Genomets mörka materia

Det vi vet om de grundläggande arvslagarna började ta form i en klosterträdgård i Mähren i mitten av 1800-talet, när Gregor Mendel tålmodigt korsade ärtplantor under loppet av flera år, separerade avkomman efter deras distinkta egenskaper och räknat ut de matematiska grunderna för modern genetik. Sedan återupptäckten av Mendels verk för ett sekel sedan, har vokabulären för Mendels arv – dominerande gener, recessiva gener och i slutändan vår egen tids uppfattning om sjukdomsgener – färgat varje biologisk konversation om genetik. Budskapet kokar ner till en enda premiss: din unika blandning av fysiologiska egenskaper och sjukdomsrisker (sammantaget känd som din fenotyp) kan läsas i den exakta sekvensen av kemiska baser, eller bokstäver, i ditt DNA (din genotyp).

Något saknas: Genetikern Joseph Nadeau har hittat exempel på vad han kallar häftiga genetiska effekter som kan hjälpa till att förklara mysteriet med saknad ärftlighet.

Men tänk om – förutom i fall av några sällsynta engensjukdomar som Tay-Sachs sjukdom – premissen ignorerar en betydande del av arvet? Tänk om en individs DNA-sekvens bara förklarar en del av historien om hans eller hennes ärftliga sjukdomar och egenskaper, och vi behöver känna till DNA-sekvenserna hos föräldrar och kanske till och med morföräldrar för att förstå vad som verkligen pågår? Före Human Genome Project och eran av utbredd DNA-sekvensering, skulle dessa frågor ha verkat löjliga för forskare som var övertygade om att de visste bättre. Men modern genomik har stött på en mendelsk vägg.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2011

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Storskaliga genomiska studier under de senaste fem åren eller så har huvudsakligen misslyckats med att visa vanliga gener som spelar en viktig roll i komplexa mänskliga sjukdomar. Mer än tre dussin specifika genetiska varianter har associerats med typ 2-diabetes, till exempel, men tillsammans har de visat sig förklara cirka 10 procent av sjukdomens ärftlighet – andelen variation i en given egenskap som snarare kan förklaras av genetik än av miljöpåverkan. Resultaten har varit liknande för hjärtsjukdomar, schizofreni, högt blodtryck och andra vanliga sjukdomar: mysteriet har blivit känt som det saknade ärftlighetsproblemet. Francis Collins, chef för National Institutes of Health, har ibland motvilligt hänvisat till genomets mörka materia - en analogi till de enorma mängder osynlig massa i universum som astrofysiker har dragit slutsatsen men har kämpat i årtionden för att hitta.

Joseph H. Nadeau har varit på en strävan efter att avslöja mekanismer som kan förklara de saknade komponenterna i ärftlighet. Och han hittar tidigare oanade arvsformer nästan överallt där han tittar.

Nadeau, som tills nyligen var ordförande för genetik vid Case Western Reserve University i Cleveland och nu är chef för forskning och akademiska frågor vid Institute for Systems Biology i Seattle, har gjort studier som visar att vissa egenskaper hos möss påverkas av specifika variantsträckor DNA som dök upp på deras föräldrars eller farföräldrars kromosomer men som inte dyker upp av sig själva. Transgenerationell genetik, som han kallar dessa ovanliga arvsmönster, passar delvis under paraplyet av traditionell epigenetik – idén att kemiska förändringar som orsakas av miljöexponeringar och upplevelser kan modifiera DNA på sätt som antingen dämpar en normalt vokal gen eller återställer rösten hos en gen som hade tystats. Forskare har börjat finna att dessa förändringar är ärftliga även om de bara förändrar mönstret för genuttryck, inte den faktiska genetiska koden. Ändå är det både mer oroande och djupare att antyda, som han gör, att gener som en förfader bar på men inte fört vidare kan påverka egenskaper och sjukdomar i efterföljande generationer.

Tänk på resultaten av ett experiment som Nadeau och hans kollega Vicki R. Nelson publicerade i augusti förra året. De skapade en inavlad stam av möss och jämförde sedan två uppsättningar av honor som var genetiskt identiska förutom en liten skillnad: en uppsättning hade en far vars Y-kromosom kom från en annan musstam och innehöll en annan uppsättning genetiska varianter. Det borde inte ha påverkat dottermössen alls, eftersom honor inte ärver Y-kromosomen. Men närvaron av det icke-ärvda DNA:t i den föregående generationen utövade en djupgående effekt på många av de mer än 100 egenskaper som testades i de två uppsättningarna av kvinnliga avkommor, vars eget DNA var exakt detsamma. Dessa resultat, avslutade Nelson och Nadeau, tyder på att genetiska effekter över generationsgränserna konkurrerar med konventionell genetik i frekvens och styrka.

I en separat men lika oroande rad experiment, finner Nadeau och hans medarbetare att effekten av en given gen beror på alla andra gener som omger den. Nadeau är knappast den enda vetenskapsmannen som identifierar dessa komplexa gen-gen-interaktioner, men han och hans kollegor har skapat en unik uppsättning genetiskt modifierade möss som ger dem och andra forskare oöverträffat exakta verktyg för att dissekera denna situationsbetonade genetik för att visa hur varianterna i en gens molekylära grannskap påverkar hur den beter sig.

Fynd som dessa, sammantagna, skulle kunna kasta ljus över problemet med missing-heritability, men till priset av att upphäva dominansen av traditionella Mendelska idéer om hur arv fungerar. När han satt på utsidan av Institute for Systems Biology en nyligen eftermiddag och mumsade på en smörgås när sjöflygplan gick ner mot Seattles skyline, mindes Nadeau att han höll ett föredrag om allt detta på en konferens för flera år sedan och upptäckte efteråt att en framstående Ivy League närvarande genetiker, som han avböjde att namnge, kunde helt enkelt inte få de kätterska idéerna ur huvudet. Han kom fram till mig efter samtalet, mindes Nadeau, och sa: 'Detta kan inte vara sant hos människor.' Jag stötte på honom vid frukosten nästa dag och han sa: 'Detta kan inte vara sant hos människor.' Och sedan när mötet var över, sprang jag på honom på flygplatsen, och han kom fram till mig och sa: ”Det här kan inte vara sant hos människor.” Eller som en annan ledande genomforskare en gång sa till Nadeau vid ett möte i Europa , Om transgenerationella effekter inträffar hos människor, är vi skruvade.

Det vill säga, att upptäcka att hans upptäckter gäller människor skulle frikoppla en persons DNA-sekvens från hennes eller hans egenskaper, vilket ifrågasätter mycket av det arbete som forskare har gjort för att hitta de genetiska källorna till komplexa sjukdomar och utveckla läkemedel som riktar sig mot dem. I en tid då företag analyserar kundernas DNA mot en avgift skulle dessa idéer göra resultaten mycket svårare att tolka medicinskt och mycket mer komplicerade att bedöma när man försöker ställa en diagnos eller beräkna sjukdomsrisk.

Eric J. Topol, som leder genomforskningen vid Scripps Research Institute i La Jolla, Kalifornien, håller med om att genomik plötsligt har blivit mycket mer komplicerad. Det är mycket icke-mendelska grejer på gång, säger han, och det är mycket som vi måste reda ut som inte har något med DNA-sekvensen att göra.

FÖRDÖR GENETIK
År 2009 publicerade en grupp forskare baserade i Nederländerna en häpnadsväckande studie om genetiken för mänsklig längd - fantastisk eftersom den inte lyckades hitta mycket av en genetisk komponent i en av de mest uppenbara av ärvda mänskliga egenskaper. Gruppen analyserade 54 nyligen identifierade genetiska platser som statistisk analys antydde var de främsta bidragsgivarna till höjden och upptäckte att alla tillsammans endast stod för 4 till 6 procent av höjdvariationen hos tusentals försökspersoner.

Den saknade ärftligheten i höjdstudien kännetecknar många nya forskningsrapporter där storskaliga genetiska screeningar, kända som genomomfattande associationsstudier, har identifierat en mängd gener (eller åtminstone genetiska grannskap) som är statistiskt associerade med en biologisk egenskap som t.ex. längd eller en sjukdom som fetma, men står ändå för mystifierande lite av dess benägenhet att hamna i familjer. Det som är intressant med Nadeaus fynd är att även om de minskar betydelsen av enskilda gener och individers DNA-sekvenser, bevarar forskningen – och på vissa sätt ökar – betydelsen av familjehistorien, eftersom till och med de genetiska varianter som föräldrar och farföräldrar har. 't passera ner genom DNA verkar påverka egenskaperna hos deras barn eller barnbarn.

Nadeau, som är silverhårig och glad, har undersökt vad han ibland kallar läckra genetiska resultat ända sedan sofistikerad sekvenseringsteknik blev tillgänglig för cirka 10 år sedan. Några av dessa resultat har antytts av traditionell epigenetik, som har börjat spåra förändringar som överförs från en generation till nästa hos djur även om den grundläggande DNA-sekvensen förblir densamma. (Till exempel har forskare funnit att råttor vars kognitiva prestanda förbättrades genom miljöfaktorer kan överföra dessa förbättringar till avkomman.) Men där det fältet vanligtvis har fokuserat på kemiska modifieringar av DNA, utökar Nadeaus arbete begreppet epigenetik till att inkludera genetiska effekter som kan överföras av olika molekylära aktörer: ribonukleinsyror (eller RNA), som utövar kraftfulla reglerande effekter på DNA.

Nyckelbevis för Nadeaus allmänna åsikter om okonventionella arvssätt växte fram ur ett avhandlingsprojekt som en av hans studenter påbörjade runt 2001. I den långa traditionen av missriktade doktorandråd sa alla till Man-Yee Lam att hennes projekt var tråkigt, härlett och knappast värt att göra; i fem eller sex år, ingenting i hennes resultat tydde på något annat. Fokus för projektet var testikulära könscellstumörer. Det blev inte klart förrän långt senare att experimentet representerade den första rigorösa demonstrationen av en transgenerationell effekt, som visade att genetiska variationer hos en förälder – även om de inte överfördes till avkomman – dramatiskt kunde förändra sjukdomsriskerna hos dessa avkommor.

Lam gick ut för att se om hon kunde identifiera interaktioner mellan flera modifierande gener - interaktioner som skulle öka känsligheten för testikelcancer hos möss. Hon hittade många av dessa interaktioner (en del ganska starka), avslutade sitt examensarbete och tog examen. Sedan, när gruppen började skriva upp resultaten för publicering, märkte de något mycket märkligt: ​​effekterna hade även inträffat hos några av kontrolldjuren som fötts upp från samma ursprungliga population. Hanar som hade fötts upp för att inte ärva sjukdomsmutationerna hade med andra ord fortfarande en statistiskt signifikant ökning av risken för testikelcancer, helt enkelt för att föräldrarna hade en speciell genetisk variant. Resultaten antydde att det kunde finnas fläckar av DNA hos föräldrar som påverkade egenskaperna hos barn, även om barnen inte ärvde denna bit av föräldrarnas DNA.

Redan innan publiceringen 2007 började Nadeau beskriva resultaten - till avgjort blandade recensioner. Han säger, om de var genetiker, det fanns alla möjliga tekniska [invändningar] eller 'Det är inte rättvist att prata om detta offentligt.' Det här är bara för komplicerat också - det är det också allt !’ En sa till och med: ’Försöker du förstöra genetiken?’

HELT GALEN
Nadeau försöker naturligtvis inte förstöra genetiken, men det andra huvudfokuset i hans forskning, som involverar gen-geninteraktioner i genetiskt modifierade möss, utmanar också moderna Mendelians antaganden. Medan konventionella genomiska studier antar att ett antal individuella gener bidrar oberoende till komplexa sjukdomar, har Nadeaus grupp undersökt hur gener kan samverka för att producera sjukdom eller, överraskande nog, undertrycka den. Vissa genetiska varianter neutraliserar andra sjukdomsgener, så att en persons mottaglighet för sjukdomar kan bero mer på den kombinerade effekten av alla gener i bakgrunden än på sjukdomsgener i förgrunden.

Om detta fenomen är utbrett har det betydande konsekvenser för medicinen. Även om enorma resurser rutinmässigt ägnas åt sökandet efter sjukdomsgener, tyder forskningen på gen-geninteraktioner – mestadels i möss men alltmer hos människor – att det kan vara minst lika produktivt att identifiera skyddande och neutraliserande genetiska varianter som motverkar effekterna av patologiska varianter. Att förstå biologin hos dessa skyddande varianter kan erbjuda nya vägar till sjukdomsförebyggande och behandling. De mekanismer genom vilka de utövar sina effekter skulle till och med kunna ligga till grund för nya läkemedel.

För att utföra sina experiment, konstruerade Nadeau och hans medarbetare, genomiska pionjären Eric Lander, 22 understammar av en vanligen studerad musstam som heter Black 6 genom att systematiskt ersätta en annan kromosom i varje mus med motsvarande kromosom från en annan stam, känd som A/J. Tanken med all denna blandning och matchning var att skapa ett mycket kontrollerat system för att studera gen-gen-interaktioner, delvis för att bestämma hur mycket en given gen bidrar till ärftligheten av en sjukdom eller egenskap. Genom att droppa in en främmande kromosom samtidigt som allt annat hölls konstant kunde forskarna beräkna påverkan av varje nyintroducerad gen. När Nadeau och hans kollegor satte in den ena kromosomen efter den andra mot den annars stabila bakgrunden och sedan mätte de genetiska effekterna upptäckte de att den utsträckning i vilken någon gen påverkade ärftligheten för en given egenskap var dramatiskt större än vad mer konventionella genomiska studier skulle ha förutspått. . Innebörden är att styrkan - och, skulle Nadeau upptäcka, verkan - av sjukdomsgener måste förändras med det sammanhang som skapas av andra gener på andra kromosomer.

För att illustrera hur komplicerad den här idén är, hoppar Nadeau upp ur stolen och rusar över till whiteboardtavlan på sitt kontor, där han snabbt skissar på hur dessa helt galna kontextberoende effekter kan agera även inom en enda kromosom. Experimenten fokuserar på en genetisk variant som de har identifierat på kromosom 6 hos A/J-mössen som helt skyddar djuret mot fetma. När de tappar kromosomen i Black 6-möss är de också skyddade mot fetma. Men det är inte så enkelt. När forskare syr ihop lite av DNA:t från A/J-stammen i en stor del av kromosom 6 hos Black 6-mössen är de resulterande mössen överviktiga. När de klipper bort en del av Black 6 DNA och ersätter det med mer A/J DNA blir resistensgenen aktiv och mössen är magra. Men när de lägger till ännu mer A/J-DNA till denna hybridkromosom stängs resistensgenen av igen. Denna on-off-genetik fortsätter även när forskarna lägger till eller subtraherar extremt små delar av kromosom 6. I själva verket, oavsett hur liten DNA-fläcken är, ger och raderar det växelvis resistens mot fetma genom att knapra bort den. Orsaken är inte känd, men det större budskapet är att effekten av vilken variant som helst verkar bero på dess genetiska omgivning. Den effekten ser vi hela tiden, säger Nadeau. Hela tiden! Överallt, i varje egenskap vi tittar på.

Nadeaus grupp har också börjat använda dessa genetiskt modifierade möss för att utforska transgenerationella effekter relaterade till fetma. I forskning publicerad för flera månader sedan visade David Buchner, en forskare vid Case Western Reserve, att en av stammarna, som har en genetisk variant som ger resistens mot fetma, kan överföra denna resistens till avkommor som inte ärver varianten. Närvaron av resistensgenen i faderns anor – antingen hos fadern eller hos farfadern – var tillräcklig för att hämma dietframkallad fetma och minska aptiten hos möss som annars var genetiskt benägna att bli feta.

FRISKA GENER
Kan människor också uppleva icke-mendelianska former av arv, särskilt det komplexa gen-gen-samspelet som Nadeau fortsätter att hitta hos möss?

För flera år sedan lanserade Eric Topol ett systematiskt försök att studera genetiken hos äldre personer som var vid särskilt god hälsa. Forskarna sökte upp försökspersoner som uppfyllde en rad stränga kriterier: de måste vara 80 år eller äldre, fria från kroniska sjukdomar och inte ta några långvariga mediciner.

Topol misstänkte till en början en mendelsk förklaring till deras medicinska lycka: han ansåg att de hade lyckats undvika att ärva variantgener, eller alleler, kända för att vara associerade med sjukdom. Nadeau tyckte annorlunda. Han förutspådde faktiskt att människor i studien skulle ha sjukdomsrelaterade mutantgener som alla andra; Det som förlänade deras ovanliga hälsa, misstänkte han, var de komplexa gen-gen-interaktioner han hade sett hos möss, där vissa genetiska varianter i bakgrunden kunde neutralisera effekterna av patologiska mutationer. Den ursprungliga premissen – och Eric och jag hade en liten satsning på detta – är att när de sekvenserade dem skulle de vara fria från sjukdomsalstrande gener, minns Nadeau. Mitt argument var att de har samma mängd sjukdomsalstrande mutationer som alla andra, men de har också varianter som undertrycker dessa sjukdomar.

Studien pågår fortfarande och det visar sig, som Nadeau förutspådde, att hundratals av testpersonerna har lika många sjukdomsalstrande gener som medlemmar i kontrollgruppen, som i det här fallet består av personer som dog mer än ett decennium sedan. Enligt konventionell mendelsk genetik borde människor som har dessa riskalleler vara mer mottagliga för sjukdomar. Och faktiskt, konventionella genetiska tester skulle peka på en ökad risk för sjukdomar de aldrig utvecklat. Men Topols resultat indikerar att du inte kan mäta effekten av en given sjukdomsvariant om du inte vet vilka andra varianter som finns i bakgrunden, eventuellt inklusive några som antingen modifierar sjukdomsgener eller skyddar mot dem. Så Nadeau och Topol har förespråkat ett systematiskt sökande efter modifierande gener och skyddande alleler som neutraliserar de skadliga effekterna av de sjukdomsassocierade varianterna som alla andra har letat efter.

Det kan låta som ett dramatiskt avbrott, men Nadeau säger att dessa undantag från Mendelska mönster inte borde komma som någon överraskning. Mendel valde de egenskaper där han skulle få enkel genetik, förklarar han. Det Mendel sa är sant. Men det är inte hela sanningen.

Stephen S. Hall är en New York-baserad författare vars senaste böcker inkluderar Visdom: Från filosofi till neurovetenskap och Storlek spelar roll , som förklarar höjdens genetik och biologi.

Dölj