Geneettinen herkkyys infektiotaudeille

Geneettinen herkkyys infektiotaudeille Krista Longi Kandidaatintutkielma Bio ja ympäristötieteellinen tiedekunta Biotieteiden laitos Perinnöllisyystiede 2012

HELSINGIN YLIOPISTO HELSINGFORS UNIVERSITET UNIVERSITY OF HELSINKI Tiedekunta/Osasto Fakultet/Sektion Faculty Bio ja Ympäristötieteellinen Tiedekunta Tekijä Författare Author Krista Longi Työn nimi Arbetets titel Title Geneettinen herkkyys infektiotaudeille Oppiaine Läroämne Subject Perinnöllisyystiede Laitos Institution Department Biotieteiden laitos Työn laji Arbetets art Level Kadidaatintutkielma Aika Datum Month and year 2012 Sivumäärä Sidoantal Number of pages 21 Tiivistelmä Referat Abstract Infektiotaudit ovat merkittävä kuolleisuuden aiheuttaja, joten niiden molekulaarisen taustan tunteminen on tärkeää. Tutkimalla geneettistä herkkyyttä infektiotaudeille ja etsimällä geenejä, jotka assosioituvat tiettyihin infektioihin, voidaan löytää uusia kohteita rokotteille ja hoitokeinoille. Vaikka infektiotautiin sairastuminen edellyttääkin aina patogeenille altistumista, eivät infektiotaudit ole puhtaasti ympäristöllisiä sairauksia. Esimerkiksi kaksos ja adoptiotutkimuksilla on osoitettu, että variaatiot ihmisen genomissa vaikuttavat infektioalttiuteen. Geneettinen herkkyys infektiotaudeille johtuu monimutkaisista vuorovaikutuksista geneettisten ja ympäristöllisten tekijöiden välillä. Perinteisesti infektiotaudit on nähty kompleksisina sairauksina, eli on ajateltu olevan useita geenejä, joilla kullakin on pieni vaikutus herkkyyteen sairastua. Kuitenkin on olemassa useita mendelistisiä synnynnäisiä virheitä, jotka altistavat yksilön useille eri infektioille. Assosiaatiogeenien määrittämiseen on perinteisesti käytetty kandidaattigeenianalyysiä, ja useita assosiaatioita on löydetty moniin yleisiin sairauksiin. Tutkituimpia sairauksia ovat olleet malaria, tuberkuloosi ja HIV. Viimeaikoina myös genominlaajuisilla assosiaatioanalyyseillä on pyritty löytämään uusia infektioalttiuteen vaikuttavia lokuksia. Yhteensä assosiaatiogeenejä on löydetty satoja, mutta monia näistä assosiaatioista ei ole pystytty toistamaan uusissa tutkimuksissa. Geneettisen herkkyyden infektiotaudeille tutkimiseen liittyykin monia ongelmia. Hyvinkin alttiit yksilöt voivat olla terveitä, jos he eivät ole koskaan kohdanneet patogeeniä. Toisaalta riittävän suurten näytteiden kerääminen voi olla haastavaa erityisesti kehitysmaissa, missä infektiot ovat suurin ongelma. Vain pieni osa infektioalttiuteen vaikuttavista perinnöllisistä tekijöistä onkin tunnistettu. Avainsanat Nyckelord Keywords Infektiotaudit, alttius, periytyvyys, kandidaattigeenianalyysi, genominlaajuinen assosiaatioanalyysi Säilytyspaikka Förvaringsställe Where deposited Muita tietoja Övriga uppgifter Further information

Sisällys 1. Johdanto 1 2. Miksi tutkia geneettistä herkkyyttä infektiotaudeille? 1 3. Geneettiset tekijät vaikuttavat infektioalttiuteen 2 4. Assosiaatiogeenien etsiminen 4 4.1 Kandidaattigeenianalyysi 6 4.2 Genominlaajuiset assosiaatioanalyysit (GWAS) 7 5. Löydettyjä assosiaatiogeenejä 9 5.1 Mendelistinen alttius infektiotaudeille 10 5.2 Multigeeninen alttius infektiotaudeille 11 5.2.2 HLA alue 12 5.2.1 Esimerkkinä malaria 13 6. Tulevaisuuden näkymiä 14 7. Johtopäätökset 15 Lähteet 16

1. Johdanto Infektiot ovat yksi johtavista kuolinsyistä ihmisillä (Kindhauser, 2003). Lisäksi infektiot ovat suuri valintapaineen aiheuttaja ja immuunipuolustukseen liittyvät geenit ovat runsaslukuisimpia ja monimuotoisimpia ihmisgenomissa (Burgner ym. 2006). Vaikka infektiotaudin kehittyminen vaatiikin aina altistumisen patogeenille, eivät infektiotaudit ole puhtaasti ympäristötekijöiden määrittämiä sairauksia. Geneettiset tekijät selittävät ainakin osin, miksi toiset ihmiset selviytyvät infektiotaudeista paremmin kuin toiset. Yksilöiden välillä on merkittäviä eroja siinä, miten ne reagoivat patogeenille altistumisen jälkeen (Burgner ym. 2006). Afrikassa kuolee joka vuosi yli miljoona lasta malariaan, mutta suurin osa ei sairastu yhtä vakavasti vaikka saavat tartunnan useita kertoja (Kwiatkowski, 2000). Siihen miksi yksilöillä on hyvin erilaiset vasteet tauteihin, on useita syitä. Tähän vaikuttaa geenien lisäksi aiempi terveydentila, hankittu immuniteetti, ympäristölliset tekijät ja itse patogeenin geneettiset tekijät. (Kwiatkowski, 2000.) Siksi ei ole helppoa määrittää, missä määrin ihmisen omat geenit vaikuttavat herkkyyteen eri infektiotaudeille. Tutkielman tarkoituksena on kuvailla infektiotautialttiuden tutkimista, mukaan lukien tutkimusmenetelmiä ja niihin liittyviä haasteita. Tarkoituksena on myös esitellä muutamia merkittävimpiä tutkimustuloksia. 2. Miksi tutkia geneettistä herkkyyttä infektiotaudeille? Infektiotaudit aiheuttavat noin neljänneksen maailmanlaajuisesta kuolleisuudesta (Kindhauser, 2003). Toisaalta uusien epidemioiden ja pandemioiden uhka on suuri, ja myös siksi infektiotautien tutkiminen on tärkeää (Hill, 2012). Kuolleisuusluvut eivät kuitenkaan paljasta kaikkea sitä taakkaa, mitä infektiotaudit aiheuttavat ihmisille. Infektiot aiheuttavat toisinaan myös pysyviä vammoja ja joidenkin infektioiden on todettu mm. lisäävän syövän riskiä. (Kindhauser, 2003.) Tietomme useimpien infektiotautien molekulaarisista mekanismeista ovat edelleen rajallisia. Geneettinen epidemiologia voi auttaa tunnistamaan uusia 1

taudin kehittymiseen liittyviä molekulaarisia mekanismeja ja ymmärtämään taudin kehittymisen kriittiset vaiheet. (Kwiatkowski, 2000.) Infektiotautien molekulaarisen taustan ymmärtäminen on tärkeää uusien lääkkeiden ja hoitojen kehityksessä. Esimerkiksi antibioottiresistanttien bakteerikantojen lisääntyminen onkin kasvattanut tarvetta uusien hoitokeinojen keksimiseen (Tuite & Gris, 2006). Toisaalta tunnistamalla infektiotaudeille altistavia geenejä, voidaan oppia tuntemaan ihmisen immuunijärjestelmän toimintaa paremmin (Clementi & Di Gianantonio, 2006). Populaatioiden ryhmittely alttiusriskin perusteella geneettisen profiloinnin avulla voi osoittautua hyödylliseksi. Yhä useampia rokotteita tulee jatkuvasti markkinoille ja niiden hinnat ovat yhä kalliimpia. Kohdistettu rokottaminen voi olla vaihtoehto, jos geneettiset testit tulevat halvemmiksi kuin itse rokotteet. (Hill, 2012.) Jos tunnetaan mikrobien ja vastustuskykyä säätelevien geenien vuorovaikutukset, on mahdollista kehittää geenitestejä yksilöllisten ennusteiden tekemiseen. Näin voidaan esimerkiksi löytää ne yksilöt, joilla on riski sairastua erityisen vakaviin tai toistuviin infektioihin. (Lokki, 2005.) Odotukset infektiotautien geneettisen taustan tutkimisen tarjoamista hyödyistä ovat kuitenkin olleet suuret ja uusien löydettyjen assosiaatioiden toivottiin nopeasti kääntyvän uusiksi hoitokeinoiksi. Suuri osa odotuksista on kuitenkin täyttymättä, ja onkin olemassa skeptismiä siitä, kuinka paljon epidemiologiset lähestymistavat voivat paljastaa kompleksisten sairauksien genetiikasta. (Burgner ym. 2006.) Menetelmät kuitenkin kehittyvät jatkuvasti, ja on jo olemassa esimerkkejä siitä, kuinka infektiotautien geneettisen tausta tutkiminen on johtanut lääketieteellisiin sovellutuksiin (Hill, 2012). 3. Geneettiset tekijät vaikuttavat infektioalttiuteen Teoria siitä, että ihmisen geneettiset tekijät vaikuttavat herkkyyteen sairastua infektiotauteihin, ei ole uusi. 1930 luvulta lähtien erilaiset epidemiologiset tutkimukset ovat osoittaneet, että geneettisillä tekijöillä on tärkeä merkitys 2

alttiudelle sairastua tai kuolla infektiotauteihin. (Alcais ym. 2009.) Infektiotautien on havaittu esiintyvän yleisemmin perheissä ja suvuissa tai tietyissä etnisissä ryhmissä. Perheet ja suvut jakavat kuitenkin todennäköisemmin myös samat ympäristölliset tekijät, joten geneettisten tekijöiden analysointi voi olla vaikeaa. Erityisesti infektiotautien kohdalla taudin tarttuminen perheen sisällä voi lisätä sairastumisen riskiä ja näin aiheuttaa infektiotautien esiintymisen perheittäin. (Burgner ym. 2006.) Vertaamalla frekvenssejä, joilla sairautta esiintyy sairastuneen yksilön sukulaisilla verrattuna terveiden yksilöiden sukulaisiin, saadaan kuitenkin tietoa siitä, missä määrin sekä geneettiset tekijät että jaetut ympäristölliset tekijät vaikuttavat sairastumisriskiin. Haralambous ym. tutkivat sisarusten sairastumisriskiä meningokokkibakteerin aiheuttamien sairauksien kohdalla. Pyrkiäkseen minimoimaan taudin tarttumisesta johtuvan suuremman riskin sairastuneiden yksilöiden sisaruksilla, he seurasivat sairastumista aina vuoden päähän indeksitapauksesta. Vielä vuodenkin kuluttua indeksitapauksesta sairastuneiden yksilöiden sisarusten riski saada tartunta oli suurempi kuin terveiden yksilöiden sisarusten, ja Haralambous ym. ehdottivat, että geneettiset tekijät selittäisivät noin kolmasosan sairastuneiden yksilöiden sisarusten suuremmasta sairastumisriskistä. (Haralambous ym. 2003.) Kaksostutkimukset ovat olleet merkittävässä roolissa kun on selvitetty missä määrin ihmisen geneettiset tekijät vaikuttavat herkkyyteen infektiotaudeille. Vaikka otetaan huomioon se, että positiivisia tuloksia julkaistaan herkemmin kuin negatiivisia, on saatu vakuuttavia tuloksia. Sekä virus, bakteeri ja alkueläinperäisten tautien on todettu riippuvan myös geneettisistä tekijöistä. (Jepson, 1998.) Yksi tapa tutkia asiaa on verrata konkordanssia mono ja ditsygoottisilla kaksosilla. Tällaisia tutkimuksia on tehty useilla infektiotaudeilla, ja periytyvyys vaikuttaa olevan melko merkittävää kroonisten tautien kohdalla. Akuuttien infektioiden kohdalla todisteet eivät kuitenkaan ole yhtä selviä. (Hill, 2012.) Tutkimuksessa, jossa käytettiin sairaalaan ottoa fenotyyppinä, todettiin, että eri geneettiset tekijät vaikuttavat todennäköisesti 3

eri tauteihin, sillä toisen kaksosen riski joutua sairaalaan kasvoi vain saman taudin kohdalla (Burgner ym. 2006). Tanskalainen tutkimus selvitti geneettisten ja ympäristöllisten tekijöiden vaikutusta ennenaikaisen kuoleman riskiin aikuisiässä adoptiotutkimuksella. Tutkimuksessa verrattiin hyvin nuorina adoptoitujen lasten riskiä kuolla ennenaikaisesti heidän biologisiin vanhempiin ja adoptiovanhempiin. Tulokset osoittivat, että kun lapsi oli kuollut 25 64 vuotiaana, oli biologisten vanhempien riski kuolla ennenaikaisesti merkittävästi suurempi. Samaa ei havaittu adoptiovanhempien kohdalla. Kuitenkin infektiotauteihin kuolleiden määrä oli tutkimuksessa pieni ja lisätutkimukset tulosten varmistamiseksi ovat tarpeen. (Petersen ym. 2002.) Useat kaksos ja adoptiotutkimukset siis viittaavat siihen, että geneettiset tekijät vaikuttavat sekä alttiuteen sairastua että infektion kulkuun. Vaikka joissakin tutkimuksissa tulokset ovatkin olleet epäselviä tai kaivanneet lisäselvitystä, ovat todisteet silti melko vakuuttavia. 4. Assosiaatiogeenien etsiminen Vaikka infektiotautien geneettisen taustan tutkiminen onkin lisääntynyt huomattavasti, se ei silti ole yhtä yleistä kuin muiden yleisten kroonisten sairauksien tutkimus (Rowell ym. 2012). Menetelmiä, joita voidaan käyttää ja on käytetty assosiaatiogeenien tunnistamiseen, on useita. Eläinmallit ovat yksi mahdollisuus. Geneettiset vaikutukset voivat olla selkeämpiä luonnollisissa populaatioissa, kun lääketieteelliset hoitokeinot puuttuvat (Amos ym. 2010). Eläinmalleista saatujen löytöjen soveltaminen ihmisiin on kuitenkin vaikeaa, sillä ihmisiltä puuttuvat usein verrattavissa olevat polymorfismit tai jopa homologiset geenit kokonaan. Eläinmalleilla ei toistaiseksi olekaan juuri löydetty uusia assosiaatiogeenejä. (Hill, 2012.) Genominlaajuisessa kytkentäanalyysissä käytetään perheitä, joissa on useita sairastuneita yksilöitä. Mikrosatelliittimarkkereiden avulla pyritään löytämään 4

kromosomin alueita, jotka assosioituvat sairauteen. Genominlaajuisia kytkentäanalyysejä on infektiotaudeille tehty jonkin verran ja niillä on löydetty joitakin assosiaatiolokuksia, mutta näitä ei ole pystytty vahvistamaan. Ongelmana on, että infektiotautien kohdalla alttiusgeeneillä on usein liian pieni vaikutus, jotta niitä voitaisiin havaita kytkentäanalyysillä. (Hill, 2012.) Kytkentäanalyysit ovat olleet menestyksekkäitä lähinnä monogeenisten sairauksien tutkimisessa (Chapman & Hill, 2012). Useimmiten tutkimuksessa käytetään sairastuneita sisaruspareja, mutta niiden rekrytoiminen voi olla vaikeaa (Burgner ym. 2006). Toisaalta kromosomialueet, jotka perheenjäsenet jakavat, ovat usein suuria ja varsinaisen assosiaatiogeenin rajaaminen tältä alueelta voi olla hankalaa. (Pearson & Manolio, 2008). Perinteisesti käytettyjä menetelmiä ovat kandidaattigeenianalyysi ja genominlaajuinen assosiaatioanalyysi (Genome Wide association study, GWAS). Kandidaattigeenianalyysillä saadaan yleensä tilastollisesti merkittävämpiä tuloksia, mutta sitä ei voida käyttää täysin uusien geenien löytämiseen. Kummallakin menetelmällä on vaikea havaita geneettisiä vaikutuksia jos ne ovat joko heikkoja tai suuri osa yksilöistä ei ole koskaan altistunut sairaudelle. (Amos ym. 2010.) Teknologian kehitys on tehnyt mahdolliseksi käyttää yhä suurempia määriä markkereita. Mitä enemmän markkereita tutkimuksessa kuitenkin käytetään, sitä suuremmaksi nousee väärien positiivisten tulosten riski. Tämä on ongelma erityisesti infektiotautien kohdalla, sillä kontrolliryhmä voi sisältää yksilöitä, jotka ovat erittäin alttiita sairaudelle, mutta eivät koskaan ole kohdanneet patogeeniä. (Amos ym. 2010.) On myös hyvä huomata, että vaikka useimmat näistä menetelmistä perustuvat yhden nukleotidin polymorfismien (SNP) käyttöön, myös muun tyyppisillä variaatioilla, kuten toistojaksoilla, insertioilla ja deleetioilla, voi olla merkittävä vaikutus alttiuteen infektiotaudeille (Burgner ym.). Yhden nukleotidin polymorfismien sijasta huomattavasti halvemmat mikrosatelliitteihin perustuvat analyysit voivatkin olla erittäin tehokkaita (Amos ym. 2010). 5

Tutkimusmenetelmästä riippumatta tulosten toistaminen eri populaatioissa on ollut toisinaan hankalaa. Joissain tapauksissa tämä voi johtua vääristä positiivisista tuloksista. On kuitenkin yhä selvempää, että useilla kompleksisilla sairauksilla eri populaatioissa eri geneettiset tekijät saattavat altistaa samalle sairaudelle (Burgner ym. 2006) 4.1 Kandidaattigeenianalyysi Kandidaattigeenianalyysissä tutkitaan vain joitakin geenejä kerrallaan. Infektiotautien tutkimiseen on perinteisesti käytetty kandidaattigeenianalyysia ja vakuuttavimmat assosiaatiot onkin löydetty tällä menetelmällä. (Hill, 2006.) Arviointiin voidaan valita geenejä monella eri tapaa. Yksi tapa on valita geenejä, jotka assosioituvat muihin sairauksiin, joilla voi olla samankaltaisia biokemiallisia polkuja. (Hill, 2006.) Geenit voidaan valita esimerkiksi myös eläintutkimuksista saadun datan, genominlaajuisten tutkimusten tulosten tai biologisen todennäköisyyden perusteella (Burgner ym. 2006). Burgner ym. (2006) kuvailevat kahta tyypillistä tapaa toteuttaa kandidaattigeenianalyysi. Useimmat kandidaattigeenianalyysit käyttävät tapaus verrokki menetelmää. Tällöin tapaukset ja kontrollit on valittava huolella. Tuntemattomat erot eri etnisten ryhmien välillä voivat muuten johtaa vääriin assosiaatioihin, jotka eivät liity tutkittavaan tautiin lainkaan. Toinen vaihtoehto on käyttää vanhempia tapausyksilön kontrollina. Tämä menetelmä ei kuitenkaan ole yhtä tehokas kuin tapaus verrokki menetelmä eikä tunnista siis heikkoja assosiaatioita. Toisaalta tällä menetelmällä tutkimukseen voidaan ottaa mukaan perheitä eri etnisistä ryhmistä. (Burgner ym. 2006.) Toinen merkittävä tekijä on näytekoko. Koska infektiotautien kohdalla geneettisten varianttien vaikutus on usein pieni ja periytymismallia ei tunneta, tarvitaan yleensä yli 1500 tapaus verrokki paria tai tapaus vanhemmat trioa, jotta pystyttäisin takaamaan riittävä teho ja saamaan tilastollisesti merkittäviä tuloksia. Pienestä näytekoosta johtuen monia tutkimustuloksia onkin vaikea tulkita. (Burgner ym. 2006.) 6

Amos ym. vertasivat kandidaattigeenianalyysia ja genominlaajuista assosiaatioanalyysia infektiotautien assosiaatiogeenien löytämisessä. Tutkimuksen mukaan kandidaattigeenianalyysit ovat olleet tehokkaampia assosiaatioiden osoittamisessa kuin genominlaajuiset tutkimukset. Erityisesti infektiotautien kohdalla genominlaajuisiin assosiaatioanalyyseihin liittyy monia ongelmia, ja kandidaattigeenianalyysillä on todettu saatavan tilastollisesti merkittävämpiä tuloksia. Kandidaattigeenianalyysit ovat myös edullisempia toteuttaa. Toisaalta jos kaikkia tärkeitä vaikuttavia geenejä ei osata ottaa mukaan tutkimukseen, ei kandidaattigeenianalyysikaan toimi. Myöskin kun näytekoot ovat riittävän suuria, on todennäköistä, että merkittävimmät assosiaatiot löydetään kummallakin menetelmällä. (Amos ym. 2010.) Kandidaattigeenianalyysi vaikuttaakin olevan parempi lähestymistapa erityisesti silloin, kun suuria näytekokoja ei ole mahdollista saavuttaa. 4.2 Genominlaajuiset assosiaatioanalyysit (GWAS) National Institutes of Health määrittelee GWA tutkimuksen yleisen geneettisen varioaation koko ihmisen genomissa tutkimiseksi tarkoituksena tunnistaa geneettisiä assosiaatioita havaittavissa oleviin ominaisuuksiin. Vaatimuksena on riittävä geneettisten markkereiden tiheys kattamaan suuri osa yleisistä varianteista kohdepopulaatiossa, sekä riittävä määrä yksilöitä takaamaan että myös vaatimattomammat vaikutukset havaitaan (Pearson & Manolio, 2008.) Koko genominlaajuisessa tutkimuksessa ei tarvitse tehdä mitään oletuksia vaikuttavista geeneistä. Näin voidaankin löytää esimerkiksi uusia kohteita kandidaattigeenianalyysiin. (Rowell ym. 2012) Tyypillisimmissä tapauksissa sairastuneiden potilaiden alleelifrekvenssejä verrataan terveeseen verrokkiryhmään. Tämä tutkimusasetelma on usein helpoin ja edullisin, etenkin jos riittävä määrä kohteita ja verrokkeja on helposti kerättävissä. Asetelmaan liittyy kuitenkin paljon oletuksia, ja jos oletukset eivät toteudu saatetaan saada vääriä tuloksia. (Pearson & Manolio, 2008.) Genominlaajuisen assosiaatianalysien yleistyminen on mullistanut monien kompleksisten tautien geneettisen taustan tutkimisen, ja satoja uusia lokuksia 7

on löydetty monien tautien kohdalla (Hill, 2012). Koska analysoitavia yhden nukleotidin polymorfismeja (SNP)on usein hyvin monta, eivät väärät positiiviset tulokset ole harvinaisia, ja genominlaajuisissa assosiaatioanalyyseissä jopa tuhansilla näytteillä voikin olla hankalaa saavuttaa tilastollisesti merkittäviä tuloksia. Vaikka menetelmää on käytetty menestyksekkäästi monilla sairauksilla, infektiotaudeilla genominlaajuisista assosiaatioanalyseistä saadut tulokset eivät ole olleet yhtä merkittäviä. Yksi syy tähän voi olla se, että infektiotautien kohdalla sairastuminen vaatii aina alistumisen patogeenille. (Amos ym. 2010.) Näytteitä kerättäessä tulisikin pyrkiä minimoimaan sellaisten yksilöiden vaikutus, jotka ovat alttiita taudille, mutta eivät koskaan kohdanneet patogeeniä, sekä jotka ovat resistantteja taudille, mutta sairastuneet silti johtuen jatkuvasta altistumisesta patogeenille. Lisäksi altistuminen korreloi usein monien muiden tekijöiden, kuten iän ja käyttäytymisen, kanssa. (Amos ym. 2010.) GWA tutkimukset toisaalta perustuvat olettamalle, että geneettinen vaikutus sairauksien taustalla johtuu ainakin osin rajallisesta määrästä alleelivariantteja, joita löytyy vähintään 1 5% väestöstä. Kuitenkin monet sairaudelle altistavat variantit saattavat olla harvinaisempia. (Pearson &Manolio, 2008.) Tutkimusmenetelmien kehittymisen myötä tilastollisen merkittävyyden kriteerejä on arvioitu uudelleen. Tällä hetkellä siinä, minkä suuruiset p arvot ovat riittäviä, on eroja eri julkaisujen välillä, mikä vaikeuttaa tutkimusten vertailua ja tulosten tulkitsemista. (Hill, 2012) Tarpeeksi suurten p arvojen saavuttamiseksi tarvitaan suuria näytekokoja, mikä voi olla epärealistinen tavoite erityisesti harvinaisten infektiotautien kohdalla (Chapman & Hill, 2012). Perinteisesti käytetyt menetelmät laskea tilastollista merkittävyyttä ja määrittää tarvittavia näytekokoja sopivat melko huonosti erityisesti infektiotaudeille. Tällaisten laskelmien on jätettävä huomiotta monia tekijöitä, kuten paikallinen valintapaine, populaation rakenne ja alkuperäisen vaikuttavan mutaation geneettinen tausta. Lisäksi useimmat laskelmat olettavat, että homotsygootit ovat kaikkein vastustuskykyisimpiä sairaudelle, 8

mutta infektiotautien kohdalla heterotsygootit saattavat hyvinkin olla vastustuskykyisimpiä. (Amos ym. 2010) Esimerkiksi HLA alleelien suhteen heterotsygootit yksilöt selviävät infektiotaudeista usein paremmin (Burgner ym. 2006, Thursz ym. 1997). Koko genomin laajuisia tutkimuksia on infektiotautien kohdalla myös tehty suhteellisen vähän. Vain noin 2,5% vuosina 2001 2010 julkaistuista genominlaajuisista assosiaatioanalyyseistä koski infektiotauteja. Yksi syy tähän voi olla se, että tarpeeksi suurien tutkimuspopulaatioiden saaminen on hankalaa.(rowell ym. 2012.) Huolimatta siitä, että kehitysmaissa useiden infektiotautien levinneisyys on suurta, on aineiston kerääminen niissä silti huomattavasti hankalampaa kuin esimerkiksi Euroopassa (Hill, 2012). Toisaalta infektiotaudit ovat kuitenkin juuri kehitysmaissa suuri ongelma (Kindhauser, 2003). Afrikkalaisissa populaatiossa tutkimista monimutkaistaa edelleen suurempi geneettinen vaihtelu ja kytkentäepätasapainon vähäisempi määrä. Näissä tarvitaan suurempi määrä SNP:itä kuin kaukaasialaisiassa tai aasialaisissa populaatiossa, jotta saavutettaisiin yhtä hyvä genomin katavuus. (Hill, 2012.) Toisaalta mitä enemmän SNP:itä analyysissä käytetään, sitä todennäköisempiä ovat väärät positiiviset tulokset. (Amos ym. 2010) Vaikka infektiotautien kohdalla onkin saatu tuloksia tällä menetelmällä, nostaa rajallinen menestys kysymyksen siitä, onko genominlaajuinen assosiaatioanalyysi tehokkain menetelmä infektiotautien kohdalla (Hill, 2012). Onkin esitetty, että GWA tutkimuksilla ihmisillä ei aina saavuteta tilastollisesti merkittäviä tuloksia, vaikka käytettäisiin tuhansia näytteitä ja erinomaisia tutkimussuunnitelmia (Amos ym. 2010). 5. Löydettyjä assosiaatiogeenejä Geneettinen herkkyys infektiotaudeille johtuu monimutkaisista vuorovaikutuksista geneettisten ja ympäristöllisten tekijöiden välillä. Perinteisesti infektiotaudit on nähty kompleksisina sairauksina, eli on ajateltu 9

olevan useita geenejä, joilla kullakin on pieni vaikutus herkkyyteen sairastua. (Burgner ym. 2006) Kuitenkin on olemassa useita mendelistisiä synnynnäisiä virheitä, jotka altistavat yksilön useille eri infektioille. Myös tällaisia mendelististä periytymistä noudattavia geenejä, jotka altistavat yksilön vain yhdelle tietylle sairaudelle tai suojaavat yksilöä yhdeltä tietyltä sairaudelta, on raportoitu yhä enemmän. (Alcais ym. 2009) 38%:ssa infektiotautien aiheuttamista kuolemista syynä on AIDS, tuberkuloosi tai malaria (Kindhauser, 2003) ja ne ovatkin tutkituimpia tauteja (Rowell ym. 2012). Geenejä, joiden assosiaatiota infektiotauteihin on tutkittu vähintään kahdesti, on yli 300. Useimmin tutkittuja geenejä ovat geenit, jotka koodaavat sytokiinireseptoreita, TNF:iä (tumor necrosis factor), HLA luokan 2 molekyylejä ja chemokiinireseptoreita. (Rowell ym. 2012.) Monien ei infektiotautien kohdalla löydetyt assosiaatiot ovat lähinnä sairaudelle altistavia, mutta infektiotautien kohdalla vakuuttavimmat löydetyt assosiaatiot ovat useammin taudilta suojaavia kuin sille altistavia (Hill, 2012). Löydetyt assosiaatiot selittävät kuitenkin vain pienen osan havaitusta geneettisestä vaikutuksesta, eikä ole selvää miksi niin suuri osa periytyvyydestä on vielä selittämättä. Manolio ym. tutkivat mahdollisia syitä tähän kompleksisten tautien kohdalla yleisesti. On mahdollista, että on vielä useita löytämättömiä variantteja, joiden vaikutus on suhteellisen pieni, tai jotka ovat niin harvinaisia, ettei niitä havaita genominlaajuisissa assosiaatioanalyyseissä. Monet tutkimukset ovat keskittyneet yhden nukleotidin polymorfismien analysointiin, mutta rakenteellisilla varianteilla, kuten deleetioilla tai inversioilla, voi olla vaikutusta alttiuteen sairastua. Toisaalta syynä voi olla havaitsemattomat geeni geeni vuorovaikutukset tai riittämätön jaettujen ympäristötekijöiden huomioon ottaminen tutkimuksissa. (Manolio ym, 2009.) 5.1 Mendelistinen alttius infektiotaudeille Pian antibioottien keksimisen jälkeen löydettiin ehkä vakuuttavimmat todisteet siitä, että ihmisen geenit voivat määrätä infektiotaudin kehittymistä. 1950 ja 1960 luvuilla löydettiin ensimmäiset PID:it (Primary immunodeficiency), ja sen 10

jälkeen niitä on löydetty yli 200. (Alcais ym. 2009.) Ne ovat harvinaisia, mendelistisiä ja altistavat useille eri infektiotaudeille. Tunnetuimpia PID:jä ovat SCN (neutrofiilien puuttuminen), XLA (B solujen puuttuminen) ja SCID (Tsolujen puuttuminen). Nämä sairaudet ovat olleet merkittäviä tekijöitä määritettäessä eri valkosolujen merkitystä immuunipuolustuksessa ja jokainen niistä on johtanut uudenlaisen hoitomuodon kehittämiseen. (Alcais ym.2009.) Yhä enenevissä määrin on myös löydetty geenejä, jotka selittävät täysin tai suurimmaksi osaksi altistumisen yksittäisille infektioille. Tunnetuin esimerkki on ehkä MSMD (Mendelian sysceptibility to mycobacterial disease). Ainakin 13 geenivirheen kuudessa eri geenissä, jotka ovat fysiologisesti samankaltaisia, on todettu aiheuttavan MSMD:tä (Alcais ym. 2009). Kaikki mendelistiset ominaisuudet eivät kuitenkaan altista sairauksille, vaan osa antaa lähes täydellisen suojan tiettyjä mikrobeja vastaan. Tähän mennessä tunnetaan ainakin neljä tällaista ominaisuutta, joissa yksilöltä puuttuu kokonaan reseptorit, joita mikrobi tarvitsee soluun tunkeutumiseen (Alcais ym. 2009). Ehkä mielenkiintoisin esimerkki on Duffy antigeeni (Chemokiinireseptori, DARC). Resessiivinen yhden nukleotidin mutaatio geenin promoottorissa aiheuttaa sen, että geeniä ei ekspressoida punasoluissa, mikä estää malariaa aiheuttavaa patogeenia Plasmodium vivaxia tunkeutumasta punasoluun ja tekee siis kantajan vastustuskykyiseksi sille (Miller ym. 1976, Kwiatkowski, 2005). Tosin joissain populaatioissa P. vivaxin on havaittu aiheuttavan malariaa myös yksilöillä, joilta DARC reseptorit puuttuvat punasoluista. DARC ei todennäköisesti siis ole P. vivaxin ainoa reseptori. (Alcais ym. 2009) 5.2 Multigeeninen alttius infektiotaudeille Multigeeniset ominaisuudet jaetaan yleensä kahteen luokkaan: oligogeenisiin ja polygeenisiin. Oligogeenisessä periytymisessä fenotyyppi on pääasiassa riippuvainen muutamasta merkittävästä geenistä, ja muiden geneettisten tekijöiden vaikutus on suhteellisen pientä. Polygeenisessä periytymisessä taas fenotyypin ajatellaan vaikuttavan useita geenejä, joilla kullakin on yksittäin 11

pieni vaikutus. (Alcais ym. 2009) Ei ole selvää, minkälaista periytymismallia infektiotaudit noudattavat. Todennäköistä kuitenkin on, että malli on jonkinlainen konsensus yllä luetelluista vaihtoehdoista. Infektioalttiuteen vaikuttaa siis luultavasti useita harvinaisia pienivaikutteisia mutaatioita, mutta yleiset vahvemmat variantit saattavat taudista riippuen selittää osan geneettisestä komponentista (Hill, 2012). Periytymismallin ymmärtäminen on käytännössä tärkeää siksi, että voidaan paremmin suunnitella käytettävät tutkimusmenetelmät (Hill, 2012). Löydettyjä assosiaatiogeenejä on satoja, mutta Hill (2006, 2012) on erotellut näistä muutamia vakuuttavimpia tuloksia. Kuudella variantilla on todettu olevan erittäin merkittävä vaikutus riskiin sairastua johonkin tärkeistä infektiotaudeista ja ne ovat kaikki yleisiä ainakin yhdessä populaatioryhmässä. Tämän lisäksi on noin muutamia vakuuttavia assosiaatiota, joiden vaikutus infektioherkkyyteen on pienempi mutta kuitenkin merkittävä. (Hill, 2012.) Suuri osa vakuuttavimmista tuloksista liittyy malariaan, HIV:iin tai lepraan. Toisaalta nämä ovat myös tutkituimpia sairauksia infektiotautien joukossa. 5.2.2 HLA alue HLA (Human Leukocyte Antigen) alueella on useita immuunipuolustukseen liittyviä geenejä. HLA alueen geenit ovat monimuotoisimpia ihmisen genomissa, ja tämän perinnöllisen monimuotoisuuden ajatellaan johtuvat infektiotautien aiheuttamasta valintapaineesta. HLA alleelien suuri monimuotoisuus takaa sen, ettei mikään yksittäinen patogeeni voi tuhota koko populaatiota. (Ghodke ym. 2005.) Viimeisten kolmenkymmenen vuoden aikana on löydetty assosiaatioita HLA alueen ja yli 500 eri sairauden välillä. Monissa tapauksissa erityisesti infektiotautien kohdalla assosiaatiot ovat heikkoja ja osa niistä saattaa olla vääriä positiivisia tuloksia. Infektiotautien kohdalla assosiaatioiden tunnistaminen onkin ollut vaikeampaa kuin monien muiden sairauksien kohdalla, mutta merkittäviä assosiaatioita on havaittu mm. tuberkuloosin, HIV:n ja lepran kohdalla. (Ghodke ym. 2005.) Alueen rakenne tekee myös assosiaatioiden tutkimisesta haasteellista, koska geenit ovat kytkeytyneitä. 12

Tutkimukset onkin toteutettava huolella ja tarpeeksi suurilla aineistoilla. (Lokki, 2005.) HLA alueen geenit ovat olleet perinteisiä kohteita infektiotautien kandidaattigeenianalyyseissä ja niiden on todettu assosioituvan useisiin infektiotauteihin. Esimerkiksi yksilöt, joilla kaikki luokan 2 HLA alleelit ovat heterotsygoottisia, selviävät todennäköisemmin B hepatiitti infektiosta (Thursz ym. 1997). Onkin todettu, että HLA alleelien suhteen heterotsygootit yksilöt selviävät infektiotaudeista usein homotsygootteja paremmin (Ghodke ym. 2005 ref Doherty & Zinkernagel, 1975). Homotsygotia onkin harvinaista HLAalueella (Lokki, 2005). HLA geenit vaikuttavat myös assosioituvan erityisesti kroonisiin infektioihin, kun taas ei HLA geenit ovat tärkeässä roolissa patogeenien tunnistuksessa ja akuuteissa infektioissa (Chiea & Hibberd, 2012). Yksi geeni saattaa sekä altistaa että suojata infektioilta, riippuen kyseessä olevasta taudista. Esimerkiksi tietyt HLA B alleelit altistavat esimerkiksi influenssa A virukselle, ja tietyt alleelit liittyvät HIV:n nopeampaan etenemiseen. Kuitenkin tietyt HLA B alleelit puolestaan hidastavat HIV:n kehittymistä AIDS:ksi. (Lokki, 2005.) Yksittäisten geenien sijasta samassa kromosomissa olevista geeneistä muodostuvat ryhmät saattavat vaikuttaa infektioalttiuteen. Lokki (2005) ehdottaakin, että tulevaisuudessa kaikkien HLA luokkien yhtäaikainen tutkiminen olisi kannattavaa. Ei kuitenkaan ole vielä saavutettu konsensusta siitä, millä mekanismilla tautien assosiaatiot HLA antigeeneihin toimivat. Luokan 1 HLA antigeeneihin assosioituvat taudit liittyvät mahdollisesti sytotoksisiin T soluihin ja luokan 2 HLA antigeeneihin assosioituvat auttaja T soluihin tai regulatorisiin T soluihin. (Mehra, 1984.) 5.2.1 Esimerkkinä malaria Tunnetuin esimerkki löydetyistä assosiaatiogeeneistä on kenties sirppisoluanemiaa aiheuttava variantti, jonka todettiin tarjoavan suojaa 13

malariaa vastaan jo 1950 luvulla. Vaikka sirppisoluanemia on homotsygooteilla kuolemaan johtava sairaus, on se joillain alueilla erittäin yleinen. Tämän uskotaan johtuvan siitä, että yksilöt, jotka ovat geenin suhteen heterotsygootteja, ovat huomattavasti vähemmän alttiita vakavalle malarialle. (Allison, 1954.) Sirppisoluanemiaa aiheuttaa yhden nukleotidin polymorfismi (SNP) β globiinia koodaavassa geenissä (HBB). HBB:lle tunnetaan kolme erilaista SNP:tä, jotka suojaavat malarialta ja jotka ovat yleisiä eri osissa malarian levinneisyysalueita. Tämä osoittaa, että eri populaatiot voivat itsenäisesti kehittää eri evolutionääriset vasteet infektiotaudeille. (Kwiatkowski, 2005.) Myös yksilöiden, joiden veriryhmä on O, on todettu olevan suhteellisen vastustuskykyisiä vakavalle malarialle, etenkin verrattuna A ja AB veriryhmiin (Fry ym. 2008). Lisäksi esimerkiksi thalassemioiden on myös ajateltu assosioituvan malariaan, mutta tulokset eivät ole täysin varmoja. Thalassemiat ovat joukko sairauksia, jotka aiheutuvat α ja β globiinien virheellisestä tuotosta. Homotsygooteilla thalassemia johtaa vakavaan tai kuolettavaan sairauteen, mutta heterotsygootit ovat lähes terveitä. (Kwiatkowski, 2005.) 6. Tulevaisuuden näkymiä Vain pieni osa infektioalttiuteen vaikuttavista perinnöllisistä tekijöistä on kuitenkin tunnistettu. Keskeinen haaste on kehittää teknologioita, joilla voidaan analysoida suurempia osia proteiineja koodaavia alueita ja säätelyalueita ja niiden assosiaatiota infektiotauteihin (Chiea & Hibberd, 2012). Lisäksi yksi tärkeä tutkimuskohde on määrittää tarkat molekylaariset mekanismit assosiaatioiden takana, jotta voitaisiin löytää uusia kohteita rokotteille tai hoidoille (Chiea & Hibberd, 2012). Uuden sukupolven sekvensointimenetelmät ovat tehneet sekvensoinnista huomattavasti nopeampaa ja halvempaa kuin mitä se oli automatisoidulla Sangerin menetelmällä. Kuitenkin koko genomin sekvensointi on silti edelleen kallista. (Metzker, 2010.) Hill (2012) esittää, että yksi kannattava vaihtoehto voi olla vain proteiineja koodaavien alueiden, eksonien, sekvensointi. Eksonit 14

muodostavat vain prosentin ihmisen genomista, joten sekvensointikustannukset pienenevät huomattavasti verrattuna koko genomin sekvensointiin. Kuluja voidaan alentaa vielä tutkimalla vain rajallinen määrä näytteitä kaikkien eksonien suhteen, ja arvioimalla uudelleen vain mahdolliset assosiaatiot suuremmalla näytemäärällä. Menetelmää onkin kokeiltu jo muutamissa tutkimuksissa ja tulokset ovat olleet rohkaisevia. (Hill, 2012.) Tosin jos suuri osa assosiaatioista on säätelyalueilla tai ei koodaavilla alueilla, ei eksonien sekvensoinnilla välttämättä löydetä kaikkia merkittäviä variaatioita. Vaikka monien muiden sairauksien kohdalla assosiaatiot tuntuvatkin olevan säätelevillä alueilla, ei asia infektiotautien kohdalla välttämättä ole näin. Tähän asti löydetyistä 17:sta vakuuttavimmasta assosiaatiosta 16 olisi ollut mahdollista löytää eksonien sekvensointimenetelmällä. (Hill, 2012.) Tämä voikin erityisesti infektiotautien kohdalla olla tehokas menetelmä assosiaatiogeenien etsimiseen tulevaisuudessa. On kuitenkin mahdollista, että jotkut säätelytekijät assosioituvat vahvasti infektiotauteihin. Menetelmät, joilla variaatiota näissä voidaan tutkia, ovat kuitenkin vielä lapsen kengissä (Chiea & Hibberd, 2012). Tällaisten menetelmien kehittäminen onkin yksi tulevaisuuden haasteista. Hill (2012) tuo artikkelissaan esiin patogeenin geneettisen variaation merkityksen. Useimmat tutkimukset tähän asti ovat ottaneet huomioon vain variaation joko patogeenin tai isännän genomissa. On kuitenkin todennäköistä, että infektiolle altistumisen tulos riippuu vuorovaikutuksista ihmisen ja patogeenin tiettyjen genotyyppien välillä. Patogeenin monimuotoisuus voi suoraan vaikuttaa genominlaajuisten assosiaatioanalyysien onnistumiseen. (Hill, 2012.) Yksi tulevaisuuden haasteista on sisällyttää patogeenin geneettinen variaatio mukaan tutkimuksiin. 7. Johtopäätökset Ihmisen omat geenit vaikuttavat siis sekä alttiuteen sairastua infektiotaudeille että taudin etenemiseen. Infektiotaudit ovat kompleksisia sairauksia, eli on olemassa useita geenejä, joilla kullakin on pieni vaikutus kokonaisalttiuteen. 15

Useita assosiaatiogeenejä infektiotautien kohdalla on löydetty, mutta tutkimus on jäljessä verrattuna moniin muihin kroonisiin sairauksiin. Tämä saattaa johtua erityisesti infektiotautien tutkimiseen liittyviin haasteisiin. Yksilö ei voi koskaan sairastua infektiotautiin, jos se ei kohtaa taudin aiheuttavaa patogeeniä. Toisaalta patogeenien geneettinen variaatio tuo oman haasteensa tutkimukseen. Toivottua vaatimattomimmista tuloksista huolimatta jotkut löydöt ovat jo johtaneet lääketieteellisiin sovellutuksiin. Kehittyvän teknologian myötä infektioalttiuden tutkiminen voi hyvinkin tuoda lisää tietoa infektiotautien molekylaarisesta taustasta ja mahdollistaa uusien hoitokeinojen kehittämisen. Uusien sekvensointi menetelmien kehittyminen tekee harvinaistenkin varianttien löytämisen mahdolliseksi. Joten vaikka kliiniset sovellukset tutkimuksiin liittyen eivät olekaan olleet yhtä yleisiä kun on toivottu, on infektioalttiuden tutkiminen silti kannattavaa. Lähteet Alcais, A., Abel, L., & Casanova, J. L. (2009). Human genetics of infectious diseases: between proof of principle and paradigm. J. Clin. Invest., 119, 2506 2514. Allison, A. C. (1954). Protection afforded by sickle cell trait against subtertain malarial infection. British Medical Journal, 1, 290 294. Amos, W., Driscoll, E., & Hoffman, J. I. (2010). Candidate genes versus genome wide associations: which are better for detecting genetic susceptibility to infectious disease? Proc. R. Soc. B, 10, 1098. Burgner, D., Jamieson, S. E., & Blackwell, J. M. (2006). Genetic susceptibility to infectious diseases: big is beautiful, but will bigger be even beter? Lancet Infect Dis, 6, 653 63. Casanova, J. L., & Abel, L. (2007). Human genetics of infectious diseases: a unified theory. The EMBO Journal, 26 (4), 915 922. Chapman, S. J., & Hill, A. V. (2012). Human genetic susceptibility to infectious disease. Nature, 13, 175 188. 16

Chiea, C. K., & Hibberd, M. L. (2012). Host pathogen interactions revealed by human genome wide surveys. Trends in Genetics, 28 (5), 233 43. Clementi, M., & Di Gianantonio, E. (2006). genetic susceptibility to infectious diseases. reproductive Toxicology, 21, 345 349. Doherty, P.;& Zinkernagel, R. (1975). A biological role for the major histocompatibility antigens. Lancet, 1, 1406 1409. Fry, A. E., Griffiths, M. J., Auburn, S., Diakite, M., Forton, J. T., Green, A., et al. (2008). Common variation in the ABO glycosyltransferase is associated with susceptibility to severe Plasmodium falciparum malaria. Hum. Mol. Genet., 17 (4), 567 576. Ghodke, Y., Joshi, K., Chopra, A., & Patwardhan, B. (2005). HLA and disease. European Journal of Epidemiology, 20, 475 488. Haralambous, E., Weiss, H., Radalowicz, A., Hibberd, M., Booy, R., & Levin, M. (2003). Sibling familial risk ratio of meningococcal disease in UK Caucasians. Epidemiol. Infect., 130, 413 418. Hill, A. V. (2006). Aspects of Genetic Susceptibility to Human Infectious Diseases. Annu. Rev. Genet., 40, 469 86. Hill, A. V. (2012). Evolution, revolution and heresy in the genetics of infectious disease susceptibility. Phil. Trans, R. Soc. B, 367, 840 849. Jepson, A. (1998). Twin studies for the analysis of heritability of infectious diseases. Bull. Inst. Pasteur, 96, 71 81. Kindhauser, M. (2003). Communicable Diseases 2002: Global Defence Against the Infectious Disease Threat. Geneva: WHO. Kwiatkowski, D. (2005). How Malaria Has Affected the Human Genome and What Human Genetics Can Teach Us about Malaria. Am. J. Hum. Genet, 77, 171 190. Kwiatkowski, D. (2000). Science, medicine, and the future: Susceptibility to infection. BMJ, 321, 1061 1065. Lokki, M. L. (2005). HLA ja Infektiot. Lääketieteellinen Aikakauskirja Duodecim, 121 (4), 369 75. Manolio, T., Collins, F., Cox, N., Goldstein, D., Hindorff, L., Hunter, D., et al. (2009). Finding the missing heritability of complex diseases. Nature, 8 (461), 747 753. 17

Mehra, K. (1984). Biological and clinical significance of the Hla system. Indian J Dermatol Venereol leprol, 50 (4), 181 19, IJVDL abstracts. Metzker, M. L. (2010). Sequencing techonologies the next generation. Nat. Rev. Genet., 11 (1), 31 46. Miller, L.;Mason, S.;Clyde, D.;& McGinniss, M. (1976). The resistance factor to Plasmodium vivax in blacks. The Duffy blood group genotype, FyFy. N. Engl. J. Med., 295 (6), 302 04. Pearson, T., & Manolio, T. (2008). How to Interpret a Genome wide Association Study. American Medical Association, 299 (11), 1335 44. Petersen, L., Nielsen, G., Andersen, P. K., & Sorensen, T. (2002). Case Control Study of Genetic and Environmenta Influences on Prematue Death of Adult Adoptees. genetic Epidemiology, 23, 123 132. Rowell, J., Dowling, N., Yu, W. Y., Zhang, L., & Gwinn, M. (2012). Trends in Population Based Studies of Human Genetics in Infectious Diseases. PLoS ONE, 7 (2), e25431. Thursz, M.;Thomas, H.;Greenwood, B. M.;& Hill, A. (1997). Heterozygote advantage for HLA class II type in hepatitis B virus infection. Nat Genet, 17, 11 12. Tuite, A., & Gris, P. (2006). The impact of genomics on the analysis of host resistance to infectious disease. Microbes and Infection, 8, 1647 1653. 18