Введение

Тип генетического исследования человека, проводимого на близнецах. Такие исследования направлены на выявление роли наследственности и факторов окружающей среды в формировании признаков, фенотипов и расстройств. Исследования близнецов считаются ключевым инструментом в поведенческой генетике и смежных областях, от биологии до психологии. Они являются частью более широкой методологии, используемой в генетике поведения, которая опирается на все генетически информативные данные – исследования сиблингов, исследования усыновления, генеалогические исследования и т.д. Эти исследования применялись для изучения признаков, варьирующихся от индивидуального поведения до проявлений тяжелых психических заболеваний, таких как шизофрения. Близнецы представляют собой ценный объект для наблюдения, поскольку позволяют изучать влияние окружающей среды и генетического разнообразия: "однояйцевые" или монозиготные (MZ) близнецы разделяют практически 100% генов, что означает, что большинство различий между ними (например, рост, склонность к скуке, интеллект, депрессия и т.д.) обусловлены опытом, пережитым одним близнецом, но не другим. "Двуяйцевые" или дизиготные (DZ) близнецы разделяют около 50% генов, как и любые другие братья и сестры. Близнецы также разделяют множество аспектов окружающей среды (например, внутриутробную среду, стиль воспитания, образование, материальное благополучие, культуру, сообщество), поскольку они растут в одной семье. Наличие определенного генетического или фенотипического признака только у одного из однояйцевых близнецов (явление, называемое дискордантностью) предоставляет ценную информацию о влиянии факторов окружающей среды на этот признак. Близнецы также полезны для демонстрации важности уникальной среды (специфичной для каждого близнеца) при изучении проявления признаков. Изменения в уникальной среде могут быть вызваны событием или обстоятельством, которое затронуло только одного из близнецов. Это может быть травма головы или врожденный дефект, полученный одним близнецом, в то время как другой остается здоровым. Классическая схема исследования близнецов сравнивает сходство между однояйцевыми и двуяйцевыми близнецами. Если однояйцевые близнецы значительно более похожи, чем двуяйцевые (что наблюдается для большинства признаков), это указывает на важную роль генов в формировании этих признаков. Сравнивая данные сотен семей с близнецами, исследователи могут лучше понять вклад генетических факторов, общей среды и уникальной среды в формирование поведения. Современные исследования близнецов показали, что все изучаемые признаки в той или иной степени подвержены влиянию генетических различий, при этом для некоторых характеристик влияние генетики более выражено (например, рост), для других – умеренное (например, черты личности), а для некоторых наблюдается более сложная наследственность, с доказательствами того, что разные гены влияют на различные аспекты признака, как в случае с аутизмом.

История

Близнецы представляли интерес для ученых с древнейших времен цивилизации, включая раннего врача Гиппократа (V век до н.э.), который связывал различные заболевания у близнецов с разными материальными условиями, и философа-стоика Посидония (I век до н.э.), который объяснял подобные сходства общими астрологическими обстоятельствами. Густав III, король Швеции, первым заказал медицинское исследование с использованием однояйцевых близнецов. Отец Густава, Адольф Фредерик, был противником стимулирующих напитков, таких как чай и кофе, и подписал в 1757 году Эдикт о злоупотреблениях и избыточном употреблении чая и кофе. И Густав III, и его отец читали и испытали сильное влияние трактата французского врача 1715 года об опасностях того, что впоследствии было идентифицировано как кофеин в чае и кофе. Вступив на престол в 1771 году, король был сильно мотивирован продемонстрировать своим подданным, что кофе и чай оказывают вредное воздействие на здоровье человека. С этой целью он предложил смягчить смертные приговоры паре убийц-близнецов, если они согласятся участвовать в примитивном клиническом испытании. Оба осужденных согласились и впоследствии провели остаток своей жизни в тюрьме, выполняя требования короля: один близнец должен был выпивать три кувшина кофе ежедневно, а другой – три кувшина чая. Пьющий чай близнец умер первым в возрасте 83 лет, спустя много лет после убийства Густава III в 1792 году. Возраст пьющего кофе близнеца на момент смерти неизвестен, поскольку оба врача, назначенных королем для наблюдения за исследованием, скончались раньше него. Запрет на кофе и чай в Швеции был снят в 1823 году. Более позднее исследование принадлежит сэру Фрэнсису Гальтону, который впервые использовал близнецов для изучения роли генов и окружающей среды в развитии и поведении человека. Однако Гальтон не знал о различии между однояйцевыми и двуяйцевыми близнецами. Этот фактор оставался неясным и во время первого исследования с использованием психологических тестов, проведенного Эдвардом Торндайком (1905) на пятидесяти парах близнецов. Эта работа стала ранним изложением гипотезы о том, что влияние семьи уменьшается с возрастом. В своем исследовании Торндайк сравнил пары близнецов в возрасте 9–10 и 13–14 лет с обычными братьями и сестрами, родившимися с разницей в несколько лет. Торндайк ошибочно предположил, что его данные подтверждают существование одного, а не двух типов близнецов. Эта ошибка была повторена Рональдом Фишером (1919), который утверждал, что раннее, и возможно, первое исследование, осознающее это различие, было проведено немецким генетиком Германом Вернером Сименсом в 1924 году. Главным новшеством Сименса стала полисимптоматическая диагностика сходства. Это позволило ему объяснить упущение, которое ставило в тупик Фишера, и этот метод был основным в исследованиях близнецов до появления молекулярных маркеров. Вильгельм Вайнберг и его коллеги в 1910 году использовали различие между однояйцевыми и двуяйцевыми близнецами для расчета соответствующих показателей на основе соотношения однополых и разнополых близнецов в популяции рожениц. Они разделили ковариацию среди родственников на генетические и экологические компоненты, предвосхитив более поздние работы Фишера и Райта, включая влияние доминирования на сходство родственников, и заложив основу для первых классических исследований близнецов. Исследование, проведенное Дарриком Антеллом и Евой Тачановски, показало, что "близнецы, демонстрирующие наибольшие различия в видимых признаках старения, также имели наибольшую степень расхождения в выборе образа жизни и привычках", и пришло к выводу, что "генетическое влияние на старение может быть сильно переоценено, а образ жизни оказывает гораздо более важное влияние на физическое старение".

Методы

Сила исследований на близнецах обусловлена тем, что близнецы могут быть либо идентичными (монозиготными (MZ), то есть развивающимися из одной оплодотворенной яйцеклетки и, следовательно, имеющими общий набор полиморфных аллелей), либо братскими (дизиготными (DZ), то есть развивающимися из двух оплодотворенных яйцеклеток и, следовательно, разделяющими в среднем 50% аллелей – такой же уровень генетического сходства, как и у неблизких братьев и сестер). Эти известные различия в генетическом сходстве, в сочетании с проверяемым предположением об одинаковых условиях окружающей среды для однояйцевых и двуяйцевых близнецов, создают основу для проведения исследований близнецов, направленных на оценку совокупного влияния генов и окружающей среды на фенотип.

Сравнение моделей

Основным преимуществом моделирования является возможность явного сравнения моделей: вместо простого возврата значения для каждого компонента, исследователь может вычислять доверительные интервалы для параметров, но, что особенно важно, может удалять и добавлять пути и проверять влияние этого на соответствие модели с помощью статистических показателей, таких как AIC. Таким образом, например, для проверки предполагаемого влияния семьи или общей среды на поведение, AE-модель может быть объективно сопоставлена с полной ACE-моделью. Например, на основе представленных данных о росте мы можем спросить: можно ли исключить компонент C (общая среда) без существенного ухудшения соответствия модели? В качестве альтернативы, можно рассчитать доверительные интервалы для каждого пути.

Многогрупповое и многовариантное моделирование

Многовариантное моделирование позволяет получить ответы на вопросы о генетической связи между переменными, которые кажутся независимыми. Например, имеют ли интеллект (IQ) и долговременная память общие гены? Обусловлены ли они общими факторами среды? Дополнительные преимущества включают возможность работы с интервальными, пороговыми и непрерывными данными, сохранение полной информации из данных с пропущенными значениями, интеграцию латентного моделирования с измеренными переменными – будь то измеренная среда или, теперь, измеренные молекулярно-генетические маркеры, такие как однонуклеотидные полиморфизмы (SNP). Кроме того, модели избегают проблем с ограничениями, свойственных методу грубой корреляции: все параметры, как и должно быть, будут находиться в диапазоне от 0 до 1 (стандартизированные). Многовариантные исследования и исследования с повторными измерениями во времени, включающие оценку факторов среды и повторяющиеся измерения потенциально причинного поведения, становятся все более распространенными. Примеры таких моделей включают расширенные исследования близнецов, симплексные модели и модели кривых роста. Программы SEM, такие как OpenMx, и другие приложения, подходящие для работы с ограничениями и несколькими группами, сделали эти новые методы доступными для пользователей, обладающих достаточной квалификацией.

Предположения

Как видно из вышеприведенного моделирования, основное предположение при исследовании близнецов заключается в равенстве семейной среды, также известное как предположение о равной среде. Уникальная возможность проверить это предположение возникает, когда родители ошибочно полагают, что их близнецы неидентичны, хотя на самом деле они генетически идентичны. Исследования различных психологических признаков показывают, что у этих детей уровень конкордантности остается таким же высоким, как и у однояйцевых близнецов, воспитанных родителями, которые относились к ним как к идентичным. Молекулярно-генетические методы оценки наследуемости, как правило, дают более низкие оценки, чем классические исследования близнецов, поскольку современные SNP-массивы не учитывают влияние определенных типов вариантов (например, редких вариантов или повторных полиморфизмов), хотя некоторые предполагают, что это связано с переоценкой наследуемости в исследованиях близнецов. Исследование, проведенное в 2016 году, показало, что предположение о равенстве пренатальной среды для близнецов в значительной степени обосновано. Исследователи продолжают дискутировать о валидности предположения о равной среде.

Измеренное сходство: прямое тестирование допущений в двух моделях

Особенно эффективный метод проверки метода исследования на близнецах был предложен Visscher и соавторами. Вместо использования близнецов, эта группа исследователей использовала тот факт, что хотя братья и сестры в среднем разделяют 50% своих генов, фактическая доля общих генов у отдельных пар братьев и сестер колеблется вокруг этого значения, фактически создавая континуум генетического сходства или "степени родства", близкой к таковой у близнецов, внутри семей. Оценки наследуемости, основанные на прямых измерениях доли общих генов, подтверждают результаты, полученные методом исследования на близнецах, что поддерживает обоснованность допущений этого метода.

Половые различия

Генетические факторы, включая экспрессию генов и спектр взаимодействий генов с окружающей средой, могут различаться между полами. Пары близнецов-двойняшек противоположного пола бесценны для выявления этих эффектов. В крайнем случае ген может экспрессироваться только у одного пола (качественное половое ограничение). Чаще всего эффекты конкретных аллелей могут зависеть от пола индивида. Ген может вызывать изменение веса на 100 г у мужчин, но, возможно, на 150 г у женщин – это количественный генный эффект. Окружающая среда может влиять на способность генов к экспрессии и делать это посредством половых различий. Например, гены, влияющие на поведение избирателей, не будут оказывать никакого эффекта на женщин, если женщинам запрещено голосовать. В более общем плане логика проверки половых различий может быть применена к любой определенной подгруппе индивидов. В таких случаях корреляция у однополых и разнополых дизиготных близнецов будет отличаться, указывая на влияние половой разницы. По этой причине принято различать три типа дизиготных близнецов. Стандартный аналитический протокол включает проверку полового ограничения путем подгонки моделей к пяти группам: идентичные мужчины, идентичные женщины, дизиготные мужчины, дизиготные женщины и дизиготные близнецы противоположного пола. Таким образом, моделирование близнецов выходит за рамки корреляции и позволяет проверять причинно-следственные модели, включающие потенциальные причинные переменные, такие как пол.

Взаимодействие генов и окружающей среды

Эффекты генов часто могут зависеть от окружающей среды. Такие взаимодействия известны как взаимодействия G × E, при которых эффекты аллеля гена различаются в разных условиях среды. Простые примеры включают ситуации, когда ген усиливает влияние окружающей среды: например, добавляя 2,5 см к росту в среде с высоким содержанием питательных веществ, но только 1,25 см в среде с низким содержанием питательных веществ. Это проявляется в различных наклонах кривых реакции на среду для разных генотипов. Часто исследователи заинтересованы в изменениях наследуемости в разных условиях: в средах, где аллели могут вызывать значительные фенотипические эффекты (как описано выше), относительная роль генов возрастает, что соответствует более высокой наследуемости в этих средах. Другой эффект – корреляция G × E, при которой определенные аллели склонны сопутствовать определенным условиям среды. Если ген предрасполагает родителя к чтению, то дети, унаследовавшие этот аллель, с большей вероятностью будут расти в семьях с книгами из-за корреляции ГЭ: один или оба родителя обладают этим аллелем и, следовательно, собирают библиотеку и передают аллель, связанный с любовью к чтению. Такие эффекты можно проверить, непосредственно измерив предполагаемый коррелят окружающей среды (в данном случае – наличие книг в доме). Часто влияние среды кажется максимальным в раннем возрасте и быстро уменьшается после начала обязательного образования. Это наблюдается, например, в отношении навыков чтения и интеллекта. Это пример эффекта G*Age, который позволяет изучить как корреляции GE, обусловленные родительской средой (которые со временем ослабевают), так и корреляции G*E, возникающие в результате активного поиска определенных сред индивидуумами.

Нормы реакции

Исследования на растениях или в животноводстве позволяют измерять эффекты экспериментально рандомизированных генотипов и комбинаций факторов среды. В отличие от них, исследования на людях обычно носят наблюдательный характер. Это может навести на мысль, что оценить нормы реакции невозможно. Подобно экономике и эпидемиологии, разработаны различные методики, позволяющие использовать преимущества дифференциального обмена генами, повторных воздействий и измеренных воздействий окружающей среды (таких как социальный статус детей, хаос в семье, доступность и качество образования, питание, токсины и т.д.) для преодоления путаницы причинно-следственных связей. Классический дизайн с использованием близнецов привлекателен тем, что он позволяет начать разделять эти смешивающиеся факторы. Например, у однояйцевых и разнояйцевых близнецов эффекты общей среды и генетики не смешиваются, в отличие от семейных исследований, не связанных с близнецами. Таким образом, исследования близнецов частично обусловлены попыткой использовать случайное распределение генов между членами семьи для лучшего понимания этих корреляций. Хотя исследование близнецов сообщает нам только о том, как гены и семейные факторы влияют на поведение в пределах наблюдаемого диапазона сред, и с оговоркой, что гены и среда часто коварируют, это значительный прогресс по сравнению с альтернативой – полным отсутствием знаний о различных ролях генов и среды. Поэтому исследования близнецов часто используются как метод контроля хотя бы части наблюдаемой изменчивости: например, разделение того, что ранее могло быть принято за влияние семейной среды, на общую среду и аддитивную генетику, используя естественный эксперимент с полностью и частично общими геномами у близнецов. Исследования ассоциаций, например, позволяют напрямую изучать эффекты аллелей. Менделевская рандомизация аллелей также предоставляет возможности для изучения эффектов аллелей случайным образом по отношению к связанным с ними факторам среды и другим генам.

Расширенные двойные конструкции и более сложные генетические модели

Основная или классическая схема исследования близнецов включает только однояйцевых и разнояйцевых близнецов, воспитанных в их биологической семье. Это представляет собой лишь подмножество возможных генетических и средовых взаимосвязей. Следовательно, можно утверждать, что оценки наследуемости, полученные в исследованиях близнецов, являются первым шагом к пониманию генетики поведения. Разделение дисперсии в исследовании близнецов на аддитивный генетический компонент, общую и уникальную среду – это первое приближение к полному анализу, учитывающему ковариацию и взаимодействие генов и среды, а также другие неаддитивные эффекты на поведение. Революция в молекулярной генетике предоставила более эффективные инструменты для описания генома, и многие исследователи обращаются к молекулярной генетике, чтобы непосредственно оценить влияние аллелей и факторов среды на признаки. Первоначальным ограничением схемы исследования близнецов является то, что она не позволяет одновременно учитывать как общую среду, так и неаддитивные генетические эффекты. Это ограничение можно преодолеть, включив в схему дополнительных братьев и сестер. Второе ограничение заключается в том, что корреляцию ген-среда нельзя обнаружить как отдельный эффект, если она не включена в модель. Для преодоления этого ограничения необходимо использовать модели усыновления или исследования детей близнецов, чтобы оценить влияние семьи, не коррелирующее с общими генетическими эффектами.

Непрерывные переменные и порядковые переменные

В то время как исследования конкордантности сравнивают наличие или отсутствие признаков у каждого из близнецов, корреляционные исследования сравнивают степень согласованности непрерывно меняющихся признаков между близнецами.

Критика

Метод близнецов подвергался критике со стороны статистической генетики, статистики и психологии, и некоторые исследователи, например, Burt & Simons (2014), утверждают, что выводы, полученные с использованием этого метода, являются неоднозначными или лишены смысла. Основные аргументы критики и контраргументы представлены ниже.

Критика фундаментальных допущений

Критики исследований близнецов утверждают, что они основаны на ложных или сомнительных предположениях, включая предположение о 100%-ном совпадении генов у однояйцевых близнецов и предположение о равном влиянии среды. Исходя из этого, критики утверждают, что исследования близнецов склонны давать завышенные или заниженные оценки наследуемости из-за биологических искажений и систематической недооценки дисперсии среды. Другие критики придерживаются более умеренной точки зрения, полагая, что предположение о равном влиянии среды обычно неточно, однако эта неточность оказывает лишь умеренное влияние на оценки наследуемости.

Критика статистических методов

Питер Шёнман критиковал методы оценки наследуемости, разработанные в 1970-х годах. Он также утверждал, что оценка наследуемости, полученная в исследованиях близнецов, может отражать факторы, отличные от общих генов. Используя статистические модели, опубликованные в Loehlin и Nichols (1976), узкая наследуемость HR ответов на вопрос "Вам делали массаж спины?" оказалась равной 0,92 для мужчин и 0,21 для женщин, а на вопрос "Вы носили солнцезащитные очки в темноте?" – 130% для мужчин и 103% для женщин. Критики также утверждают, что понятие "наследуемости", оцениваемое в исследованиях близнецов, является лишь статистической абстракцией, не имеющей отношения к лежащей в основе ДНК, и что статистические основания исследований близнецов недействительны. Статистическая критика заключается в том, что оценки наследуемости, используемые в большинстве исследований близнецов, основаны на ограничительных предположениях, которые обычно не проверяются, а если и проверяются, то часто противоречат данным.

Ответы на статистическую критику

До появления компьютеров статистики использовали методы, которые были вычислительно реализуемыми, но с известными ограничениями. С 1980-х годов эти приближенные статистические методы были отброшены. Современные методы исследования близнецов, основанные на структурном моделировании уравнений, не подвержены этим ограничениям, и такие оценки наследуемости, как указанные выше, математически невозможны. Важно отметить, что новые методы позволяют проводить явное тестирование роли различных путей и включать, а также проверять сложные эффекты. Например: на рождаемость дизиготных (DZ) близнецов влияет множество факторов. Некоторые женщины часто производят более одной яйцеклетки в каждом менструальном цикле и, следовательно, более склонны к рождению близнецов. Эта предрасположенность может передаваться по наследству как по материнской, так и по отцовской линии, и часто встречается в обеих семьях. Женщины старше 35 лет чаще производят две яйцеклетки. Женщины, у которых уже есть трое или более детей, также более склонны к рождению дизиготных близнецов. Искусственная индукция овуляции и экстракорпоральное оплодотворение с переносом эмбрионов также могут приводить к рождению однояйцевых и разнояйцевых близнецов.

Ответ на представленность близнецов

Однако близнецы мало чем отличаются от обычных братьев и сестер. Тщательно проведенные исследования личности и интеллекта близнецов показывают, что их показатели по этим качествам очень близки к показателям не-близнецов (например, Deary et al., 2006).

Отдельные пары близнецов, представляющие других близнецов

Разделенные пары близнецов, однояйцевых или разнояйцевых, как правило, разделяются посредством усыновления. Это делает их биологические семьи нетипичными для обычных семей с близнецами, поскольку они отказываются от своих детей. Приемные семьи также нетипичны для обычных семей с близнецами, поскольку все они одобрены органами опеки и попечительства, и непропорционально большая их часть не имеет собственных детей. Участники исследований, в свою очередь, не являются репрезентативной выборкой среди разделенных близнецов, так как не все разделенные близнецы соглашаются участвовать в подобных исследованиях.

Проблемы обнаружения

Могут возникнуть проблемы с выявлением поведения, которое многие люди скрывают сейчас или скрывали в прошлом. Люди могут неохотно рассказывать о действиях, подвергающихся дискриминации или стигматизации. Даже если окружающая среда не оказывала влияния на само поведение, искаженное выявление всё равно может создать впечатление, что влияние было. Чтобы окружающая среда не казалась влияющей в таких случаях, необходимо либо, чтобы нетерпимость была контрпродуктивной – то есть, вызывала то поведение, к которому она направлена, – либо, чтобы в исследовании был допущен недостаток, делающий результаты научно недействительными. Даже если окружающая среда действительно играет роль, данные всё равно будут искажены.

Паральная конкорда

Для группы близнецов, парная конкордантность определяется как C/(C+D), где C – число конкордантных пар, а D – число дискордантных пар. Например, группа из 10 близнецов была предварительно отобрана так, чтобы у одного члена каждой пары был выявлен признак. В ходе исследования еще четыре ранее не затронутых участника также проявили этот признак, что дает парную конкордантность 4/(4+6) или 4/10 или 40%.

Конкордэнция по пробам

Для группы близнецов, в которой хотя бы один член каждой пары заболел, конкордантность по пробандам является мерой доли близнецов с заболеванием, у которых есть заболевший близнец, и рассчитывается по формуле 2C/(2C+D), где C – число конкордантных пар, а D – число дискордантных пар. Например, рассмотрим группу из 10 близнецов, отобранных таким образом, что в каждой паре был хотя бы один заболевший. В ходе исследования еще четыре ранее здоровых члена пары заболели, что дает конкордантность по пробандам 8/(8+6) или 8/14 или 57%.

Академические организации

Существует несколько научных организаций, поддерживающих исследования в области генетики поведения, включая Ассоциацию генетики поведения, Международное общество по изучению близнецов и Международное общество поведенческой и нейронной генетики. Исследования в области генетики поведения также занимают важное место в ряде более широких научных сообществ, например, в Международном обществе психиатрической генетики.