Введение

Ген, предположительно связанный с заболеванием.
Подход, основанный на генах-кандидатах, при проведении исследований генетической ассоциации фокусируется на выявлении связей между генетической изменчивостью в пределах заранее определенных генов, представляющих интерес, и фенотипами или состояниями заболевания. Это отличается от полногеномных исследований ассоциаций (GWAS), которые представляют собой гипотезо-независимый подход, сканирующий весь геном на предмет ассоциаций между распространенными генетическими вариантами (обычно SNP) и интересующими признаками. Гены-кандидаты чаще всего отбираются для изучения на основе априорных знаний о биологической функции гена и его влиянии на рассматриваемый признак или заболевание. Обоснование фокусировки на аллельной изменчивости в конкретных, биологически релевантных областях генома заключается в том, что определенные аллели в пределах гена могут напрямую влиять на функцию этого гена и приводить к вариациям фенотипа или состояния заболевания, которое исследуется. Этот подход часто использует дизайн исследования «случай-контроль», чтобы попытаться ответить на вопрос: «Встречается ли определенный аллель гена-кандидата чаще у пациентов с заболеванием, чем у пациентов без заболевания?» или высоконадежные попытки репликации. Неспособность исследований генов-кандидатов выявить конкретные гены, лежащие в основе таких признаков, объясняется недостаточной статистической мощностью, низкой априорной вероятностью того, что ученые смогут правильно определить конкретный аллель в конкретном гене, связанный с признаком, ненадлежащими методологическими подходами и «копанием» в данных.

Выбор

Подходящие гены-кандидаты обычно отбираются на основе известных биологических, физиологических или функциональных связей с рассматриваемым заболеванием. Этот подход ограничен своей зависимостью от существующих знаний о биологии заболевания, как известной, так и теоретической. Однако, современные молекулярные инструменты позволяют глубже понять механизмы развития заболеваний и выявлять потенциальные области интереса в геноме. Исследования полногеномного ассоциирования (GWAS) и картирование количественных признаков (QTL) анализируют общую изменчивость по всему геному и, таким образом, могут обнаружить новые области интереса, расположенные в или рядом с потенциальными генами-кандидатами. Данные микроматриц позволяют исследователям изучать дифференциальную экспрессию генов в группах пациентов и контрольных образцов, что помогает выявить новые потенциальные гены, представляющие интерес. Значительная вариабельность между организмами иногда затрудняет разграничение нормальных вариаций в однонуклеотидных полиморфизмах (SNP) от вариаций, связанных с заболеванием, в генах-кандидатах. При анализе больших объемов данных существует ряд других факторов, способствующих определению наиболее вероятного варианта. К ним относятся приоритетность SNP, относительный риск функциональных изменений в генах и неравновесие сцепления между SNP. Для изучения генов различных видов доступно множество онлайн-баз данных. Gene – одна из таких баз данных, предоставляющая доступ к информации о фенотипах, путях и вариациях многих генов у разных видов. При изучении функциональных взаимодействий между генами в метаболических путях, Консорциум Gene Ontology может помочь в картировании этих связей. Проект GO описывает продукты генов тремя различными способами, независимо от вида: биологические процессы, клеточные компоненты и молекулярные функции. Использование этой информации может расширить априорные знания о пути и, следовательно, помочь в выборе наиболее вероятного гена-кандидата, участвующего в этом пути. Topp Gene – еще одна полезная база данных, позволяющая пользователям расставлять приоритеты генам-кандидатам с помощью функциональных аннотаций или сетевого анализа. ToppGene помогает исследователям выбирать подмножество наиболее вероятных генов-кандидатов из больших наборов, полученных, вероятно, с помощью высокопроизводительных геномных технологий. Lynx – это интегрированная платформа системной биологии, позволяющая пользователям расставлять приоритеты генам-кандидатам, используя как функциональные аннотации, так и сети ассоциаций между генами. Lynx предоставляет два сложных инструмента для приоритизации, Cheetoh и PINTA, помогающие пользователям выбирать гены-кандидаты из всего генома на основе их релевантности входному списку генов, который может представлять собой список известных генов, способствующих определенному заболеванию или фенотипу, или список дифференциально экспрессированных генов, полученных с помощью секвенирования РНК нового поколения.

До подхода к кандидату-гену

До того, как подход, основанный на кандидатных генах, был полностью разработан, для выявления генов, связанных с заболеваниями, использовались различные другие методы. Эти методы изучали генетическую связь и позиционное клонирование посредством генетического скрининга и были эффективны в выявлении генов, определяющих относительный риск при менделевских заболеваниях. Однако при изучении сложных заболеваний эти методы оказываются менее полезными по нескольким причинам: для большинства человеческих заболеваний переменная экспрессивность фенотипа является типичной. Это затрудняет выбор конкретной возрастной группы или фенотипического маркера для включения в исследование.

Критика

Исследование генов-кандидатов стремится сбалансировать использование данных, пытаясь минимизировать вероятность получения ложноположительных или ложноотрицательных результатов. Это требует осторожного отношения к результатам отдельных генетических ассоциаций. Одной из критических замечаний является то, что результаты ассоциаций в исследованиях генов-кандидатов часто трудно воспроизвести в последующих исследованиях. Например, недавнее исследование 18 хорошо изученных генов-кандидатов, связанных с депрессией (каждый из них упоминается в 10 или более публикациях), не выявило значимой связи с депрессией, несмотря на использование выборок на порядки величины больше, чем в исходных публикациях. Помимо статистических проблем (например, недостаточной мощности исследований), стратификация популяции часто рассматривается как причина этой непоследовательности; поэтому необходимо также проявлять осторожность в отношении критериев, определяющих конкретный фенотип, а также других вариаций в дизайне исследования. В исследовании Ким и др. гены, связанные с признаком ожирения у свиней и людей, были идентифицированы с использованием сравнительной геномики и хромосомной наследуемости. Используя эти два метода, исследователи смогли преодолеть критику, заключающуюся в том, что исследования генов-кандидатов основываются исключительно на априорных знаниях. Сравнительная геномика была проведена путем изучения количественных признаков локусов (QTL) человека и свиней с использованием метода, известного как комплексный анализ геномных признаков (GCTA), что позволило исследователям сопоставить генетическую изменчивость с конкретными хромосомами. Это позволило параметру наследуемости пролить свет на то, где наблюдается фенотипическая изменчивость в определенных хромосомных областях, тем самым распространяясь на кандидатные маркеры и гены в этих областях. В других исследованиях также могут использоваться вычислительные методы для поиска генов-кандидатов широким, взаимодополняющим способом, как, например, в исследовании Тиффин и др., посвященном генам, связанным с диабетом 2 типа. Федер разработал целостный подход к изучению Hsp70, гена-кандидата, который, как предполагается, играет роль в адаптации организма к стрессу. *D. melanogaster* является весьма полезным модельным организмом для изучения этого признака благодаря возможности использования разнообразных генетических подходов для изучения гена-кандидата. В рамках этого исследования использовались как генетическая модификация гена-кандидата (с использованием сайт-специфической гомологичной рекомбинации и экспрессии различных белков), так и изучение естественной изменчивости Hsp70. Автор пришел к выводу, что результаты этих исследований дают многогранное представление о Hsp70. Манипуляции с генами-кандидатами также наблюдаются в исследовании Каспара Ч. Чатера, посвященном происхождению и функции устьиц у *Physcomitrella patens*, мха. PpSMF1, PpSMF2 и PpSCRM1 были тремя генами-кандидатами, которые были нокаутированы с помощью гомологичной рекомбинации для выявления каких-либо изменений в развитии устьиц. В эксперименте по нокаутированию Чатер обнаружил, что PpSMF1 и PpSCRM1 отвечают за развитие устьиц у *P. patens*. Путем конструирования и модификации этих генов-кандидатов им удалось подтвердить связь между этим геном и изменением фенотипа. Понимание естественного и исторического контекста, в котором функционируют эти фенотипы, путем изучения структуры естественного генома, дополнило это.