной информацией о динамике изменений других «омик». 76
  77. 77. Расписание обследования 77 Мониторирование субъекта проходило в течение 726 дней. За это время он дважды подвергся инфекции: папилломавируса (HRV – красный) и респираторного синцитиального вирусв человека (RSV – зеленый). Черным отмечены периоды (1) увеличения физической нагрузки, (2) ежедневнй прием 81 мг аспирина и ибупрофена и (3) существенное снижение потребления сахара. Синим отмечены дни поста.
  78. 78. Схема эксперимента iPOP с указанием обследованных тканей и их анализа 78
  79. 79. Круговая диаграмма, суммирующая iPOP. 79
  80. 80. Пример персонализированного RiskGraph 80 Каждая горизонтальная линия символизирует генетический риск тестируемой болезни для конкретного субъекта. Начало каждой стрелки показывает претестовую вероятность болезни в популяции определенной этнической принадлежности, возраста и пола. Конец каждой стрелки представляет посттестовую вероятность с учетом геномной информации субъекта. Красный цвет – повышение риска, зеленый цвет – снижение риска.
  81. 81. RiskGraph для 20 болезней с наибольшими посттестовыми вероятностями 81 Для каждой болезни стрелки представляют их претестовые вероятности. Линии показывают посттестовые вероятности после учета данных секвенирования генома. Цифры справа – число независимых SNV, связанных с этими болезнями, использованных для вычисления посттестовых вероятностей.
  82. 82. RiskOGram для диабета 2 типа 82 Посттестовые вероятности T2D вычислены для 28 независимых SNV. График посередине отражает посттестовые вероятности. Слева указаны гены, SNV, и генотипы субъекта. Справа показаны отношения правдоподобий (LR), число исследований. Объемы когорт и посттестовые вероятности.
  83. 83. Динамика изменения содержания глюкозы в крови 83 Образцы отбирали и анализировали каждые 15 дней до поста и после него. Красная и зеленая стрелки указывают время инфекции HRV и RSV. Черные стрелки указывают периоды изменения стиля жизни.
  84. 84. Динамика изменения содержания C- реактивного белка 84 Вертикальными отрезками показаны стандартные отклонения по трем измерениям.
  85. 85. Цитокиновые профили в сыворотке крови 85 Красные клетки и номера дней – инфекция HRV; зеленые клетки и номера дней – инфекция RSV; вопросительный знак указывает на повышение уровня цитокинов в 301-й день по неизвестной причине.
  86. 86. • Nicola Luigi Bragazzi • From P0 to P6 medicine, a model of highly participatory, narrative, interactive, and “augmented” medicine: some considerations on Salvatore Iaconesi’s clinical story • Patient Preference and Adherence, 2013. – Vol. 7. – P. 353–359 86
  87. 87. Р6-медицина 87
  88. 88. Некоторые практические выводы 88
  89. 89. • Прежде всего, следует преодолеть «синдром статистической снисходительности»! • Надо перестать судорожно цепляться за уровень значимости α = 0,05 (а скорее всего и за α = 0,01) и объявлять случаи его преодоления (Pval < 0,05) «достоверными» событиями (даже когда P- значения вычислены с поправками на множественность сравнений). • Если мы сконцентрируемся на преодолении хотя бы уровня α = 0,001, то в итоге сможем сэкономить массу времени и средств и реже выявлять ложноположительные предрасположенности. 89
  90. 90. • Генетика есть наука о наследственности, а наследственность есть способность организмов передавать свои признаки и особенности развития потомству. • Поэтому результаты исследований генетических предрасположенностей должны подтверждаться изучением не менее двух поколений родственников, т.е. обязательно надо проводить анализ семей, родословных и близнецов. • Прежде чем заниматься геномикой, следовало бы поначалу внедрить в клиническую практику регистрацию родословных. • Это и дешевле и эффективнее. 90
  91. 91. • Надо наложить мораторий на поспешные клинические (и иные практические) применения результатов генетики предрасположенностей. • Надо приостановить деятельность фирм и фирмочек, занимающихся гаданием на генной гуще. • Нам насущно необходимо «генетическое законодательство» и «генетико-этический кодекс». • Медицинские генетики и клиницисты обязаны нести не только моральную, но и юридическую ответственность за свои сомнительные диагнозы и практические рекомендации пациентам. 91
  92. 92. • Насущно необходима статистическая экспертиза работ, представляемых к публикации в биомедицинских журналах. • Для этого в состав редколлегий журналов надо вводить экспертов по статистике, как это сделано, например, в журналах Nature, Journal of American College of Cardiology. • Надо вменить в обязанность рецензентов проверять правильность представленных результатов вычислений. • Для этого надо сделать открытыми все исходные данные, как это делается, например, в журналах Science, International Forensic Sciences: Genetics. 92
  93. 93. • Когда результаты опубликованы в открытой печати, тогда исходные данные перестают быть собственностью авторов и должны быть доступными для специалистов. 93
  94. 94. Francis Galton, 1901 • "I have begun to think that no one ought to publish biometric results, without lodging a well-arranged and well-bound copy of his data in some place where it should be accessible, under reasonable restrictions, to those who desire to verify his work.” • «Я начинаю думать, что никто не должен публиковать биометрические результаты без представления хорошо организованной и хорошо переплетенной копии своих данных в некотором месте, где она будет доступна (при разумных ограничениях) тому, кто пожелает проверить его работу». • Френсис Гальтон 94
  95. 95. • Надо сделать обязательным преподавание в медицинских вузах популяционной и эволюционной генетики, а также генетики количественных признаков. 95
  96. 96. Соблазны от которых следует избавляться • (1) Катастрофизм (или «страшилизм») – внушение самим себе и окружающим, что наш геном – свалка опасных для здоровья аллелей. • (2) Генетицизм – он же генетический детерминизм – слепая, фанатичная вера во всемогущество генов. «Генетика – основа медицины» (В.С. Баранов [9]). • (3) Евгенизм – подспудное желание подправить природу человека, селекционировать породу «хороших» или «нужных» людей, «элиту», например, спортсменов. 96
  97. 97. Новые напасти • (4) Коммерциализация фундаментальной науки, которая, не дай бог, может опуститься и до криминализации. • Фундаментальная наука теряет непорочность и становится продажной. • На эту скользкую дорожку (на панель) ее толкают администраторы от науки, которые требуют, чтобы наука была самоокупаемой. • «Государство с таким отношением к науке, которое мы наблюдаем последнее время, обречено» • С.Г. Инге-Вечтомов http://www.gramma.ru/KOL/?id=1.60 97
  98. 98. http://mk.by/2012/03/30/57901/ http://mk.by/page/26/?s=акты+на • (5) Мания секретности – • Сведения о генетических маркерах, отвечающих за спортивные задатки, в ряде стран относят к категории «для служебного пользования». • И.Б.Моссе • Причина, однако, отнюдь не в «засекречивании» данных, а скорее всего, более прозаичная: • исследователи все более убеждаются в бесперспективности ДНК-тестирования и селекции на ее основе элитных спортсменов. 98
  99. 99. Колокол Уотсона звонит по онкогеномике http://www.utsandiego.com/news/2013/mar/21/nobel-watson-DNA-irish/ • Вы можете секвенировать 150000 людей с раком, но это не приведет к излечиванию ни одного из них. • Это не является решением проблемы. • Решением является хорошая химия. • А вот она-то и отсутствует. • Мы имеем кучу биологов, • изучающих рак, которые натасканы мыслить исключительно генами. • Но они совсем не думают о химии. 99
  100. 100. Михаил Ефимович Лобашев (11.11.1907 – 04.01.1971) • Можете заниматься в науке чем угодно, только не забывайте о последствиях и об ответственности. 100
  101. 101. • Эволюционная медицинская геномика, осознаем ли мы это или нет, является фундаментом генетики предрасположенностей, главной целью которой должно быть не предсказание персонализированного риска болезни, а разработка стратегии ее лечения и предупреждения на основе познания ее генетико-эволюционной истории и механизмов. 101
  102. 102. Спасибо за внимание! Слайды доступны для всех Никита Николаевич Хромов-Борисов Кафедра физики, математики и информатики СПбГМУ им. акад. И.П. Павлова Nikita.KhromovBorisov@gmail.com http://independent.academia.edu/NikitaKhromovBorisov 8-952-204-89-49 102

×