Эпидемиологические исследования в генетике.

Из: Greenberg R., Daniels S., Flanders D. Medical Epidemiology,

3rd edition, Lange Medical Books, NY, 2001, 215 p.

История болезни.

Семидесятилетний пенсионер, ранее работавший продавцом автомобилей, пришел к семейному врачу в сопровождении жены, на которой он женат уже более пятидесяти лет, с жалобами на то, что он «все забывает». На протяжении нескольких предшествующих лет пациент с все большей сложностью запоминал события, происходившие недавно, и часто терял направление при поездках на автомобиле, даже находясь поблизости от своего дома. В последнее время он стал забывать имена и задавать один и тот же вопрос несколько раз подряд. Он не принимает никаких лекарств, никогда не страдал алкоголизмом, не пробовал наркотики, не подвергался воздействию токсических веществ, у него не было гипертензии, и он не переносил инсульта. Семейный анамнез пациента без особенностей, за исключением аналогичной ситуации с прогрессивной потерей памяти и когнитивных способностей у его матери и старшего из трех братьев.

При обследовании: пациент удовлетворительного питания, признаки системного заболевания отсутствуют, однако пациент не может назвать, какой сейчас год, а через пять минут не может вспомнить ни один из трех, показанных ему объектов, и не может произвести обратный счет от ста по семь. В остальном неврологическое обследование не указывает на отклонение от нормы. После проведения обследования при помощи магнитно-резонансной томогафии и дополнительный тестов, исключающих специфические излечимые причины деменции, был поставлен диагноз болезни Альцгеймера.

Клиническое введение

Деменция характеризуется нарушением краткосрочной и долгосрочной памяти вместе с нарушением когнитивных функций (например, языка или функции визуального представления объектов). Для того чтобы был поставлен диагноз деменции, потеря когнитивных способностей пациента должна быть настолько сильной, чтобы повлиять на его социальную или профессиональную активность. Деменцию могут вызывать более 60 различных заболеваний, но в большинстве популяций наиболее частой ее причиной является болезнь Альцгеймера. Впервые это заболевание было описано в 1907 году Алоисом Альцгеймером, описавшего морфологические изменения в мозгу  пациента, умершего от прогрессирующей деменции. Клинический диагноз болезни Альцгеймера ставится методом исключения всех остальных возможных причин деменции, среди которых на первом месте стоят сосудистые поражения головного мозга.

«Золотым стандартом» для постановки диагноза болезни Альцгеймера является гистологическое исследование ткани мозга. Пациенты с патологоанатомическим подтверждением заболевания описываются, как имеющие «подтвержденную болезнь Альцгеймера». Клинический диагноз обычно ставится на основании (1) тщательно собранного анамнеза; (2) физикального, неврологического и психиатрического обследования и (3) лабораторного и радиологического обследования. Пациент, удовлетворяющий клиническим критериям, но не имеющий патологоанатомического подтверждения заболевания, характеризуется как имеющий «возможную болезнь Альцгеймера». При адекватном применении всех клинических методов исследования, стандартизованные диагностические критерии болезни Альцгеймера дают положительную предективную оценку 85% или выше, по сравнению с результатами, обнаруживаемыми на биопсии.

Хотя признаки и симптомы болезни Альцгеймера варьируют среди разных пациентов, начало заболевания обычно незаметно и когнитивная функция прогрессивно ухудшается на протяжении длительного периода времени. Данная форма деменции редко встречается у пациентов до 60 лет, однако затем, по мере старения популяции, заболеваемость начинает резко возрастать. Обычно у пациентов наблюдается ухудшение в запоминании новой информации. По мере того как заболевание на протяжении нескольких лет прогрессирует, у них также развивается сложность с удержанием внимания, ориентацией, логикой и происходят нарушения в эмоциональной сфере.

Диагностическое исследование мозга указывает на наличие генерализованной атрофии коры головного мозга с расширением желудочков. При патологоанатомическом вскрытии мозг пациента с болезнью Альцгеймера атрофирован, в особенности атрофирована кора головного мозга. Микроскопическое исследование серого вещества демонстрирует уменьшение количества нейронов и количества синапсов с аномальным прокрашиванием нейронов, нейрофибрилл, а также появлением бляшек с фрагментами белка, так называемого бета-амилоида. Бета-амиолид – это аномальный продукт метаболизма белка, предшественника амилоида, который обычно производится различными клетками, включая нейроны. При болезни Альцгеймера возникают также различные нейрохимические нарушения, наиболее выраженными из которых является исчезновение холинергических нейронов, демонстрирующееся в снижении активности холинацентилтрансферазы.

Этиология болезни Альцгеймера и связанных с ней морфологических и биохимических аномалий, не известна. Исследования, проведенные к настоящему времени, обнаруживают генетическую предрасположенность к заболеванию, а также воздействие факторов риска окружающей среды таких как, контакт с алюминием и травма головы. Однако эти результаты не находят подтверждения во всех исследованиях. Недавние исследования в генетике и генетической эпидемиологии указывают на несколько генов, которые могут играть значительную роль в этиологии болезни Альцгеймера. Для пациентов с ранним началом заболевания (до возраста в 65 лет) было установлено, что 50% всех случаев заболеваний может быть объяснено мутациями генов, расположенных на хромосомах 1, 14 и 21. Ген на хромосоме 21 кодирует белок, предшественник амилоида, и имеет аутосомно-доминантный характер наследования. Ген на хромосоме 14 называется пресенилином 1, а ген на хромосоме 1 называется пресенелином 2. Оба гена пресенелина имеют аутосомно-доминантный характер наследования. Четвертый ген, обнаруживаемый на хромосоме 19, называется аполипопротеином Е (Апо Е) и кодирует белок, участвующий в транспорте холестерина. Апо Е связан с появлением заболевания в более позднем возрасте (старше 65 лет), при этом аллель е4 ассоциирован с увеличенной вероятностью развития болезни Альцгеймера.  Некоторые данные указывают на то, что генетические факторы риска и факторы риска внешней среды могут действовать в унисон. Например, травма головы является фактором риска болезни Альцгеймера в более старших возрастных группах, но только среди тех людей, у которых имеется Апо Е аллель е4.

Прогноз для пациентов с болезнью Альцгеймера достаточно неоднозначный, и среди других факторов риска он зависит от возраста и тяжести заболевания в момент постановки диагноза. Для очень пожилых пациентов болезнь Альцгеймера может и не оказать воздействия на продолжительность жизни, но, безусловно, ухудшает качество жизни. Обычно смерть не связана с болезнью Альцгеймера самой по себе, но она тесно связана с другими заболеваниями, которые возникают наряду с болезнью Альцгеймера. В настоящий момент нет методов профилактики, остановки или регрессирования течения болезни Альцгеймера. Для пациентов с болезнью Альцгеймера некоторый симптоматический эффект может быть достигнут за счет борьбы с нейрохимическими проблемами, возникающими у них в мозговой ткани, например, ингибитор холинэстеразы замедляет потерю когнитивных функций, по крайней мере у некоторых пациентов с болезнью Альцгеймера. Другие подходы для замедления прогрессирования заболевания включают использование нестероидных противовоспалительных препаратов, антиоксидантов и эстрогенов.

Введение.

Исследователи часто используют технику эпидемиологии для того, чтобы изучать генетические факторы риска и взаимодействие между генетической уязвимостью и факторами окружающей среды. Эта область исследования известна как генетическая эпидемиология. Область генетической эпидемиологии включает в себя изучение наследственных факторов, а также факторов окружающей среды в возникновении заболеваний в популяции людей. Эта область эпидемиологии очень быстро растет, параллельно с все увеличивающимися знаниями о геноме человека. Как проиллюстрировано в приведенной выше истории болезни, мы можем использовать знания о генетической уязвимости для того, чтобы идентифицировать индивидуумов высокого риска и группы подобных людей. Для заболеваний, при которых существуют скрининговые тесты и эффективные профилактические и лечебные методики, знания наследственных факторов риска могут использоваться для того, чтобы обеспечить раннее выявление и профилактику заболеваний.

Генетическая эпидемиология базируется на принципах, полученных как из генетики, так и из эпидемиологии. В частности дизайн проведения и интерпретация исследований генетической эпидемиологии базируется на тех же самых принципах, которые применяются и в других областях эпидемиологии. Например, большинство исследований в генетической эпидемиологии базируется на когортных исследованиях или исследованиях по типу случай-контроль. Однако подобные исследования отличаются от классических эпидемиологических исследований в том, что «воздействие» - это ни что иное, как генетический фактор.

В генетике, как и в других областях, первоначальное изучение этиологии заболевания часто включает в себя описательную эпидемиологию заболевания. Результаты описательных исследований дают информацию о частоте заболеваний, и ее важности для общественного здоровья. Подобные находки могут предположить наличие этиологической роли, специфических генетических факторов, факторов окружающей среды или других факторов риска, а дальнейшее изучение поможет оценить возможную роль наследственности. Поскольку наследственная предрасположенность будет приводить к появлению кластеров случаев в семьях, эпидемиологи могут проводить исследования для того, чтобы оценить степень концентрации заболеваний в определенных семьях. Если результаты подобных исследований подтверждают гипотезу о концентрации заболеваний в определенных семьях и предполагают, что генетические факторы воздействуют на возникновение заболеваний, то последующие исследования могут включать оценку взаимосвязи риска заболеваний со специфическими маркерами, например, с определенными генами и продуктами этого гена. Таким образом, эпидемиологическое исследование этиологии заболевания часто идет от:

(1)     общих описательных исследований, как части поиска этиологических причин;

(2)     изучение концентрации заболеваний в семьях, как часть поиска доказательств наличия такой концентрации;

(3)     эпидемиологических исследований, предназначенных для оценки риска, связанного со специфическими генетическими факторами. Дополнительным шагом в исследовании, который больше базируется на применении популяционной генетики, чем на эпидемиологии,  является комплексный метод генетического анализа, который пытается выявить доказательства генетической этиологии у родственников.

Основные типы исследований, используемые в генетической эпидемиологии, вместе с описанием целей подобных исследований и некоторых подходов, показаны в таблице 11-1. Эти различные подходы детально описаны в дальнейших разделах этой главы. Текст организован в той же последовательности, в которой проводится исследование для того, чтобы охарактеризовать этиологию заболевания. Вначале выполняются описательные исследования, затем проводятся исследования концентрации случаев в семьях, а затем проводится изучение специфических генетических маркеров. Для полноты представления кратко упомянуты методы сложного генетического анализа, хотя эти методы очень часто рассматриваются и как раздел популяционной генетики. На протяжении всей этой главы приводятся иллюстрации из литературы по изучению болезни Альцгеймера.

Таблица 11-1. Типы исследований, которые используются для того, чтобы оценить генетические воздействия на риск возникновения заболевания в популяции людей.

Тип исследования

 Цель

 Пример

Описательные исследования

 Изучение неспецифических факторов, например, пола, возраста, расовой принадлежности

 Более высокая частота классической гемофилии у мужчин

Изучение концентрации заболеваний в семьях

 Изучение риска повторного возникновения концентрации заболевания в семьях и влияние близкородственного скрещивания

 Более высокий риск рака молочной железы у дочерей женщин с раком молочной железы

Исследование специфических генетических факторов

 Изучение рисков, связанных со специфическими генетическими факторами, например, ферментами или определенной последовательностью ДНК

 Более высокий риск инсулин зависимого сахарного диабета у людей с определенными антигенами главного комплекса гистосовместимости (HLA)

Сложный генетический анализ

 Изучение особенностей риска у родственников

 Более высокий риск болезни Альцгеймера у родственников, имеющих те же самые аллели, что и у больного

Описательные эпидемиологические исследования.

Исследователь может использовать описательные исследования для того, чтобы пролить свет на важность заболевания с точки зрения общественного здоровья, и на возможную роль генетических факторов и факторов окружающей среды на ее возникновение. Основные характеристики (личность, время, место), как обсуждалось ранее, могут предоставить указания на возможные генетические факторы риска или факторы риска со стороны окружающей среды.

Личностные характеристики, которые связаны с вариабельностью в заболеваемости, могут предоставить очень важную информацию. Более высокая частота возникновения заболевания в определенных этнических или расовых группах, может предполагать наличие общих факторов со стороны стиля жизни, окружающей среды или генетики. Более высокая частота возникновения заболевания у мужчин предполагает гормональные факторы риска, факторы риска, связанные со стилем жизни или заболевания, связанные с Х-хромосомой. Например, редкость возникновения среди женщин классической гемофилии, дефицита фактора свертывания крови 8, связанная с 50% риском у мальчиков, рожденных от женщин, носительниц этого заболевания – указывает на сцепленный с Х-хромосомой рецессивный характер наследования.

Географическая и временная вариабельность возникновения заболеваний также может предоставить важную информацию. Например, факторы окружающей среды, которые варьируют вместе с частотой возникновения заболеваний, могут указывать на причинно-следственные связи. Например, в Соединенных Штатах градиент с севера на юг в увеличивающейся смертности от злокачественной меланомы, фатальной формы рака кожи, идет параллельно с градиентом с севера на юг увеличивающегося воздействия ультрафиолетовой радиации (УФ). Эта характеристика поддерживает роль УФ радиации как причины злокачественной меланомы. Генетические факторы, если они варьируют вместе с частотой возникновения заболевания, также могут оказаться важными.

Исследования эмигрантов могут предоставить информацию об относительной роли генетических факторов и факторов окружающей среды. Например, заболеваемость раком предстательной железы значительно ниже в Японии, чем в Соединенных Штатах. Эмигранты первого поколения, приехавшие из Японии в Соединенные Штаты, также имеют относительно низкую заболеваемость, однако в последующих поколениях заболеваемость постоянно увеличивается. Эпидемиологи интерпретируют эти характеристики как поддержку причинно-следственной роли воздействия со стороны окружающей среды по мере того, как последующие поколения принимают стиль жизни той страны, в которую они приехали. Если бы возникновение рака предстательной железы находилось под влиянием только генетических факторов, то в этом случае мы бы не обнаружили серьезных изменений в частоте возникновения этого заболевания в нескольких поколениях.

Конечно обнаружение не генетических факторов, которые играют важную роль в возникновении заболевания, не означает, что генетические факторы не играют никакой роли, и наоборот, обнаружение того факта, что генетические факторы играют важную роль, не означает, что не генетические факторы не играют никакой роли. Очень краткий обзор эпидемиологии и патофизиологии фенилкетонурии иллюстрируют важность как генетических, так и внешних факторов возникновения этого заболевания.

Фенилкетонурия - это аутосомно-рецессивное заболевание, при котором лица, унаследовавшие два рецессивных гена, неадекватно метаболизируют фенилаланин, и как следствие, у них развивается нарушение психомоторного развития. Однако специфическая диета, содержащая пониженное количество фенилаланина, может предотвратить задержку психического развития, особенно если эта диета начинается достаточно рано. Эти данные подчеркивают, что при этом заболевании генетическая уязвимость и диета действуют вместе, вызывая задержку психического развития.

Пример 1. Для того чтобы изучить описательную эпидемиологию болезни Альцгеймера, исследователи в Восточном Бостоне провели скрининг людей старше 65 лет. После тестирования памяти и оценки неврологического состояния всех участников этого скрининга, исследователи установили, что примерно 10% пациентов в возрасте 65 лет и старше, по всей вероятности, имеют болезнь Альцгеймера. С возрастом распространенность заболевания увеличилась практически до 50% среди лиц старше 85 лет. Более того, более 80% случаев умеренного или тяжелого нарушения когнитивных функций в данной популяции являлись результатом болезни Альцгеймера. Эти результаты указывают на высокую распространенность болезни Альцгеймера, увеличивающуюся распространенность этого заболевания с возрастом и растущую его значимость по мере старения популяции. Другие аспекты описательной эпидемиологии болезни Альцгеймера такие, как низкая заболеваемость у американских индейцев, предполагает, что генетические различия в зависимости от этнической принадлежности могут воздействовать на риск развития болезни Альцгеймера.

Эпидемиологические исследования увеличенной частоты заболеваний в семьях.

Эпидемиологи ожидают, что если возникновение заболевания хотя бы частично определяется генами, то оно будет чаще встречаться в определенных семьях. Однако заболевание может чаще встречаться в семьях также и в связи с тем, что среди родственников встречаются одинаковые не генетические факторы риска. Ключевым показателем накопления или увеличенной частоты встречаемости заболевания в семьях – это так называемый воспроизводящийся риск. Иными словами это риск развития заболевания у родственников пациента с данным заболеванием. Увеличенная частота встречаемости в семьях предполагается, если риск возникновения заболевания среди родственников человека с данным заболеванием превышает таковой среди сравнимого родственника без данного заболевания. Иными словами предполагается, что имеется кластер заболевания, если обнаруживаются значения относительного риска больше 1, при сравнении частоты появления заболевания среди тех, у кого родственник имел данное заболевание, по сравнению с подобным риском среди тех, у кого больных родственников не было.

Для того чтобы изучать и оценивать накопление заболеваний в семьях, эпидемиологи часто используют когортные исследования (глава 8) или исследования по типу случай-контроль (глава 9). Для того чтобы изучить накопление заболеваний в семьях с применением когортного дизайна исследования, эпидемиолог вначале идентифицирует группу пациентов, у которых данное заболевание имеется, а затем идентифицирует вторую группу пациентов, у которых данное заболевание отсутствует (рисунок 11-1).

Рисунок 11-1. Схематическая диаграмма когортного исследования для того, чтобы оценить накопление заболеваний в семьях. Заштрихованные фигуры представляют собой лиц, «подвергавшихся воздействию» - изначально здоровые члены семей, в которых есть больные люди. Не заштрихованные фигуры представляют собой лиц, «не подвергавшихся воздействию» - изначально здоровых лиц, среди родственников которых больных людей не было  (Eligible subjects – изучаемая популяция, Relatives of persons with disease – родственники больных, Relatives of persons lacking disease- родственники здоровых, Disease – заболели, No disease – не заболели, Direction of inquiry- направление отслеживания, Time – время)

Затем эпидемиолог создает когорту «подвергшихся воздействию», которая состоит из родственников пациентов с заболеванием, против тех, у которых этого заболевания нет. Далее он создает когорту из лиц, «не подвергшихся воздействию», состоящую из здоровых родственников людей с отсутствием заболевания. Для того чтобы упростить интерпретацию, когорты часто состоят из близких родственников тех, кто находится в индексной или исходной группе. За этими двумя группами проводится наблюдение для того, чтобы определить последующее возникновение данного заболевания в этих группах, и рассчитать заболеваемость и отношение заболеваемостей так, как это обычно делается. Отношение заболеваемостей показывает во сколько раз люди, имеющие человека с заболеванием среди родственников, имеют заболеваемость, отличающуюся от той, которая наблюдается среди членов семьи с отсутствием больных родственников. Соответственно отношение заболеваемостей, превышающее 1, предполагает, что в семьях наблюдается накопление заболевания, в то время как отсутствие накопления заболевания в семьях, характеризуется отношением заболеваемости равной 1 или меньше. Этот подход можно проиллюстрировать исследованием по изучению болезни Альцгеймера, которое было выполнено Huff и соавторами (1988): когорта «подвергшаяся воздействию» состояла из братьев, сестер и родителей пациентов с болезнью Альцгеймера, а когорта «не подвергавшихся воздействию» состояла из аналогичных родственников людей с отсутствием болезни Альцгеймера (смотри рисунок 11-2).

Рисунок 11-2. Схематическая диаграмма когортного исследования накопления в семьях с болезнью Альцгеймера . Заштрихованные фигуры представляют собой лиц, «подвергшихся воздействию» - изначально здоровых пациентов из семей, где имеется болезнь Альцгеймера; Не заштрихованные фигуры представляют собой лиц, «не подвергавшихся воздействию» - изначально здоровых лиц из семей, где не было болезни Альцгеймера.(Eligible subjects – изучаемая популяция, Relatives of persons with Alzheimers disease – родственники больных болезнью Альцгеймера, Relatives of persons without Alzheimers disease- родственники здоровых, Alzheimers disease – развилась болезнь Алцгеймера, No Alzheimers disease – не заболели, Direction of inquiry- направление отслеживания, Time – время)

В данном исследовании браться, сестры и родители пациента с болезнью Альцгеймера имели практически 50% риск развития болезни Альцгеймера в течение жизни, по сравнению с риском развития заболевания среди родственников в группе сравнения, (составляющего примерно 10%). Иными словами на протяжении всей жизни риск развития болезни Альцгеймера увеличивался примерно в пять раз (отношение риска около 5) для тех людей, которые являлись родственниками пациента с болезнью Альцгеймера. Авторы обратили внимание, что их результаты сопоставимы с аутосомно-доминантным характером наследования, но что другие факторы такие, как окружающая сфера, также могут объяснить обнаруженное ими накопление заболевания в семьях. Другие исследователи, изучавшие возвращающийся риск, предполагали, что повышенный риск среди родственников первого колена не соответствует аутосмоно-домининтному характеру наследования, поскольку родственницы больного пациента имели более высокий риск, чем родственники мужчины. В этом исследовании родители больного человека также имели более высокий риск развития заболевания по сравнению с братьями и сестрами. Пример 2 дополнительно иллюстрирует использование когортных исследований для того, чтобы изучать накопление заболеваний в семьях.

Пример 2. Как отмечалось в примере 1, заболеваемость болезнью Альцгеймера варьирует в различных этнических и расовых группах. Для того чтобы изучить факторы риска болезни Альцгеймера, Payami и соавторы (1994) изучали риск развития заболевания в трех группах: родители, братья и сестры пациентов с болезнью Альцгеймера, родители, братья и сестры здоровых пожилых людей группы контроля, а также родители, братья и сестры контрольных пациентов, выявленных случайным образом. Здоровые пожилые люди были подвергнуты тщательному неврологическому обследованию, была произведена магнитно-резонансная томография для того, чтобы удостовериться в отсутствии у них деменции. Пациенты и члены их семей были проинтервьюированы для того, чтобы выявить у родственников анамнез болезни Альцгеймера, или других заболеваний, сопровождающихся деменцией. Исследователи обнаружили, что риск развития деменции к возрасту 90 лет среди родственников пациентов с болезнью Альцгеймера составляет 0.44, среди случайно выбранных из популяции родственников группы контроля - 0.20, и 0.06 для родственников здоровых пожилых людей, которые также использовались в качестве группы контроля. Эти наблюдения демонстрируют наличие накопления заболевания в семьях, и они позволяют предположить в некоторых семьях наличие генов, которые демонстрируют увеличенный риск развития болезни Альцгеймера. Более низкий риск развития болезни Альцгеймера у родственников здоровых лиц контрольной группы авторы интерпретировали, как возможное наличие «протективных генов», которые снижают риск развития этого заболевания.

Эпидемиологи также используют исследования по типу случай- контроль для изучения семейных накоплений заболеваний. Дизайн подобных исследований по типу случай-контроль аналогичен тому, что обсуждалось ранее, за исключением того, что воздействие определяется анамнестически – эпидемиолог определяет людей как тех, у кого есть один или более пораженных родственников «подвергавшихся воздействию» и тех, у кого нет пораженных родственников как «не подвергавшихся воздействию» (рисунок 11-3).

Рисунок 11-3. Схематическая диаграмма исследования по типу случай-контроль, использующегося для анализа накопления заболевания в семьях. Заштрихованные фигуры представляют собой лиц, «подвергшихся воздействию» - больные родственники пациентов. Не заштрихованные фигуры представляют собой лиц, «не подвергавшихся воздействию» - лица без заболевания (Relatives of cases – родственники больных, Relatives of controls – родственники контрольных лиц без заболевания, Affected – есть заболевание, Unaffected – нет заболевания)

Отношение шансов для подобного исследования по типу случай-контроль рассчитывается обычным способом. В данном случае отношение шансов равняется шансам иметь пораженного родственника среди лиц с заболеванием, деленное на шансы иметь пораженного родственника среди лиц без заболевания. В определенных условиях, как описывалось в главе 9, отношение шансов приблизительно равняется относительному риску - риску развития заболевания среди тех, у кого имеется больной родственник, деленное на соответствующий риск среди тех, у кого больного родственника нет. Очевидно, что отношение шансов, превышающее 1, поддерживает гипотезу о наличии накопления заболевания в семье. Интерпретация может оказаться достаточно сложной в том случае, если не будет заранее указано, какие родственники – и, какое количество из них - должны использоваться при определении семейного анамнеза. Упрощение, состоящее в ограничении понятия «родственник», родителями каждого из включенного в обследование пациента, позволяет избежать проблемы систематических различий в результате различий в размерах семей у случаев и в контрольной группе.

Исследования по типу случай-контроль и когорные исследования могут предоставить полезную информацию, документируя наличие, и описывая степень накопления заболеваний в семьях. Эти исследования могут также идентифицировать факторы, которые способствуют возникновению подобного накопления путем оценки и анализа роли специфических не генетических факторов. Например, при оценке риска возникновения рака молочной железы в группе лиц с больными родственниками, могут также оцениваться многие другие не генетические факторы такие, как диета и репродуктивный анамнез.

Документирование и количественная оценка степени семейного накопления с использованием исследований по типу случай-контроль или когортных исследований, предоставляет важную информацию, и может позволить предположить генетическую этиологию заболевания. Дополнительные исследования накопления заболевания в семьях могут оценить характер возникновения заболеваний в семье, и выявить относительную роль генетических и не генетических факторов. Мы рассмотрим два подобных типа исследований: исследование на близнецах и исследование скрещивания (inbreeding).

Исследования близнецов могут предоставить полезную информацию о роли возможных генетических факторов и факторов окружающей среды при сравнении риска среди дизиготных (разнояйцовых) близнецов и монозиготных (однояйцовых) близнецов. Монозиготные близнецы имеют идентичный генотип, в то время как дизиготные близнецы имеют не большее генетическое сходство, чем обычные братья и сестры. Соответственно в этой ситуации, при которой монозиготные близнецы имеют большую конкордантность по отношению к заболеваниям, по сравнению с дизигоными близнецами, можно предположить генетически детерминированную уязвимость. Например, исследование близнецов предоставило доказательство генетических механизмов болезни Альцгеймера. В одном подобном исследовании ученые выявили 37 пар близнецов, в которых, по крайней мере, один из них, болел болезнью Альцгеймера. Среди 19 пациентов, которые имели монозиготного близнеца, 4 (21.1%) были конкордантными по болезни Альцгеймера, в то время как среди 18 дизиготных пар близнецов только 2 (11,1%) были конкордантны по болезни Альцгеймера (рисунок 11-4). Большая конкордантность среди монозиготных близнецов, по сравнению с дизиготными близнецами предполагает, что существует генетическая предрасположенность к болезни Альцгеймера.

Рисунок 11-4. Схематическая диаграмма исследования конкордантности болезни Альцгеймера среди монозиготных и дизиготных близнецов.(All twins – все близнецы, Monozygotic twins – монозиготные близнецы, dizygotic twins – дизиготные близнецы, both affected – оба заболели, Only one affected – заболел только один)

В другом типе исследования с близнецами ученые изучали генетические факторы и факторы окружающей среды, сравнивая конкордантность заболевания среди близнецов, которые росли вместе, и близнецов, которые воспитывались раздельно. В данном типе исследований заболевание, при котором близнецы, воспитывавшиеся вместе, имеют большую конкордантность по развитию заболевания, по сравнению с близнецами, которые воспитывались порознь, что предполагает важное воздействие не генетических факторов, включая влияние со стороны окружающей среды и социальных факторов.

Исследования, которые анализируют взаимосвязь близкородственного скрещивания с риском развития заболевания (так называемые исследования инбридинг (inbreeding)) также могут предоставить информацию о накоплении заболевания в семьях. Поскольку близкородственные браки и результирующий инбридинг увеличивает риск аутосомно-рецессивных заболеваний, эпидемиологи могут использовать эти исследования для того, чтобы оценить насколько семейное накопление отражает аутосомно-рецессивный характер наследования. Вкратце в этих исследованиях интересующее воздействие – это степень инбридинга, которая измеряет вероятность того, что человек унаследовал две копии одного и того же гена, от одного и того же прародителя. Если лица с более высокой степенью инбридинга также имеют более высокий риск заболевания, то можно предположить, что речь идет об аутосомно-рецессивном заболевании.

Эпидемиологические исследования специфических генетических факторов.

Описательные исследования и исследования накопления в семьях, которые рассматривались выше, могут предоставить очень полезную, но не прямую информацию о возможных генетических причинах заболеваний и заболеваний, связанных с действием окружающей среды. Если эти исследования предполагают, что заболевание имеет, по крайней мере частично, наследственную основу, дальнейшие исследования могут фокусироваться на риске, связанном со специфическими генетическими факторами такими как, ферменты, рецепторы или структурные белки. Следующие секции представляют прямые и не прямые подходы к изучению взаимосвязи заболевания со специфическими генетическими факторами.

Для того чтобы понимать как прямой, так и не прямой подходы, а также более сложные методы генетического сцепления, вначале мы должны понять, что означает термин сцепление. Сцепление между одним и другим генами возникает вследствие того, что аллели расположенные близко друг к другу на одной и той же хромосоме, обычно передаются потомкам вместе, как группа. Таким образом, если индивидуум наследует определенный аллель, он (или она) также с большей вероятностью будут наследовать другие аллели, находящиеся поблизости на той же самой хромосоме. Эта ситуация называется косегрегацией.

На популяционном уровне рекомбинация или кроссинг-овер между генами обычно удаляет или снижает дисбаланс, связанный с генетическим сцеплением. Эта рекомбинация обычно создает равновесие, при котором частота, с которой две аллели (различных генов) встречаются вместе, является ни чем иным, как произведением частот, с которым каждая аллель встречается в популяции. Тем не менее, для некоторых пар генов возникает чрезмерное или недостаточное количество комбинаций сочетаний аллелей. Эта ситуация называется дисбаланс сцепления. Подобный дисбаланс сцеплений может присутствовать, если мутация (например, новый аллель) недавно появилась в популяции, или если определенная комбинация аллелей в двух локусах дает преимущество для выживания, по сравнению с другими комбинациями. 

Прямой подход.

При использовании прямого подхода исследователь напрямую изучает возможное увеличение риска, связанное со специфическим фактором, таким как изменение последовательности ДНК или вариабельность ферментативной активности. Используя когорные исследования, исследователь сравнивает риск среди тех, у кого имеются специфические особенности последовательности ДНК или ферментативной активности, с риском среди аналогичной группы без подобного варианта (рисунок 11-5).

Рисунок 11-5. Схематическая диаграмма когортного исследования изучения специфического генетического фактора и риска развития определенного заболевания. Заштрихованные фигуры представляют собой лиц, «подвергшихся воздействию» - те, у кого имелся, интересующий исследователя генетический фактор. Не заштрихованные фигуры представляют собой лиц, «не подвергшихся воздействию» - те, у кого отсутствовал, интересующий исследователя генетический фактор (Eligible subjects – изучаемая популяция, with factor – изучаемый фактор присутствует, without factor – изучаемый фактор отсутствует, Disease – заболели, No disease – не заболели) 

Следуя принципам, описанным в главе 8 для когортных исследований, и определяя «воздействие» как наличие определенного генотипа, исследователь отслеживает две группы индивидуумов – одну с наличием данного генетического варианта, и другую без данного генетического варианта, а затем определяет последующую частоту возникновения заболевания. Исследователь затем рассчитывает риск для каждой группы, а также отношение риска, которое измеряет увеличение (или снижение) риска, связанное с данным генетическим вариантом. Как и других когортных исследованиях, пациенты не должны страдать заболеванием в момент начала наблюдения, и должны быть полностью сравнимыми друг с другом, за исключением наличия варианта генотипа, интересующего исследователя.

С другой стороны, исследователь может использовать дизайн исследования по типу случай-контроль для того, чтобы изучить взаимосвязь между риском заболевания и специфическими генетическими факторами. В данном типе исследования по типу случай-контроль «воздействие» - это генетический фактор, который интересует исследователя (рисунок 11-6). 

Рисунок 11-6. Схематическая диаграмма исследования по типу случай-контроль, изучающая специфические генетические факторы риска развития определенного заболевания. Заштрихованные области представляют собой лиц, «подвергшихся воздействию» - лиц, у которых имеется интересующий исследователя генетический фактор. Не заштрихованные области представляют собой лиц, «не подвергшихся воздействию» - лиц, у которых отсутствует интересующий исследователя генетический фактор (Cases – случаи, controls - контроль, with factor – изучаемый фактор присутствует, without factor – изучаемый фактор отсутствует).

Как и в других типах исследования по типу случай-контроль, к случаям относят людей с заболеванием, интересующим исследователя, а контроли отбираются из популяции (из той популяции, из которой происходят и больные). После выявления групп случая и контрольной группы, исследователь сравнивает частоту генетического фактора среди случаев, и частоту генетического фактора в контроле. Отношение шансов - шансы наличия генетического фактора деленного на шансы генетического фактора в группе контроля – дает примерную оценку отношения риска, как это описано в главе 9. Если у случаев имеется увеличенная частота данного генетического фактора, исследователь должен принять во внимание возможность, что это увеличение частоты может быть вторичным в результате самого заболевания или его лечения, а не обязательно являться причиной заболевания. Эта возможность может появиться, например, если изучается взаимосвязь между определенной мутацией и риском развития лейкемии, если данная мутация выявляется в клетках крови, полученных у пациентов после проведения химиотерапии, поскольку определенные химиотерапевтические препараты являются мутагенными.

Также как и с другими типами эпидемиологических исследований, ученые должны аккуратно интерпретировать результаты генетических эпидемиологических исследований. Они должны рассмотреть возможность ошибок отбора, влияние третьих переменных и ошибочной классификации при интерпретации результатов генетической эпидемиологии, поскольку эти ошибки могут оказать воздействие на результаты генетической эпидемиологии точно так же, как они воздействуют на результаты в других типах исследований. Возможность ошибок отбора должна всегда приниматься во внимание, особенно в исследованиях по типу случай-контроль, если контрольная группа отбирается не из той же самой популяции, в которой были выявлены больные. Вероятность влияния третьих переменных также должна рассматриваться, особенно если такими факторами является раса или этническая группа, поскольку эти факторы связаны с риском большого количества заболеваний и могут быть сцеплены с генетическими маркерами.

Другой важный вопрос, который необходимо рассмотреть при интерпретации исследований - это взаимосвязь между риском заболевания и специфическими изменениями ДНК, которая измеряется при помощи определенного маркерного аллеля. Этот тип исследований может быть проиллюстрирован примером изучения взаимосвязи между инсулин - зависимым сахарным диабетом (диабет I типа) и определенными антигенами на поверхности лейкоцитов человека (HLA). Эти исследования продемонстрировали увеличенный риск сахарного диабета при наличии аллеля HLA DR3. Однако вполне возможно, что за увеличенный риск развития сахарного диабета отвечают не сами по себе участки генов аллеля HLA DR3, а некоторые сопутствующие им изменения в расположенных поблизости генетических локусах. Данный феномен может появиться, если не причинный аллель-маркер на одном из участков хромосомы находится в состоянии неравновесного сцепления с аллелем, который и является причиной. Если присутствует неравновесное сцепление, то тогда взаимосвязь между риском заболевания и маркером может отражать неравновесное сцепление между маркером и геном, приводящим к возникновению заболевания, а не причинную связь между самим маркером и риском развития заболевания. Тем не менее, прямые доказательства увеличенного риска в связи с аллелем – маркером, если они существуют, предполагают, что аллель-маркер, или другой, связанный с ним аллель, приводят к повышению уязвимости к развитию заболевания.

И, наконец, необходимо заметить, что важно также внимательно рассмотреть взаимодействие между генами окружающей среды. Например, неспособность принять во внимание факторы окружающей среды при дизайне и анализе результатов исследования, может привести к недооценке влияния генетического фактора. Генетические характеристики, интересующие исследователя, могут являться факторами риска только при наличии определенных факторов окружающей среды. Соответственно, неспособность принять во внимание критических запускающих факторов со стороны окружающей среды может скрыть, и не дать выявить генетическую уязвимость.

Непрямой подход.

Для использования непрямого подхода исследователь также ищет доказательства взаимосвязи заболевания с генетическим фактором. Непрямой подход отличается от прямого подхода в том, что маркер, используемый для нахождения генетического фактора, может и не быть причинным геном. Этот подход зависит от генетического сцепления между генетическим маркером и геном уязвимости к заболеванию. Документация взаимосвязи между маркером и риском развития заболеваний, предоставляет доказательства того, что ген находится поблизости от аллеля-маркера, и он воздействует на риск развития заболевания. Анализ сцепления (1) предоставляет информацию о выраженности риска, связанного с генетическим маркером; (2) идентифицирует хромосому, на которой находится уязвимый ген; и (3) предоставляет информацию об участке хромосомы, где находится ген уязвимости к заболеванию.

Наиболее прямым эпидемиологическим подходом для изучения сцепления, является оценка риска возврата у братьев и сестер пациента с определенным заболеванием. Для определенного маркерного локуса братья и сестры могут иметь либо ноль, либо один или два маркерных аллеля, аналогичных таковому у пробанда (исходного больного). Если маркерный локус связан с локусом уязвимости к заболеванию, брат или сестра, у которых имеется две аллели, аналогичные тем, что есть у пробанда, должен иметь самые высокие шансы наличия того же самого аллеля уязвимости, что и у больного и, соответственно, самый высокий риск развития заболевания. Брат или сестра, которые имеют один аллель, аналогичный пробанду, должны иметь промежуточные шансы наличия того же самого заболевания, как у пробанда. Брат или сестра не имеющих аллелей аналогичных тем, что есть у больного, должны иметь самые низкие шансы наличия аллеля уязвимости, и поэтому самый низкий риск развития заболевания. Если риск развития заболевания у братьев и сестер увеличивается по мере увеличения аналогичных больному аллелей, то тогда можно предположить наличие гена уязвимости к заболеванию поблизости от маркерного гена на той же самой хромосоме. Этот тип исследования иногда называется анализом сиб-пар и является примером анализа генетического сцепления.

В более сложных приложениях анализа генетического сцепления генетики измеряют генетические маркеры в группах членов семей, которые не ограничены братьями и сестрами. Если индивидуум, у которого имеется тот же самый генетический маркер, такой как определенный аллель, также имеет тенденции быть более конкордантным по возникновению заболевания, то тогда гены уязвимости к заболеванию могут быть расположены на той же самой хромосоме, поблизости от аллеля-маркера. Точно также как в случае анализа сиб-пар, эти более сложные методы анализа сцепления базируются на идее о том, что если измеряемый генетический маркер расположен полблизости от аллеля уязвимости к заболеванию, то маркерный аллель и аллель уязвимости будут наследоваться вместе или, иными словами, косегрегировать. Косегрегация маркерного аллеля и аллеля уязвимости к заболеванию приведет к конкордантности между возникновением заболевания и наличием генетического маркера. Пример 4 иллюстрирует исследование сцепления.

Пример 3. Для того чтобы изучить роль аполипопротеина Е (Апо Е) - фактора, который как предполагается, играет роль в возникновении болезни Альцгеймера, Tsai и соавторы (1994) провели исследование по типу случай-контроль. Они взяли кровь у 77 пациентов с болезнью Альцгеймера, подобрали к ним 77 контрольных пациентов и определили наличие трех изоформ Апо Е, обозначенные е2, е3, е4. Примерно 35% всех пациентов имели аллель е4, по сравнению с 13% в контроле. Эти результаты подтверждают роль Апо Е, как фактора риска болезни Альцгеймера. Хотя механизм этого остается неопределенным, результаты других исследований позволяют предположить, что Апо Е может связываться c b-амилоидом и изменять его таким образом, что он становится нейротоксичным.

Пример 4. Для того чтобы помочь в поиске возможных генетических факторов, связанных с болезнью Альцгеймера, Schellenberg и соавторы (1992) выполнили анализ сцепления в группе 14 семей, каждая из которых имела, по крайней мере, трех человек с болезнью Альцгеймера, по крайней мере, в двух поколениях. Используя несколько маркеров для локусов, расположенных на 14 хромосоме, исследователи обнаружили, что внутри некоторых семей с болезнью Альцгеймера с ранним началом заболевания, члены семьи, имеющие одни и те же маркеры, являлись так же конкордантными по болезни Альцгеймера. Эти данные предполагают, что ген, расположенный на 14 хромосоме, кодирует нечто, что приводит к повышенной уязвимости для развития ранних форм болезни Альцгеймера. Если так, то тогда этот фактор будет находиться в отдельном локусе, по сравнению с тем, который кодирует аполипопротеин Е, поскольку ген для Апо Е расположен на хромосоме 19.

Сложные методы генетического анализа.

Для того чтобы изучить возможности генетического наследования, ученые могут также применять методы популяционной генетики. В данном разделе мы кратко обсудим часто используемой и достаточно мощный подход, называемый анализом сегрегации (анализом разделения признаков).

Вкратце анализ сегрегации – это сложная статистическая техника, которая используется генетиками для изучения характеристики развития заболевания у родственников. Целью сегрегационного анализа является: (1) представить доказательства, что определенное заболевание имеет, по крайней мере частично, генетическое происхождение и (2) предположить, каким образом оно наследуется. С другой стороны сегрегационный анализ не оценивает роль специфических генетических факторов или маркеров. При использовании сегрегационного анализа делаются попытки идентифицировать, какой тип генетического наследования (аутосомно-доминантный, аутосомно-рецессивный или многофакторный) наиболее совместим с теми характеристиками развития заболевания, которые обнаруживаются в семьях. Сегрегационный анализ базируется на идее о том, что при различных видах наследования внутри семьи заболевание будет возникать немного по-разному. Например, можно предположить, что имеется аутосомно-доминантное наследование, когда доминируют следующие характеристики возникновения заболевания:

В противоположность данному наследованию аутосомно-рецессивное или мультифакториальное наследование можно заподозрить, если характеристики возникновения заболевания у родственников отличаются от приведенных выше.

В популяционных исследованиях заболевания не имеют тенденции возникать таким идеализированным образом, следуя классическому разделению рисков при определенных типах наследования. Сегрегационный анализ представляет собой вероятностный метод, который позволяет оценить статистическую совместимость наблюдаемых характеристик заболевания с гипотетическим типом генетического наследования.

Резюме.

В данной главе был представлен обзор генетической эпидемиологии. Область генетической эпидемиологии использует те же самые основные принципы дизайна исследования и анализа, который используется в других областях эпидемиологии. Исследователи генетической эпидемиологии проводят три основных типа исследований: описательные исследования, исследования накоплений заболеваний в семьях, и исследования специфических генетических маркеров. Каждый из этих типов исследования обычно включает в себя исследования по типу случай-контроль или когортные исследования, и они отличаются от других типов эпидемиологического исследования в основном тем, что «воздействие», которое интересует ученых – это генетический фактор.

В начальной стадии изучения эпидемиологии заболеваний исследователь может использовать описательные исследования для того, чтобы выявить характеристики, которые могли бы предположить генетические или не генетические факторы возникновения заболевания. Например, характеристики лиц, пораженных заболеванием, место или время. Во второй фазе исследователь может изучать накопление заболевания в семьях для того, чтобы выявить доказательства увеличивающегося риска появления заболевания у родственников больных людей и подыскать еще дополнительные этиологические характеристики. Ну и наконец, исследователь может изучить определенные генетические характеристики, такие как генетические маркеры или продукты генов, а также взаимодействие между генами и окружающей средой. Исследователь также может применить некоторые более сложные аналитические методы, которые происходят из популяционной генетики, такие как сегрегационный анализ или анализ сцепления для того, чтобы выявить каким образом наследуется заболевание.