Rahvusvaheline HapMap-projekt

Rahvusvaheline HapMap-projekt on organisatsioon, mille eesmärk on tuvastada ja kataloogida geneetilisi sarnasusi inimestes, kaardistades inimgenoomi haplotüüpe. HapMap on oluline allikas teadlastele, leidmaks geneetilisi variante, mis mõjutavad tervist, haigusi, individuaalset vastuvõtlikkust ravimitele ja keskkonnale.
See, umbes 100 miljoni USA dollariga nii avaliku kui ka erasektori rahastatud konsortsium, on koostöö Jaapani, Suurbritannia, Kanada, Hiina, Nigeeria ja Ameerika Ühendriikide teadlaste ja rahastamisagentuuride vahel. Projekti alustati 2002. aasta oktoobris ja see pidi eeldatavalt kestma 3 aastat. Tulemused avaldati kolmes faasis, millest esimene avaldati 2005., teine 2007. ja kolmas 2009. aastal.
Taust ja mehhanism.
Haruldased mendellikult päritavad geneetilised haigused (hemofiilia, fenüülketonuuria, tsüstiline fibroos, sirprakuline aneemia jt) kanduvad edasi ühe geeni mitme erineva variandi puhul. Kuna geneetiliste variantide mõju on suur, siis pärandub haigus autosomaalset dominantset rada pidi. Mitmete geneetiliste ja keskkonnategurite põhjustatavate geneetilise eelsoodumusega haiguste (diabeet, vähk, ülekaalulisus, südame- ja veresoonkonnahaigused, psühhiaatrilised haigused ja põletikulised haigused) puhul aga esineb palju väikse ja liidetava mõjuga haigustpõhjustavaid geneetilisi alleele, mis tähendab, et uuritavat geneetilist materjali on rohkem. Haruldaste mendellikult päritavate haiguste puhul kasutatakse geenides mutatsioonide leidmiseks geenide koospärandumise analüüsi. See tähendab, et uuritakse geneetiliste markerite seoseid haigusega. Selline uurimisviis töötab, kuna mutatsioonid asuvad ühes geenis ja geneetilisi markereid pole palju. Kui sama uurimisviisi rakendada laialt levinud geneetilise eelsoodumusega haigustele, siis oleks vaja uurida tervet genoomi, aga see polnud võimalik terve genoomi sekveneerimise kõrge maksumuse tõttu. Küll aga võimaldas seda HapMap-projekt.
Kahe mittesuguluses oleva inimese genoomid sarnanevad omavahel üle 99%. Selle väikese erinevuse moodustavad üksiku nukleotiidi polümorfismid (SNP-d), mis tähendab, et kahelt inimeselt saadud desoksüribonukleiinhappe (DNA) lõigud erinevad üksteisest ühe nukleotiidi poolest ning igat tekkivat geenivarianti nimetatakse alleeliks. Selliseid üksiku nukleotiidi polümorfisme esineb 200–300 aluspaari tagant. SNP-de kombinatsiooni ühes kromosoomiosas nimetatakse haplotüübiks. Igale kromosoomile on iseloomulik oma haplotüüp. Haplotüübid esinevad haplotüübiplokkidena, mis sisaldavad mõne kuni mõnikümmend SNP-d. Need on suhteliselt muutumatud, kuna neis ei toimu homoloogilist rekombinatsiooni. Seega üksteisele lähedal asuvad SNP-d päranduvad koos ja kaugel asuvad eraldi. Konkreetse indiviidi puhul piisab haplotüübiploki kindlakstegemisel vaid ühe iseloomuliku SNP väljaselgitamisest ja seda SNP-d nimetatakse märgistatud SNP-ks (inglise keeles "tag-SNP").
HapMapi eesmärgiks oligi kaardistada inimese genoom haplotüübiplokkidena, mis kirjeldaks inimese geneetiliste variatsioonide mustreid. Genoomi kaardistamine haplotüüpideks võimaldas tuvastada haplotüübigruppe esindavad märgistatud SNP-d. Selline lähenemine võimaldas teostada genotüüpimist odavamalt ja efektiivsemalt, kui terve genoomi sekveneerimine.
Uuritava haiguse geneetiliste faktorite leidmiseks esmalt tuvastatakse kindel genoomi piirkond. Seejärel on vaja leida märgistatud SNP-d HapMap’i andmetest, mille kaudu saab teada ka ülejäänud SNP-de alleelid ja sellest tulenevalt ka inimese haplotüübi. Sellist protseduuri korratakse mitme haige ja terve inimesega ning seejärel võrreldakse tulemusi mõlemast grupist. Sellisest uuringust peaksid selguma genoomi piirkonnad ja haplotüübid, mis on haigusega seotud.
Teaduskeskused.
Genotüüpimine viidi läbi 10 teaduskeskuse poolt.
Kanada uurimisgruppi juhtis Thomas J. Hudson McGilli Ülikoolist, Montrealist. See grupp uuris kromosoome 2 ja 4p. Hiina uurimisgrupp koonsnes keskustest Pekingis, Shanghais ja Hongkongis. Gruppi juhtis Huanming Yang ja keskenduti kromosoomidele 3, 8p ja 21. Jaapani tiimi eesotsas seisis Yusuke Nakamura Tokyo Ülikoolist ja keskenduti kromosoomidele 5, 11, 14, 15, 16, 17 ja 19. Briti tiimi juhtis David R. Bentley Sanger’i Instituudist ja seal uuriti kromosoome 1, 6, 10, 13 ja 20. Ameerika Ühendriikidest osales projektis 4 genotüüpimiskeskust: Uurimisrühm, mida juhtisid Mark Chee ja Arnold Oliphant Illumina Inc firmast, San Diegost (uurisid kromosoome 8q, 9, 18q, 22 ja X); Cambridge’s USAs asuv Broad Instituut, mida juhtis David Altshuler (keskenduti kromosoomidele 4q, 7q, 18q, Y ja mitokondri kromosoom); tiim Houstonist, Baylor’i Meditsiinokolledžist, mida juhtis Richard A. Gibbs (kromosoom 12) ja uurimisrühm California Ülikoolist San Franciscost, mille eesotsas seisis Pui-Yan Kwok (kromosoom 7p).
Kasutatud proovid.
Rahvusvaheline HapMap-projekt analüüsib Aafrika, Aasia ja Euroopa päritoluga populatsioonide DNA-d. Sellised DNA proovid valiti, et HapMapi teadlased saaksid tuvastada maailma populatsioonide levinuimad haplotüübid.
Inimliigi lühikese ajaloo tõttu esinevad levinud haplotüübid peaaegu kõigis inimpopulatsioonides. Küll aga võib esineda iga haplotüüp ühes populatsioonis rohkem kui teises ning uuemad haplotüübid võivad esineda vaid ühes populatsioonis. Et kõige efektiivsemalt haplotüüpe tuvastavaid märgistatud SNP-sid valida, on vajalik välja selgitada haplotüüpide sagedus mitmetes populatsioonides. Samuti aitavad mitme populatsiooni geneetilised andmed uurida geneetilist mõju haigustele, mis on vähem või rohkem levinud erinevates gruppides.
Valim koosnes neljast populatsioonist: 90 inimesest (30 vanemad-laps triot) Yoruba etnilisest grupist Ibdanist, Nigeeriast (YRI); 90 Põhja- ja Lääne-Euroopa päritoluga inimest (30 triot) Utah'st, Ameerika Ühendriikidest (CEU); 45 han-hiinlast (Hiina suurim etniline grupp) Pekingist, Hiinast (CHB); 44 inimesest Tokyost, Jaapanist (JPT). III faasis uuriti lisaks esialgsele 269 inimesele veel 1184 indiviidi 11-st maailma populatsioonist.
Indiviididelt võetud vereproovid konverteeriti rakuliinideks, millega DNA-d paljundati.
Eetiliste probleemide vältimiseks tehti proovi andnud indiviidide kohta saadavaks infot vaid nende soo ja kuuluvuse (üks neljast populatsioonist) kohta. Vanemad-laps triode puhul avaldati ka see sugulussuhe. Meditsiinilisi ja fenotüübilisi andmeid doonorite kohta ei avaldatud.
Tulemused.
HapMap-projekti I faasi eesmärgiks pandi ühe üksiku nukleotiidi polümorfismi genotüüpimine iga 5 kilobaasi tagant üle 269 indiviidi genoomi. Uuriti ainult neid SNP-sid, mille harvima alleeli sagedus oli suurem, kui 0,05. Et uuringut võrrelda täiuslikuma andmebaasiga, valiti välja kümme 500 kilobaasi pikkust järjestust ENCODE-projektist, millest kõik sekveneeriti 48 indiviidil ja need järjestused genotüübiti kõigi 269 doonori DNA-des.
I faasiga genotüübiti üle miljoni SNP, millest 300 000 olid märgistatud SNP-d. ENCODE-järjestustes genotüübiti kõik SNP-d, keskmiselt üks iga 279 aluspaari tagant. Uuringust saadud andmeid analüüsiti, et uurida genoomilõikude ja SNP-de vahelist aheldatuse tasakaalutust (inglise keeles "linkage disequilibrium").
II faasiga genotüübiti juurde kaks miljonit SNP-d, umbes üks iga 1000 kilobaasi tagant. Tuvastati üle 32 000 rekombinatsiooni kuumkoha, kus toimub 60% kõigist rekombinatsioonidest, aga DNA järjestusest moodustab ainult 6%.
III faasiga lisandus veel 1,6 miljonit SNP-d 1184 inimeselt 11 maailma populatsioonist. Lisaks sekveneeriti kümme 100 kilobaasist ENCODE-järjestust 692 inimesel.
Ligipääs andmetele.
Kõik projekti käigus saadud andmed avalikustati Internetis ja need on kõigi jaoks tasuta allalaaditavad. Nende andmete hulka kuuluvad SNP sagedused, genotüübid ja haplotüübid. Projekti koduleht sisaldab ka genoomi lehitsejat, mis lubab leida SNP-sid igast huvipakkuvast regioonist, nende alleelide sagedusi ja seoseid lähedal asuvate SNP-dega. Samuti on olemas tööriist, millega leida regioonidele vastavad märgistatud SNP-d.