מחקרי אסוציאציה כלל גנומיים (Genome wide association study, בראשי תיבות GWAS) הם הסוג הנפוץ ביותר של מחקרי אסוציאציה כיום. GWAS מאפשר חיפוש אסוציאציה בין אוסף גדול של אתרים פולימורפיים (בדרך כלל של סניפּים) ברחבי הגנום לתכונה או מחלה מסוימת. השימוש השכיח ביותר נובע ממניעים קליניים, במטרה למצוא אסוציאציה בין סניפּים לנטייה לפתח מחלות מורכבות באדם, אך ניתן באופן דומה לחפש אסוציאציות ביצורים אחרים ולפנוטיפים שאינם קשורים למחלה.
כשמם, מחקרי אסוציאציה כלל גנומיים סורקים את כל הגנום, בניגוד לשיטות אחרות המתמקדות באתר גנומי (לוקוס) מסוים או מספר קטן של גנים באופן פרטני. כלומר, מדובר בשיטה בלתי מוטה אשר אינה מניחה כל הנחה על המיקום הגנומי המעורב בקביעת הפנוטיפ הנבדק, בניגוד למחקרי אסוציאציה המתבססים על גנים מועמדים (ראו פירוט מטה). בחינה של כל הגנום מגדילה משמעותית את הסיכוי למצוא אללים המצויים באסוציאציה עם הפנוטיפ. עם זאת, כיוון שהסיכוי למצוא אסוציאציות ללא קשר סיבתי גדל גם כן, לא ניתן להסיק מניסוי זה אילו גנים או אזורים בקרתיים גורמים בוודאות, או לוקחים חלק תפקודי בפנוטיפ. כדי להעריך את המשמעות התפקודית של אתר שנתגלה כבעל אסוציאציה לנטייה לפתח פנוטיפ מסוים, על החוקרים לבצע ניסויי המשך, בדרך כלל ניסויים הבוחנים את פעילות הלוקוס בתאים בתרבית, או בחיות מודל.
עיצוב המחקר הנפוץ ביותר למחקרי אסוציאציה כלל גנומיים הוא מקרה-בקרה (case-control), בו משווים בין שתי קבוצות של פרטים, אחת מורכבת מחולים או פרטים בעלי תכונה נבדקת, והשנייה מורכבת מפרטים בריאים או פרטים ללא התכונה. בעזרת שיטות כמו מערך סניפּים , נבדקים האללים של הפרטים במספר רב של סניפּים, בדרך כלל יותר ממיליון. לאחר מכן, עבור כל אתר פולימורפי, תדירות האלל מחושבת ונבדקת, על מנת לגלות אם היא משתנה בצורה מובהקת בין שתי הקבוצות בעזרת הסקה סטטיסטית. אם היא קיימת, מקובל לדווח על חוזק האסוציאציה בעזרת יחס הסתברויות (odds ratio), המנה של חלוקה בין ההסתברות לאלל מסוים להסתברות לאלל אחר. לדוגמה, עבור וריאנט בעל שני אללים: T ו-C, יהא מספר הפרטים בקבוצת המקרה עם האלל 'A' T, ובקבוצת הבקרה יהא ‘B’. באופן דומה, מספר הפרטים בעלי האלל C בקבוצת המקרה יהיה ‘C’ ובקבוצת הבקרה ‘D’, כך שיחס ההסתברויות הוא
formula_1
כאשר אלל מסוים קיים יותר אצל קבוצת המקרה, מספר זה יהיה גדול מ-1. בנוסף ליחס ההסתברויות, מקובל לחשב ערך הסתברותי (p) המתבסס בדרך כלל על מבחן חי בריבוע. עקב הכמות הגדולה של סניפּים שנבדקים, מקובל להחשיב רק ערכי p נמוכים מאוד (בדרך כלל קטן מ 5x10-8) כמובהקים סטטיסטית. במטרה להפחית עלויות ולהגדיל את הסיכוי למצוא אסוציאציות, ניתן להשתמש בתהליך יחוס גנטי . על בסיס סניפּים שנבדקו ניסויית המאפיינים הפלוטיפ מסוים , ניתן להסיק מהו האלל הסביר של וריאנטים נוספים המשתייכים לאותו ההפלוטיפ. פרויקט HapMap שפורסם לראשונה ב-2005, מכיל מאגר גדול של סניפּים אופייניים לכל הפלוטיפ ברחבי גנום האדם, ומהווה כלי שבעזרתו חוקרים יכולים לבצע יחוס גנטי ובכך להגדיל משמעותית את מאגר הסניפּים ואת הסיכוי למצוא אסוציאציות. כיום, פרויקט 1000 הגנומים עבר את HapMap כמאגר הסניפּים הגדול ביותר.
מעבר לכך, ידוע שווריאנטים רבים מאפיינים אוכלוסיות בעלות קשר אתני או גאוגרפי, עקב מוצא משותף בו התפתחו לראשונה אותם הווארינטים. לכן, מחקרי אסוציאציה חייבים לקחת בחשבון את הרקע הגאוגרפי והאתני של הפרטים הנבדקים. אחרת, ייתכן והמחקר יניב תוצאות חיוביות כוזבות (false positive).
על מנת להציג את המידע שחושב באנליזה הסטטיסטית, יחסי ההסתברויות המודדים את גודל האפקט וערכי p, מקובל להשתמש בגרף מנהטן . בגרף מיוצג הלוגריתם השלילי של ערך ה-p כפונקציה של מיקום גנטי, כך הסניפּים עם האסוציאציה החזקה ביותר (ערך p קטן מאוד) מופיעים כעמדות גבוהות בגרף.
השימוש הראשון ב-GWAS שפורסם היה ב-2001, במחקר בו נמצאה אסוציאציה בין סניפּ הממוקם בגן lymphotoxin-α , חלבון שמופרש מלימפוציטים וקשור למוות תאים מתוכנן (אפופטוזה) וחלוקת תאים, לאוטם שריר הלב. נכון ל-2020, התבצעו כמעט 5000 מחקרי אסוציאציה שונים ליותר מ-2000 תכונות ומחלות.
מבחן גנים מועמדים.
בניגוד למחקרי אסוציאציה כלל גנומיים, מבחני גנים מועמדים מתמקדים במציאת אסוציאציה בין וריאנטים הממוקמים בגנים שנבחרו מראש כמוקדי עניין לתכונה או מחלה. סוג מבחן זה מתאים כאשר לחוקרים יש ידע מוקדם על ההשפעה הפונקציונלית של אותם גנים על התכונה או המחלה הנבדקת. הרעיון המרכזי מאחורי שיטה זו, המתמקדת בווריאציה באתרים גנומיים ספציפיים הוא שמוטציות מסוימות ישפיעו באופן ישיר (קשר סיבתי) על תפקוד הגן בו הם נמצאות, וזה יוביל או יתרום לפנוטיפ השונה או המחלה הנחקרת. מבנה המבחן הנפוץ ביותר לשיטה זו הוא מקרה-בקרה, המנסה לענות על השאלה: "האם אלל מסוים של גן מועמד נפוץ יותר בקבוצה בעלת הפנוטיפ מאשר בקבוצת הביקורת?".
בחירה נכונה של גנים מועמדים היא השלב הקריטי הראשון למציאת אסוציאציות בשיטה זו. הבחירה מתבססת על רלוונטיות ביולוגית, פיזיולוגית או פונקציונלית לפנוטיפ או המחלה הנבדקת. גישה זו תלויה בידע מוקדם ומבוסס על המנגנון הביולוגי המולקולרי שמוביל להתהוות הפנוטיפ או המחלה. ניתן למצוא גנים מועמדים בעזרת שיטות כמו GWAS ומיפוי לוקוס תכונה כמותית בוחנות שונות בכל הגנום, ולכן יכולות לאתר אתרים חדשים בהם יש אללים אסוציאטיביים למחלה, ייתכן שאתרים אלה נמצאים בתוך, או סמוכים לגנים הקשורים באופן ישיר למחלה. בנוסף, ניתן להשתמש בנתונים מהערכת רמת ביטוי גנים במערך דנ"א (micro-array) או ריצוף רנ"א (RNA-seq) כדי לבחון ביטוי גנים דיפרנציאלי בין קבוצה בעלת פנוטיפ לקבוצת ביקורת, וכך למצוא גנים מועמדים נוספים (הגנים המתבטאים באורח שונה בין שתי הקבוצות).
מחקר של גנים מועמדים שואף לאזן את כמות המידע הקיים עם הסיכוי לקבל תוצאות כזב חיוביות או שליליות. בגלל הקושי בשמירה על איזון שכזה, במחקרי אסוציאציה רבים מתקבלות אסוציאציות סתמיות. לדוגמה, הדמיה של מחקרי אסוציאציה עם 10 סניפּים שנמצאו בעבר כקורלטיביים לפעילות קוגניטיבית הראו שברוב המקרים (96.8%) ההדמיות מייצרות תוצאות כזב חיוביות. בנוסף, למחקרי אסוציאציה ככלל, ומבחני גנים מועמדים בפרט, יש הדירות נמוכה הנובעת מאותה הסתברות לתוצאות שקריות. במטא-אנליזה, אחת התגלה כי מתוך 166 אסוציאציות שנתגלו, רק שש חזרו על עצמן בצורה עקבית. קיימות דוגמאות למקרי שגיאה קיצוניים: מחקר של 18 גנים מועמדים שנמצאו באסוציאציה לדיכאון ב־10 מחקרים נפרדים לפחות, גילה כי אף אחד מהם לא הראה אסוציאציה מובהקת עם דיכאון במחקר בו ניסו לשחזר את התוצאות, וזאת אף על פי שעבדו עם גודל מדגם גדול בכמה סדרי גודל מהמחקרים המקוריים. בנוסף לבעיות בכוח סטטיסטי, קיומו של ריבוד באוכלוסייה (population stratification) יכול גם כן להוביל לחוסר העקביות של תגליות העולות ממחקרי אסוציאציה.
אחת הדוגמאות המוקדמות ביותר לשימוש מוצלח בסוג מבחן זה הייתה בזיהוי מוטציה בבסיס (נוקלאוטיד) יחיד הממוקמת באזור הלא מקודד של הגן APOC3 , אשר מיוחסת לסיכון גבוה לסבול מעודף טריגליצרידים בדם וטרשת עורקים.
דוגמאות נבחרות.
המוטיבציה לרוב מבחני האסוציאציה היא קלינית, במטרה לאתר אסוציאציות בין אתרים פולימורפיים למחלות נפוצות ומורכבות בבני אדם, לעיתים כשלב מקדים לחיפוש גנים או אתרים רגולטוריים התורמים למחלה. מלבד מחלות מורכבות, חוקרים מבצעים מחקרי אסוציאציה כדי לאתר את הגורמים הגנטיים המעורבים בתכונות פיזיות כגון גובה, משקל ויחס מותניים-ירכיים ובתכונות פסיכולוגיות, כמו התמכרות לעישון.
סוכרת מסוג II.
סוכרת מסוג II מאופיינת בחוסר תגובתיות לאינסולין (Insulin resistance) ועודף אינסולין בדם . בחלק ניכר מן החולים מתפתח חוסר ניצול גלוקוז ועודף גלוקוז בדם. המחלה נגרמת משילוב של פקטורים גנטיים וסביבתיים. מבחינה גנטית, מדובר במחלה מורכבת המערבת מספר רב של גנים שכל אחד מהם תורם במידה שונה להתפתחות המחלה. סוכרת מסוג II היא אחת המחלות הנחקרות ביותר במחקרי אסוציאציה - ב-144 מחקרי אסוציאציה נפרדים, התגלו כ-2284 סניפּים אסוציאטיביים למחלה. הסניפּים שמראים את האסוציאציות החזקות ביותר ממוקמים בפקטורי תיעתוק ושחקנים מרכזיים אחרים בשמירה על הומאוסטאסיס של גלוקוז והפרשת אינסולין.
דלקת מפרקים שיגרונית.
דלקת מפרקים שיגרונית היא מחלה אוטואימונית כרונית רב-מערכתית המאופיינת בדלקת רב-מפרקית, יחד עם חום, נפיחות, כאב ולעיתים, בפגיעה מערכתית מחוץ למפרקים. המחלה מתרחשת בעקבות שילוב של גורמים גנטיים וסביבתיים. מדובר במחלה חשוכת מרפא ונפוצה יחסית, המשפיעה על בין 0.5 ל-1% מהאוכלוסייה המבוגרת בעולם המפותח. מסיבות אלה, ישנם מחקרי אסוציאציה רבים המנסים לחשוף את הווריאנטים שתורמים להתפתחות המחלה. נכון ל-2020 נמצאו כ-941 סניפּים ב-67 מחקרים נפרדים. מספר רב של סניפּים ממוקמים בגן HLA-DRB1 המקודד לחלבון ממברנה MHC class I שתפקידו לאפשר לתאים של מערכת החיסון להבדיל בין תאים פגומים שצריך להשמיד (לדוגמה, מודבקים על ידי נגיף או גידול סרטני) לתאים במצב תקין.
מדד מסת גוף.