MASARYKOVA UNIVERZITA Přírodovĕdecká fakulta Ústav experimentální biologie Oddĕlení genetiky a molekulární biologie

MASARYKOVA UNIVERZITA Přírodovĕdecká fakulta Ústav experimentální biologie Oddĕlení genetiky a molekulární biologie Molekulární príčiny schizofrenie: asociační studie Brno 2010 Karol Kaiser

Poďakovanie Na tomto mieste by som rád poďakoval vedúcemu mojej bakalárskej práce doc. RNDr. Omaru Šerému, Ph.D. za pomoc a čas, ktorý mi venoval pri riešení zadanej problematiky.

Obsah 1. Úvod... 4 2. Schizofrénia Charakteristika... 5 2.1 Stručná história... 5 2.2 Symptómy schizofrénie... 6 2.3 Subtypy schizofrénie... 7 2.3.1 Katatónny typ schizofrénie... 7 2.3.2 Paranoidný typ schizofrénie... 8 2.3.3 Schizoafektívny typ schizofrénie... 8 2.3.4 Hebefrénny (dezorganizovaný) typ schizofrénie... 8 2.3.5. Nediferencovaný typ schizofrénie... 8 2.4 Epidemiológia... 9 3. Asociačné štúdie a schizofrénia... 10 3.1 Rekapitulácia poznávania genetického pozadia ľudských ochorení... 10 3.1.1 Väzbová analýza... 11 3.1.2 Asociačné štúdie kandidátnych génov... 12 3.1.3 Cesta ku GWAS... 13 3.2 Popis základov teórie GWAS... 13 3.2.1. Ústredný mechanizmus GWAS... 13 3.2.2 Genetické aspekty... 14 3.2.3 Problémy súvisiace s populačnou genetikou... 16 3.2.4 Štatistické aspekty GWAS... 17 3.3 GWAS a Schizofrénia: Minulosť, súčasnosť a budúcnosť... 18 3.3.1 Výsledky genetických štúdií v oblasti Schizofrénie pred príchodom GWAS... 18 3.3.2 Éra GWAS a ich prvotný prínos... 19 3.3.3 Aktuálne poznatky... 19 3.3.4 Vyhliadky do budúcnosti... 21 4. Kandidátne gény... 25 4.1 Neuregulin-1 (NRG1)... 25 4.2 Dysbindin (DTNBP1)... 26 4.3 Reelin (RELN)... 27 4.4 Disrupted- In- Schizophrenia 1 (DISC 1)... 27 4.5 ZNF804A... 28 5. Záver... 30 6. Literatúra... 32

1. Úvod Hlavným biologickým znakom, na základe ktorého sa človek rozhodujúcim spôsobom odlišuje od ostatných živočíšnych druhov, je inteligencia podmienená vysoko rozvinutou nervovou sústavou s ústredným postavením mozgu. Nervová činnosť odvíjajúca sa od správneho vývoja a priebehu funkcií jednotlivých oddielov tvoriacich mozog je pre človeka základným predpokladom pre plnohodnotnú, uspokojujúcu existenciu. Medzi najdôležitejšie aspekty závislé od bezchybnej funkcie centrálnej nervovej sústavy patrí schopnosť človeka integrovať sa do spoločnosti, proces ukladania informácií prostredníctvom pamäte či tvorba motivácie a prítomnosť emocionálneho aparátu. S vysokou komplexnosťou nervového systému súvisí aj riziko výskytu rôznych foriem psychotických porúch, ktoré sú prejavom štrukturálnych abnormalít na úrovni mozgu či dysfunkcie prenosu nervového signálu. Schizofrénia sa zaraďuje do kategórie najhorších druhov ochorení súvisiacich s narušenou činnosťou nervovej sústavy. Jedná sa o psychotickú poruchu celosvetového významu, ktorá postihuje až 1% svetovej populácie. Je spojená s chronickým priebehom a vysokou mierou trvalej invalidity. Príznačným prejavom ochorenia je rozpad osobnostnej integrity, prítomnosť rôznych bludov a halucinácií, strata záujmu o okolité dianie, úpadok motivácie a splošťovanie emócií. Schizofrénia si vyžaduje dlhodobú hospitalizáciu, náročnú liečbu s neistým výsledkom, častým výskytom relapsov a je spojená aj so spoločenskou stigmatizáciou postihnutej osoby. Nezanedbateľnú rolu zohráva aj vysoká miera citového zaťaženia rodinných príslušníkov dotknutej osoby, ktorá vyplýva v prvom rade zo symptómov zahŕňajúcich zmenu osobnosti, z dlhodobého charakteru ochorenia a v neposlednej rade finančnej náročnosti liečby. Objasňovanie etiológie a patogenézy schizofrénie bolo od začiatku predmetom intenzívneho vedeckého úsilia v rámci viacerých vedných odborov, medzi ktoré patrí genetika, molekulárna biológia či neurobiológia. Nanešťastie, nahromadené výsledky sa vyznačujú vysokou mierou heterogenity medzi jednotlivými štúdiami, v dôsledku čoho nebol doposiaľ identifikovaný jediný faktor jednoznačne zodpovedný za vznik ochorenia alebo za nejakú časť pozorovaného fenotypu. Cieľom tejto práce je načrtnúť súčasnú úroveň poznania genetického pozadia schizofrénie, popísať princíp najnovších metód slúžiacich na rozširovania našich znalostí a predstaviť v hrubých črtách možnosti budúceho smerovania výskumu v tejto sfére. 4

2. Schizofrénia Charakteristika Schizofrénia (ďalej už len SZ) je pokladaná za najzávažnejšie ochorenie,ktoré postihuje ľudstvo. (Editorial, 1988). Jedná sa o závažné psychotické ochorenie, ktoré sa vyznačuje chronickým priebehom a zníženou kvalitou života s vysokou mierou pracovnej neschopnosti a trvalej invalidity. Charakteristickým prejavom poruchy je prítomnosť deformácii v správaní postihnutých osôb, ich neschopnosť zapojiť sa do spoločenského procesu a úspešne sa uplatniť v živote. Sprievodným znakom psychózy je zásadné narušenie vzťahu človeka ku skutočnosti, s ktorým súvisí častý výskyt zmeny osobnosti (Seifertová et al., 2004, Raboch a Zvolský, 2002). 2.1 Stručná história Prvým krokom, ktorý viedol k vymedzeniu schizofrénie ako samostatného ochorenia bolo zavedenie pojmu dementia praecox, ktorý v roku 1899 prvýkrát použil Emil Kraepelin. Pod týmto označením boli združení pacienti trpiaci katatóniou, hebefréniou a paranoidnou demenciou, ktorých prípady sa vyznačovali mnohými podobnosťami, kam zaraďujeme nízky vek prepuknutia ochorenia, sklon k postupnému zhoršovaniu príznakov a konečnú fázu ochorenia sprevádzanú mentálnou slabosťou až demenciou. Kraepelin bol presvedčený, že priebeh a výsledok reprezentujú najlepšie popisné znaky ochorenia (Tandon et al., 2009). Ďalšou významnou postavou bol Eugen Bleuler, ktorý v roku 1911 sformuloval súbor základných symptómov, ktoré považoval za jedinečné a vždy prítomné u postihnutých osôb. Priebeh a konečný výsledok ochorenia pokladal za premenlivé. Domnieval sa, že kľúčovou črtou SZ nie sú bludy a halucinácie, ale rozpad rôznych psychických funkcií spojených s oslabením myšlienkových asociácií, splošťovaním afektu, ambivalenciou a autizmom. Dôležitú rolu zohral aj Kurt Schneider, ktorý v roku 1959 definoval systém 11 rozhodujúcich symptómov, ktoré v súčasnosti predstavujú základ tzv. pozitívnych príznakov. Jeho koncept funkčne nadväzuje a rozvíja prácu Karla Jaspersa, ktorý bol presvedčený, že najdôležitejším znakom SZ je dysfunkcia empatickej komunikácie u pacientov. Každý z uvedených pohľadov na problematiku SZ sa vyznačuje výraznými odlišnosťami v dôraze, aký kladú na význam jednotlivých funkčných aspektov ochorenia. Ich platnosť a prínos v tejto oblasti však odráža skutočnosť, že aktuálne platné definície SZ sú založené na spomínaných princípoch čiže Kraepelinom zdôraznenej chronickej povahe 5

ochorenia, negatívnych symptómoch ustanovených Bleulerom a Schneiderovom zozname pozitívnych príznakov. 2.2 Symptómy schizofrénie Ochorenie zahŕňa široké spektrum príznakov, ktoré vykazujú vysokú mieru intera intra- individuálnej variability (Seifertová et al., 2002). Medzi typické symptómy ochorenia zaraďujeme výrazné psychopatologické zmeny, ktoré sa týkajú rôznych foriem poruchy myslenia, ako sú bludy, rozvoľnenie súvislostí myšlienok, poruchy zmyslového vnímania, napr. halucinácie a poruchy jednania, ktoré sa stáva bizarným a nepochopiteľným. U pacientov pozorujeme zvýšený stav vnútorného napätia spojený s pocitom hlbokého odcudzenia vlastného prežívania a okolitých dejov. Deje a predmety, ktoré ich obklopujú, sa im javia ako významné a naliehavé ale zároveň nezrozumiteľné, zvláštne strojené alebo až inscenované (Raboch a Zvolský, 2002). Základná klasifikácia symptómov SZ pozostáva z viacerých domén, kam zaraďujeme kategórie pozitívnych, negatívnych, kognitívnych symptómov a ďalej skupiny symptómov spojené s dezorganizáciou myslenia, zmenou nálad a motorikou (Tab.1). Psychopatológia jednotlivých kategórií vykazuje vysokú mieru variability medzi pacientmi a súčasne v rámci jednotlivých štádií ochorenia (Tandon et al., 2009). Pozitívne symptómy Zhoršené vnímanie reality -Bludy -Halucinácie Negatívne symptómy Otupenie alebo strata afektívnych a kognitívnych funkcií -Abúlia (strata motivácie) -Alógia (pokles rečového prejavu) -Anhedónia (nemožnosť pociťovať potešenie či radosť) -Apatia (strata záujmu, iniciatívy) -Znížená miera socializácie 6

Symptómy dezorganizácie správania Narušenie myšlienkových procesov -Roztržitosť, nesúlad v slede myšlienok -Neologizmy Symptómy súvisiace s náladou Výkyvy nálady -Depresie -Prehnané emócie -Neprimeraný afekt až manierovanosť Motorické symptómy Zmeny v pohyboch a držaní tela -Spomalenie až pokles celkovej motorickej aktivity -Nadmerná často bezúčelná pohybová činnosť -Stereotypické pohyby -Zmena v postojoch tela, zaujímanie neprirodzených polôh -Katatónia Tab.1 Delenie symptómov schizofrénie podľa jednotlivých domén (podľa Tandon et al., 2009); (Raboch a Zvolský, 2002) 2.3 Subtypy schizofrénie Z hľadiska súčasných diagnostických kritérií, ktoré sa uplatňujú pri zostavovaní klinického profilu pacienta, sa v snahe zohľadniť a vysvetliť pozorovanú heterogenitu v rámci ochorenia využíva klasifikácia založená na subtypoch pôvodne definovaných Kraepelinom (Tandon et al., 2009). 2.3.1 Katatonický typ schizofrénie Pri tejto forme SZ pozorujeme charakteristické poruchy v oblasti psychomotoriky, buď na úrovni excitovanosti a hyperkinézie alebo v súvislosti s katatonickým stuporom. 7

Stupor je sprevádzaný negativizmom, mutizmom a povelovým automatizmom a môže byť spojený aj s uvedením tela do neprirodzených polôh. Telo a končatiny často po dlhú dobu zotrvávajú v nastavených polohách a pri pasívnych pohyboch je zvýšený svalový tonus (Seifertová et al., 2004, Raboch a Zvolský, 2002). 2.3.2 Paranoidný typ schizofrénie Jedná sa o pomerne častú formu SZ, ktorá súvisí s prítomnosťou jednej alebo viacerých bludných predstáv prípadne pravidelne sa vyskytujúcich sluchových halucinácií, ktoré predstavujú variácie na jedinú tému. Pre tento druh schizofrénie je príznačná absencia alebo minimálny výskyt dezorganizovaného správania alebo reči, neprimeraného afektu či rozvoľňovania myšlienkových súvislostí. S paranoidnou formou SZ súvisí aj zaujímavý fakt, že sa pri nej vyskytuje najvyšší počet samovrážd (Suvisaari et al., 2009). 2.3.3 Schizoafektívny typ schizofrénie Tento variant SZ je charakteristický prítomnosťou výraznej poruchy spojenej s nestabilitou nálady u postihnutých osôb, u ktorých pozorujeme výskyt ďalších príznakov súvisiacich so SZ. Vzhľadom k nízkej dlhodobej spoľahlivosti diagnózy tejto formy SZ a z jej nízkej použiteľnosti z hľadiska klinickej praxe sa vo vedeckej obci objavujú hlasy požadujúce jej vylúčenie z klasifikácie subtypov SZ (Tandon et al., 2009). 2.3.4 Hebefrénny (dezorganizovaný) typ schizofrénie Jedná sa o ďalší tradičný typ schizofrénie, ktorý sa vyznačuje nesúladom v myšlienkových procesoch, výrazným poklesom pevnosti myšlienkových asociácií alebo výraznou deformáciou správania. Častý je výskyt splošteného alebo neprimeraného afektu. Dôležitou podmienkou pre zaradenie pacienta do uvedeného subtypu je nesplnenie kritérií spojených s katatonickou formou SZ. Jedná sa o najzávažnejšiu formu SZ s výrazne skorším vekom nástupu ochorenia, horším celkovým výsledkom ako aj najdlhšou dobou hospitalizácie (Suvissari et al., 2009). 2.3.5. Nediferencovaný typ schizofrénie Diagnóza pre zaradenie pacienta do daného subtypu vyžaduje splnenie diagnostických kritérií pre SZ, za relatívnej absencie príznakov charakteristických pre paranoidný, dezorganizovaný alebo katatonický typ SZ (Seifertová et al., 2004). V rámci uvedeného 8

subtypu sa pomerne pravidelne vyskytujú výrazné bludy, halucinácie alebo prvky vážne dezorganizovaného správania (Suvisaari et al., 2009). Uvedené v súčasnosti všeobecne akceptované delenie SZ do jednotlivých subtypov má slabé opodstatnenie v praxi a vo výskume a malo by byť zavrhnuté. Namiesto neho sa v dnešnej dobe do popredia dostáva koncepcia pozostávajúca zo škály domén príznakov alebo tzv. dimenzií (pozitívne, negatívne, atď.), ktorých vážnosť a relatívny rozsah sa výrazne menia medzi pacientmi ako aj v priebehu ochorenia (Tandon et al., 2008b). 2.4 Epidemiológia Problematika epidemiológie sa zaoberá distribúciou a povahou faktorov zodpovedných za vznik ochorenia. Ďalším cieľom je odlíšenie základných charakteristík a skúseností osôb, ktorými sa odlišujú postihnuté osoby od zdravých jedincov (Tandon et al., 2008b). V súvislosti so SZ sa epidemiológia zameriava na určenie genetických a environmentálnych rizikových činiteľov, ktoré musia byť posudzované spoločne, pretože oba zohrávajú dôležitú rolu v etiológii schizofrénie (Tsuang et al., 2001). Incidencia zodpovedá počtu nových prípadov, ktoré sa vyskytnú v priebehu konkrétneho časového úseku v rámci presne definovanej populácie. Najnovšie štúdie uvádzajú približnú hodnotu incidencie spojenú so SZ na úrovni 15,2 prípadov / 100,000 osôb za rok (Mcgrath et al., 2004). Prevalencia predstavuje počet jedincov v jasne definovanej populácii, ktorí vykazujú prítomnosť ochorenia v presne danom čase alebo sa u nich daná choroba vyskytla v priebehu života. Na základe výpočtov vychádzajúcich z vyššie uvedenej miery incidencie je predpokladaná hodnota prevalencie 4,56 / 1000 osôb v populácii (Tandon et al., 2008a). 9

3. Asociačné štúdie a schizofrénia Sullivan (2005) uvádza, že schizofrénia predstavuje multifaktorálne ochorenie, ktorého etiológia je výsledkom kombinácie genetických a environmentálnych činiteľov. Výskum zameraný na identifikáciu genetických faktorov, ktoré sa zúčastňujú na vzniku ochorenia, je logicky opodstatnený, čo vyplýva z nespochybniteľného významu genetickej zložky dedičnosti SZ a vyššej presnosti pri vyhodnocovaní výsledkov v porovnaní s epidemiologickými štúdiami. 3.1 Rekapitulácia poznávania genetického pozadia ľudských ochorení Uskutočneniu akejkoľvek molekulárne genetickej štúdie musí predchádzať identifikácia fenotypu (t.j. pozorovateľná choroba alebo znak), ktorý vykazuje aspoň čiastočnú dedičnosť, použitím metód genetickej epidemiológie (Psychatric GWAS Consortium Coordinating Commitee, 2009). Kombinácia rozvoja vedeckého poznania v oblasti architektúry ľudského genómu sprevádzaného rovnako intenzívnym zdokonaľovaním potrebných technológii vytvorila v osemdesiatych rokoch 20. storočia predpoklady pre zahájenie pátrania po genetických faktoroch podmieňujúcich pozorovanú dedičnosť. Na začiatku vedeckého bádania stála metóda označovaná ako väzbová analýza, ktorú v nedávnej dobe, najmä v súvislosti s problematikou komplexných ochorení, nahradil odlišný model označovaný ako asociačné štúdie resp. GWAS (Genome-Wide Association Studies Celogenómové Asociačné Štúdie) (Tab. 2). Celogenómové asociačné štúdie (GWAS) Rok Vývoj 1980 Návrh na vytvorenie celogenómovej mapy DNA markerov pre potreby väzbovej analýzy u človeka 1983 Väzbové mapovanie a identifikácia génu zodpovedného za Huntingtonovu choreu 1987 Prvá väzbová mapa človeka 10

1993 Prvá celogenómová väzbová štúdia psychotickej poruchy 1996 Vznik hypotézy označovanej ako: Bežná choroba Bežný variant 2001 Ukončenie projektu sekvenácie ľudského genómu 2002-2007 Medzinárodný projekt HapMap 2002 Prvá publikovaná celogenómová asociačná štúdia 2005-2007 Dostupnosť vysokovýkonných vzorkovačov využívajúcich znalosť SNPs (Single Nucletoide Polymorphisms = jednonukleotidové polymorfizmy) 2005 Prvýkrát zaznamenaný zvýšený výskyt celogenómových asociačných štúdií 2007 Zahájenie projektu 1000 genómov Tab.2 Historický prehľad vedeckého vývoja, ktorý predchádzal príchodu GWAS (Podľa Psychatric GWAS Consortium Coordinating Commitee, 2009). 3.1.1 Väzbová analýza Väzbovú analýzu môžeme definovať ako metódu, ktorá umožňuje identifikáciu regiónov v rámci genómu, ktoré obsahujú gény predisponujúce k vzniku určitého ochorenia. Východiskovým bodom pre aplikáciu metódy väzbovej analýzy sa stalo vytvorenie väzobnej mapy ľudského genómu prostredníctvom kombinácie rôznych techník využívajúcich rekombinantnú DNA (Botstein et al., 1980). Metóda väzbovej analýzy sa sústredí na schému distribúcie sledovaného ochorenia vo vzorkách rozsiahlych rodinných rodokmeňov 11

vykazujúcich vysokú mieru dedičnosti daného ochorenia vo viacerých generáciách. Pri následnom určovaní segmentov genómu podozrivých z prítomnosti genetických faktorov zvyšujúcich riziko ochorenia sa využíva mapovanie prostredníctvom vhodných DNA markerov. Ústrednými konceptmi, ktoré sa využívajú v oblasti väzbovej analýzy s významnými implikáciami aj pre doménu asociačných štúdií sú tzv. väzba a väzbová nerovnováha (linkage disequilibrium). Teare a Barrett (2005) vysvetľujú, že dva lokusy sú vo väzbe, pokiaľ sú prenášané spolu z rodiča na potomstvo s vyššou frekvenciou než by sme očakávali pri nezávislom prenose. Súčasne platí, že tieto lokusy sú vo väzbovej nerovnováhe ak sa v rámci populácie ako celku vyskytujú spoločne na rovnakom segmente DNA tzv. haplotype častejšie ako by sa predpokladalo na základe nezávislého prenosu. Väzbová analýza sa osvedčila ako mimoriadne efektívna metóda pri identifikácii genetických determinant zodpovedných za zvýšené riziko prepuknutia rôznych typov mnohých závažných ochorení. Medzi doposiaľ najpresvedčivejšie úspechy väzbovej analýzy patrí objav alely podmieňujúcej vznik cystickej fibrózy (Kerem et al., 1989). Nanešťastie, na poli komplexných ochorení sa metóde väzbovej analýzy nepodarilo nadviazať na úspechy dosiahnuté v oblasti chorôb vykazujúcich jednoduchú tzv. mendelovskú dedičnosť. Prevažná časť asociácií objavených v súvislosti so schizofréniou nebola potvrdená žiadnou úspešnou replikačnou štúdiou, preto je ich skutočný význam neistý. Medzi najsľubnejšie objavy v tejto oblasti zaraďujeme štúdiu škótskeho rodokmeňu, ktorá viedla k identifikácii zlomu na chromozóme 1, lokalizovanú v oblasti 1q42.1, ktorý vyvoláva narušenie sekvencie génov DISC1 (Disrupted In Schizophrenia 1) a DISC2 (Millar et al., 2000). 3.1.2 Asociačné štúdie kandidátnych génov Na rozdiel od metódy väzbových analýz, predstavujú štúdie kandidátnych génov analytický prístup, ktorý sa nezameriava na hľadanie náhodných oblasti genómu vykazujúcich zvýšenú mieru výskytu u postihnutých jedincov v rámci rodinných vzoriek. Bertram (2008) uvádza, že hlavný kvalitatívny rozdiel medzi štúdiami kandidátnych génov a GWAS spočíva v tom, že prvá metóda sa zameriava iba na vymedzené množstvo lokusov, o ktorých sa predpokladá, že sa podieľajú na predispozícii ku vzniku ochorenia, zatiaľ čo GWAS preverujú celý genóm viac-menej nezaujatým spôsobom. V súvislosti s psychiatrickými poruchami je väčšina hypotéz týkajúcich sa výberu kandidátnych génov založená na efekte, akým psychiatrické liečiva vplývajú na monoamínmi sprostredkovanú nervovú signalizáciu (Psychatric GWAS Consortium Coordinating Commitee, 2009). 12

3.1.3 Cesta ku GWAS Risch a Merikangas (1996) dokázali, že väzbová metóda, ktorá bola úspešne použitá pri identifikácii génov veľkého účinku, ma obmedzenú schopnosť odhaliť gény s miernym efektom, zatiaľ čo odlišný prístup (asociačné štúdie resp. GWAS), má v tomto smere omnoho vyššiu účinnosť. Z týchto dôvodov dosiahli v súčasnosti asociačné štúdie postavenie kľúčovej vedeckej metódy, umožňujúcej postupné odhaľovanie genetickej etiológie multifaktorálnych ochorení. Spomínaní autori ďalej uvádzajú, že základné obmedzenie GWAS nebude štatistickej povahy ale skôr technologického charakteru. Ich úspešná realizácia si vyžiada stanovenie veľkého množstva génov a polymorfizmov a následne ich podrobnú analýzu. Testovanie uvedeného rozsahu sa v nedávnej minulosti mohlo javiť nemysliteľným, avšak účinnejšie metódy genotypizácie pomohli odstrániť spomínané prekážky. Za posledné tri roky vyvinuli firmy ako Affymetrix a Illumina tzv. chipy, (sady testovacích vzoriek na sklenených platničkách) schopné s vysokou presnosťou, dostatočne rýchlo a pri nízkych nákladoch genotypizovať veľké množstvo SNPs. Práve technologické invencie tohto druhu umožnili definitívny nástup éry celogenómových asociačných štúdií alias GWAS (Psychatric GWAS Consortium Coordinating Commitee, 2009). 3.2 Popis základov teórie GWAS Poslaním tejto kapitoly je uviesť a objasniť teoretické princípy a základné mechanizmy, ktoré sú svojim významom rozhodujúce pre správne pochopenie GWAS. Táto metóda vedeckej analýzy predstavuje komplexnú syntézu poznatkov z mnohých vedných disciplín, vrátane populačnej genetiky, bioinformatiky a štatistiky. Z uvedeného dôvodu považujem za nutné tieto aspekty stručne vysvetliť a umožniť tak čitateľovi, aby si vytvoril jasný obraz o možnostiach interpretácie dosiahnutých výsledkov a uplatnenia GWAS v praxi. 3.2.1. Ústredný mechanizmus GWAS Metodológia uplatňovaná v prípade asociačných štúdií sa v základnej schéme neodlišuje od prístupu, ktorý sa využíva pri väzobnej analýze. Aj v prípade GWAS dochádza k zhromažďovaniu dvoch skupín subjektov. Jednu skupinu tvoria osoby postihnuté príslušným ochorením a druhá skupina pozostáva z kontrolných jedincov, u ktorých neboli 13

diagnostikované žiadne závažné symptómy súvisiace so sledovaným ochorením. Druhú čiže kontrolnú skupinu, v závislosti od dizajnu štúdie, tvoria všeobecne buď zdraví rodinní príslušníci postihnutej osoby zaradenej do výskumu alebo dobrovoľníci z rôznych databáz (Obr.1). GWAS vychádzajú z princípu, podľa ktorého ak sa určitý SNP podieľa na zvýšení rizika vzniku ochorenia, bude v populácii existovať štatisticky významná asociácia medzi výskytom ochorenia a uvedeným SNP a niekoľkými susednými SNPs, ktoré sa s daným SNP nachádzajú vo väzobnej nerovnováhe (Psychatric GWAS Consortium Coordinating Commitee, 2009). Štatisticky významnú asociáciu potom možno identifikovať porovnaním frekvencií genotypizovaných SNPs stanovených u pacientov s frekvenciami SNPs genotypizovaných u zdravých jedincov. Obr.1 Znázornená schéma popisuje metódy výberu osôb pre účely genetických asociačných štúdií (podľa Psychatric GWAS Consortium Coordinating Commitee, 2009). 3.2.2 Genetické aspekty Akékoľvek 2 kópie ľudského genómu sa odlišujú v priemere iba v jednom nukleotidovom variante na tisíc báz. Predpokladá sa, že v ľudskej populácii sa vyskytuje približne 10 miliónov alel, z ktorých každý variant sa vyskytuje s frekvenciou 1%, pričom tento počet 10 miliónov bežných SNPs zodpovedá za 90% genetickej variability v populácii. 14

Zvyšných 10% prislúcha k širokej škále odlišných foriem variability, ktoré sa v rámci populácie vyskytujú veľmi zriedkavo (International HapMap Consortium, 2003). Z vedeckých analýz vyplýva, že až 87% SNPs, ktoré sa vyskytujú v kódujúcich oblastiach ľudského genómu s alelickou frekvenciou >0,2, vytvára páry vykazujúce vysokú mieru väzobnej nerovnováhy (tzv. informatívne SNPs). Väčšina sledovaných regiónov ľudského genómu sa vyznačovala prítomnosťou zhlukov väčšieho množstva informatívnych SNPs, u ktorých bola stanovená minimálna miera historickej rekombinácie (Gabriel et al., 2002). Tento druhov zhlukov, vyskytujúci sa v rozličnej miere u všetkých hlavných svetových populácií, označujeme ako tzv. blok haplotypov. Pri navrhovaní a interpretácii asociačných štúdií je nevyhnutné mať na pamäti štruktúru genotypov a fenotypov v ľudskom genóme. Haplotypy reprezentujú špecifické zostavy alel pozorované v populácii. Ak dôjde v organizme k vzniku novej mutácie, nastane tento jav na špecifickom chromozomálnom haplotype. Tým pádom je teoreticky možné vystopovať prítomnosť každého variantu alely, identifikovaním pôvodného haplotypu, na ktorom došlo k jej vzniku (Gabriel et al., 2002). S existenciou pevnej väzby medzi jednotlivými SNPs v rámci segmentov genómu súvisia aj významné praktické dopady: genotypické stanovenie iba malého množstva, starostlivo zvolených SNPs v danom segmente, poskytne dostatok údajov k predikcii ostatných bežných SNPs nachádzajúcich sa v danej oblasti. Z toho vyplýva, že identifikácia bežne sa vyskytujúcich haplotypov v danom regióne si vyžaduje určenie iba veľmi malého počtu SNPs (International HapMap Consortium, 2003). Sila väzobnej nerovnováhy medzi dvomi SNPs nie je priamo úmerná ich vzájomnej vzdialenosti. Pre úspešné objavenie asociácie medzi fenotypom a genotypom je preto nevyhnutné využitie takých SNPs, u ktorých došlo k predchádzajúcemu potvrdeniu väzobnej nerovnováhy (Stephens et al., 2001). Odhady odvodené od výsledkov empirických štúdií udávajú, že k získaniu dostatočného množstva informácií ohľadne 10 miliónov bežných SNPs pokrývajúcich väčšinu ľudských populácií stačí genotypizácia 200 000 1 000 000 vhodných SNPs pozdĺž celého genómu (International HapMap Consortium, 2003). Ďalším aspektom, ktorý zohráva dôležitú rolu pri zostavovaní konečného dizajnu GWAS, je zváženie rozdielu medzi prístupom založeným na posúdení rozdielov v sekvenciách a stratégiou kladúcou dôraz na všeobecné mapovanie genómu. Hlavným rozdielom medzi týmito dvoma modelmi je odlišný stupeň ich schopnosti odhaliť zmenu v kódujúcich regiónoch, resp. v nekódujúcich oblastiach, kde by mohla mutácia postihnúť rôzne úseky obsahujúce pre ilustráciu, aj doposiaľ neidentifikované regulačné domény. 15

Botstein a Risch (2003) uvádzajú tvrdenie, že výsledky vedeckého bádania, vychádzajúce z pozorovaní ochorení mendelovského typu prinášajú presvedčivý argument v prospech modelu sekvenčnej analýzy. Poukazujú na skutočnosť, že menej ako 1% škodlivých mutácií nastalo v regiónoch zodpovedných za reguláciu. Naopak, až 60% identifikovaných rizikových mutácií vedie k substitúciám aminokyselín v sekvenciách proteínov. Využitie uvedených vlastností, týkajúcich sa genetickej architektúry človeka, je podmienené dôkladným zmapovaním vzorca, od ktorého sa odvíja rozloženie bežných SNPs naprieč celým genómom. Od začiatku bolo zjavné, že zámer podobného rozsahu bude náročný nielen po organizačnej stránke, keďže si bude vyžadovať koordinované úsilie vedeckej obce na medzinárodnej úrovni, ale budú s ním spojené aj nezanedbateľné finančné náklady. Napokon došlo k vytvoreniu viacerých medzinárodných konzorcií, ktorých cieľom bolo stanovenie všeobecných vzorcov sekvenčnej variability v rámci ľudského genómu prostredníctvom identifikácie jednotlivých variant sekvencií, ich frekvencií a vzájomných korelácií použitím DNA vzoriek z rôznych populácií s pôvodom v Afrike, Európe či Ázii. Projekty poskytnú nástroje, ktoré umožnia aplikáciu asociačnej metódy pri celogenómových analýzach zameraných na odhalenie rizikových faktorov podieľajúcich sa na vzniku ľudských ochorení (International HapMap Consortium, 2003). 3.2.3 Problémy súvisiace s populačnou genetikou Demografický vývoj ľudskej populácie charakterizovaný populačnou explóziou, ktorej sme boli svedkami v posledných dvoch storočiach, spoločne s komplikovaným historickým migračným vzorcom sa odzrkadľuje aj v genetickej rôznorodosti jednotlivých svetových populácií. Dôsledky tejto populačnej diverzity súvisiace s GWAS, sa týkajú najmä rozdielov vo frekvenciách alel a štruktúre haplotypov, ktoré predstavujú kľúčové znaky porovnávané u subjektov v rámci GWAS. Značná časť všeobecnej genetickej variability sa vzťahuje iba na jeden typ populácie, následkom čoho je zrejmé, že identifikácia SNP v jednej populácii je pravdepodobne nedostatočná pre jeho katalogizáciu a použiteľnosť aj v prípade ostatných populácií (Carlson et al., 2003). Vzdialenosť dvoch SNP tvoriacich pár vykazujúci v 50% prípadov znaky historickej rekombinácie dosahuje u Africkej populácie dĺžku 8 kilobáz (ďalej už len ako kb). Analýza vzoriek európskej a ázijskej populácie, v kontraste s predchádzajúcimi údajmi, 16

udáva hodnotu 22kb. Tieto rozdiely vo vlastnostiach väzobnej nerovnováhy možno vo veľkej miere prisúdiť demografickej histórii (Gabriel et al., 2002). 3.2.4 Štatistické aspekty GWAS Za dramatický nárast významu asociačných štúdii ako jednej z hlavných metód výskumu v oblasti komplexných ochorení sa zaslúžili výsledky dosiahnuté na poli štatistickej analýzy. Práve táto vedná oblasť poskytla rozhodujúce argumenty dokazujúce nespochybniteľný význam a prednosti asociačných štúdii pri riešení danej problematiky. Najväčšou prednosťou GWAS je možnosť tvorby testovacích vzoriek s omnoho väčšou kapacitou, akú bolo možné dosiahnuť pri väzbovej analýze. Risch and Merikangas (1996) názorne vysvetlili výhody spomínanej metódy, keď uviedli, že pre odhalenie alely s relatívne nízkym koeficientom GRR 2 (Genotypic Relative Risk = relatívne riziko spojené s genotypom, ktoré predstavuje mieru zvýšenia rizika vzniku choroby u nositeľov konkrétneho genotypu v porovnaní s jedincami bez daného genotypu) je požadovaná veľkosť testovacej vzorky v prípade väzbovej štúdie prakticky nedosiahnuteľná (>2000 súrodeneckých párov). Naopak dostatočná veľkosť vzorky v prípade asociačnej štúdie je ľahšie dosiahnuteľná a pre vedecké účely omnoho vhodnejšia. Medzi základné atribúty kladúce zvýšené nároky na veľkosť porovnávaných vzoriek v rámci štúdie ďalej zaraďujeme (Manolio et al., 2008): a) väčšie množstvo uskutočnených genotypových a asociačných testov, čo vedie k zvýšenému riziku sporných asociácií b) vyššia možnosť chyby pri genotypizovaní alebo chybné stanovenie fenotypu c) nižšia frekvencia alely zvyšujúcej riziko ochorenia Prevažná časť nových, signifikantných zistení dosiahnutých pomocou GWAS zahŕňa alely s GRR pohybujúcim sa v rozmedzí 1,1 až 1,4. V tomto rozpätí (Obr.2) je dosiahnutie dostatočnej štatistickej sily štúdie podmienené veľkosťou vzoriek kolísajúcou medzi počtom 8 000 až 20 000 postihnutých osôb (Psychatric GWAS Consortium Coordinating Commitee, 2009). Experimentálne fáza GWAS je v porovnaní s inými vedeckými metódami charakteristická nazhromaždením množstva údajov extrémneho rozsahu. Použitie vhodnej sady štatistických nástrojov, umožňujúcich ich následnú interpretáciu, ktorá prispeje k filtrácii falošných výsledkov a zároveň povedie k odhaleniu skutočných pravdivých nálezov, je preto z hľadiska GWAS absolútne rozhodujúce. Zollner and Pritchard (2007) popisujú príklad typickej štatistickej chyby vyskytujúcej sa v rámci GWAS, ktorú označujú ako tzv. kliatbu 17

víťaza. Jedná sa o prirodzenú tendenciu GWAS, ktoré sa vyznačujú nižšou štatistickou silou, nadhodnocovať mieru efektu spriahnutého s alelou, pre ktorú bola v štúdii dosiahnutá asociácia so sledovanou chorobou. Obr.2 Uvedený graf zobrazuje predpokladanú štatistickú silu štúdie pre chorobu s 1% prevalenciou v populácii (p =5x10 8 ) závislú od SNPs s nižšou frekvenciou alel v populácii, veľkosti vzorky (na základe predpokladu, že veľkosť vzorky pacientov zodpovedá veľkosti vzorky kontrolných jedincov) a GRR (podľa Psychatric GWAS Consortium Coordinating Commitee, 2009). 3.3 GWAS a Schizofrénia: Minulosť, súčasnosť a budúcnosť Poznanie genetických príčin ľudských ochorení zaznamenalo v posledných desaťročiach bezprecedentný pokrok. Dramatické a často až šokujúce objavy vedúce k prehodnoteniu a v mnohých prípadoch zavrhnutiu zaužívaných modelov patogenézy sprevádzali výskum takmer všetkých komplexných ľudských ochorení. Zistenia týkajúce sa povahy a mechanizmu pôsobenia genetických dispozícií stáli na čele tohto transformačného procesu. Výnimku nepredstavuje ani problematika schizofrénie, kde sa ešte pred 40 rokmi predpokladalo, že za jej vznik zodpovedá jediný dominantný gén s 25% penetranciou. Výsledky väzbových analýz však neskôr túto koncepciu jednoznačne popreli naznačujúc, že neexistuje žiaden genetický faktor podobne veľkého efektu (Psychatric GWAS Consortium Steering Committee, 2009). 3.3.1 Výsledky genetických štúdií v oblasti Schizofrénie pred príchodom GWAS Ešte donedávna zohrávali ústrednú rolu v procese hľadania a identifikácie najdôležitejších génov spojených so zvýšením rizika vzniku SZ väzbové štúdie a najmä 18

výskumy kandidátnych génov. Napriek enormnému vedeckému úsiliu v podobe rozsiahleho archívu štúdií a analýze značného množstva genetického materiálu (3108 rozličných rodokmeňov a 8,3 milióna vzoriek genotypov), ktoré viedli k identifikácii 525 kandidátnych génov nedošlo k zásadnému prelomu v objasnení genetických príčin schizofrénie (Sullivan et al., 2008). Ani v prípade jediného kandidátneho génu, ktorý bol zaradený do zoznamu najlepších nálezov prvej generácie pozičných prístupov, sa nepodarilo zhromaždiť dostatočný počet dôkazov, ktoré by jednoznačne svedčili v prospech jeho relevantnosti. Väčšina z počiatočných asociácií bola získaná pomocou štúdií, ktoré by nespĺňali súčasné kritéria týkajúce sa dostatočnej veľkosti použitých vzoriek alebo uspokojujúceho stupňa pokrytia bežných SNPs (Sanders et al., 2008). 3.3.2 Éra GWAS a ich prvotný prínos Ako už bolo povedané, príchod a využitie GWAS v širšom meradle pri pátraní po genetickej podstate komplexných ochorení predznamenali závery plynúce zo štatistických analýz a predpoklad zvládnutia výzvy v podobe technologických obmedzení. Pokrok v tejto oblasti, ktorý sprístupnil použitie genotypovacích čipov schopných určiť sekvenčnú variabilitu DNA v rámci stoviek tisícov SNPs pre bežné vedecké účely nakoniec umožnil, aby sa GWAS stali skutočnosťou.(craddock et al., 2008). Počnúc prvými štúdiami prinášali GWAS presvedčivé dôkazy o efektivite a opodstatnenosti svojho použitia pri odkrývaní genetických interakcií stojacich v pozadí rozličných ľudských ochorení. Medzi najžiarivejšie príklady týchto úspechov možno zaradiť aj objav lokusu nachádzajúceho sa na géne komplementového faktoru H, zodpovedného za zvýšenie rizika vzniku makulárnej degenerácie. Uvedený polymorfizmus zvyšoval šancu na prepuknutie ochorenia v rámci koeficientu relatívneho risku o 7.4 bodu (relatívny risk podiel pravdepodobnosti javu k celkovému počtu/veľkosti súboru.) (Klein et al., 2005). Mnohé zistenia poukázali na nové, dovtedy netušené mechanizmy spojené s patofyziológiou ochorení. Medzi zaujímavé príklady tohto druhu patrí objav variantu génu FTO, ktorý predisponuje k cukrovke sprostredkovane cez ovplyvňovanie BMI (Body Mass Index Index Telesnej Hmotnosti) (Frayling et al., 2007). 3.3.3 Aktuálne poznatky Medzi najdôležitejšie aspekty dizajnu GWAS zameraných na genetiku schizofrénie patria jednoznačne veľkosť porovnávaných vzoriek a miera pokrytia genetickej variability 19

prostredníctvom platforiem použitých na genotypizáciu. Ich kľúčovú rolu pri zvyšovaní štatistickej sily štúdie dokumentuje skutočnosť, že v priebehu posledných 10 rokov došlo k stabilnému rastu priemerného množstva sledovaných polymorfizmov (nárast v priemere o 6 medzi rokmi 2003 až 2006) ako aj veľkosti testovacích skupín (nárast v priemere o 660 v tom istom časovom období) (Allen et al., 2008). Prvým výsledkom GWAS v oblasti schizofrénie, ktorý prekročil štatistickú hranicu pre objav celogenómového významu, bola identifikácia asociácie SNP rs4129148, ktorý sa nachádza v susedstve oblasti obsahujúcej kódujúce sekvencie génu CSF2RA. Uvedená GWAS pracovala so vzorkami malého rozsahu (178 pacientov, 144 zdravých kontrolných jedincov), čo prispelo k zníženiu jej možností odhaliť skutočnú asociáciu (Lencz et al., 2007). V poradí druhá publikovaná GWAS súvisiaca so štúdiom schizofrénie je zaujímavá z hľadiska budúceho vývoja tejto problematiky. Možno v nej totiž pozorovať tendencie, ktoré sú v súčasnosti považované za kľúčové z hľadiska dosiahnutia očakávaných úspechov. V štúdií došlo k nielen nárastu veľkosti porovnávaných vzoriek (738 pacientov diagnostikovaných so SZ, 733 zdravých osôb), ale zároveň sa jedná o prvú publikovanú prácu, ktorej údaje týkajúce sa individuálnych genotypov a fenotypov boli sprístupnené pre použitie širšej vedeckej komunite. Zároveň neboli objavené žiadne štatisticky významné asociácie a nebola pozorovaná ani zásadnejšia zhoda údajov so zisteniami uvádzanými v iných GWAS tykajúcich sa SZ (Sullivan et al., 2008). GWAS poskytli podporu hypotéze neurovývojového pôvodu schizofrénie a prispeli k objasneniu mechanizmu tvoriaceho molekulárnu podstatu rozdielu v riziku vzniku SZ v závislosti od pohlavia, vo forme štatisticky významnej asociácie spojenej s génom RELN (Reelin). Príslušný genotyp vykazoval zvýšený výskyt u žien pochádzajúcich z troch rozdielnych populácií (Shifman et al., 2008). Základným predpokladom, ktorého splnenie je nevyhnutné pre zaradenie génu medzi asociácie vierohodne súvisiace s genetickou podstatou schizofrénie je ich replikácia v nezávislej štúdii. Proces replikácie je však náročný, pretože jej úspech je podmienený veľkým množstvom faktorov. Častým problémom GWAS je strata resp. mala aplikovateľnosť výsledkov predchádzajúcich štúdií z dôvodu nedostatkov spojených s uvádzaním informácií ohľadne typu diagnóz u vybraných pacientov alebo získaných genotypov či fenotypov (Allen et al., 2008). Situáciu môže ďalej komplikovať stratifikácia spôsobená variabilitou v populačnej príslušnosti jedincov použitých pri zostavovaní porovnávaných vzoriek. Napríklad asociácia polymorfizmu D2/Cys311 v géne pre dopaminový receptoru D2, objavená v japonskej populácii, nemusí byť reprodukovateľná pri pacientoch s odlišnou 20

rasovou príslušnosťou, keďže pozostávajúcej z 50 belochov (Arinami et al., 1994). prítomnosť tohto variantu nebola zistená vo vzorke 3.3.4 Vyhliadky do budúcnosti Napriek pomerne veľkému množstvu objavených asociácií doposiaľ žiadna štúdia nepriniesla dôkaz o úspešnej a hlavne presvedčivej replikácii týchto výsledkov. Nedávno však v tomto smere došlo k zásadnému prielomu, ktorý súvisí s potvrdenou replikáciou jedného zistenia. Jedná sa o štatisticky významnú asociáciu lokusu v sekvencii génu ZNF804A, ktorá bola potvrdená rozsiahlou meta-analýzou najlepších asociácii dosiahnutých v prvej fáze danej štúdie (O Donovan et al., 2008). ZNF804A predstavuje v súčasnosti najspoľahlivejšie doložený kandidátny gén spájaný s genetickým rizikom SZ svedčiaci o legitimite postavenia GWAS ako kľúčovej metódy pre výskum psychiatrických ochorení. Medzi ústredné aspekty genetickej architektúry komplexných ochorení vrátane SZ zaraďujeme počet regiónov nesúcich rizikové alely a mieru nimi sprostredkovaného genetického a fenotypického rizika. Kombinácia týchto faktorov vytvára tzv. alelické spektrum (Obr. 3). Podoba alelického spektra je vymedzená CDCV (Common Disease / Common Variant = Bežná choroba / Bežný variant) a CDRV (Common Disease / Rare Variant = Bežná choroba / Vzácny variant) modelom (Psychatric GWAS Consortium Steering Committee, 2009). Simulované modely, ktoré najspoľahlivejšie kopírovali distribúciu alel dosiahnutú v GWAS, naznačovali výrazné zastúpenie bežných sekvenčných variant. V kontraste s uvedenými výsledkami, modely zahŕňajúce iba malé množstvo vzácnych variant veľkého efektu, nedokázali uspokojivo vysvetliť pozorované rozloženia alel (The International Schizophrenia Consortium, 2009). Odhady vychádzajúce z experimentálnych údajov nasvedčujú tomu, že bežné sekvenčné varianty sú zodpovedné za približne tretinu geneticky podmienenej zložky rizika vzniku SZ. Možným vysvetlením týchto pozorovaní je skutočnosť, že znížená schopnosť reprodukcie súvisiaca s diagnózou schizofrénie vedie k vzniku selekčného tlaku vyvíjaného na alely s veľkým alebo stredne silným efektom, ktoré by sa tým pádom mali vyznačovať nízkymi frekvenciami výskytu v populácii (The International Schizophrenia Consortium, 2009). 21

Obr. 3 Obrázok ilustruje škálu závislosti frekvencie konkrétnej alely od veľkosti GRR združeného s príslušným variantom alely. Model CDRV popisuje efekty pozorované v ľavej hornej časti grafu, zatiaľ čo CDCV model vysvetľuje charakter pozorovanej závislosti v pravom dolnom rohu grafu (podľa The Psychiatric GWAS Consortium Steering Committee, 2009). Zaujímavú doménu, ktorá v poslednej dobe v súvislosti s GWAS vystúpila do popredia a nadobudla významné postavenie reprezentuje špecifický typ štruktúrnej variability tzv. CNVs (Copy Number Variations = Zmeny v počte kópií). Štruktúrna variabilita genómu zahŕňa všetky typy genetických variant, ktoré vyvolávajú zmenu v stavbe chromozómu. Zahŕňame sem aj duplikácie a delécie, súborne označované ako CNVs, ktoré predstavujú najrozšírenejší prvok štrukturálnej variability ľudského genómu (Merikangas et al., 2009). U pacientov so SZ v porovnaní so zdravými osobami bola zaznamenaná vyššia hodnota celkovej záťaže (1,15násobný nárast) spojenej s prítomnosťou vzácnych CNVs zastúpených v >1% vzorky a dlhších ako 100 kb. Tieto výsledky predstavujú významný argument v prospech modelu patogenézy SZ, ktorý zahŕňa pôsobenie viacerých vzácnych štruktúrnych variant, jednak celogenómového rozsahu ako aj lokalizovaných na špecifickom lokuse (The International Schizophrenia Consortium. 2008). S prehlbovaním poznatkov v tejto sfére súvisí aj objav 3 delécií na lokusoch 1q21.1, 15q11.2 a 15q13.3 vykazujúcich nominálnu asociáciu so SZ. Analýza kombinovanej vzorky 22

rozšírenej o pacientov s príbuznými psychózami viedla k ďalšiemu nárastu štatistického významu uvedených asociácii. Napriek skutočnosti, že identifikované asociácie zodpovedajú iba za zlomok genetického rizika SZ, predstavuje ich objav vzrušujúci posun vpred v rámci oblasti, ktorá sa stáva perspektívnym cieľom pre nadväzujúci výskum (Stefansson et al., 2008). Uvedené výsledky nasvedčujú, že na utváraní genetických dispozícií k vzniku SZ sa nezanedbateľnou mierou podieľa široká škála bežných sekvenčných variantov malého účinku. Postupne však začína byť čoraz menej pochybností o význame vzácnych sekvenčných variant, ktoré v tomto procese zohrávajú nezastupiteľnú rolu a prispievajú v značnej miere k zvýšeniu celkového rizika prepuknutia ochorenia. Pravdepodobným vyústením daného vývoja bude vytvorenie novej koncepcie architektúry geneticky podmieneného rizika SZ, ktorá bude predstavovať funkčnú syntézu modelov CDCV a CDRV, rozšírenú o nové poznatky v oboch oblastiach. Kritickou vlastnosťou GWAS zameraných na multifaktoriálne ochorenia medzi ktoré zaraďujeme aj SZ, je ich závislosť na subjektívnych a nekvantifikovaných informáciách získaných pri diagnostikovaní pacientov, čo vedie k strate údajov o menej zjavných rozdieloch v závažnosti ochorenia (Potkin et al., 2008). Gottesman a Gould (2003) predstavujú koncept QT (Quantitative Trait kvantitatívna črta), ktorý vychádza z predpokladu že pokiaľ sledovaný fenotyp predstavuje priamočiarejšiu črtu spojenú s špecifickým prejavom ochorenia, je variabilita v rámci daného endofenotypu podmienená menším počtom génov a je teda v užšom vzťahu k etiológii ochorenia. GWAS využívajú princíp QT pri neuropsychatrických poruchách iba v minimálnej možnej miere napriek tomu, že umožňuje zásadné zvýšenie jej štatistickej sily. Príkladom praktickej aplikácie tejto stratégie je integrácia diferenciálneho zobrazovania vzorov mozgovej aktivácie ako prvotného bodu analýzy založená na predpoklade, že zobrazenie mozgu odhalí dôležité patofyziologické rozdiely u subjektov so SZ a bez SZ (Potkin et al., 2008). QT tak predstavuje mimoriadne zaujímavý prístup so širokým uplatnením v GWAS, najmä v súvislosti s teoretickou potrebou zmeny v dizajne štúdií založenom na uprednostňovaní špecifickejšie stanoveného fenotypu tzv. endofenotypu na úkor jednoduchej psychiatrickej diagnózy. Budúcnosť GWAS sa teda bude vyznačovať zvyšovaním veľkosti vzoriek čo si bude vyžadovať zdieľanie získaných údajov medzi jednotlivými výskumnými skupinami. S narastajúcim množstvom údajov sa budú zvyšovať nároky na ich účelnú katalogizáciu v podobe rôznych databáz, ktoré by následne zjednodušili ich vzájomnú integráciu 23

prostredníctvom meta-analýz (typ analýzy kombinujúcej sumárne výsledky z dostupných štúdií) alebo mega-analýz (typ analýzy kombinujúcej údaje na úrovni individuálnych genotypov a fenotypov získaných v jednotlivých GWAS) (Psychatric GWAS Consortium Steering Committee, 2009). Pre ilustráciu možno uviesť vznik tzv. Psychatric GWAS Consortium, pozostávajúceho zo 110 zúčastnených vedcov zastupujúcich 54 inštitúcií z 11 krajín. Jeho zámerom je realizácia dôsledných a obsiahlych mega-analýz GWAS štúdií venovaných psychiatrickým poruchám (Psychatric GWAS Consortium Steering Committee, 2009). 24

4. Kandidátne gény Za poslednú dekádu bolo odhalených niekoľko asociácií génov zodpovedných za zvýšené riziko vzniku schizofrénie. Rozsah dôkazov prinášajúcich podporu pre jednotlivé objavy sa však výrazne líši. V súvislosti s niekoľkými kandidátnymi génmi bola zaznamenaná expresia mrna uvedených génov v mozgu, pričom jej miera je sprevádzaná výkyvmi, ktoré boli pozorované u postihnutých osôb (Tandon et al., 2008a). V nasledujúcich riadkoch sa budem venovať bližšiemu popisu kandidátnych génov, ktoré sa zaraďujú medzi najsľubnejšie na poli SZ. 4.1 Neuregulin-1 (NRG1) NRG1 predstavuje jeden z najvýznamnejších kandidátnych génov pre SZ. Jedná sa o gén situovaný na chromozóme 8, na ktorého význam poukazujú výsledky dosiahnuté v rámci viacerých väzobných štúdií. O jeho zásadnom postavení svedčí aj niekoľko vzájomne sa prekrývajúcich rizikových haplotypov, ktoré obsahujú iba jediný známy gén NRG1. Slabou stránkou genetických dôkazov v prospech NRG1 je skutočnosť, že doposiaľ nebola nájdená žiadna konkrétna mutácia, ktorej by sa dal prisúdiť jednoznačný podiel na zodpovednosti za vznik ochorenia (Stefansson et al., 2002). Ďalšie zistenia, podporujúce dôležitú úlohu NRG1, súvisia s výsledkami v oblasti mutantných myší. Mutanti, hypomorfní pre NRG1 a receptor pre NRG1, vykazujú správanie, ktoré sa čiastočne zhoduje s prvkami chovania pozorovaného u postihnutých osôb. Aplikácia antipsychotického preparátu clozapine, vedie k neúplnému zvráteniu týchto prejavov, čo ešte výraznejšie naznačuje na možnú analógiu medzi správaním NRG1 hypomorfných myší a schizofrénnym fenotypom (Stefansson et al., 2002). Gén NRG1 kóduje rodinu štruktúrne príbuzných proteínov, ktoré obsahujú doménu podobnú EGF-doméne (Epidermal Growth Factor faktor epidermálneho rastu) schopnú špecifickej aktivácie receptorových tyrozinových kináz patriacich do rodiny ErbB (Hahn et al., 2006). Mei a Xiong (2008) uvádzajú, NRG1 zvyšuje proliferáciu neuronálnych progenitorových buniek pochádzajúcich z embryonálnych kmeňových buniek a zároveň sa podieľa na mnohých daľších procesoch súvisiacich s neuronálnym vývojom, čo zdôrazňuje 25

predpokladanú rolu NRG1 v etiológii SZ. Okrem iného NRG1 signalizácia sa významne uplatňuje aj pri vývoji srdca. Najnovšie výskumy však naznačujú, že stimulácia prostredníctvom NRG1 vedie k potlačeniu aktivácie NMDA (N-methyl D-aspartát) receptoru, pričom uvedený efekt bol zreteľnejší u pacientov trpiacich SZ v porovnaní so zdravými jedincami, čo je v súlade s výraznejším stupňom NRG1-erbB4 signalizácie pozorovaným v súvislosti so SZ. Z uvedených zistení vyplýva, že vyššia miera NRG1 signalizácie môže prispievať k hypofunkcii NMDA receptoru pozorovanej v súvislosti so SZ (Hahn et al., 2006). 4.2 Dysbindin (DTNBP1) DTNBP1 predstavuje gén nachádzajúci sa na chromozóme 6, umiestnený v regióne 6p22.3, ktorý obsahuje niekoľko SNPs vykazujúcich vysoký stupeň asociácie so SZ. Na základe sily a súdržnosti výsledkov väzobnej analýzy sa zdá, že genetická variabilita v DTNBP1 pôsobí na riziko vzniku SZ a súvisiacich schizofrenických porúch (Straub et al., 2002). Metódou semikvantitatívnej PCR bola potvrdená prítomnosť transkriptov DTNBP1 vo veľkom množstve testovaných tkanív, rovnako ako v 12 odlišných regiónoch ľudského mozgu, čo svedčí o jeho významnom postavení vo vývoji centrálnej nervovej sústavy (Straub et al., 2002). Najvyššia koncentrácia DTNBP1 je lokalizovaná do oblasti synaptických spojení. Experimentálne údaje naznačujú, že DTNBP1 sa viaže hlavne na synaptické vezikuly a oblasti so zvýšenou postsynaptickou hustotou proteínov (Talbot et al., 2006). Zvýšená miera expresie DTNBP1 má za následok vzostup extracelulárnej hladiny glutamátu. Uvedená vlastnosť by mohla súvisieť s aktívnou rolou dysbindinu ako enzýmu zodpovedného za reguláciu excitačnej zložky nervového prenosu. Ďalšou funkciou, ktorú by mohol DTNBP1 plniť v organizme, je zvyšovanie schopnosti prežitia kortikálnych neurónov, založenej na PI3-kinázovej-Akt signálnej dráhe (Numakawa et al., 2004). Výskumy odhalili priamu závislosť medzi hladinou DTNBP1 a výskytom DRD2 dopaminového receptoru na povrchu niektorých druhov nervových buniek. Zobrazovacie metódy potvrdili zvýšené zastúpenie striatálnych DRD2 receptorov u pacientov so SZ, čo by mohlo byť zapríčinené zníženou tvorbou DTNBP1 (Iizuka et al., 2007). Zaujímavý mechanizmus, akým by sa DTNBP1 mohol podieľať na zvyšovaní rizika SZ, súvisí s vplyvom na špecifickú skupinu symptómov týkajúcich sa znížených kognitívnych funkcií. Vplyv DTNBP1 na kognitívne 26

schopnosti môže zvyšovať riziko schizofrénie iba nepriamo, keďže podobný efekt DTNBP1 bol pozorovaný aj v prípade zdravých osôb (Burdick et al., 2006). 4.3 Reelin (RELN) Aminokyselinová sekvencia proteínového produktu génu RELN neobsahuje stopy transmembránovej domény, na základe čoho sa predpokladá, že uvedená molekula plní úlohu extracelulárneho proteínu. Najvyššia miera expresie bola zaznamenaná v pokročilom štádiu embryonálneho vývoja a na začiatku post natálneho obdobia (D Arcangelo et al., 1995). Empirické dôkazy naznačujú, že RELN plní v organizme niekoľko životne dôležitých úloh vo vývoji nervovej sústavy. Zabezpečuje dodržiavanie schémy, podľa ktorej sa organizujú neuróny pri vytváraní bunečných zhlukov v priebehu rannej fázy vývoja jednotlivých oddielov mozgu (Ogawa et al., 1995). RELN sa súčasne podieľa na procese značenia topografických spojov, vetvení a raste individuálnych nervových vlákien a synaptogenéze hippokampálnych aferentných nervových dráh (Borrel et al., 1999). Zaujímavý objav, týkajúci sa funkčného uplatnenia RELN v organizme, súvisí s jeho rolou v kognitívnych procesoch. Niektoré alelické formy RELN, pri ktorých bola potvrdená asociácia v rámci GWAS, vedú k všeobecnému zhoršeniu výsledkov dosiahnutých v testoch zameraných na kontrolu kognitívnych funkcií u postihnutých osôb (Wedenoja et al., in press). RELN sa s veľkou pravdepodobnosťou podieľa aj na vzniku rozdielov spojených s veľkosťou ventrikulárnej komory, ktoré predstavujú jednu z najlepšie zdokumentovaných foriem štrukturálnej abnormality zaznamenanú v SZ (Gregório et al., 2009). Eastwood a Harrison (2003) odhalili vo vzorkách mozgovej kôry odobraných postmortem z mozgových tkanív SZ pacientov výrazný pokles v expresii RELN na úrovni neurónov intersticiálnej bielej hmoty (ďalej ako IWMNs = Interstitial White Matter Neurons) a neurónov I.vrstvy. Hladina RELN mrna stanovená v IWMNs vykazuje významnú koreláciu s pohlavím postihnutej osoby vzhľadom na skutočnosť, že k jej výraznej redukcii dochádza iba u mužských subjektov. 4.4 Disrupted- In- Schizophrenia 1 (DISC 1) DISC1 a DISC2 predstavujú 2 vzájomne sa prekrývajúce a antiparalelne usporiadané gény situované na chromozóme 1, u ktorých bol zaznamenaný zlom zapríčinený translokáciou 27