Prædiktion af almindelige fænotyper baseret på SNP data fra hele genomet Bjarke Feenstra Afdeling for Epidemiologisk Forskning, Statens Serum Institut, Artillerivej 5 2300 København S email: fee@ssi.dk tlf: 3268 3852 14. april 2011 Resumé Bedre Sundhed for Mor og Barn (BSMB) kohorten giver særdeles gode muligheder for at identicere genetiske risikofaktorer med betydning for komplekse sygdomme, samt for at studere gen-miljø vekselvirkninger. Der er således adskillige genetisk-epidemiologiske studier igang baseret på BSMB, f.eks. studier af præterm fødsel, fedme, alder ved første menstruation og tandsundhed. Dette projekt benytter eksisterende data fra associationsstudier af hele genomet (GWA-studier) sammen med fænotypedata, primært fra 11-års undersøgelsen. Formålet er dels at identicere nye genetiske association til eksempelvis kløftet hage, tilstedeværelsen af ne hår på andet led af håndens ngre og håndethed, samt dels at prædiktere fænotyper ud fra genetiske data og sammenligne med observerede fænotyper med henblik på at nde fejl hvor prøver er blevet ombyttet. 1
Baggrund Genetiske associationsstudier har længe været benyttet til at søge efter genvarianter med betydning for en række almindelige sygdomme. Tidligere blev associationsstudier primært benyttet til undersøgelse af kandidatgener, hvor en række gener blev udvalgt på baggrund af en formodet sammenhæng med en sygdom. Derefter blev genetiske markører, f.eks. enkeltnukleotidpolymor- er (Single Nucleotide Polymorphisms, SNPs ), i de pågældende gener undersøgt for at se om der var forskelle i allelfrekvens mellem patientgruppen og en kontrolgruppe. Det har dog vist sig at et meget lille antal af de fundne associationer efterfølgende kunne vericeres i uafhængige undersøgelser. Inden for de seneste par år er det imidlertid blevet muligt at foretage associationsstudier med 100.000-vis af SNPs fordelt over hele genomet (såkaldte Genome-Wide Association Studies, GWA-studier). Denne fremgangsmåde har været yderst frugtbar i forhold til at identicere genvarianter med betydning for en lang række almindelige sygdomme samt at eftervise fundene i uafhængige populationer. Nye genetiske associationer Vi inddrog i 11-års undersøgelsen en række spørgsmål vedrørende særlige kendetegn, så som pigmentering, hårets form, håndethed, osv. (se Tabel 1 og 2). De este af disse fænotyper påstås at være stærkt arveligt betingede, men for ere af dem kendes specikke gener ikke. Analysen af eksisterende GWA data sammen med fænotype data fra BSMB 11 års undersøgelsen er et særdeles stærkt udgangspunkt for at identicere nye gen-varianter associeret med disse fænotyper. Kvalitetskontrol Det er en helt afgørende forudsætning for ethvert studie inden for genetisk epidemiologi, at koblingen mellem den biologiske prøve med aedte genotypedata og den fænotypiske information hørende til individet er valid. Dette sikres i udgangspunktet gennem standardiserede og veldokumenterede procedurer i laboratoriet samt til håndtering af data. Det er dog uomgængeligt, at der ind i mellem vil ske fejl, hvor prøver f.eks. bliver ombyttet. Derved vil koble forkerte genotypiske oplysninger med de fænotypiske oplysninger man har om en given person. Det er derfor yderst vigtigt at kunne kontrollere koblingen mellem genotype og fænotype. Der er en række metoder til sådan kvalitetskontrol. I designfasen af forsøget kan man inkludere dublerede prøver, referenceprøver fra en standard popu- 2
lation, f.eks. prøver baseret på cellelinjerne fra det internationale HapMap projekt (Gibbs et al., 2003), eller blanke prøver uden biologisk materiale. Derudover kan man kontrollere om genotypedata stemmer med fænotypiske oplysninger samt oplysninger om familierelationer hørende til personen. Man kan f.eks. genotype markører på kønskromosomerne og derved kunne fange fejl, hvor der er sket en ombytning mellem mandlige og kvindelige prøver. I tilfældet hvor man har prøver fra beslægtede personer kan man undersøge om genotype data fra personerne er kompatible med deres familierelation (f.eks. mor-barn). I GWA-studier benytter man dog som oftest ubeslægtede individer, så her vil det være en stor fordel at have information om ere fænotyper, som påvirkes af kendte genvarianter. En kendt association, som vi netop har benyttet til kvalitetskontrol i et psoriasis-projekt baseret på BSMB, er sammenhængen mellem SNPs i genet FTO og body-mass-index (BMI) (Frayling et al., 2007; Dina et al., 2007). Vi genotypede en af disse SNPs (rs3751812) på vores prøvemateriale og genfandt til at begynde med ikke associationen. Efter gennemgang af laboratorieprotokollerne opdagede vi en systematisk robotfejl i forbindelse med pipettering af oprenset DNA fra prøverne. På baggrund af dette omkodede vi data og fandt derefter, at genotyperne for rs3751812 stemte med BMI-oplysningerne baseret på BSMB spørgeskema-data. Denne fremgangsmåde til kvalitetskontrol kan sostikeres yderligere. Da GWA-studier dækker hele genomet, vil man også have genotypedata for SNPs som er associeret med andre simple fænotyper. Jo ere kendte genotypefænotype associationer man undersøger i sit materiale desto større sikkerhed kan man opnå for om koblingen mellem genotype og fænotype er korrekt. Et eksempel kunne være pigmentering af øjne, hår og hud, hvor en række varianter med stærk eekt er beskrevet (Sulem et al., 2007, 2008). Vi foreslår nedenfor spørgsmål om pigmentering og andre fænotyper, der kan sikre unikke muligheder for kvalitetskontrol i kommende genetisk-epidemiologiske undersøgelser baseret på BSMB-kohorten. Specikke formål 1. At identicere gen-varianter associeret med almindelige fænotyper baseret på Bedre Sundhed for Mor og Barn kohorten. 2. At udvikle en ny statistisk metode til kvalitetskontrol af koblingen 3
mellem de fænotypiske oplysninger for en given person i BSMB og genotype-data for den samme person. Primære fænotyper, som analyseres i studiet Tabel 1: Spørgsmål om pigmentering og hårtype Spørgsmål Svarkategorier Bemærkninger Pigmentering og hår Hvad er din naturlige hårfarve? Hvad er din øjenfarve? rød eller rødlig / lys blond / mørk blond / brun / sort / andet blå eller grå / grøn / lys brun eller nøddefarvet / mørk brun / andet Hvor mange fregner har du i ansigtet? Hvor mange fregner har du på armene? Hvordan reagerer din hud hvis du har været længe i solen? Hvilken beskrivelse af dit hårs naturlige form passer bedst? Går din hårgrænse i panden ned i en tydelig spids? Ingen fregner / få fregner / nogle fregner, eventuelt ere om sommeren end om vinteren / mange fregner hele året Ingen fregner / få fregner / nogle fregner, eventuelt ere om sommeren end om vinteren / mange fregner hele året Huden er meget følsom og bliver solskoldet med blærer, smerter og afskalning / huden er følsom og bliver somme tider solskoldet med smerter og afskalning / Huden reagerer med rødme efterfulgt af bruning / Huden bliver brun uden anden reaktion Mange små krøller / mange store krøller / lidt krøllet / lidt bølget / helt glat Som i Kost, Kræft og Helbred Som i Kost, Kræft og Helbred Fitzpatrick hudtyper I-IV, Som i Kost, Kræft og Helbred 4
Tabel 2: Spørgsmål om særlige kendetegn Spørgsmål Svarkategorier Bemærkninger Har du kløftet hage? Har du smilehuller? Er dine øreipper frie eller tilvoksede? Hvilken nger er længst - din ringnger eller din pegenger? Hvilken tå er længst - din storetå eller den ved siden af? Er du højrehåndet eller venstrehåndet? Hvilken fod bruger du til at sparke til en bold med? Prøv at ette dine ngre. Hvilken tommelnger er øverst - den på højre hånd eller den på venstre hånd? Prøv at folde dine arme. Hvilken arm er øverst - den højre arm eller den venstre arm? Kan du rulle din tunge sammen som et rør? Har du små ne hår på andet led af dine ngre? Ja, i begge sider / ja, i den ene side / nej / ved ikke Frie / tilvoksede / ved ikke Pegengeren / ringngeren / de er lige lange / ved ikke Storetåen / den anden tå / de er lige lange / ved ikke Højrehåndet / venstrehåndet / bruger begge hænder næsten lige meget / ved ikke Højre fod / venstre fod / bruger begge fødder næsten lige meget / ved ikke Højre hånds tommelnger / venstre hånds tommelnger / de er øverst på skift næsten lige meget / ved ikke Højre arm / venstre arm / de er øverst på skift næsten lige meget / ved ikke Blodtype Hvilken blodtype har du? A Rhesus D positiv / 0 Rhesus D positiv / B Rhesus D positiv / AB Rhesus D positiv / A Rhesus D negativ / 0 Rhesus D negativ / B Rhesus D negativ / AB Rhesus D negativ / ved ikke 5
LITTERATUR Dina, C., Meyre, D., Gallina, S., Durand, E., Korner, A., Jacobson, P., Carlsson, L., Kiess, W., Vatin, V., Lecoeur, C., et al. (2007). Variation in FTO contributes to childhood obesity and severe adult obesity. Nature Genetics, 39(6):724. Frayling, T., Timpson, N., Weedon, M., Zeggini, E., Freathy, R., Lindgren, C., Perry, J., Elliott, K., Lango, H., Rayner, N., et al. (2007). A Common Variant in the FTO Gene Is Associated with Body Mass Index and Predisposes to Childhood and Adult Obesity. Science, 316(5826):889. Gibbs, R., Belmont, J., Hardenbol, P., Willis, T., Yu, F., Yang, H., Ch'ang, L., Huang, W., Liu, B., Shen, Y., et al. (2003). The International HapMap Project. Nature, 426(6968):789796. Sulem, P., Gudbjartsson, D., Stacey, S., Helgason, A., Rafnar, T., Jakobsdottir, M., Steinberg, S., Gudjonsson, S., Palsson, A., Thorleifsson, G., et al. (2008). Two newly identied genetic determinants of pigmentation in Europeans. Nature Genetics, 40(7):835. Sulem, P., Gudbjartsson, D., Stacey, S., Helgason, A., Rafnar, T., Magnusson, K., Manolescu, A., Karason, A., Palsson, A., Thorleifsson, G., et al. (2007). Genetic determinants of hair, eye and skin pigmentation in Europeans. Nature Genetics, 39(12):1443. 6