اكتشاف المتغيرات النادرة واختبار العبء

تُصمم دراسات الارتباط الجينومي الواسع (GWAS) القياسية للكشف عن المتغيرات الشائعة، لكن جزءًا كبيرًا من التباين الوظيفي للجينوم نادر. نظرًا لأن أي متغير نادر واحد يظهر لدى عدد قليل جدًا من الأشخاص لاختباره بشكل موثوق واحدًا تلو الآخر، فإن تحليل المتغيرات النادرة يجمع المتغيرات بدلاً من ذلك - عادةً داخل جين - ويختبر ما إذا كان عبئها المشترك يختلف بين الحالات والمجموعات الضابطة. جعل التسلسل هذه المتغيرات قابلة للملاحظة، وجعلتها طرق مثل اختبارات العبء والنواة قابلة للمعالجة إحصائيًا.

Definition

اكتشاف المتغيرات النادرة هو تحديد المتغيرات الجينية منخفضة التردد المرتبطة بسمة معينة، وعادة ما يتم ذلك عن طريق التسلسل، واختبار العبء هو مجموعة من الطرق القائمة على الجينات أو المناطق التي تجمع متغيرات نادرة متعددة في اختبار واحد لاكتساب قوة تفتقر إليها تحليلات العلامة الواحدة.

Scope

يغطي هذا الموضوع سبب إفلات المتغيرات النادرة من دراسات الارتباط الجينومي الواسع التقليدية ذات العلامة الواحدة، وتقنيات التسلسل واللوحات المرجعية التي تكشف عنها، واستراتيجيات التجميع الرئيسية - اختبارات العبء البسيطة (التجميع)، واختبارات النواة لمكونات التباين مثل SKAT، والاختبارات المجمعة أو المثلى مثل SKAT-O. كما يشير إلى دور ترميز المتغيرات في تحديد المتغيرات التي سيتم تجميعها. إنه مرجع للمنهجيات، وليس إرشادًا سريريًا.

Core questions

• لماذا تفتقر دراسات الارتباط الجينومي الواسع التقليدية أحادية العلامة إلى القوة للمتغيرات النادرة؟
• كيف يكشف التسلسل، بدلاً من التنميط الجيني بالمصفوفات، عن التباين النادر؟
• كيف تجمع اختبارات العبء (التجميع) المتغيرات النادرة داخل الجين؟
• كيف تختلف الاختبارات القائمة على النواة مثل SKAT عن اختبارات العبء البسيطة؟
• متى يُفترض أن تعمل المتغيرات في نفس الاتجاه، وماذا يحدث عندما لا تفعل ذلك؟

Key concepts

• المتغيرات النادرة ومنخفضة التردد
• تسلسل الإكسوم الكامل والجينوم الكامل
• التجميع القائم على الجين أو المنطقة
• اختبارات العبء / التجميع
• اختبار ارتباط نواة التسلسل (SKAT)
• الاختبارات المجمعة والمثلى (SKAT-O)
• الترميز الوظيفي وترجيح المتغيرات

Mechanisms

تفقد اختبارات الارتباط أحادية العلامة قوتها عندما يحمل المتغير عدد قليل فقط من الأفراد، لذا فإن طرق المتغيرات النادرة تجمع المتغيرات عبر جين أو منطقة. تلخص اختبارات العبء (التجميع) المتغيرات النادرة في وحدة ما إلى عدد أو مؤشر واحد وتختبر ما إذا كان هذا العبء يختلف بين الحالات والمجموعات الضابطة؛ وهي قوية عندما تؤثر معظم المتغيرات على السمة في نفس الاتجاه ولكنها تفقد القوة عندما تكون التأثيرات مختلطة الاتجاه أو تكون العديد من المتغيرات محايدة. تختبر اختبارات النواة لمكونات التباين، التي يمثلها اختبار ارتباط نواة التسلسل (SKAT)، بدلاً من ذلك ما إذا كان توزيع تأثيرات المتغيرات ينحرف عن الفرضية الصفرية دون افتراض اتجاه مشترك، وتحافظ على قوتها عندما تكون التأثيرات غير متجانسة. تدمج الأساليب المجمعة مثل SKAT-O بشكل تكيفي اختبارات العبء والنواة لتقديم أداء جيد عبر السيناريوهات. نظرًا لأن التجميع يعتمد على اختيار المتغيرات المراد تضمينها، يتم استخدام الترميز الوظيفي والترجيح القائم على التردد للتركيز على المتغيرات التي يُحتمل أن تكون ضارة. تدعم لوحات التسلسل والمراجع المتنوعة مثل مشروع 1000 جينوم اكتشاف وترميز التباين النادر الذي تحلله هذه الاختبارات.

Clinical relevance

توسع طرق المتغيرات النادرة الاكتشاف الجيني نحو تباين أكثر احتمالاً أن يكون وظيفيًا وأقرب إلى البيولوجيا الأساسية، مكملةً دراسات الارتباط الجينومي الواسع للمتغيرات الشائعة. يصف هذا الموضوع الطرق التحليلية وليس أساسًا لتفسير المتغيرات الفردية أو التشخيص أو قرارات العلاج.

Evidence & guidelines

يأتي الأساس المنهجي من أدبيات الإحصاء الجيني بدلاً من الإرشادات السريرية. قدم وو وزملاؤه (2011) SKAT لبيانات التسلسل؛ طور لي وزملاؤه (2012) الاختبار المجمع الأمثل (SKAT-O)؛ قدم مشروع 1000 جينوم (2015) بيانات مرجعية للتباين النادر؛ وصاغ مانوليو وزملاؤه (2009) المتغيرات النادرة كمصدر مرشح للوراثة التي لم تلتقطها دراسات الارتباط الجينومي الواسع للمتغيرات الشائعة.

History

مع نضوج دراسات الارتباط الجينومي الواسع للمتغيرات الشائعة وتركها للوراثة غير مفسرة، تحول الاهتمام إلى المتغيرات النادرة التي لم تستطع المصفوفات التقاطها. أدى انتشار تسلسل الإكسوم والجينوم بأسعار معقولة حوالي عام 2010 إلى جعل التباين النادر قابلاً للملاحظة على نطاق واسع، وتبع ذلك موجة من طرق التجميع: اختبارات التجميع البسيطة، ثم اختبارات النواة لمكونات التباين مثل SKAT في عام 2011، والتوليفات التكيفية مثل SKAT-O في عام 2012. طبقت اتحادات التسلسل الكبيرة ودراسات الإكسوم في البنوك الحيوية هذه الطرق على نطاق واسع منذ ذلك الحين، على الرغم من أن اكتشاف إشارات المتغيرات النادرة لا يزال يتطلب عينات كبيرة جدًا.

Debates

متى يجب تفضيل اختبارات العبء على اختبارات النواة؟

تكون اختبارات العبء أقوى عندما تعمل المتغيرات المجمعة في اتجاه متسق، بينما تكون اختبارات النواة مثل SKAT أكثر قوة تجاه اتجاهات التأثير المختلطة والعديد من المتغيرات المحايدة؛ تهدف الاختبارات المجمعة إلى الموازنة، لكن الاختيار الصحيح يعتمد على البنية الحقيقية غير المعروفة للجين.

Key figures

• Xihong Lin
• Michael Wu
• Seunggeun Lee
• Michael Boehnke
• Teri Manolio

Seminal works

• wu-2011
• lee-2012
• manolio-2009

Frequently asked questions

لماذا لا تستطيع دراسة الارتباط الجينومي الواسع اختبار المتغيرات النادرة واحدًا تلو الآخر؟

يوفر المتغير الذي يحمله عدد قليل فقط من الأفراد معلومات إحصائية قليلة جدًا لإجراء اختبار موثوق به بعلامة واحدة، لذا فإن طرق المتغيرات النادرة تجمع العديد من المتغيرات - عادةً داخل جين - لاكتساب القوة.

كيف يختلف SKAT عن اختبار العبء البسيط؟

يفترض اختبار العبء أن المتغيرات المجمعة تعمل في الغالب في نفس الاتجاه، بينما SKAT هو اختبار مكونات التباين الذي يكتشف الانحرافات عن الفرضية الصفرية حتى عندما تختلف تأثيرات المتغيرات في الاتجاه أو الحجم، مما يجعله أكثر قوة تجاه التأثيرات غير المتجانسة.