Скрытые возможности клиентских данных 23andme в плане молекулярной диагностики.

Компания 23andme не нуждается в особом представлении читателям этого блога. Вплоть до конца прошлого года компанию занимало существенный сегмент рынка персональной геномики, ориентированного на предоставление  клиентам информации о генетических медицинских рисках (genetic risks) и генетической генеалогии (genetic origin). Информация о медико-генетических рисках содержалась в ряде сервисов портала компании, а также в доступном для скачивания отчета о генетических рисках и, разумеется, в первичных данных генетического отчета, в котором содержались значимые с точки зреемя медико-генетического диагностирования генетические полиморфизмы (SNP).

Всвязи с известными событиями и последующим за ними предписанием USA Food and Drug Administration (FDA) компании 23andme о запрете выпуска на рынок услуг персонального геномического диагностирования своего «медицинского девайза» (т.е интерпретации медико-генетических рисков развития заболеваний), компании пришлось сузить свою сферу деятельности до оказания генетико-генеалогических услуг.

Несмотря на это досадное обстоятельство, сказавшееся нелучшим образом на динамике увеличения клиентской базы компании,  нужно помнить, что все клиенты сохранили доступ к своим первичным данным тестирования (т.е списку снипов с генотипами). И при вдумчивом, творческом подходе любой человек может не только «вытащить» из этих «cырых данных» важную с точки зрения медицины информацию, но и заменить спомощью полученной информацией результаты более традиционных тестов.

Каковы могут быть варианты использования данных 23andmе не в привычных генеалогических целях, а скажем для получения сведений, который могут впоследствии пригодится для молекулярного диагностирования?

Я приведу пару примеров такого использования.

Определение HLA-фенотипа.

На мембране клеток организма присутствуют продукты генов всех локусов, размещенных на обеих нитях 6-й хромосомы.

 

 

Это означает, что HLA-гены наследуются по кодоминантному типу, т. е. одну хромосому ребенок наследует от матери, а другую – от отца. Как уже упоминалось, совокупность генов, расположенных на одной хромосоме, составляет гаплотип. Таким образом, у человека два гаплотипа и каждая клетка организма несет на себе диплоидный набор антигенов системы HLA, один из которых кодируется HLA-генами матери, а другой – отца. Исключение составляют половые клетки (яйцеклетка и сперматозоид), каждая из которых содержит в своем ядре только по одному гаплотипу.

Антигены гистосовместимости, выявляемые на клетках конкретного человека, составляют HLA-фенотип. Для его определения необходимо произвести фенотипирование клеток индивида. Как правило, “типируются” лимфоциты периферической крови. До настоящего времени в большинстве лабораторий HLA-A. В, С и DR-антигены определяют при помощи серологических методов, в частности, лимфоцитотоксического теста. тот тест основан на способности анти-НLА-антител в присутствии комплемента разрушать лимфоциты, несущие соответствующие антигенные детерминанты. Гибель клеток демонстрируется при помощи добавления трипанового синего. При этом мертвые поврежденные клетки окрашиваются, и под микроскопом учитывается их количество.

Эти тесты часто требуются в ходе стандартных медицинских процедур обследования во время начала беременности, или для изучения этологии аутоимунных заболеваний. Еще более важно определение гистосовеместимости в транплантологии, где типирование HLA-фенотипа  донора является обязательным условием.

Однако, с приходом новых микроматричных технологий опеределния нуклеотидов ДНК и биоинформатических методов рутинной обработки последовательности человеческих геномов , появился дешевая и относительно простая альтернатива классическим серологическим тестам (которые стоят в интервале от 100 до 500 долларов).

Я не буду останавливаться на принципиальном описании процедур, с помощью которых на основании данных 23andme можно с помощью метода «импутирования» определить HLA-фенотип, так как в прошлом году я уже разместил в этом блоге пошаговую инструкцию для выполнения этой задачи.

Впрочем, уже после того, как  я отписался на эту тему здесь,  в департаменте биостатистики Университета Вашингтона был разработан алгоритм HIBAG который принципиально мало чем отличается от алгоритма HLA*IMP (в обеих алгоритмах используется training model, позволяющая определять фенотип HLA по снипам 23andme).  Входные данные программного решения этого алгоритма (язык R) представляют собой формат Plink. А так как в последней версии Plink была включена нативная поддержка формата 23andme, то преобразовать данные 23andme в бинарный формат Plink не сооставит особого труда. Что касается обработки данных в HIBAG, то примерный порядок выполнения команд выглядит следующим образом:

# Load the published parameter estimates from European ancestry
model.list <- get(load(«European-HLA4.RData»))#########################################################################
# Import your PLINK BED file
#
yourgeno <- hlaBED2Geno(bed.fn=».bed», fam.fn=».fam», bim.fn=».bim»)
summary(yourgeno)

# HLA imputation at HLA-A
hla.id <- «A»
model <- hlaModelFromObj(model.list[[hla.id]])
summary(model)
# HLA allele frequencies
cbind(frequency = model$hla.freq)

# SNPs in the model
head(model$snp.id)
# «rs2523442» «rs9257863» «rs2107191» «rs4713226» «rs1362076» «rs7751705»
head(model$snp.position)
# 29525796 29533563 29542274 29542393 29549148 29549597

# best-guess genotypes and all posterior probabilities
pred.guess <- predict(model, yourgeno, type=»response+prob»)
summary(pred.guess)
pred.guess$value
pred.guess$postprob

 

 

Панель метилирования Яско

В последние 10 лет, крупные генетические исследования выявили сотни генных мутаций, которые возникают чаще у аутичных пациентов, чем в общей популяции. Тем не менее, каждый пациент имеет только одну или несколько из этих мутаций, что затрудняет разработку лекарств против болезни. В настоящее время, изучением генетических факторов аутизма занимается большое количество врачей-генетиков,  одним из них является доктор Эми Яско занимается исследованиями генных мутаций у аутистов. Как показали многочисленные молекулярно-генетические обследования и спектрометрия аминокислот, органических кислот и карнитинов, значительное количество аутистов страдает метаболическими нарушениями.  Есть виды аутизма, вызываемые именно этими генетическими нарушениями обмена вещест.

Доктор Эми Яско разработала тест на панель метиляции Яско — тест этот дорогой, стоит 500 долларов, в этой проверяют что-то около 30 генных полиморфизмов (снипов). Выбор снипов в этой панели мотивирован тем, что эти снипы связаны с  определенными генами на «молекулярно-биохимическом пути метиляции» (methyliation pathway),  т.е генами которые влияют на способность организма выполнять ряд ключевых биохимических функций. Наличие генетических дисбалансов,  т.е снипов в пути метиляции, будет ограничивать эффективность пути метиляции.

 

 

К счастью клиентов 23andme, чипсет снипов этой компании включает в себя если не все, то большую часть снипов панели Яско.
Один из проектов, возникший всвязи с неудовлетворенной потребностью клиентов в более развернутой и детальной обработке данных 23andme, Genetic Genie предлагает  условно-бесплатный сервис с помощью которого данные релевантных снипов можно привести к  традиционному виду таблицы с отчетом по панели Яско:

Gene & Variation	rsID	Alleles	Result
COMT V158M	rs4680	AA	+/+
COMT H62H	rs4633	TT	+/+
COMT P199P	rs769224	GG	-/-
VDR Bsm	rs1544410	CC	-/-
VDR Taq	rs731236	__	no call
MAO-A R297R	rs6323	TT	+/+
ACAT1-02	rs3741049	AG	+/-
MTHFR C677T	rs1801133	GG	-/-
MTHFR 03 P39P	rs2066470	AG	+/-
MTHFR A1298C	rs1801131	GG	+/+
MTR A2756G	rs1805087	AA	-/-
MTRR A66G	rs1801394	GG	+/+
MTRR H595Y	rs10380	CC	-/-
MTRR K350A	rs162036	AA	-/-
MTRR R415T	rs2287780	CC	-/-
MTRR A664A	rs1802059	AG	+/-
BHMT-02	rs567754	CC	-/-
BHMT-04	rs617219	AA	-/-
BHMT-08	rs651852	__	no call
AHCY-01	rs819147	__	no call
AHCY-02	rs819134	__	no call
AHCY-19	rs819171	__	no call
CBS C699T	rs234706	GG	-/-
CBS A360A	rs1801181	__	no call
CBS N212N	rs2298758	__	no call
SHMT1 C1420T	rs1979277	__	no call

Несмотря на то, что на выходе клиент получает  готовый частный отчет по тесту Яско, медико-биологическая интерпретация результатов не так уж и проста, и требует определенной интеллектуальной сноровки и общегенетической эрудиции в плане понимания того, какую функцию выполняет тот или иной ген. Строго говоря, при грамотной интерпретации этих результатов, можно самостоятельно составить себе диету из витаминов-пищевых добавок, которые позволяет компенсировать обусловленный генетическим дисбалансом дефицит тех или иных энзимов.Примерный образец интерпретации можно посмотреть здесь

 

 

Очередные исследования генетических факторов влияющих на возникновение шизофрении и аутизма

Один из ведущих новостных порталов сообщает о том, что международная группа исследователей выявила изменения вариации числа копий генов, связанные с возникновением шизофрении и аутизма. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature, удаление или дублирование одного и того же региона на коротком плече хромосомы 15 приводит к противоположным изменениям в сером и белом веществе головного мозга.

http://polit.ru/news/2013/12/19/ps_schizophrenia/

От себя добавлю, что одно из многих уже опубликованных  исследований (и исследований, публикация которых еще только предстоит) в этой области.  Изучение генетических факторов аутизма и шизофрении показывает, что простая модель «один полиморфизм-одно заболевание» здесь просто не работает, тем более процентный вклад генетических факторов наряду с эпигенетическими факторами в развитие этого заболевания неизвестен . Поэтому, несмотря на по-медийному оптимистическое название статьи, не стоит делать далеко идущие выводы о том, что в этих исследованиях можно ставить точку.

В продолжении темы о найденным мною «гене Фейсбука»

Открыл на форуме 23andme тему, посвященную новооткрытому «гену Фейсбука» https://www.23andme.com/you/community/thread/14241/ Просьба к тем, кто имеет аккаунт в 23andme подержать своим участием

One of the biggest failures of the GWAS methodology is that is designed to detect the effects of causative genetic loci where the rarer allele still has a reasonable frequency in the population (greater than 5%). If there are genetic loci influencing the trait where the rare allele has a frequency under 5%, or even under 1%, the GWAS technique is unlikely to be able to detect these loci.

The latest addition to Gedmatch «Rare SNP search» was very helpful in circumventing the problem described above. Having found some rare alleles in Gedmatch databse, i have mentioned an interesting SNP in SLC6A3 gene: rs28363168 (chr5:1447389 A C). The A-genotype of this SNP is very rare (0.6121%), but seems to have an impact on the storage and release of dopamine. The gene SLC6A3 regulates the production of dopamine transporter, a membrane-spanning protein that pumps the neurotransmitter dopamine out of the synapse back into cytosol. From the previous studies we know that SLC6A3 gene is said to have «genetic associations» with the various cognitive and attention disorders (i.e., schizophrenia, depression, alcohol consumption. More interesting, however, is that polimorphisms in that gene increase the odds of having ADHD (Attention deficit hyperactivity disorder). The recent research has shown thta the use of social networking sites can cause personality and brain disorders in children, such as the inability to have real conversations, limited attention spans, a need for instant gratification, Attention-Deficit Hyperactivity Disorder (ADHD), and self-centered personalities.
That’s why i’ve dubbed the SLC6A3 gene «the Facebook gene».

rs28363168 is tested by 23andme. I’d like you post your rs28363168 genotype here. Any comments or questions are also highly appreciated

Удалось связаться с носителем сверхредкого гомозиготного варианта AA в снипе rs28363168 (который, как я и говорил ранее, может быть связан с повышенным риском развития ADHD).

В приватной беседе выяснилось, что несмотря на свой AA-вариант снипа, диагнога ADHD у этого индивида X (и его родственников) нет, хотя и присутствуют некоторые симптомы. Зато многие члены этого семейства страдают биполярным аффирмативным расстойством, а некоторые синдромом Аспергера. Это вполне объяснимо, так как вышеупомянутый снип находится в гене, «кодирующем» протеин-транспортер допамина. На эту тему есть хорошое исследование J Psychopharmacol. 2011 Jul;25(7):934-43. Epub 2011 Mar 18. Increased risk-taking behavior in dopamine transporter knockdown mice: further support for a mouse model of mania.

Reduced functioning of the dopamine transporter (DAT) has been linked to bipolar disorder (BD). Mice with reduced DAT functioning (knockdown, KD) exhibit a behavioral profile in the mouse Behavioral Pattern Monitor (BPM) consistent with patients with BD mania in the human BPM. Patients with BD also exhibit increased risk taking, which can be quantified using the Iowa Gambling Task (IGT). We hypothesized that DAT KD mice would exhibit increased risk-taking behavior in a novel mouse version of the IGT. DAT KD and wildtype (WT) littermates were trained in the mouse IGT. In session 1, KD mice initially made riskier choices, but later performed comparably to WT mice. Once trained to stable choice performance, DAT KD mice continued to exhibit a trend to choose the riskier options more than WT mice. Finally, we confirmed that these DAT KD mice also exhibited an exploratory profile in the BPM consistent with patients with BD mania, where risky choice behavior modestly correlated with specific exploration. These data demonstrate that DAT KD mice chose the riskier options more than WT mice, providing further support for the use of DAT KD mice as a model of BD mania.

Поскольку в ходе дискуссии был упомянут синдром Аспергера, то стоит подробнее остановиться на его описании. Люди с синдромом Аспергера часто выделяются весьма педантичной манерой разговора, использованием более формального и структурированного языка, чем того заслуживает ситуация. Пятилетний ребёнок с этим синдромом может регулярно говорить на языке, который бы подошёл университетскому учебнику, особенно в своей области интересов. Язык Аспергера, несмотря на старомодные слова и выражения, грамматически правилен.

Развитие речи у ребёнка бывает исключительно ранним, развиваясь медленно из-за типичной для аспергеров привязанности к структуре и неизменённости жизненных норм, или наоборот несколько поздним по сравнению с братьями и сёстрами, после чего развивается очень быстро, так что в возрасте 5-6 лет речь в любом случае выглядит как правильная, педантичная, не по годам развитая и чрезмерно похожая на взрослую. Часто ребёнок, запомнивший речевые штампы, может выглядеть понимающим разговор. Однако для него трудно или полностью невозможно быть настоящим собеседником. Специалисты по нарушениям речи обычно называют этот тип проблем термином семантическое прагматическое нарушение, означающим, что, несмотря на нормальные или хорошо выраженные навыки речи, существует неспособность использования языка для коммуникации в условиях реальной жизни. Тональность голоса может быть нарушенной (слишком сильный, сиплый, чрезмерно низкий), темп речи увеличенным или заниженным. Слова часто произносятся излишне ровно и монотонно.

Другим распространённым (хотя и не универсальным) симптомом является буквальное понимание. Эттвуд приводит пример девочки с синдромом Аспергера, которой однажды позвонили и спросили «Павел рядом?». Хотя требуемый Павел присутствовал в доме, его не было в комнате, и, оглянувшись, чтобы убедиться в этом, она ответила «нет» и повесила трубку. Звонящему человеку пришлось перезвонить и объяснить ей, что он хотел, чтобы она нашла Павла и попросила его взять трубку (Attwood, 78).

Люди с синдромом Аспергера не воспринимают те неписанные социальные законы, которые мы усваиваем по опыту. Это как раз те люди, которые, как в известном анекдоте, на вопрос «Как дела?» начинают действительно рассказывать, как у них дела. Либо, наоборот, зная, что ответ на вопрос для собеседника может показаться слишком длинным — молчат. А если им сказать «Звони в любое время», могут позвонить в три часа ночи с чистой совестью. Полное неумение понимать намеки и «читать между строк» осложняет отношения с окружающими, но необходимо помнить, что оборотная сторона этого — честность и прямолинейность. Многие люди с синдромом Аспергера вообще не умеют лгать, и опасаться интриг с их стороны тоже не приходится.

Многие люди с синдромом Аспергера также используют слова очень специфически, включая в речь свежепридуманные слова или скомбинированные из знаний разговорного языка с корнями древних, от которых он произошёл, а также необычные сочетания слов. Они могут развить редкий дар к юмору (особенно каламбуры; игра слов; строфы, в которых смысл приведён в жертву рифме; сатира) или написанию книг. (Другой потенциальный источник юмора появляется, когда они понимают, что их буквальные интерпретации забавляют окружающих.) Некоторые настолько хорошо владеют письменной речью, что удовлетворяют критериям гиперлексии (способность понимать письменную речь выше нормы, а способность понимать устную речь — ниже нормы).Возможные причины и происхождение синдрома Аспергера — это горячо обсуждаемая и спорная тема. Мнение большинства, на сегодня, состоит в том, что причины синдрома Аспергера — те же, что и у аутизма. Некоторые, однако, с этим не согласны, и аргументируют, что к синдрому Аспергера и аутизму приводят разные вещи. Всё это происходит на фоне продолжающихся более широких дебатов относительно того, является ли синдром Аспергера и другие состояния (такие как расстройство с дефицитом внимания и гиперактивностью — СДВГ (ADHD)) частью так называемого аутистического спектра.

Среди многих конкурирующих теорий относительно причины аутизма (и, следовательно, как многие уверены — синдрома Аспергера) — теория недосвязанности, разработанная исследователями познавания университета Carnegie Mellon и университета Питсбурга, теория предельного мужского мозга Симона Барон-Коэна (Simon Baron-Cohen), теория пред-работающего аутизма, теория социальной конструкции и генетика.

Возвращаясь к найденной мной ассоции полиморфизма (снипа) rs28363168 c cиндромом ADHD («ген Фейсбука»), необходимо упоминуть один красноречивый факт. К дискуссии на форумах 23andme (по приведенной выше ссылке) подключилась одна из форумных активисток little_bit, которая живо интересуется проблематикой аутизма (ASD/ADHD). Причина ее интереса к аутизму очевидна: ее сыну был поставлен диагноз ADHD/ASD и сейчас он проходит медикаментозный курс лечения лекарствами Strattera, Ritalin и Adderall. ) Так вот у ее сына в снипе rs28363168 тот же геноти АC, что и у меня. Этот гетерозиготный генотип встречается крайне редок, что  подтвердилось в ходе  статистического анализа  публичных данных, опубликованных известным порталом openSNP.
Причем при составлении генотипов ее муж (который также тестирован в 23andme) и сына cтановится очевидно, что сын унаследовал редкую аллель A от отца. Что еще интересней, муж, хотя и не был диагностирован синдромом Аспергера/ADHD в детстве, имеет все очевидные признаки этих расстройств )). Ну и генотип у него соответственно AC ).
Так что выводы моего исследования, как говорится, попали в яблочко:

When I put together my son’s rare snp analysis, rs28363168 in the SLC6A3 gene was probably my most exciting finds. I’m not going to say «smoking gun» quite yet, but close. My son got the rare A allele from his father who is diagnosed with ADHD, and successfully on meds for it. Most interestingly, he got it from his father, who is very classically ADHD/Asperger’s though not officially diagnosed due to his age. He is 81 and they just didn’t do those diagnosis’s back then. If you observe my father-in-laws life, as well as his father, the ADHD symptoms were very evident and unmistakable.My son is most similar to my father-in-law, such that he has the strong ADHD symptoms as well as Asperger’s, whereas my husband is not Asperger’s. I have diagnosed autistic relatives, and several suspected cases so it may just be a luck-of-the draw thing such that both my son and father-in-law got ADHD from their father’s side and ASD from their mother’s side?Anyway, here’s the snp at opensnp — one of the two AC’s has haunted the ASD/ADHD threads here with me for a long time, so yet one more piece of the puzzle. I know that he and my son both share the MAOA 3 repeat warrior version, which being on the X they get from their mother’s. MAO-A is an enzyme that degrades amine neurotransmitters, such as dopamine, norepinephrine, and serotonin and it’s prevalence is around 30% in Europeans. It makes me wonder if there could be a synergistic correlation between the variant and this snp, perhaps as a modifier to more severe ADHD or Aspergers? I know with my father-in-law, husband, and son…my husband has the least severe, and most easily treated case.

Интересно проанализировать распространение генотипов rs28363168 в метапопуляции европейцев.Данные взяты из базы данных dBSNP NCBI
Частоты генотипов CC, AC, AA вычисленны исходя из чисто «европейской» панели HapMap-CEU

Forward strand/ reverse strand %
GG/CC 93,8%
GT/AC 6,2%
TT/AA —

Alleles

G/C 96,9%
T/A 3,5%

Генотип GT/AC имеет частоту распространения 6,2%. Это примерно соответствует частоте распространенности ADHD в европейской популяции. Cм. нижеприведенные ссылки в статье «The size and burden of mental disorders and other disorders of the brain in Europe 2010», в которой частота встречаемости  ADHD  в европейских популяциях оценивается в 5%: «шn this study, 1 in 20 (5%) are thought to have ADHD but diagnosis rates vary depending:-Teachers reporting 18%-Parent reporting 8%-Self reporting 4%-Both parent and self 2%». Похожие выводы можно найти и в другом исследовании:

Males, of course, are much more likely to receive a diagnosis and age factors in as well. ADHD symptoms are estimated at 9.5-16.1% prevalence, but like ASD, it could be a spectrum, with many on the lesser end of the spectrum remaining undiagnosed due to coping skills.

Новая парадигма поиска геномных ассоциаций

Некоторое время назад благодаря помощи неутомимого Джона Олсона из Gedmatch, мы обнаружили «ген Фейсбука» .
Но, наверное стоит уточнить детали.Строго говоря, из-за спектра нарциссических проявлений этот «ген» (а вернее полиморфизм в гене) следовало бы обозначить как «Twitter gene», но название «Facebook gene» мне нравится «более лучше» (с)
Немного о методике поиска (поскольку она несколько отличается от привычных GWAS-методов анализа генетического сцепления/линкаджа и ассоциаций). Джон имплементировал на своем сервере поисковик редких генетических вариантов («Rare SNP search») в своей базе данных, которая уже содержит «геномы» несколько десятков тысяч людей.
Поисковик выдал список из примерно 1000 редких генотипов, представленных в возрастающем (по чистоте генотипа в выборке) порядке — от меньшего к большему. Поскольку дизайн поисковика позволяет определить аллель по которой ведется расчет чистоты, а также посмотреть список людей, у которых присутствет этот редкий аллель, то не составило провести мини-GWAS на предемет ассоциаций с заболеваниями и фенотипическими признаками.

Одним из таких снипов оказался rs28363168, расположенный на 1447389 (в геномных координатах b37) 5 хросомомы в регионе гена SLC6A3. Этот снип имеет два аллельных варианта — C и A, причем А очень редкий генотип (частота в выборке не превышает 0.612%).
У меня этот снип представлен в гетерозиготном виде, т.е. AC. Cнип же этот, находясь в гене SLC6A3 имеет ряд уже ранее описанных в литературе ассоциаций -в частности,
ADHD, schizophrenia, depression, alcohol consumption. ADHD весьма примечателен.
Это синдром дефицита внимания и гиперактивности (сокращённо СДВГ; англ. AttentionDeficit/Hyperactivity Disorder (ADHD)) — неврологическо-поведенческое расстройство развития, начинающееся в детском возрасте.
Проявляется такими симптомами, как трудности концентрации внимания, гиперактивность и плохо управляемая импульсивность. Как показали последние исследования американские ученные, многие из активных посетителей социальных сетей страдают о СДВГа 🙂

Посмотрев список лиц, указанных в таблице с тем же редким генотипом А, к удивлению заметил, что в списке много людей, известных своей гиперактивностью в РАЗНЫХ социальных сетях и на РАЗНЫХ антропологических форумах.
Ergo, можно признать, что РЕДКИЙ генотип А rs28363168 может быть связан с риском развития клинических форм ADHD/СДВГ. Это связь убедительна если вспомнить о том, что ген SLC6A3
(в котором находится снип) кодирует протеин допаминового транспортера, т.е того протеина который «проталкивает» нейротрансмитер допаминов из синапса в цитозоль.

Вывод: новая модель  поиска геномных ассоциаций с риском заболеваний за счет включения в анализ большого массива данных за счет добровольного участия граждан (participating citizens) представляется наиболее перспективного подхода, так как позволяет минимизировать затраты на генотипирование.  Проекты типа OpenSnp.org позволяют концентрировать большой объем данных по большим выборкам с комбинированными данными о фенотипах/генотипах участников. После определенной обработки и группировки, эти анонимизированные данные представляются профессиональным генетикам, специализирующимся в области геномной медицины для последующего использования в научных работах.