การค้นพบและการทดสอบภาระของความแปรผันที่หายาก

การศึกษา GWAS มาตรฐานมีพลังในการตรวจจับความแปรผันที่พบบ่อย แต่ความแปรผันเชิงหน้าที่ส่วนใหญ่ของจีโนมนั้นหายาก เนื่องจากความแปรผันที่หายากแต่ละรายการปรากฏในบุคคลน้อยเกินไปที่จะทดสอบได้อย่างน่าเชื่อถือทีละรายการ การวิเคราะห์ความแปรผันที่หายากจึงรวบรวมความแปรผัน — โดยทั่วไปจะอยู่ภายในยีน — และทดสอบว่าภาระรวมของพวกมันแตกต่างกันระหว่างกลุ่มผู้ป่วยและกลุ่มควบคุมหรือไม่ การจัดลำดับทำให้ความแปรผันเหล่านี้สามารถสังเกตได้ และวิธีการต่างๆ เช่น การทดสอบภาระและการทดสอบเคอร์เนลทำให้สามารถจัดการทางสถิติได้

Definition

การค้นพบความแปรผันที่หายากคือการระบุ โดยปกติด้วยการจัดลำดับ ความแปรผันทางพันธุกรรมที่มีความถี่ต่ำที่เกี่ยวข้องกับลักษณะเฉพาะ และการทดสอบภาระคือชุดของวิธีการที่อิงตามยีนหรือภูมิภาคที่รวบรวมความแปรผันที่หายากหลายรายการเข้าเป็นการทดสอบเดียวเพื่อเพิ่มพลังที่การวิเคราะห์เครื่องหมายเดี่ยวขาดไป

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงสาเหตุที่ความแปรผันที่หายากหลุดรอดจากการศึกษา GWAS แบบเครื่องหมายเดี่ยวทั่วไป เทคโนโลยีการจัดลำดับและแผงอ้างอิงที่เปิดเผยความแปรผันเหล่านั้น และกลยุทธ์การรวบรวมหลัก — การทดสอบภาระแบบง่าย (การรวมกลุ่ม), การทดสอบเคอร์เนลส่วนประกอบความแปรปรวน เช่น SKAT และการทดสอบแบบรวมหรือแบบเหมาะสมที่สุด เช่น SKAT-O นอกจากนี้ยังกล่าวถึงบทบาทของการระบุคำอธิบายความแปรผันในการตัดสินใจว่าจะรวบรวมความแปรผันใดบ้าง นี่คือเอกสารอ้างอิงวิธีการ ไม่ใช่แนวทางทางคลินิก

Core questions

• เหตุใด GWAS แบบเครื่องหมายเดี่ยวทั่วไปจึงขาดพลังสำหรับความแปรผันที่หายาก?
• การจัดลำดับแตกต่างจากการระบุจีโนไทป์ด้วยอาร์เรย์อย่างไรในการเปิดเผยความแปรผันที่หายาก?
• การทดสอบภาระ (การรวมกลุ่ม) รวบรวมความแปรผันที่หายากภายในยีนได้อย่างไร?
• การทดสอบแบบเคอร์เนล เช่น SKAT แตกต่างจากการทดสอบภาระแบบง่ายอย่างไร?
• เมื่อใดที่สมมติว่าความแปรผันมีผลในทิศทางเดียวกัน และจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อความแปรผันเหล่านั้นไม่มีผลในทิศทางเดียวกัน?

Key concepts

• ความแปรผันที่หายากและความถี่ต่ำ
• การจัดลำดับทั้งเอ็กโซมและทั้งจีโนม
• การรวบรวมตามยีนหรือภูมิภาค
• การทดสอบภาระ / การรวมกลุ่ม
• การทดสอบความสัมพันธ์เคอร์เนลลำดับ (SKAT)
• การทดสอบแบบรวมและแบบเหมาะสมที่สุด (SKAT-O)
• การระบุคำอธิบายเชิงหน้าที่และการถ่วงน้ำหนักความแปรผัน

Mechanisms

การทดสอบความสัมพันธ์แบบเครื่องหมายเดี่ยวจะสูญเสียพลังเมื่อความแปรผันถูกพาหะโดยบุคคลเพียงไม่กี่คน ดังนั้นวิธีการสำหรับความแปรผันที่หายากจึงรวบรวมความแปรผันทั่วทั้งยีนหรือภูมิภาค การทดสอบภาระ (การรวมกลุ่ม) จะสรุปความแปรผันที่หายากในหน่วยเป็นจำนวนหรือตัวบ่งชี้เดียว และทดสอบว่าภาระนั้นแตกต่างกันระหว่างกลุ่มผู้ป่วยและกลุ่มควบคุมหรือไม่ การทดสอบเหล่านี้มีพลังเมื่อความแปรผันส่วนใหญ่ส่งผลต่อลักษณะในทิศทางเดียวกัน แต่จะสูญเสียพลังเมื่อผลกระทบมีทิศทางที่หลากหลาย หรือความแปรผันจำนวนมากเป็นกลาง การทดสอบเคอร์เนลส่วนประกอบความแปรปรวน ซึ่งมีตัวอย่างคือ Sequence Kernel Association Test (SKAT) จะทดสอบว่าการกระจายของผลกระทบความแปรผันเบี่ยงเบนจากค่าว่างหรือไม่ โดยไม่สมมติทิศทางร่วมกัน และยังคงมีพลังเมื่อผลกระทบมีความหลากหลาย วิธีการแบบรวม เช่น SKAT-O จะผสมผสานการทดสอบภาระและการทดสอบเคอร์เนลอย่างปรับเปลี่ยนได้เพื่อให้ทำงานได้ดีในทุกสถานการณ์ เนื่องจากการรวบรวมขึ้นอยู่กับการเลือกความแปรผันที่จะรวม การระบุคำอธิบายเชิงหน้าที่และการถ่วงน้ำหนักตามความถี่จึงถูกนำมาใช้เพื่อมุ่งเน้นไปที่ความแปรผันที่อาจเป็นอันตราย การจัดลำดับและแผงอ้างอิงที่หลากหลาย เช่น โครงการ 1000 Genomes เป็นพื้นฐานของการค้นพบและการระบุคำอธิบายของความแปรผันที่หายากที่การทดสอบเหล่านี้วิเคราะห์

Clinical relevance

วิธีการสำหรับความแปรผันที่หายากขยายการค้นพบทางพันธุกรรมไปสู่ความแปรผันที่มีแนวโน้มที่จะทำงานได้และใกล้เคียงกับชีววิทยาพื้นฐานมากขึ้น ซึ่งเสริมการศึกษา GWAS สำหรับความแปรผันที่พบบ่อย หัวข้อนี้อธิบายวิธีการวิเคราะห์และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตีความความแปรผันแต่ละรายการ การวินิจฉัย หรือการตัดสินใจในการรักษา

Evidence & guidelines

พื้นฐานทางระเบียบวิธีมาจากวรรณกรรมพันธุศาสตร์เชิงสถิติมากกว่าแนวทางทางคลินิก Wu et al. (2011) ได้นำเสนอ SKAT สำหรับข้อมูลการจัดลำดับ; Lee et al. (2012) ได้พัฒนาการทดสอบแบบรวมที่เหมาะสมที่สุด (SKAT-O); โครงการ 1000 Genomes (2015) ได้ให้ข้อมูลอ้างอิงสำหรับความแปรผันที่หายาก; และ Manolio et al. (2009) ได้ระบุว่าความแปรผันที่หายากเป็นแหล่งหนึ่งของพันธุกรรมที่ไม่ได้ถูกจับโดย GWAS สำหรับความแปรผันที่พบบ่อย

History

เมื่อ GWAS สำหรับความแปรผันที่พบบ่อยเติบโตเต็มที่และยังคงมีพันธุกรรมที่อธิบายไม่ได้ ความสนใจก็หันไปที่ความแปรผันที่หายากที่อาร์เรย์ไม่สามารถจับได้ การแพร่หลายของการจัดลำดับเอ็กโซมและจีโนมในราคาที่เข้าถึงได้ประมาณปี 2010 ทำให้ความแปรผันที่หายากสามารถสังเกตได้ในวงกว้าง และตามมาด้วยวิธีการรวบรวมจำนวนมาก: การทดสอบการรวมกลุ่มแบบง่าย จากนั้นเป็นการทดสอบเคอร์เนลส่วนประกอบความแปรปรวน เช่น SKAT ในปี 2011 และการรวมกันแบบปรับเปลี่ยนได้ เช่น SKAT-O ในปี 2012 ตั้งแต่นั้นมา กลุ่มความร่วมมือการจัดลำดับขนาดใหญ่และการศึกษาเอ็กโซมของธนาคารชีวภาพได้นำวิธีการเหล่านี้ไปใช้อย่างกว้างขวาง แม้ว่าการตรวจจับสัญญาณความแปรผันที่หายากยังคงต้องการตัวอย่างขนาดใหญ่มาก

Debates

เมื่อใดที่ควรเลือกใช้การทดสอบภาระมากกว่าการทดสอบเคอร์เนล?

การทดสอบภาระมีพลังมากที่สุดเมื่อความแปรผันที่รวบรวมมีผลในทิศทางที่สอดคล้องกัน ในขณะที่การทดสอบเคอร์เนล เช่น SKAT มีความทนทานต่อทิศทางผลกระทบที่หลากหลายและความแปรผันที่เป็นกลางจำนวนมากมากกว่า การทดสอบแบบรวมมีเป้าหมายที่จะป้องกันความเสี่ยง แต่การเลือกที่ถูกต้องขึ้นอยู่กับโครงสร้างที่แท้จริงของยีนที่ไม่ทราบ

Key figures

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

Seminal works

• wu-2011
• lee-2012
• manolio-2009

Frequently asked questions

เหตุใด GWAS จึงไม่สามารถทดสอบความแปรผันที่หายากทีละรายการได้?

ความแปรผันที่ถูกพาหะโดยบุคคลเพียงไม่กี่คนให้ข้อมูลทางสถิติน้อยเกินไปสำหรับการทดสอบเครื่องหมายเดี่ยวที่น่าเชื่อถือ ดังนั้นวิธีการสำหรับความแปรผันที่หายากจึงรวบรวมความแปรผันจำนวนมาก — โดยปกติจะอยู่ภายในยีน — เพื่อเพิ่มพลัง

SKAT แตกต่างจากการทดสอบภาระแบบง่ายอย่างไร?

การทดสอบภาระสมมติว่าความแปรผันที่รวบรวมมีผลส่วนใหญ่ในทิศทางเดียวกัน ในขณะที่ SKAT เป็นการทดสอบส่วนประกอบความแปรปรวนที่ตรวจจับการเบี่ยงเบนจากค่าว่างแม้ว่าผลกระทบของความแปรผันจะแตกต่างกันในทิศทางหรือขนาด ทำให้มีความทนทานต่อผลกระทบที่หลากหลายมากกว่า