دراسات الارتباط على مستوى الجينوم واكتشاف المتغيرات

تقوم دراسة الارتباط على مستوى الجينوم (GWAS) بمسح مئات الآلاف إلى ملايين المتغيرات الجينية عبر جينومات العديد من الأفراد للعثور على المواقع التي يختلف فيها تواتر الأليل بشكل منهجي بين الأشخاص الذين يعانون من سمة أو مرض والذين لا يعانون منه. من خلال اختبار الجينوم بأكمله دون فرضية مسبقة حول الجين المعني، حولت دراسات الارتباط على مستوى الجينوم البحث عن الأساس الجيني للحالات الشائعة والمعقدة من لعبة تخمين الجينات المرشحة إلى مشروع اكتشاف منهجي خالٍ من الفرضيات.

Definition

دراسة الارتباط على مستوى الجينوم هي دراسة وراثية قائمة على الملاحظة تختبر الارتباط بين نمط ظاهري ومتغيرات جينية - عادةً تعدد الأشكال النوكليوتيدية المفردة - يتم تحديدها جينيًا أو استنتاجها عبر الجينوم بأكمله، مع الإعلان عن الارتباط عند المتغيرات التي تصمد أدلتها الإحصائية أمام عتبة الأهمية على مستوى الجينوم.

Scope

يوجه هذا المجال القارئ إلى مجموعة الأساليب والمفاهيم التي تحيط باكتشاف المتغيرات في المجموعات السكانية غير المرتبطة: كيفية تصميم وتحليل دراسة الارتباط على مستوى الجينوم، ولماذا تسمح مصفوفة متفرقة بتحديد المتغيرات غير المكتشفة، ولماذا بدا جزء كبير من وراثة السمات 'مفقودًا' في البداية، وكيف يمكن أن تؤدي الاختلافات في الأصول إلى ارتباطات زائفة، وكيف توسع أساليب المتغيرات النادرة الاكتشاف إلى ما وراء تعدد الأشكال النوكليوتيدية المفردة الشائعة (SNPs). ويؤطر هذه المواضيع كمراجع منهجية في علم الجينوم، وليس كمحتوى سريري تشخيصي أو إرشادي.

Sub-topics

• تصميم دراسات الارتباط الجينومي الواسع (GWAS) وتنفيذها وأساليبها الإحصائية
• اختلال التوازن الارتباطي ووسم تعدد الأشكال النوكليوتيدية المفردة
• الوراثة المفقودة والبنية متعددة الجينات
• التقسيم الطبقي السكاني والنسب في دراسات الارتباط الجينومي الواسع (GWAS)
• اكتشاف المتغيرات النادرة واختبار العبء

Core questions

• كيف يمكن اختبار الجينوم بأكمله للارتباط بسمة دون جين مرشح مسبق؟
• لماذا يلتقط تحديد النمط الجيني لجزء من المتغيرات معلومات عن البقية؟
• ما هي عتبة الأهمية التي تتحكم في الإيجابيات الكاذبة عبر ملايين الاختبارات؟
• لماذا فسرت نتائج دراسات الارتباط على مستوى الجينوم المبكرة جزءًا صغيرًا فقط من الوراثة المقدرة؟
• كيف تشوه الاختلافات في الأصول بين الحالات والضوابط إشارات الارتباط؟

Key concepts

• فرضية المرض الشائع، المتغير الشائع
• تعدد الأشكال النوكليوتيدية المفردة (SNP)
• اختلال الارتباط وتعدد الأشكال النوكليوتيدية المفردة العلامة (tag SNPs)
• عتبة الأهمية على مستوى الجينوم (~5 × 10^-8)
• استنتاج النمط الجيني من اللوحات المرجعية
• البنية متعددة الجينات وأحجام التأثير
• التقسيم الطبقي السكاني
• الوراثة المفقودة

Mechanisms

تحدد دراسة الارتباط على مستوى الجينوم لوحة كثيفة من المتغيرات (أو تستنتجها مقابل لوحة مرجعية متسلسلة) وتختبر كل متغير للارتباط الإحصائي بالنمط الظاهري، عادةً عن طريق الانحدار الذي يعدل الأصول والمتغيرات المشتركة الأخرى. نظرًا لأن المتغيرات القريبة يتم توريثها بشكل مشترك في كتل من اختلال الارتباط، يمكن أن يعمل الواسم المكتشف كوكيل (علامة) للمتغيرات السببية غير المكتشفة، لذا فإن الارتباط عند الواسم يحدد الإشارة إلى منطقة بدلاً من المتغير السببي نفسه بالضرورة. يتطلب العدد الهائل من الاختبارات عتبة صارمة للأهمية على مستوى الجينوم للتحكم في الإيجابيات الكاذبة، ويتم تأكيد النتائج عن طريق التكرار في عينات مستقلة. معظم المتغيرات المكتشفة شائعة، صغيرة التأثير بشكل فردي، وغالبًا ما تكون في مناطق تنظيمية غير مشفرة، بما يتوافق مع بنية متعددة الجينات للغاية للسمات الشائعة.

Clinical relevance

لقد حددت دراسات الارتباط على مستوى الجينوم آلاف الارتباطات القوية بين المتغيرات والسمات التي تثري فهم بيولوجيا الأمراض، وتحديد أولويات الأهداف الدوائية، وبناء الدرجات متعددة الجينات. كمنطقة مرجعية، تشرح كيف يتم توليد وتفسير الأدلة الجينية على مستوى السكان؛ وتصف الأساليب والنتائج وليست أساسًا للتشخيص الفردي أو المشورة بشأن المخاطر أو قرارات العلاج.

Epidemiology

منذ الموجة الأولى من الدراسات حوالي 2005-2007، تم تطبيق دراسات الارتباط على مستوى الجينوم على مئات الأمراض والسمات الكمية في مجموعات تتراوح من الآلاف إلى الملايين من المشاركين، وتسجل المستودعات المنسقة مثل كتالوج NHGRI-EBI GWAS الآن عشرات الآلاف من الارتباطات. يتمثل القيد المستمر في أن الغالبية العظمى من المشاركين كانوا من أصول أوروبية، مما يحد من قابلية نقل النتائج والدرجات متعددة الجينات إلى مجموعات سكانية أخرى.

Evidence & guidelines

تم توحيد المعايير المنهجية لدراسات الارتباط على مستوى الجينوم من خلال جهود ائتلافية كبيرة وتوليفات مراجعة بدلاً من إرشادات الممارسة السريرية. تعتبر دراسة Wellcome Trust Case Control Consortium (2007) عرضًا نموذجيًا لتصميم التحكم المشترك متعدد الأمراض، وتوضح المقالات المراجعة لمكارثي وآخرين (2008) وفيشر وآخرين (2012، 2017) التوقعات المتفق عليها بشأن عتبات الأهمية، ومراقبة الجودة، والتكرار، والتفسير.

History

أصبح هذا النهج ممكنًا بمجرد أن وصفت خرائط SNP الكثيفة ومشروع HapMap اختلال الارتباط على مستوى الجينوم، وبمجرد ظهور مصفوفات تحديد النمط الجيني بأسعار معقولة في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. أظهرت دراسة Wellcome Trust Case Control Consortium لعام 2007، التي اختبرت سبعة أمراض شائعة مقابل ضوابط مشتركة، التصميم على نطاق واسع وحفزت توسعًا سريعًا في رسم خرائط الارتباط. تتبعت المراجعات اللاحقة نضوج المجال من عدد قليل من المواقع إلى كتالوجات على مستوى الجينوم، وتعاملها مع الوراثة المفقودة، والتنوع السكاني، والانتقال نحو دراسات المتغيرات النادرة وتسلسل الجينوم بأكمله.

Debates

ما مقدار وراثة السمات الشائعة التي يمكن لدراسات الارتباط على مستوى الجينوم استعادتها؟

فسرت مواقع دراسات الارتباط على مستوى الجينوم المبكرة جزءًا صغيرًا فقط من الوراثة المقدرة، مما أثار جدلاً حول ما إذا كانت الفجوة تعكس العديد من المتغيرات الشائعة ذات التأثير الصغير غير المكتشفة، أو المتغيرات النادرة، أو التباين الهيكلي، أو الوراثة المبالغ في تقديرها؛ وقد ضيقت الأساليب اللاحقة على مستوى الجينوم الفجوة ولكنها لم تغلقها.

هل يحد التحيز الأوروبي في دراسات الارتباط على مستوى الجينوم من المساواة والصلاحية؟

نظرًا لأن معظم المشاركين كانوا من أصول أوروبية، فإن الارتباطات المكتشفة والدرجات متعددة الجينات تنتقل بشكل غير كامل إلى مجموعات سكانية أخرى، مما يثير مخاوف علمية بشأن قابلية التعميم ومخاوف تتعلق بالمساواة حول من يستفيد من الطب الجينومي.

Key figures

• Peter Visscher
• Mark McCarthy
• Joel Hirschhorn
• Naomi Wray
• Jian Yang

Seminal works

• wtccc-2007
• mccarthy-2008
• visscher-2012
• visscher-2017

Frequently asked questions

ما الفرق بين دراسة الارتباط على مستوى الجينوم ودراسة الارتباط الجيني (linkage study)؟

تتبع دراسات الارتباط الجيني التشارك في الفصل بين الواسمات والمرض داخل العائلات وتحدد مناطق كروموسومية واسعة، بينما تختبر دراسة الارتباط على مستوى الجينوم الارتباط عبر أفراد غير مرتبطين بدقة عالية على مستوى الجينوم، مما يجعلها أكثر ملاءمة للمتغيرات الشائعة ذات التأثير الصغير.

لماذا تستخدم دراسات الارتباط على مستوى الجينوم عتبة أهمية صارمة للغاية؟

نظرًا لاختبار ملايين المتغيرات، فإن قيمة p التقليدية البالغة 0.05 ستؤدي إلى أعداد هائلة من الإيجابيات الكاذبة؛ وتأخذ عتبة على مستوى الجينوم تقارب 5 × 10^-8 في الاعتبار الاختبارات المتعددة التي ينطوي عليها التباين الشائع المستقل عبر الجينوم.