Mendelistinen satunnaistaminen

Mendelistinen satunnaistaminen on tutkimusmenetelmä. Sitä käytetään Mendelistisissä satunnaistamiskokeissa eli MS-kokeissa selvittämään esimerkiksi sairauden ja sille ehkä altistavan riskitekijän välistä yhteyttä hyödyntämällä tietoa riskitekijään tunnetulla tavalla vaikuttavien geenien vaihtoehtomuodoista eli alleeleista. MS-kokeessa alleelien vaikutus riskitekijään selvitetään tai sitten ne tunnetaan jo ennakkoon.

Riskitekijän kasvu (tai väheneminen) voi lisätä sairauden yleisyyttä koehenkilöissä, mutta voi myös olla, että jokin tuntematon häiriötekijä lisää riskitekijän ja sairauden yleisyyttä samanaikaisesti. Tällöin riskitekijä vaikuttaa virheellisesti aiheuttavan sairauden. Toisaalta vaikutus voi olla käänteinen, eli sairauden pahentuminen lisääkin riskitekijän määrää. Jos näitä asioita ei huomioida jossakin kokeessa, voivat koetulokset olla epäluotettavia. MS-kokeissa häiriötekijät ja käänteiset vaikutukset ovat periaatteessa vähäiset, sillä alleelit jakautuvat koehenkilöissä hedelmöittymisen yhteydessä satunnaisesti ja häiriötekijöistä riippumattomasti. Alleelit taas ovat muuttumattomat, eli riskitekijät eivät voi käänteisesti vaikuttaa ihmisten geneettiseen koodiin.

Jos asiaa yleistetään, ovat hyvin laaditut MS-kokeet tuloksiltaan luotettavampia kuin esimerkiksi kohorttitutkimukset tai tapaus-verrokkitutkimukset. MS-kokeet ovat taas keskimäärin vähemmän luotettavia kuin vaikkapa satunnaistetut vertailukokeet (RCT) tai RCT:itä tarkastelevat systemaattiset kirjallisuuskatsaukset.

Historia
Alankomaalainen tutkija Martijn B. Katan keksi MS-koeasetelman vuonna 1986 ehdottaessaan veren kolesterolipitoisuuteen vaikuttavien apolipoproteiini E:n alleelien käyttöä veren kolesterolin ja syöpien välisen yhteyden selvittämiseen. Tapa, jolla alleeleita käsitellään MS:ssä, tosin on verrannollinen ekonometrian intrumenttimuuttujien käyttöön, jotka Philip Green Wright and Sewall Wright keksivät jo vuonna 1928. Sanaa "Mendelistinen satunnaistaminen" käyttivät ensimmäisinä Richard Gray ja Keith Wheatley vuonna 1991. Sana tulee varhaisen periytymistutkija Gregor Mendelin sukunimestä ja siitä, että alleelit määräytyvät hedelmöittymisestä alkaen periaatteessa satunnaisesti. MS-kokeet ovat alkaneet yleistyä vuosista 2007–2010 alkaen geenitutkimuksen kehityksen myötä.

Yleistä

Havaintotutkimusten ja kontrolloitujen kokeiden ongelmat
Jonkin riskitekijän ja lopputuleman välillä voidaan epäillä olevan yhteys. Yleensä MS-kokeissa tarkasteltuun riskitekijään voitaisiin vaikuttaa esimerkiksi lääkkein tai elintapamuutoksin. Riskitekijään vaikuttavia hoitoja ei kuitenkaan kannata lähteä kehittämään tai suosittelemaan, ellei ole varmaa, että ne vaikuttavat lopputulemaan, joka voisi olla vaikkapa jokin sairaus.

Oletetaan, että riskitekijä on runsas etanolin juonti ja lopputulema on kohonnut verenpaine. Riskitekijän ja lopputuleman välisen syy-seuraussuhteen osoittamiseksi voidaan tehdä havaintotutkimus, jossa mitataan ison ihmisryhmän riskitekijän (etanolin kulutuksen) ja lopputuleman (verenpaineen) määrät. Vaikka yhteys saatetaan havaita tutkimuksessa, ei se tarkoita suoraa syy-seuraussuhdetta. Jokin tuntematon häiriötekijä (eng. confounder) voi lisätä riskitekijän ja lopputuleman yleisyyttä samanaikaisesti, jolloin riskitekijä vaikuttaa virheellisesti lisäävän lopputulemaa. Etanolin juonnin ja verenpaineen kohdalla kyseessä voi olla vaikkapa tupakointi. Ihmiset, jotka juovat enemmän, voivat myös polttaa enemmän, ja todellinen syy verenpaineen kohoamiselle voisikin olla tupakointi. Tällaisia häiriötekijöitä voi olla monia. Syy-seuraussuhde voi myös olla käänteinen (eng. reverse causation): lopputulema siis vaikuttaa riskitekijään, eikä päinvastoin. Havaintotutkimuksessa etanolin ja verenpaineen kohdalla voidaankin havaita, että etanolin juonti laskee verenpainetta. Tällöin oikeasti kyse voikin olla siitä, että korkean verenpaineen omaavat ihmiset juovat vähemmän, koska he tulevat etanolista helpommin huonovointiseksi.

Havaintotutkimus ei siis aina tuota luotettavia tuloksia. Tuloksiltaan luotettavimmissa satunnaistetuissa vertailukokeissa (RCT:issä) taas huomioidaan monia koehenkilöiden elintapoihin, ympäristöön ja muihin asioihin liittyviä häiriötekijöitä. Sitten henkilöt jaetaan satunnaisesti huomioiduilta asioilta keskimäärin mahdollisimman samanlaisiin ryhmiin. Ryhmissä riskitekijään vaikutetaan tietyn ajanjakson ajan mitattavissa olevalla tavalla, jolloin riskitekijän saatetaan havaita vaikuttavan lopputulemaan mitattavissa olevalla tavalla. RCT:issä voi silti jäädä huomioimatta tärkeitä häiriötekijöitä, eikä käänteistä syy-seuraussuhdetta voida välttämättä sulkea pois. RCT:itä voi kuitenkin olla kallista tai mahdotonta suorittaa verrattuna havaintokokeisiin. Koehenkilöiden altistaminen riskitekijälle voi myös olla epäeettistä.

MS-kokeiden edut
MS-kokeissa tarkastellaan sopivien geenien alleelien vaikutusta riskitekijään, jolloin geneettisistä syistä lisääntyneen tai vähentyneen riskitekijän määrän vaikutusta lopputulemaan voidaan tarkastella. Satunnaistaminen tapahtuu luonnostaan, sillä alleelit määräytyvät koehenkilöille satunnaisesti hedelmöittymisestä alkaen. Tuntemattomat häiriötekijät eivät siis periaatteessa voi vääristää koetuloksia, eikä satunnaistamista tarvitse tehdä manuaalisesti toisin kuin RCT:issä. Lisäksi käänteinen syy-seuraussuhde alleelin ja riskitekijän välillä ei päde, sillä alleelit ovat käytännössä muuttumattomia. Lisäksi alleeli on elinikäinen, joten altistus riskitekijälle on ollut pitkäkestoista ja aina yhtä suurta. MS-kokeen voidaan siis tulkita jatkuneen koehenkilöiden elinajan verran. Alleelien tulee kuitenkin noudattaa alleelien säännöt -kohdan sääntöjä, jotta niitä voidaan soveltaa MS-kokeessa.

Esimerkiksi etanolin juonnin ja verenpaineen syy-seuraussuhteen tarkastelussa MS-kokeessa voitaisiin käyttää aldehydidehydrogenaasin (ALDH) geenin alleeleita. ALDH hajottaa etanolista muodostunutta asetaldehydiä. Heikkotoimista ALDH:ta koodaavan alleelin omaavilla ihmisillä kehoon kertyy enemmän asetaldehydiä heidän juodessaan etanolia, kuin ihmisillä, joilla ALDH on tehokkaampi. Asetaldehydin kertyminen kehoon aiheuttaa punastumisreaktion ja muita epämiellyttäviä vaikutuksia. Siksi heikkotoimisen alleelin omaavien ihmisten on osoitettu juovan vähemmän etanolia kuin tehokkaamman alleelin omaavat. Kun koehenkilöiden ALDH-alleelit, etanolin keskimääräinen kulutus ja verenpaine mitataan, voidaan periaatteessa saada selville se, että kohottaako etanolin juonti verenpainetta vai ei.

MS-kokeet käytännössä
MS-kokeissa tarkastellaan usein monia geenejä ja niiden alleeleita, sillä yksittäisen geenin vaikutus riskitekijään voi olla liian heikko. Nykyään MS-kokeisiin mukaan otettu tieto alleeleista ja niiden vaikutuksista koehenkilöiden riskitekijään on saatu koko genomin assosiaatioanalyyseistä (GWAS), joissa yhteys alleelien ja riskitekijöiden välillä on jo osoitettu vahvasti. Siksi tällaisissa MS-kokeissa tarkastellaan tämän tiedon avulla vain riskitekijän ja lopputuleman yhteyttä, eikä yhteyttä alleelien ja riskitekijän välillä pyritä osoittamaan uudelleen. Näitä kahdella eri koehenkilöryhmällä tehtyjä MS-kokeita sanotaan englanniksi nimellä two-sample mendelian randomization. Jos alleelien, riskitekijän ja lopputuleman välinen yhteys selvitetään samassa MS-kokeessa samalla koehenkilöryhmällä, on kyse niin sanotusta single-sample -MS-kokeesta. Kaksisuuntaisissa (eng. bidirectional) MS-kokeissa selvitetään riskitekijän lisäksi lopputulemaan vaikuttavat alleelit. Näissä MS-kokeissa voidaan selvittää luotettavammin riskitekijän ja lopputuleman välisiä käänteisiä syy-seuraussuhteita.

Sanasto
MS-kokeessa alleelia saatetaan kutsua englanniksi nimellä instrumental variable (instrumenttimuuttuja). Usein MS-kokeissa tarkastellaan monia riskitekijään vaikuttavia alleeleita, joiden lukumäärästä käytetään englanniksi nimeä allele score.

Alleelien tulee omata kyllin suuri vaikutus lopputulemaan. Heikosti vaikuttavien alleelien tarkastelu yhdessä vähäisen koehenkilöiden määrän eli pienen otannan kanssa voi johtaa virheellisiin tutkimustuloksiin. Tätä virhettä sanotaan englanniksi nimellä weak instrument bias.

Jos alleeli vaikuttaa jonkun muun riskitekijän kautta lopputulemaan, kuin vain tarkastellun riskitekijän kautta, kutsutaan tätä ilmiötä englanniksi nimellä horizontal pleiotropy (tämä vaikutus rikkoo alleelien sääntöjen kolmatta sääntöä). Nimeä vertical pleiotropy käytetään MS-kokeessa tarkastellun riskitekijän kautta välittyvistä vaikutuksista riippumatta siitä, että vaikuttavatko ne kokeessa tarkasteltuun lopputulemaan vai johonkin muuhun lopputulemaan.

Alleelien säännöt
MS-kokeeseen valitun geenin kuhunkin alleeliin tulee päteä kolme sääntöä, jotta alleelia voidaan käyttää luotettavasti kokeessa:
alleelin tulee liittyä tunnetulla tavalla tarkasteltuun lopputulemaan.
häiriötekijät eivät saa vaikuttaa samanaikaisesti alleeliin ja lopputulemaan.
alleeli ei saa vaikuttaa lopputulemaan muiden riskitekijöiden kautta kuin tarkastellun riskitekijän kautta.

Jossakin MS-kokeessa alleeli voisi olla vaikkapa jokin etanolin keskeisimpiin aineenvaihduntatuotteisiin lukeutuvaa asetaldehydiä hajottavan aldehydidehydrogenaasin alleeleista, riskitekijä etanolin juonti ja lopputulema verenpaine. Tällaisessa kokeessa voidaan siis selvittää, että miten juodun etanolin määrä vaikuttaa jollakin aikavälillä verenpaineeseen.

1. sääntö pätee kokeeseen valituille alleeleille vain, jos kunkin alleelin vaikutus etanolin kulutukseen tunnetaan niin hyvin, että siihen liittyvän kulutuksen todennäköisyydelle voidaan antaa jokin numeroarvo. 2. sääntö ei päde esimerkiksi jos alleeli on yleinen tietyllä etnisellä ihmisryhmällä, joilla on etnisyyteen liittyvien (mutta etanolin kulutukseen liittymättömien) kulttuurillisten syiden takia matala verenpaine. 3. sääntö ei päde esimerkiksi jos aldehydidehydrogenaasin alleelit vaikuttavat samanaikaisesti myös tupakointiin, jonka taas tiedetään vaikuttavan verenpaineeseen. Oikeasti alleelin ei voida täysin osoittaa noudattavan 2. tai 3. sääntöä, sillä todisteiden puute näiden sääntöjen vastaisista vaikutuksista ei tarkoita sitä, etteikö niitä olisi.

Katso myös
Instrumenttimuuttuja

Lähteet

Aiheesta muualla
Making sense of Mendelian randomisation and its use in health research 
Tutkimus