Découverte de variants rares et tests de fardeau

Les études d'association pangénomiques (GWAS) standards sont conçues pour détecter les variants communs, mais une grande partie de la variation fonctionnelle du génome est rare. Étant donné qu'un variant rare unique apparaît chez trop peu d'individus pour être testé de manière fiable un par un, l'analyse des variants rares agrège plutôt les variants - généralement au sein d'un gène - et teste si leur fardeau combiné diffère entre les cas et les témoins. Le séquençage a rendu ces variants observables, et des méthodes telles que les tests de fardeau et les tests à noyau les ont rendus statistiquement traitables.

Definition

La découverte de variants rares est l'identification, généralement par séquençage, de variants génétiques de basse fréquence associés à un trait, et les tests de fardeau sont une famille de méthodes basées sur les gènes ou les régions qui agrègent plusieurs variants rares en un seul test pour gagner en puissance, ce qui manque à l'analyse à marqueur unique.

Scope

Ce sujet aborde les raisons pour lesquelles les variants rares échappent aux études d'association pangénomiques (GWAS) conventionnelles à marqueur unique, les technologies de séquençage et les panels de référence qui les révèlent, ainsi que les principales stratégies d'agrégation : les tests de fardeau (de regroupement) simples, les tests à noyau basés sur la variance (tels que SKAT), et les tests combinés ou optimaux (tels que SKAT-O). Il souligne également le rôle de l'annotation des variants dans la décision des variants à agréger. Il s'agit d'une référence méthodologique, et non d'une directive clinique.

Core questions

• Pourquoi les GWAS conventionnels à marqueur unique manquent-ils de puissance pour les variants rares ?
• Comment le séquençage, plutôt que le génotypage par puces, révèle-t-il la variation rare ?
• Comment les tests de fardeau (de regroupement) agrègent-ils les variants rares au sein d'un gène ?
• En quoi les tests à noyau tels que SKAT diffèrent-ils des tests de fardeau simples ?
• Quand suppose-t-on que les variants agissent dans la même direction, et que se passe-t-il quand ce n'est pas le cas ?

Key concepts

• Variants rares et de basse fréquence
• Séquençage de l'exome entier et du génome entier
• Agrégation basée sur les gènes ou les régions
• Tests de fardeau / de regroupement
• Test d'association à noyau de séquence (SKAT)
• Tests combinés et optimaux (SKAT-O)
• Annotation fonctionnelle et pondération des variants

Mechanisms

Les tests d'association à marqueur unique perdent de la puissance lorsqu'un variant n'est porté que par une poignée d'individus ; c'est pourquoi les méthodes de variants rares agrègent les variants sur un gène ou une région. Les tests de fardeau (de regroupement) résument les variants rares d'une unité en un seul compte ou indicateur et testent si ce fardeau diffère entre les cas et les témoins ; ils sont puissants lorsque la plupart des variants affectent le trait dans la même direction, mais perdent de la puissance lorsque les effets sont de directions mixtes ou que de nombreux variants sont neutres. Les tests à noyau basés sur la variance, exemplifiés par le Sequence Kernel Association Test (SKAT), testent plutôt si la distribution des effets des variants s'écarte de l'hypothèse nulle sans supposer une direction commune, et restent puissants lorsque les effets sont hétérogènes. Les approches combinées telles que SKAT-O mélangent de manière adaptative les tests de fardeau et les tests à noyau pour bien fonctionner dans divers scénarios. L'agrégation dépendant du choix des variants à inclure, l'annotation fonctionnelle et la pondération basée sur la fréquence sont utilisées pour se concentrer sur les variants potentiellement délétères. Le séquençage et divers panels de référence tels que le 1000 Genomes Project sous-tendent la découverte et l'annotation de la variation rare que ces tests analysent.

Clinical relevance

Les méthodes de variants rares étendent la découverte génétique vers une variation plus susceptible d'être fonctionnelle et plus proche de la biologie sous-jacente, complétant les GWAS de variants communs. Ce sujet décrit des méthodes analytiques et ne constitue pas une base pour l'interprétation individuelle des variants, le diagnostic ou les décisions de traitement.

Evidence & guidelines

La base méthodologique provient de la littérature en génétique statistique plutôt que des directives cliniques. Wu et al. (2011) ont introduit SKAT pour les données de séquençage ; Lee et al. (2012) ont développé le test combiné optimal (SKAT-O) ; le 1000 Genomes Project (2015) a fourni des données de référence pour la variation rare ; et Manolio et al. (2009) ont présenté les variants rares comme une source candidate d'héritabilité non capturée par les GWAS de variants communs.

History

À mesure que les GWAS de variants communs ont mûri et ont laissé l'héritabilité inexpliquée, l'attention s'est portée sur les variants rares que les puces d'ADN ne pouvaient pas capturer. La diffusion du séquençage d'exome et de génome abordable vers 2010 a rendu la variation rare observable à grande échelle, et une vague de méthodes d'agrégation a suivi : des tests de regroupement simples, puis des tests à noyau basés sur la variance tels que SKAT en 2011, et des combinaisons adaptatives telles que SKAT-O en 2012. De grands consortiums de séquençage et des études d'exomes de biobanques ont depuis appliqué ces méthodes largement, bien que la détection des signaux de variants rares exige toujours de très grands échantillons.

Debates

Quand les tests de fardeau devraient-ils être préférés aux tests à noyau ?

Les tests de fardeau sont les plus puissants lorsque les variants agrégés agissent dans une direction cohérente, tandis que les tests à noyau tels que SKAT sont plus robustes face aux directions d'effet mixtes et à de nombreux variants neutres ; les tests combinés visent à s'adapter, mais le bon choix dépend de l'architecture réelle inconnue du gène.

Key figures

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

Seminal works

• wu-2011
• lee-2012
• manolio-2009

Frequently asked questions

Pourquoi une GWAS ne peut-elle pas tester les variants rares un par un ?

Un variant porté par seulement quelques individus fournit trop peu d'informations statistiques pour un test à marqueur unique fiable ; c'est pourquoi les méthodes de variants rares agrègent de nombreux variants - généralement au sein d'un gène - pour gagner en puissance.

En quoi SKAT diffère-t-il d'un simple test de fardeau ?

Un test de fardeau suppose que les variants agrégés agissent principalement dans la même direction, tandis que SKAT est un test basé sur la variance qui détecte les écarts par rapport à l'hypothèse nulle même lorsque les effets des variants diffèrent en direction ou en magnitude, ce qui le rend plus robuste aux effets hétérogènes.