Phát hiện biến thể hiếm và kiểm định gánh nặng di truyền

Các GWAS tiêu chuẩn có khả năng phát hiện các biến thể phổ biến, nhưng phần lớn sự biến đổi chức năng của bộ gen là hiếm. Vì bất kỳ biến thể hiếm đơn lẻ nào cũng xuất hiện ở quá ít người để kiểm định đáng tin cậy từng cái một, phân tích biến thể hiếm thay vào đó tổng hợp các biến thể – thường là trong một gen – và kiểm định xem gánh nặng kết hợp của chúng có khác biệt giữa các ca bệnh và nhóm chứng hay không. Giải trình tự đã giúp quan sát được các biến thể này, và các phương pháp như kiểm định gánh nặng và kiểm định nhân đã giúp chúng có thể xử lý thống kê được.

Definition

Phát hiện biến thể hiếm là việc xác định, thường bằng giải trình tự, các biến thể di truyền tần số thấp liên quan đến một đặc điểm, và kiểm định gánh nặng là một nhóm các phương pháp dựa trên gen hoặc vùng tổng hợp nhiều biến thể hiếm thành một kiểm định duy nhất để tăng sức mạnh thống kê mà phân tích đơn điểm thiếu.

Scope

Chủ đề này bao gồm lý do tại sao các biến thể hiếm thoát khỏi GWAS đơn điểm thông thường, các công nghệ giải trình tự và bảng tham chiếu giúp phát hiện chúng, và các chiến lược tổng hợp chính – kiểm định gánh nặng đơn giản (gộp), kiểm định nhân thành phần phương sai như SKAT, và các kiểm định kết hợp hoặc tối ưu như SKAT-O. Nó cũng lưu ý vai trò của chú thích biến thể trong việc quyết định biến thể nào cần tổng hợp. Đây là một tài liệu tham khảo về phương pháp, không phải hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Tại sao GWAS đơn điểm thông thường thiếu sức mạnh thống kê đối với các biến thể hiếm?
• Giải trình tự, thay vì định kiểu gen bằng mảng, làm thế nào để phát hiện biến thể hiếm?
• Các kiểm định gánh nặng (gộp) tổng hợp các biến thể hiếm trong một gen như thế nào?
• Các kiểm định dựa trên nhân như SKAT khác với các kiểm định gánh nặng đơn giản như thế nào?
• Khi nào các biến thể được giả định hoạt động theo cùng một hướng, và điều gì xảy ra khi chúng không như vậy?

Key concepts

• Các biến thể hiếm và tần số thấp
• Giải trình tự toàn bộ exome và toàn bộ bộ gen
• Tổng hợp dựa trên gen hoặc vùng
• Kiểm định gánh nặng / gộp
• Kiểm định Liên kết Hạt nhân Trình tự (SKAT)
• Các kiểm định kết hợp và tối ưu (SKAT-O)
• Chú thích chức năng và trọng số biến thể

Mechanisms

Kiểm định liên kết đơn điểm mất sức mạnh thống kê khi một biến thể chỉ được mang bởi một số ít cá thể, vì vậy các phương pháp biến thể hiếm tổng hợp các biến thể trên một gen hoặc vùng. Các kiểm định gánh nặng (gộp) tóm tắt các biến thể hiếm trong một đơn vị thành một số lượng hoặc chỉ số duy nhất và kiểm định xem gánh nặng đó có khác biệt giữa các ca bệnh và nhóm chứng hay không; chúng có sức mạnh thống kê khi hầu hết các biến thể ảnh hưởng đến đặc điểm theo cùng một hướng nhưng mất sức mạnh khi các hiệu ứng có hướng hỗn hợp hoặc nhiều biến thể là trung tính. Các kiểm định nhân thành phần phương sai, điển hình là Kiểm định Liên kết Hạt nhân Trình tự (SKAT), thay vào đó kiểm định xem sự phân bố của các hiệu ứng biến thể có khác biệt so với giả thuyết không mà không giả định một hướng chung, và vẫn giữ được sức mạnh thống kê khi các hiệu ứng không đồng nhất. Các phương pháp kết hợp như SKAT-O kết hợp thích nghi các kiểm định gánh nặng và kiểm định nhân để hoạt động tốt trong nhiều kịch bản. Vì việc tổng hợp phụ thuộc vào việc chọn biến thể nào để đưa vào, chú thích chức năng và trọng số dựa trên tần số được sử dụng để tập trung vào các biến thể có khả năng gây hại. Giải trình tự và các bảng tham chiếu đa dạng như Dự án 1000 Genomes là nền tảng cho việc phát hiện và chú thích các biến thể hiếm mà các kiểm định này phân tích.

Clinical relevance

Các phương pháp biến thể hiếm mở rộng khám phá di truyền hướng tới các biến thể có nhiều khả năng có chức năng và gần hơn với sinh học cơ bản, bổ sung cho GWAS biến thể phổ biến. Chủ đề này mô tả các phương pháp phân tích và không phải là cơ sở để giải thích biến thể cá nhân, chẩn đoán hoặc quyết định điều trị.

Evidence & guidelines

Cơ sở phương pháp luận đến từ tài liệu di truyền thống kê hơn là các hướng dẫn lâm sàng. Wu et al. (2011) đã giới thiệu SKAT cho dữ liệu giải trình tự; Lee et al. (2012) đã phát triển kiểm định kết hợp tối ưu (SKAT-O); Dự án 1000 Genomes (2015) đã cung cấp dữ liệu tham chiếu cho biến thể hiếm; và Manolio et al. (2009) đã coi các biến thể hiếm là một trong những nguồn ứng cử viên của tính di truyền không được nắm bắt bởi GWAS biến thể phổ biến.

History

Khi GWAS biến thể phổ biến trưởng thành và để lại tính di truyền không được giải thích, sự chú ý chuyển sang các biến thể hiếm mà các mảng không thể thu nhận. Sự phổ biến của giải trình tự toàn bộ exome và toàn bộ bộ gen với chi phí phải chăng vào khoảng năm 2010 đã giúp quan sát được biến thể hiếm ở quy mô lớn, và một làn sóng các phương pháp tổng hợp đã ra đời: các kiểm định gộp đơn giản, sau đó là các kiểm định nhân thành phần phương sai như SKAT vào năm 2011, và các kết hợp thích nghi như SKAT-O vào năm 2012. Các tập đoàn giải trình tự lớn và các nghiên cứu exome ngân hàng sinh học đã áp dụng rộng rãi các phương pháp này, mặc dù việc phát hiện tín hiệu biến thể hiếm vẫn đòi hỏi các mẫu rất lớn.

Debates

Khi nào nên ưu tiên kiểm định gánh nặng hơn kiểm định nhân?

Các kiểm định gánh nặng có sức mạnh thống kê cao nhất khi các biến thể được tổng hợp hoạt động theo một hướng nhất quán, trong khi các kiểm định nhân như SKAT mạnh mẽ hơn đối với các hướng hiệu ứng hỗn hợp và nhiều biến thể trung tính; các kiểm định kết hợp nhằm mục đích phòng ngừa rủi ro, nhưng lựa chọn đúng đắn phụ thuộc vào kiến trúc thực sự chưa biết của gen.

Key figures

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

Seminal works

• wu-2011
• lee-2012
• manolio-2009

Frequently asked questions

Tại sao GWAS không thể kiểm định từng biến thể hiếm một?

Một biến thể chỉ được mang bởi một số ít cá thể cung cấp quá ít thông tin thống kê cho một kiểm định đơn điểm đáng tin cậy, vì vậy các phương pháp biến thể hiếm tổng hợp nhiều biến thể – thường là trong một gen – để tăng sức mạnh thống kê.

SKAT khác với kiểm định gánh nặng đơn giản như thế nào?

Kiểm định gánh nặng giả định rằng các biến thể được tổng hợp hoạt động chủ yếu theo cùng một hướng, trong khi SKAT là một kiểm định thành phần phương sai phát hiện sự khác biệt so với giả thuyết không ngay cả khi các hiệu ứng biến thể khác nhau về hướng hoặc độ lớn, làm cho nó mạnh mẽ hơn đối với các hiệu ứng không đồng nhất.