مطالعات هم‌خوانی سراسر ژنوم و کشف واریانت‌ها

یک مطالعه هم‌خوانی سراسر ژنوم (GWAS) صدها هزار تا میلیون‌ها واریانت ژنتیکی را در سراسر ژنوم بسیاری از افراد بررسی می‌کند تا جایگاه‌هایی را بیابد که در آن‌ها فراوانی آلل بین افراد دارای یک صفت یا بیماری و افراد فاقد آن، به طور سیستماتیک متفاوت است. با آزمایش کل ژنوم بدون فرضیه قبلی در مورد ژنی که درگیر است، GWAS جستجو برای مبنای ژنتیکی بیماری‌های شایع و پیچیده را از یک بازی حدس و گمان ژن کاندید به یک کشف سیستماتیک و بدون فرضیه تبدیل کرد.

Definition

مطالعه هم‌خوانی سراسر ژنوم یک مطالعه ژنتیکی مشاهده‌ای است که هم‌خوانی بین یک فنوتیپ و واریانت‌های ژنتیکی - معمولاً پلی‌مورفیسم‌های تک‌نوکلئوتیدی (single-nucleotide polymorphisms) - را که در سراسر ژنوم ژنوتیپ یا ایمپوت (imputed) شده‌اند، آزمایش می‌کند و هم‌خوانی را در واریانت‌هایی اعلام می‌کند که شواهد آماری آن‌ها از آستانه معنی‌داری سراسر ژنوم فراتر می‌رود.

Scope

این بخش خواننده را با خانواده روش‌ها و مفاهیم پیرامون کشف واریانت در جمعیت‌های نامرتبط آشنا می‌کند: چگونه یک GWAS طراحی و تحلیل می‌شود، چرا عدم تعادل پیوستگی (linkage disequilibrium) به یک آرایه پراکنده اجازه می‌دهد تا واریانت‌های تایپ‌نشده را برچسب‌گذاری کند، چرا بخش زیادی از وراثت‌پذیری صفت در ابتدا 'ناپدید' به نظر می‌رسید، چگونه تفاوت‌های اجدادی می‌توانند ارتباطات کاذب ایجاد کنند، و چگونه رویکردهای واریانت نادر، کشف را فراتر از SNPهای رایج گسترش می‌دهند. این موارد به عنوان موضوعات مرجع روش‌شناختی در ژنومیک، و نه به عنوان محتوای بالینی تشخیصی یا تجویزی، چارچوب‌بندی می‌شوند.

Sub-topics

• طراحی، اجرا و روش‌های آماری GWAS
• عدم تعادل پیوستگی و برچسب‌گذاری SNP
• وراثت‌پذیری گمشده و معماری چندژنی
• طبقه‌بندی جمعیت و تبار در GWAS
• کشف و آزمون بار واریانت‌های نادر

Core questions

• چگونه می‌توان کل ژنوم را برای هم‌خوانی با یک صفت بدون ژن کاندید قبلی آزمایش کرد؟
• چرا ژنوتیپ‌کردن بخشی از واریانت‌ها اطلاعاتی در مورد بقیه را به دست می‌دهد؟
• چه آستانه معنی‌داری مثبت‌های کاذب را در میلیون‌ها آزمایش کنترل می‌کند؟
• چرا یافته‌های اولیه GWAS تنها بخش کوچکی از وراثت‌پذیری تخمین‌زده شده را توضیح دادند؟
• چگونه تفاوت‌های اجدادی بین موارد و کنترل‌ها سیگنال‌های هم‌خوانی را تحریف می‌کنند؟

Key concepts

• فرضیه بیماری شایع، واریانت شایع
• پلی‌مورفیسم تک‌نوکلئوتیدی (SNP)
• عدم تعادل پیوستگی و SNPهای برچسب‌گذار (tag SNPs)
• آستانه معنی‌داری سراسر ژنوم (~5 x 10^-8)
• ایمپوت ژنوتیپ از پنل‌های مرجع
• معماری پلی‌ژنیک و اندازه‌های اثر
• طبقه‌بندی جمعیت (Population stratification)
• وراثت‌پذیری گمشده

Mechanisms

یک GWAS یک پنل متراکم از واریانت‌ها را ژنوتیپ می‌کند (یا آن‌ها را در برابر یک پنل مرجع توالی‌گذاری شده ایمپوت می‌کند) و هر واریانت را برای هم‌خوانی آماری با فنوتیپ آزمایش می‌کند، معمولاً از طریق رگرسیون که برای اجداد و سایر کوواریت‌ها تنظیم می‌شود. از آنجا که واریانت‌های نزدیک در بلوک‌های عدم تعادل پیوستگی (linkage disequilibrium) به طور مشترک به ارث می‌رسند، یک نشانگر تایپ‌شده می‌تواند به عنوان یک واسطه (برچسب) برای واریانت‌های علی تایپ‌نشده عمل کند، بنابراین هم‌خوانی در یک نشانگر، سیگنال را به یک منطقه محلی می‌کند تا لزوماً به خود واریانت علی. تعداد بسیار زیاد آزمایش‌ها به یک آستانه معنی‌داری سراسر ژنوم سختگیرانه برای کنترل مثبت‌های کاذب نیاز دارد، و یافته‌ها با تکرار در نمونه‌های مستقل تأیید می‌شوند. بیشتر واریانت‌های کشف‌شده رایج هستند، اثرات فردی کوچکی دارند و اغلب در مناطق تنظیمی غیرکدکننده قرار دارند، که با یک معماری بسیار پلی‌ژنیک برای صفات رایج سازگار است.

Clinical relevance

GWAS هزاران هم‌خوانی قوی واریانت-صفت را نقشه‌برداری کرده‌اند که درک زیست‌شناسی بیماری، اولویت‌بندی اهداف دارویی و ساخت امتیازات پلی‌ژنیک را بهبود می‌بخشند. به عنوان یک حوزه مرجع، توضیح می‌دهد که چگونه شواهد ژنتیکی در مقیاس جمعیت تولید و تفسیر می‌شوند؛ روش‌ها و یافته‌ها را توصیف می‌کند و مبنایی برای تشخیص فردی، مشاوره خطر یا تصمیمات درمانی نیست.

Epidemiology

از زمان اولین موج مطالعات در حدود سال‌های 2005-2007، GWAS در صدها بیماری و صفات کمی در کوهورت‌هایی با هزاران تا میلیون‌ها شرکت‌کننده به کار گرفته شده‌اند، و مخازن مدیریت‌شده‌ای مانند کاتالوگ GWAS NHGRI-EBI اکنون ده‌ها هزار هم‌خوانی را ثبت می‌کنند. یک محدودیت پایدار این است که اکثریت قریب به اتفاق شرکت‌کنندگان از تبار اروپایی بوده‌اند، که قابلیت انتقال یافته‌ها و امتیازات پلی‌ژنیک را به سایر جمعیت‌ها محدود می‌کند.

Evidence & guidelines

استانداردهای روش‌شناختی برای GWAS از طریق تلاش‌های کنسرسیوم‌های بزرگ و سنتزهای مروری، و نه از طریق دستورالعمل‌های بالینی، تثبیت شدند. مطالعه کنسرسیوم کنترل موارد Wellcome Trust (2007) یک نمایش متعارف از طراحی کنترل مشترک و چندبیماری است، و مقالات مروری توسط McCarthy و همکاران (2008) و Visscher و همکاران (2012، 2017) انتظارات اجماعی را در مورد آستانه‌های معنی‌داری، کنترل کیفیت، تکرار و تفسیر بیان می‌کنند.

History

این رویکرد زمانی عملی شد که نقشه‌های متراکم SNP و پروژه HapMap عدم تعادل پیوستگی سراسر ژنوم را مشخص کردند، و زمانی که آرایه‌های ژنوتیپینگ مقرون به صرفه در اواسط دهه 2000 ظاهر شدند. مطالعه کنسرسیوم کنترل موارد Wellcome Trust در سال 2007، که هفت بیماری شایع را در برابر کنترل‌های مشترک آزمایش کرد، طراحی را در مقیاس بزرگ نشان داد و گسترش سریع نقشه‌برداری هم‌خوانی را تسریع کرد. بررسی‌های بعدی بلوغ این حوزه را از تعداد انگشت‌شماری از جایگاه‌ها به کاتالوگ‌های سراسر ژنوم، و مواجهه آن با وراثت‌پذیری گمشده، تنوع جمعیتی، و حرکت به سمت مطالعات واریانت نادر و توالی‌گذاری کل ژنوم دنبال کردند.

Debates

چه مقدار از وراثت‌پذیری صفات شایع را می‌توان با GWAS بازیابی کرد؟

جایگاه‌های اولیه GWAS تنها بخش کوچکی از وراثت‌پذیری تخمین‌زده شده را توضیح دادند، که بحث‌هایی را در مورد اینکه آیا این شکاف نشان‌دهنده بسیاری از واریانت‌های شایع با اثر کوچک شناسایی‌نشده، واریانت‌های نادر، تغییرات ساختاری، یا وراثت‌پذیری بیش از حد تخمین‌زده شده است، برانگیخت؛ روش‌های بعدی سراسر ژنوم این شکاف را کاهش دادند اما آن را به طور کامل از بین نبردند.

آیا سوگیری تبار اروپایی در GWAS، برابری و اعتبار را محدود می‌کند؟

از آنجا که بیشتر شرکت‌کنندگان از تبار اروپایی بوده‌اند، هم‌خوانی‌های کشف‌شده و امتیازات پلی‌ژنیک به طور ناقص به سایر جمعیت‌ها منتقل می‌شوند، که هم نگرانی‌های علمی در مورد قابلیت تعمیم و هم نگرانی‌های برابری در مورد اینکه چه کسی از پزشکی ژنومی بهره‌مند می‌شود، را ایجاد می‌کند.

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

تفاوت بین GWAS و مطالعه پیوستگی چیست؟

مطالعات پیوستگی هم‌تفکیک نشانگرها و بیماری را در خانواده‌ها دنبال می‌کنند و مناطق کروموزومی وسیع را مکان‌یابی می‌کنند، در حالی که GWAS هم‌خوانی را در افراد نامرتبط با وضوح دقیق سراسر ژنوم آزمایش می‌کند، که آن را برای واریانت‌های شایع با اثر کوچک مناسب‌تر می‌سازد.

چرا GWAS از چنین آستانه معنی‌داری سختگیرانه‌ای استفاده می‌کند؟

از آنجا که میلیون‌ها واریانت آزمایش می‌شوند، یک مقدار p متداول 0.05 تعداد بسیار زیادی مثبت کاذب ایجاد می‌کند؛ یک آستانه سراسر ژنوم نزدیک به 5 x 10^-8، آزمایش‌های متعدد ناشی از تغییرات رایج مستقل در سراسر ژنوم را در نظر می‌گیرد.