Tidsskrift for norsk psykologforening
03.05.2017
VITENSKAPELIG ARTIKKEL TIDSSKRIFT FOR NORSK PSYKOLOGFORENING 2017 S. 454-465 FAGFELLEVURDERT ROAR FOSSE, Klinikk for psykisk helse og rus, Vestre Viken. KONTAKT roar.fosse@vestreviken.no En rekke DNA-varianter er assosiert med schizofreni, men den forklarte variansen er beskjeden.
Hypotesen om genetisk sårbarhet eller predisposisjon for vedvarende, ikke-affektive psykoser (schizofreni) hviler på observasjoner av at risikoen for lidelsene øker proporsjonalt med hvor nær i slekt vi er med en person med en slik diagnose (Gottesman, 1991). Basert på tvillingstudier har atferdsgenetikere estimert at 44 til 87 % av variasjonen i schizofreni i befolkningen kan forklares med genetiske forskjeller (arvelighet) (Sullivan, Kendler, & Neale, 2003). En kritikk mot tvillingstudier og andre atferdsgenetiske metoder er imidlertid at de er uegnet til å skille mellom (genetisk) arv og miljø, slik at arvelighetsestimatene er ugyldige (Fosse, 2013; Fosse, Joseph, & Richardson, 2015; Joseph, 2006, 2015; Lewontin, Rose, & Kamin, 1984). Direkte studier av variasjoner i DNA-strukturen vil gi sikrere kunnskap om genetiske bidrag til schizofreni.
Frem til ca. 2008 var hovedstrategien i den molekylærgenetiske forskningen å undersøke betydningen av gener for nevrobiologiske prosesser som man antok var endret i schizofreni (kandidatgener), for eksempel genene betegnet som COMT og DRD2 for dopaminfunksjon. I innledende publikasjoner fra denne forskningen rapporterte forskerne om positive sammenhenger, men disse lot seg ikke replisere i oppfølgingsstudier. I den største studien på området frem til da undersøkte Sanders og medarbeidere (2008) variasjoner (alleler) i 14 sentrale kandidatgener for schizofreni. De fant ingen sammenheng og konkluderte: «... det finnes trolig ikke ekte sammenhenger på befolkningsnivå for de allelene som har
ABSTRACT
Genetics - Are substantial effects documented in schizophrenia?
Genetic research on schizophrenia started out with a focus on candidate genes, but with limited success. Subsequent studies have searched for schizophrenia-associated single nucleotide polymorphisms (SNPs) and copy number variations (CNVs) anywhere on the genome. In genome wide association studies (GWAS), SNPs with a small but statistically significant difference in prevalence between schizophrenia and normal healthy controls have been identified at 108 independent positions on DNA, accounting for 3,4 % of liability to the disorder. CNVs appear to account for an additional 1 % of liability but are unspecific for schizophrenia. Sum scores of genetic risk based on SNPs from GWAS are used to investigate associations with underlying symptom dimensions and neurobiological and cognitive traits, but substantial associations remain to be identified. The current molecular genetic evidence does not support a view of schizophrenia as strongly genetically based.
Keywords: schizophrenia, endophenotypes, single nucleotide polymorphisms, copy number variations, polygenic risk scores utgjort grunnlaget for den store kandidatgenlitteraturen for disse 14 postulerte kandidatgenene for schizofreni» (s. 505). Sju år senere publiserte forskere som selv hadde vært sentrale i kandidatgenforskningen, en metaanalyse av 25 sentrale kandidatgener og kom til samme konklusjon: «Oppsummert, den empiriske evidensen støtter nå sterkt ideen om at den historiske kandidatgenlitteraturen ikke gav noen robuste og replikerbare innsikter i etiologien ved schizofreni» (Farrell et al., 2015, s. 560).
Den manglende støtten til kandidatgenene førte til en vridning i hvordan genetikk ble antatt å bidra til schizofreni (og andre psykiske lidelser). I tråd med en hypotese antydet av Ronald Fisher i 1918 og mer eksplisitt formulert av Gottesman og Shields i 1967, antok forskerne i stedet at predisposisjonen hviler på et stort antall genvarianter som hver har kun en svært liten effekt. For å identifisere slike små effekter trengte man store studier med svært mange deltakere, gjerne flere titusen. Siden man ikke lenger hadde noen klar hypotese om hvor på genomet eventuelle signifikante variasjoner fantes, inntok feltet en hypotesefri fremgangsmåte der alt tilgjengelig DNA på kromosomene ble studert. For å få til slike enorme studier ble det dannet internasjonale konsortier, der gendatabasene fra en rekke land ble slått sammen.
Problemstillingen i denne artikkelen er hvorvidt de siste årenes molekylærgenetiske forskning har dokumentert en betydelig rolle for strukturelle variasjoner på DNA for personer med schizofrenidiagnose. «Betydelig» forstås her pragmatisk som forklart varians basert på Cohens rangering av størrelsen på korrelasjonskoeffisienter (Cohen, 1992), der mindre enn 1 % forklart varians forstås som triviell, 1 til 9 % som lite, 9 til 25 % som medium og over 25 % som betydelig/stor. I tillegg vurderes om foreliggende evidens og kunnskap sannsynliggjør at videre forskning vil finne betydelige sammenhenger.
For å belyse problemstillingen gjennomgås funn fra den molekylærgenetiske forskningen på schizofreni, med utgangspunkt i enkeltnukleotidpolymorfismer eller enkeltbasevariasjoner (single nucleotide polymorphism, SNP). En SNP innebærer en variasjon mellom folk i baseparene på en posisjon på DNA, som ved at noen har adenin-thymin, mens andre har guanin-cytosin på en gitt posisjon på et kromosom (figur 1). Ca. 1 % av de over tre milliarder baseparene på DNA varierer på denne måten, mens resten er like for alle (fikserte). SNP-er kan forekomme i eller utenfor de 20 000-25 000 genene på DNA, der et gen består av fra flere tusen til flere millioner basepar.
Dernest gjennomgås funn fra studier av kopitallsvariasjoner (copy number variation, CNV). CNV sikter til variasjon i forekomsten av en gitt sekvens på DNA hos et individ, bestående av fra tusen basepar og oppover (Barøy, Misceo, & Frengen, 2008; Stankiewicz & Lupski, 2010). CNV-er forekommer som duplisering (flere kopier av en sekvens), innsetning (et segment er kopiert og satt inn et annet sted på DNA) og delesjon (en sekvens er fjernet). Se ellers figur 2.
Etter dette gjennomgås forskning på sammenhengen mellom SNP-er og såkalte endofenotyper - enkeltsymptomer, nevrobiologisk struktur/funksjon og kognitive funksjoner som er endret ved schizofreni. Et utgangspunkt for denne forskningen er den uttalte variasjonen i symptombilde som ses blant personer diagnostisert med schizofreni, som erkjent av Bleuler allerede i 1911 (Bleuler & Bleuler, 1986). Endofenotyper kan antas å ligge mellom årsaksfaktorene og schizofreni og være tydeligere knyttet til genetikk enn det den nokså heterogene kategorien schizofreni er (Insel & Cuthbert, 2009).
METODE
Gjennomgangen av de siste årenes molekylærgenetiske forskning fokuserer på de største studiene som er gjennomført i regi av internasjonale konsortier og publisert siden 2009. Dette valget er begrunnet i at funn fra mindre studier er ureliable, og at forskningsfeltet selv har argumentert for at det er nødvendig med store, akkumulerte databaser fra samarbeidende forskergrupper for å drive feltet videre. Studiene ble identifisert ved hjelp av oversiktsartikler og søk på PubMed med ulike kombinasjoner av søkeordene genome-wide association, GWA*, psychosis, schizophrenia, genetic*, DNA, single nucleotide polymorphism, SNP, copy number variation og CNV.
Studier av sammenhengen mellom SNP-er og fenotyper ble identifisert ved søk i PubMed med kombinasjoner av følgende søkeord: psychosis, schizophrenia, single nucleotide polymorphism, SNP, polygenic, risk score, PGRS, PRS, phenotype, endophenotype, positive symptoms, negative symptoms, hallucinations, disorganization, delusions, cognitive, neurocognitive, prefrontal, frontal, hippocampus, amygdala, regional, activation. I tillegg ble referanselistene i identifiserte artikler gjennomgått.
Inkludert er artikler publisert frem til august 2016.
RESULTATER
Enkeltnukleotidpolymorfismer
Det internasjonale schizofrenikonsortiet publiserte i 2009 den første megastore genomvide assosiasjonsstudien («genome wide association study», GWAS) for schizofreni, med 3322 pasienter og 3587 normalt friske kontrollpersoner (International Schizophrenia Consortium, 2009). Konsortiet undersøkte forskjeller i ca. 1 million SNPer mellom de to deltakergruppene.
De fant kun ett område på DNA med en SNP som forekom signifikant forskjellig på genomnivå, definert ved en pverdi mindre enn 5 x 108 .
Et slikt strengt signifikansnivå er nødvendig for å beskytte mot falske positive funn (type I statistisk feil), noe som ellers er overhengende på grunn av det store antallet tester i en GWAS (ekvivalent med antall SNPer som undersø kes). SNPen som var signifikant i konsortiets studie, lå i det såkalte major histocompatibility complex (MHC), et stort område på kromosom 6 som strekker seg over 3,6 millioner basepar og er knyttet til immunsystemet.
Studien indikerte samtidig at det neppe finnes noen SNPer som er nær unike for schizofreni; sannsynligvis finnes ingen schizofreniassosiert SNP med odds ratio større enn 1,3, det vil si som forekommer 30 % oftere (eller sjeldnere) i en gruppe med schizofrenidiagnose enn hos normalt friske personer (Wray et al. , 2014).
I et neste analyseskritt i konsortiets 2009studie antok forskerne at selv om kun én SNP nådde det nødvendige genomovergripende signifikansnivået for schizofreni, så kunne det likevel foreligge mange, kanskje flere tusen, med en ørliten sammenheng som ville vært signifikante hvis utvalget hadde vært større. For å undersøke dette tok de utgangspunkt i de mannlige pasientene i utvalget og lagde en sumskåre basert på 37 655 SNPer som nådde et svært liberalt signifikansnivå på p = 0,5 (hvilket tilsier at en stor andel var falske positiver). Slike sumskårer har siden blitt betegnet som polygenetiske risikoskårer (PGRS), der skåren beregnes ved at hver SNP vektes med dens effektstørrelse (den naturlige logaritmen av odds ratioen til SNPen). Hver person i et nytt testutvalg skåres da på denne summerte skalaen. Schizofrenikonsortiet (2009) fant at sumskåren som de etablerte basert på menn, var signifikant (p = 9,4 x 1019) knyttet til schizofreni blant kvinner, som da utgjorde testgruppen i studien, og at den her kunne forklare ca. 3 % av variansen i schizofreni (Nagelkerkes R2). De konkluderte med at funnet støttet antakelsen om schizofreni som en polygenetisk lidelse, og at kommende studier med enda større deltakergrupper ville avdekke flere genomvid signifikante (p
Schizofrenikonsortiets (2009) hypotese ble støttet av funn fra en end
Gå til medietFrem til ca. 2008 var hovedstrategien i den molekylærgenetiske forskningen å undersøke betydningen av gener for nevrobiologiske prosesser som man antok var endret i schizofreni (kandidatgener), for eksempel genene betegnet som COMT og DRD2 for dopaminfunksjon. I innledende publikasjoner fra denne forskningen rapporterte forskerne om positive sammenhenger, men disse lot seg ikke replisere i oppfølgingsstudier. I den største studien på området frem til da undersøkte Sanders og medarbeidere (2008) variasjoner (alleler) i 14 sentrale kandidatgener for schizofreni. De fant ingen sammenheng og konkluderte: «... det finnes trolig ikke ekte sammenhenger på befolkningsnivå for de allelene som har
ABSTRACT
Genetics - Are substantial effects documented in schizophrenia?
Genetic research on schizophrenia started out with a focus on candidate genes, but with limited success. Subsequent studies have searched for schizophrenia-associated single nucleotide polymorphisms (SNPs) and copy number variations (CNVs) anywhere on the genome. In genome wide association studies (GWAS), SNPs with a small but statistically significant difference in prevalence between schizophrenia and normal healthy controls have been identified at 108 independent positions on DNA, accounting for 3,4 % of liability to the disorder. CNVs appear to account for an additional 1 % of liability but are unspecific for schizophrenia. Sum scores of genetic risk based on SNPs from GWAS are used to investigate associations with underlying symptom dimensions and neurobiological and cognitive traits, but substantial associations remain to be identified. The current molecular genetic evidence does not support a view of schizophrenia as strongly genetically based.
Keywords: schizophrenia, endophenotypes, single nucleotide polymorphisms, copy number variations, polygenic risk scores utgjort grunnlaget for den store kandidatgenlitteraturen for disse 14 postulerte kandidatgenene for schizofreni» (s. 505). Sju år senere publiserte forskere som selv hadde vært sentrale i kandidatgenforskningen, en metaanalyse av 25 sentrale kandidatgener og kom til samme konklusjon: «Oppsummert, den empiriske evidensen støtter nå sterkt ideen om at den historiske kandidatgenlitteraturen ikke gav noen robuste og replikerbare innsikter i etiologien ved schizofreni» (Farrell et al., 2015, s. 560).
Den manglende støtten til kandidatgenene førte til en vridning i hvordan genetikk ble antatt å bidra til schizofreni (og andre psykiske lidelser). I tråd med en hypotese antydet av Ronald Fisher i 1918 og mer eksplisitt formulert av Gottesman og Shields i 1967, antok forskerne i stedet at predisposisjonen hviler på et stort antall genvarianter som hver har kun en svært liten effekt. For å identifisere slike små effekter trengte man store studier med svært mange deltakere, gjerne flere titusen. Siden man ikke lenger hadde noen klar hypotese om hvor på genomet eventuelle signifikante variasjoner fantes, inntok feltet en hypotesefri fremgangsmåte der alt tilgjengelig DNA på kromosomene ble studert. For å få til slike enorme studier ble det dannet internasjonale konsortier, der gendatabasene fra en rekke land ble slått sammen.
Problemstillingen i denne artikkelen er hvorvidt de siste årenes molekylærgenetiske forskning har dokumentert en betydelig rolle for strukturelle variasjoner på DNA for personer med schizofrenidiagnose. «Betydelig» forstås her pragmatisk som forklart varians basert på Cohens rangering av størrelsen på korrelasjonskoeffisienter (Cohen, 1992), der mindre enn 1 % forklart varians forstås som triviell, 1 til 9 % som lite, 9 til 25 % som medium og over 25 % som betydelig/stor. I tillegg vurderes om foreliggende evidens og kunnskap sannsynliggjør at videre forskning vil finne betydelige sammenhenger.
For å belyse problemstillingen gjennomgås funn fra den molekylærgenetiske forskningen på schizofreni, med utgangspunkt i enkeltnukleotidpolymorfismer eller enkeltbasevariasjoner (single nucleotide polymorphism, SNP). En SNP innebærer en variasjon mellom folk i baseparene på en posisjon på DNA, som ved at noen har adenin-thymin, mens andre har guanin-cytosin på en gitt posisjon på et kromosom (figur 1). Ca. 1 % av de over tre milliarder baseparene på DNA varierer på denne måten, mens resten er like for alle (fikserte). SNP-er kan forekomme i eller utenfor de 20 000-25 000 genene på DNA, der et gen består av fra flere tusen til flere millioner basepar.
Dernest gjennomgås funn fra studier av kopitallsvariasjoner (copy number variation, CNV). CNV sikter til variasjon i forekomsten av en gitt sekvens på DNA hos et individ, bestående av fra tusen basepar og oppover (Barøy, Misceo, & Frengen, 2008; Stankiewicz & Lupski, 2010). CNV-er forekommer som duplisering (flere kopier av en sekvens), innsetning (et segment er kopiert og satt inn et annet sted på DNA) og delesjon (en sekvens er fjernet). Se ellers figur 2.
Etter dette gjennomgås forskning på sammenhengen mellom SNP-er og såkalte endofenotyper - enkeltsymptomer, nevrobiologisk struktur/funksjon og kognitive funksjoner som er endret ved schizofreni. Et utgangspunkt for denne forskningen er den uttalte variasjonen i symptombilde som ses blant personer diagnostisert med schizofreni, som erkjent av Bleuler allerede i 1911 (Bleuler & Bleuler, 1986). Endofenotyper kan antas å ligge mellom årsaksfaktorene og schizofreni og være tydeligere knyttet til genetikk enn det den nokså heterogene kategorien schizofreni er (Insel & Cuthbert, 2009).
METODE
Gjennomgangen av de siste årenes molekylærgenetiske forskning fokuserer på de største studiene som er gjennomført i regi av internasjonale konsortier og publisert siden 2009. Dette valget er begrunnet i at funn fra mindre studier er ureliable, og at forskningsfeltet selv har argumentert for at det er nødvendig med store, akkumulerte databaser fra samarbeidende forskergrupper for å drive feltet videre. Studiene ble identifisert ved hjelp av oversiktsartikler og søk på PubMed med ulike kombinasjoner av søkeordene genome-wide association, GWA*, psychosis, schizophrenia, genetic*, DNA, single nucleotide polymorphism, SNP, copy number variation og CNV.
Studier av sammenhengen mellom SNP-er og fenotyper ble identifisert ved søk i PubMed med kombinasjoner av følgende søkeord: psychosis, schizophrenia, single nucleotide polymorphism, SNP, polygenic, risk score, PGRS, PRS, phenotype, endophenotype, positive symptoms, negative symptoms, hallucinations, disorganization, delusions, cognitive, neurocognitive, prefrontal, frontal, hippocampus, amygdala, regional, activation. I tillegg ble referanselistene i identifiserte artikler gjennomgått.
Inkludert er artikler publisert frem til august 2016.
RESULTATER
Enkeltnukleotidpolymorfismer
Det internasjonale schizofrenikonsortiet publiserte i 2009 den første megastore genomvide assosiasjonsstudien («genome wide association study», GWAS) for schizofreni, med 3322 pasienter og 3587 normalt friske kontrollpersoner (International Schizophrenia Consortium, 2009). Konsortiet undersøkte forskjeller i ca. 1 million SNPer mellom de to deltakergruppene.
De fant kun ett område på DNA med en SNP som forekom signifikant forskjellig på genomnivå, definert ved en pverdi mindre enn 5 x 108 .
Et slikt strengt signifikansnivå er nødvendig for å beskytte mot falske positive funn (type I statistisk feil), noe som ellers er overhengende på grunn av det store antallet tester i en GWAS (ekvivalent med antall SNPer som undersø kes). SNPen som var signifikant i konsortiets studie, lå i det såkalte major histocompatibility complex (MHC), et stort område på kromosom 6 som strekker seg over 3,6 millioner basepar og er knyttet til immunsystemet.
Studien indikerte samtidig at det neppe finnes noen SNPer som er nær unike for schizofreni; sannsynligvis finnes ingen schizofreniassosiert SNP med odds ratio større enn 1,3, det vil si som forekommer 30 % oftere (eller sjeldnere) i en gruppe med schizofrenidiagnose enn hos normalt friske personer (Wray et al. , 2014).
I et neste analyseskritt i konsortiets 2009studie antok forskerne at selv om kun én SNP nådde det nødvendige genomovergripende signifikansnivået for schizofreni, så kunne det likevel foreligge mange, kanskje flere tusen, med en ørliten sammenheng som ville vært signifikante hvis utvalget hadde vært større. For å undersøke dette tok de utgangspunkt i de mannlige pasientene i utvalget og lagde en sumskåre basert på 37 655 SNPer som nådde et svært liberalt signifikansnivå på p = 0,5 (hvilket tilsier at en stor andel var falske positiver). Slike sumskårer har siden blitt betegnet som polygenetiske risikoskårer (PGRS), der skåren beregnes ved at hver SNP vektes med dens effektstørrelse (den naturlige logaritmen av odds ratioen til SNPen). Hver person i et nytt testutvalg skåres da på denne summerte skalaen. Schizofrenikonsortiet (2009) fant at sumskåren som de etablerte basert på menn, var signifikant (p = 9,4 x 1019) knyttet til schizofreni blant kvinner, som da utgjorde testgruppen i studien, og at den her kunne forklare ca. 3 % av variansen i schizofreni (Nagelkerkes R2). De konkluderte med at funnet støttet antakelsen om schizofreni som en polygenetisk lidelse, og at kommende studier med enda større deltakergrupper ville avdekke flere genomvid signifikante (p
Schizofrenikonsortiets (2009) hypotese ble støttet av funn fra en end
