Genetics of complex disease

Abstract

To find true genetic associations in complex diseases, such as allergic rhinitis and chronic rhinosinusitis, is a difficult task. Both are polygenetic diseases where it is believed that genetic variation in several genes make up their phenotypes. In addition, the environment of the affected individuals also play an important role, further obscuring eventual associations. Today most genetic association studies of polygenetic disease perform tests on the whole-genome level, but this has not always been the case. By 2012 a total of 56 genetic association studies had been published in allergic rhinitis and by 2013 a total of 27 studies in chronic rhinosinusitis. In but a few exceptions, all studies of the two diseases targeted candidate genes in small case and control groups. Replication attempts of significant associations from previous studies has shown some promise by pointing out more likely candidates. However, these associations do not explain the heritability of the studied diseases to any great extent. To find this missing heritability researchers have to look beyond common variants and instead focus on other potential targets. Re-sequencing studies of candidate genes could find rare variants with much higher effects sizes and studies of RNA and proteins should also prove to be helpful. New technologies and advances in molecular biology are looking promising but it is still hard to interpret all the new data. Polygenetic disorders are hard to study, low effect sizes makes novel candidate genes hard to discover. However, it is a numbers game, as more and more studies are made, more information will be available and eventually the genetic component, however big or small it is, of complex diseases will be solved.

Abstract (Swedish)

Många sjukdomar som inte beror på virus eller bakterier kopplas ofta till genetik. Vår förståelse kring hur gener påverkar vår hälsa har ökat dramatiskt med molekylärbiologins framfart. Sedan 1930-talet har det utvecklats nya tekniker för att tyda gener och dess DNA. Länge var gener ett ganska abstrakt koncept, man visste att det fanns något som fördes vidare genom generationerna men inte exakt vad. Det gick att observera hur vissa anlag fördes vidare, medan andra försvann eller hoppade över en generation. I det mesta var det enkel genetik; en gen, en egenskap. En egenskap kan syfta på både yttre utseende som kroppslängd eller ögonfärg, eller en sjukdom så som allergier. På 1970-talet kom de första metoderna för att sekvensera DNA, alltså att få information om exakt i vilken följd de fyra olika DNA- baserna, A, C, G och T satt i. Med den vetskapen gick det att beskriva vilka mutationer som orsakade vissa egenskaper. Detta var fortfarande på nivån, en egenskap, en gen.
I början av 2000-talet presenterades hela människans genom. I ett gigantiskt projekt hade varenda en av människans tre miljarder baspar kartlagts. Detta var början på något riktigt stort inom genetik, men det var bara en människas genom, och det hade tagit flera år att sammanställa. Betydligt snabbare metoder men med mindre information började komma i samma veva. I människans tre miljarder stora genom finns det små skillnader mellan individer och även mellan kromosomparen i samma individ. Dessa kallas för varianter. En metod som blev mycket populär var ett litet chip som kunde diagnostisera omkring miljoner av dessa varianter. Metoden kom att kallas genome-wide association studies, genomsträckande associationsstudier. En associations-studie letar efter skillnader mellan friska och sjuka grupper av individer, ofta i form av att jämföra frekvensen av vissa varianter. Varianterna som valdes ut i dessa studier agerade som temperaturmätare, där varianten satt fanns också en gen, och beroende på vilken DNA-bas som satt där, kunde olika egenskaper förväntas. Med dessa associationsstudier förväntades att alla genetiska sjukdomar skulle lösas. Men det var inte så lätt, istället insåg forskare att en egenskap kan bero på flera gener. Trots denna genomsträckande metod kan vi än idag inte enbart med hjälp av dessa varianter förklara varför vissa är längre än andra, och varför vissa får allergier och inte andra.
Istället har utvecklingen gått vidare, och gett forskare ännu fler verktyg i jakten på förklaringsmodeller. Idag går det att sekvensera ett helt människogenom på några timmar och till ett relativt lågt pris, jämfört med det första människogenomet som tog flera år och som dessutom kostade åtskilliga miljoner. Med informationen kring hur en frisk människas DNA ser ut och med hur en sjuks ser ut, borde vi inte veta exakt var som orsakar sjukdomen? Nej, det verkar inte vara så enkelt. Först och främst är det svårt att avgöra vilka skillnader som är ”normal” variation och vilka som faktiskt orsakar specifika egenskaper. En annan faktor är studiedesignen. Det krävs ofta stora grupper av både friska och sjuka då det ger starkare bevisningskraft. Dessa grupper bör också vara väldefinierade, till exempel att alla har exakt samma typ av allergi, har genomgått samma typer av undersökningar och framförallt har samma etniska ursprung. Det sistnämnda är viktigt då även fast skillnader mellan folkgrupper är små på genomisk skala, så kan små skillnader i ofarliga egenskaper ge utslag som falska positiva, alltså ett resultat som inte alls är kopplad till sjukdomen. De flesta studier inom allergier har och fortsätter fokusera på små grupper av friska och sjuka, och med begränsade metoder med enstaka varianter. Dessutom görs för få försök att återupptäcka samma resultat som tidigare forskare funnit. Detta är ett viktigt koncept inom all forskning, kan inte resultatet upprepas kanske det inte heller var så viktigt.
Genetiska studier i allergier hade tjänat på samarbete, dels genom att då kunna studera större grupper av individer, satsa på mer genom-sträckande studier och då framförallt på helgenomsekvensering. Även fast associationsstudier har varit lärorika tillför de inte lika mycket information som sekvenseringsstudier kan. Genom att följa upp tidigare, validerade, resultat från associationsstudier finns det all möjlighet att sekvenseringsstudier kommer hitta viktiga mutationer som kan behandlas och på så sätt dämpa eller till och med bota allergier. All information som erhålls från sekvenseringsstudier adderar till en fortsatt växande databas av information, och därför bör fältet röra sig åt detta håll.
I min forskning har jag funnit att validering av gamla resultat är oerhört viktigt. Ett ensamt resultat som pekar ut en gen säger ganska lite. Om däremot flera resultat konsekvent pekar ut en och samma gen, oberoende av varandra, kan vi lita mer på resultatet. Vidare, associationer på vanliga varianter alltså de så kallade temperaturmätarna ger ganska lite information om vad som egentligen orsakar sjukdomen. För att hitta förklaringar krävs fler sekvenseringsstudier, precis som de vi utfört. I fallet allergisk rinit där vi följt upp den bästa, mest validerade signalen i TLR10-TLR1-TLR6 locus har vi också hittat viktiga ovanliga varianter som kan ha en inverkan på vilka som blir sjuka i hösnuva och vilka som inte blir. Däremot krävs det betydligt fler och större studier innan vi vet exakt vad som orsakar sjukdom.

• author: Henmyr, Viktor
• supervisor: Torbjörn Säll; Christer Halldén
• opponent: Docent Nilsson, Staffan, Chalmers University of Technology, Mathematical Sciences, Gothenburg
• organization: Molecular Cell Biology
• publishing date: 2017-09
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Natural Sciences
• keywords: complex disease, allergic rhinitis, Chronic rhinosinusitis, genetics, associations, GWAS, resequencing
• pages: 157 pages
• defense location: Lecture Hall A, Biology building A, Sölvegatan 35, Lund
• defense date: 2017-09-29 09:00:00
• ISBN: 978-91-7753-388-7
• ISBN: 978-91-7753-387-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: ed00861a-69c3-44a9-bc0a-2c54ed4fe44e
• date added to LUP: 2017-09-05 12:33:05
• date last changed: 2018-11-21 21:34:24