Descubrimiento de variantes raras y pruebas de carga

Los estudios de asociación de genoma completo (GWAS) estándar están diseñados para detectar variantes comunes, pero gran parte de la variación funcional del genoma es rara. Dado que cualquier variante rara individual aparece en muy pocas personas para ser probada de forma fiable una a una, el análisis de variantes raras agrega variantes —típicamente dentro de un gen— y prueba si su carga combinada difiere entre casos y controles. La secuenciación hizo que estas variantes fueran observables, y métodos como las pruebas de carga y de kernel las hicieron estadísticamente manejables.

Definition

El descubrimiento de variantes raras es la identificación, generalmente por secuenciación, de variantes genéticas de baja frecuencia asociadas con un rasgo, y la prueba de carga es una familia de métodos basados en genes o regiones que agregan múltiples variantes raras en una sola prueba para obtener una potencia de la que carece el análisis de un solo marcador.

Scope

Este tema aborda por qué las variantes raras escapan a los GWAS convencionales de un solo marcador, las tecnologías de secuenciación y los paneles de referencia que las revelan, y las principales estrategias de agregación: pruebas de carga simple (colapso), pruebas de kernel de componentes de varianza como SKAT, y pruebas combinadas u óptimas como SKAT-O. También señala el papel de la anotación de variantes en la decisión de qué variantes agregar. Es una referencia de métodos, no una guía clínica.

Core questions

• ¿Por qué el GWAS convencional de un solo marcador carece de potencia para las variantes raras?
• ¿Cómo revela la secuenciación, en lugar del genotipado por array, la variación rara?
• ¿Cómo agregan las pruebas de carga (colapso) las variantes raras dentro de un gen?
• ¿En qué se diferencian las pruebas basadas en kernel como SKAT de las pruebas de carga simples?
• ¿Cuándo se asume que las variantes actúan en la misma dirección, y qué sucede cuando no lo hacen?

Key concepts

• Variantes raras y de baja frecuencia
• Secuenciación de exoma completo y genoma completo
• Agregación basada en genes o regiones
• Pruebas de carga / colapso
• Prueba de Asociación de Kernel de Secuencia (SKAT)
• Pruebas combinadas y óptimas (SKAT-O)
• Anotación funcional y ponderación de variantes

Mechanisms

Las pruebas de asociación de un solo marcador pierden potencia cuando una variante es portada por solo un puñado de individuos, por lo que los métodos de variantes raras agregan variantes a través de un gen o región. Las pruebas de carga (colapso) resumen las variantes raras en una unidad en un solo recuento o indicador y prueban si esa carga difiere entre casos y controles; son potentes cuando la mayoría de las variantes afectan el rasgo en la misma dirección, pero pierden potencia cuando los efectos son mixtos en dirección o muchas variantes son neutras. Las pruebas de kernel de componentes de varianza, ejemplificadas por la prueba de asociación de kernel de secuencia (SKAT), en cambio, prueban si la distribución de los efectos de las variantes se desvía de la nula sin asumir una dirección común, y siguen siendo potentes cuando los efectos son heterogéneos. Los enfoques combinados como SKAT-O mezclan adaptativamente las pruebas de carga y de kernel para funcionar bien en diversos escenarios. Dado que la agregación depende de la elección de qué variantes incluir, la anotación funcional y la ponderación basada en la frecuencia se utilizan para centrarse en variantes plausiblemente deletéreas. La secuenciación y diversos paneles de referencia como el Proyecto 1000 Genomas sustentan el descubrimiento y la anotación de la variación rara que analizan estas pruebas.

Clinical relevance

Los métodos de variantes raras extienden el descubrimiento genético hacia una variación con mayor probabilidad de ser funcional y más cercana a la biología subyacente, complementando los GWAS de variantes comunes. Este tema describe métodos analíticos y no es una base para la interpretación de variantes individuales, el diagnóstico o las decisiones de tratamiento.

Evidence & guidelines

La base metodológica proviene de la literatura de genética estadística más que de las guías clínicas. Wu et al. (2011) introdujeron SKAT para datos de secuenciación; Lee et al. (2012) desarrollaron la prueba combinada óptima (SKAT-O); el Proyecto 1000 Genomas (2015) proporcionó datos de referencia para la variación rara; y Manolio et al. (2009) enmarcaron las variantes raras como una fuente candidata de heredabilidad no capturada por los GWAS de variantes comunes.

History

A medida que los GWAS de variantes comunes maduraron y dejaron la heredabilidad sin explicar, la atención se centró en las variantes raras que los arrays no podían capturar. La difusión de la secuenciación asequible de exomas y genomas alrededor de 2010 hizo que la variación rara fuera observable a gran escala, y siguió una ola de métodos de agregación: pruebas de colapso simples, luego pruebas de kernel de componentes de varianza como SKAT en 2011, y combinaciones adaptativas como SKAT-O en 2012. Grandes consorcios de secuenciación y estudios de exomas de biobancos han aplicado ampliamente estos métodos desde entonces, aunque la detección de señales de variantes raras todavía exige muestras muy grandes.

Debates

¿Cuándo se deben preferir las pruebas de carga sobre las pruebas de kernel?

Las pruebas de carga son más potentes cuando las variantes agregadas actúan en una dirección consistente, mientras que las pruebas de kernel como SKAT son más robustas a las direcciones de efecto mixtas y a muchas variantes neutras; las pruebas combinadas buscan compensar, pero la elección correcta depende de la arquitectura verdadera desconocida del gen.

Key figures

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

Seminal works

• wu-2011
• lee-2012
• manolio-2009

Frequently asked questions

¿Por qué un GWAS no puede probar variantes raras una a una?

Una variante portada por solo unos pocos individuos proporciona muy poca información estadística para una prueba de un solo marcador fiable, por lo que los métodos de variantes raras agregan muchas variantes —generalmente dentro de un gen— para ganar potencia.

¿En qué se diferencia SKAT de una prueba de carga simple?

Una prueba de carga asume que las variantes agregadas actúan principalmente en la misma dirección, mientras que SKAT es una prueba de componentes de varianza que detecta desviaciones de la nula incluso cuando los efectos de las variantes difieren en dirección o magnitud, lo que la hace más robusta a los efectos heterogéneos.