Выявление редких вариантов и нагрузочное тестирование

Стандартные полногеномные исследования ассоциаций (GWAS) рассчитаны на выявление частых вариантов, однако большая часть функциональных вариаций генома является редкой. Поскольку любой отдельный редкий вариант встречается у слишком малого числа людей для надежного тестирования поодиночке, анализ редких вариантов вместо этого агрегирует варианты — обычно в пределах одного гена — и проверяет, отличается ли их совокупная «нагрузка» между случаями и контролями. Секвенирование сделало эти варианты наблюдаемыми, а такие методы, как нагрузочные и ядерные тесты, сделали их статистически поддающимися анализу.

Definition

Выявление редких вариантов — это идентификация, обычно путем секвенирования, низкочастотных генетических вариантов, связанных с признаком, а нагрузочное тестирование — это семейство методов, основанных на генах или регионах, которые агрегируют несколько редких вариантов в один тест для получения мощности, которой не хватает одномаркерному анализу.

Scope

Эта тема охватывает причины, по которым редкие варианты ускользают от обычных одномаркерных GWAS, технологии секвенирования и референсные панели, которые их выявляют, а также основные стратегии агрегации — простые нагрузочные (объединяющие) тесты, ядерные тесты компонент дисперсии, такие как SKAT, и комбинированные или оптимальные тесты, такие как SKAT-O. Также отмечается роль аннотации вариантов в принятии решения о том, какие варианты агрегировать. Это справочник по методам, а не клиническое руководство.

Core questions

• Почему обычные одномаркерные GWAS не обладают достаточной мощностью для редких вариантов?
• Как секвенирование, а не генотипирование на микрочипах, выявляет редкие вариации?
• Как нагрузочные (объединяющие) тесты агрегируют редкие варианты в пределах гена?
• Чем ядерные тесты, такие как SKAT, отличаются от простых нагрузочных тестов?
• Когда предполагается, что варианты действуют в одном направлении, и что происходит, когда это не так?

Key concepts

• Редкие и низкочастотные варианты
• Полноэкзомное и полногеномное секвенирование
• Агрегация на основе гена или региона
• Нагрузочные / объединяющие тесты
• Тест ассоциации последовательностей (SKAT)
• Комбинированные и оптимальные тесты (SKAT-O)
• Функциональная аннотация и взвешивание вариантов

Mechanisms

Одномаркерное тестирование ассоциаций теряет мощность, когда вариант встречается лишь у нескольких индивидуумов, поэтому методы редких вариантов агрегируют варианты по гену или региону. Нагрузочные (объединяющие) тесты суммируют редкие варианты в единицу в виде одного подсчета или индикатора и проверяют, отличается ли эта нагрузка между случаями и и контролями; они мощны, когда большинство вариантов влияют на признак в одном направлении, но теряют мощность, когда эффекты смешаны по направлению или многие варианты нейтральны. Ядерные тесты компонент дисперсии, примером которых является тест ассоциации последовательностей (SKAT), вместо этого проверяют, отклоняется ли распределение эффектов вариантов от нулевой гипотезы без предположения об общем направлении, и остаются мощными, когда эффекты гетерогенны. Комбинированные подходы, такие как SKAT-O, адаптивно сочетают нагрузочные и ядерные тесты для эффективной работы в различных сценариях. Поскольку агрегация зависит от выбора вариантов для включения, функциональная аннотация и взвешивание на основе частоты используются для сосредоточения на предположительно вредоносных вариантах. Секвенирование и разнообразные референсные панели, такие как проект «1000 геномов», лежат в основе обнаружения и аннотации редких вариаций, которые анализируются этими тестами.

Clinical relevance

Методы редких вариантов расширяют генетические открытия в сторону вариаций, которые с большей вероятностью являются функциональными и ближе к основной биологии, дополняя GWAS частых вариантов. Эта тема описывает аналитические методы и не является основой для интерпретации отдельных вариантов, диагностики или принятия решений о лечении.

Evidence & guidelines

Методологическая основа исходит из литературы по статистической генетике, а не из клинических рекомендаций. Ву и соавт. (2011) представили SKAT для данных секвенирования; Ли и соавт. (2012) разработали оптимальный комбинированный тест (SKAT-O); проект «1000 геномов» (2015) предоставил референсные данные для редких вариаций; а Манолио и соавт. (2009) представили редкие варианты как один из возможных источников наследуемости, не охваченной GWAS частых вариантов.

History

По мере развития GWAS частых вариантов и оставшейся необъясненной наследуемости, внимание обратилось к редким вариантам, которые не могли быть обнаружены с помощью микрочипов. Распространение доступного секвенирования экзома и генома около 2010 года сделало редкие вариации наблюдаемыми в больших масштабах, и за этим последовала волна методов агрегации: простые объединяющие тесты, затем ядерные тесты компонент дисперсии, такие как SKAT в 2011 году, и адаптивные комбинации, такие как SKAT-O в 2012 году. Крупные консорциумы по секвенированию и исследования экзомов биобанков с тех пор широко применяют эти методы, хотя обнаружение сигналов редких вариантов по-прежнему требует очень больших выборок.

Debates

Когда следует предпочесть нагрузочные тесты ядерным тестам?

Нагрузочные тесты наиболее мощны, когда агрегированные варианты действуют в одном направлении, в то время как ядерные тесты, такие как SKAT, более устойчивы к смешанным направлениям эффектов и множеству нейтральных вариантов; комбинированные тесты направлены на хеджирование, но правильный выбор зависит от неизвестной истинной архитектуры гена.

Key figures

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

Seminal works

• wu-2011
• lee-2012
• manolio-2009

Frequently asked questions

Почему GWAS не может тестировать редкие варианты по одному?

Вариант, встречающийся лишь у нескольких индивидуумов, предоставляет слишком мало статистической информации для надежного одномаркерного теста, поэтому методы редких вариантов агрегируют множество вариантов — обычно в пределах гена — для получения мощности.

Чем SKAT отличается от простого нагрузочного теста?

Нагрузочный тест предполагает, что агрегированные варианты действуют в основном в одном направлении, тогда как SKAT — это тест компонент дисперсии, который обнаруживает отклонения от нулевой гипотезы, даже когда эффекты вариантов различаются по направлению или величине, что делает его более устойчивым к гетерогенным эффектам.