定量計算已知易感變異對雙相情感障礙遺傳度的解釋度

1、定量計算已知易感變異對雙相情感障礙遺傳度的解釋度李康,許瑞環(huán)3,張洪德王前(510515廣東廣州，南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院 檢驗醫(yī)學中心；518116,廣東深圳，深圳市龍崗中心醫(yī)院：中心實驗室，檢驗 科)【摘要】目的 根據(jù)已發(fā)現(xiàn)雙相情感障礙易感變異定量計算已知易感變異對雙相悄 感障礙遺傳度的解釋度。方法檢索已發(fā)現(xiàn)雙相情感障礙易感變異，使用多因素易 患性閾值模型訃算每個易感變異對雙相情感障礙遺傳度的解釋度。將所有易感變 異遺傳度解釋度求和得到雙相情感障礙已知易感變異對遺傳度的總解釋度，并評 佔雙相惜感障礙的遺傳度缺失。結(jié)果已知雙相情感障礙易感變異對雙相情感障礙 遺傳度的合計解釋度為37. 86%,尚

2、有62. 14%的遺傳度無法被已有易感變異解釋， 屬于遺傳度缺失。結(jié)論 雙相情感障礙37. 86%的遺傳度解釋度較早前國外同類研究 大幅度提高,表明隨著新的雙相惜感障礙易感變異被不斷發(fā)現(xiàn)，雙相情感障礙遺 傳度缺失得到大幅度減小。但雙相情感障礙遺傳度缺失依然存在且數(shù)U較大的事 實也表明雙相悄感障礙尚存在許多未知的分子遺傳學機制有待進一步闡明?！娟P(guān)鍵詞】雙相情感障礙；遺傳度；遺傳度缺失；易患性閾值模型Quantitative evaluating the heritability explained by knownsusceptibility variants of bipolar disord

3、erLi Kang12, Xu Ruihuan3, Zhang Hongde2, Wang Qian:, (Laboratory Medical Center, Nanfang Hospital, Affiliated to Southern Medical University, Guangzhou, Guangdong province, 510515; :Central Laboratory, Longgang District Central Hospital, Shenzhen, Guangdong province, 518116; Clinical Laboratory, Lon

4、ggang Distriet Central Hospital, Shenzhen, Guangdong province, 518116, China)Abstract Object To quantitative evaluate the heritability explained by known susceptibility variants of bipolar disorder. Methods We retrieved all susceptibility variants of bipolar disorder, used the multifactorial liabili

5、ty threshold model to evaluate 基金項目：廣東省科技廳科技計劃項目(NO.2011B061200003)通訊作者:王前,E-mail： HYPERLINK mailto:wangqian wangqianthe heritability explained by each susceptibility variants in bipolar disorder, and got the total heritability explanation degree of bipolar disorder through summing up the heritabili

6、ty explanation degree of each susceptibility variants Then, we evaluated the missing heritability in bipolar disorder. Results The total heritability explanation degree of bipolar disorder by known susceptible valiants was 37.86% There were 624% of heritability has not been explained by known suscep

7、tibility variants, this can be considered the missing heritability of bipolar disorder Conclusions The total heritability explanation degree of bipolar disorder we got was substantial increased from earlier similar study abroad Although the missing heritability of bipolar disorder has been greatly r

8、educed with constant discovery of new bipolar disorder susceptibility variants, the fact that it still exists and occupy a large part of the bipolar disorder heritability show that there are still many unknown bipolar disorder molecular genetic mechanisms need to be further clarified【Key words bipol

9、ar disorder;heritability; missing heritability; liability threshold modelSupported by Foundation for Science and Technology Research Project of Guangdong Provincial Department of Science and Technology (No.2011B061200003). Corresponding author： Wang Qian, E-mail： HYPERLINK mailto:wdngqidn wdngqidn.雙

10、相1W感障礙是一種典型的多基因遺傳病(polygenic inheritance disease),其發(fā)生除了多個易感變異的累加效應(yīng)外，還受環(huán)境因素的影響。 Edvardsen J等研究發(fā)現(xiàn)雙相悄感障礙的遺傳度為77%,顯示出遺傳因素在雙相惜 感障礙的發(fā)病機制中發(fā)揮主要作用，也預(yù)示了雙相情感障礙存在大量易感變異。為闡明雙相情感障礙的發(fā)病機制，國內(nèi)外學者進行了大量的研究，取得了豐 碩的成果。特別是全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)技術(shù)誕生后，大大的促進了雙相情 感障礙易感變異的研究進程，發(fā)現(xiàn)了大量的雙相悄感障礙易感變異。但隨著研究 的深入，人們發(fā)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的大量雙相情感障礙易感變異并不能完全解釋雙相情感

11、 障礙的高遺傳度，即當前發(fā)現(xiàn)的雙相情感障礙易感變異對雙相悄感障礙發(fā)病的貢 獻遠遠小于其遺傳度,這種現(xiàn)象被稱為遺傳度缺失(missing heritability)n遺傳度缺失現(xiàn)象普遍存在于雙相情感障礙、精神分裂癥、糖尿病、乳腺癌等 多種復(fù)朵疾病。國外學者已經(jīng)研究出了若干種訃算遺傳度缺失的數(shù)學統(tǒng)訃方法， 并對多種常見復(fù)雜疾病的遺傳度缺失進行了統(tǒng)計計算。已有的研究顯示已發(fā)現(xiàn)易 感變異對雙相情感障礙遺傳度的解釋度僅2. 77%：3 U前還未見國內(nèi)學者進行復(fù)雜 疾病遺傳度缺失的研究。本研究擬使用多因素易患性閾值模型訃算雙相情感障礙 易患性解釋的變異(variance in liability expl

12、ained, Vg),由于計算多基因 疾病遺傳度的Falconer公式法同樣基于易患性閾值模型，所以基于特定易感變異 計算所得的易患性解釋的變異(Vg)可被直接解釋為位點特異性遺傳度。Vg與遺 傳度的比值即為此易感變異對雙相情感障礙遺傳度的解釋度。本研究擬使用易患 性解釋變異(*)與雙相情感障礙遺傳度的比值評估雙相情感障礙所有已知易感 變異對雙相情感障礙遺傳度的解釋度，并對雙相情感障礙的遺傳度缺失進行評佔。 1對象和方法1.1研究對象雙相情感障礙的易感變異信息主要來源于美國國家人類基因組研 究所 (National Human Genome Research Institute , NHGRI

13、 ) (http：/www. genome, gov/gwastudies )編制的已發(fā)表 GWAS 研究 U 錄 gwascatalog (截止2013年9月30日)，Hindorff等對此目錄做了詳細的介紹。L1錄中涉及到雙相情感障礙的易感變異共55個，排除其中除雙相情感障礙外還與 其他疾病相關(guān)的易感變異6個，本研究共納入49個雙相情感障礙易感變異。1.2研究方法1* aa 11 Aa U AA易弟性uAA, uAa, Paa分別為基因型AA, Aa, aa的易患性平均值，陰影部分表示雙相情感障礙患者圖1易患性閾值模型示意圖假設(shè)每個易感變異均為一個風險等位基因A和一個保護等位基因d組成的雙

14、等 位基因。對于同一個人群，易感變異三種基因型AA, Aa, aa具有不同的平均易患 性，相同的易患性閾值(圖1)。等位基因A, a的基因頻率分別表示為PA, Pao 基因型AA, Ad,如的基因型頻率分別表示為PAA, Paa, Paa。基因型AA, Aa, aa 的外顯率分別表示為fAA, fAa, faao RR1表示基因型Ad相對于基因型竝的相對 風險率(relative risks), RR2代表基因型AA相對于基因型如的相對風險率。 由于基因型Aa含有一個風險等位基因，而基因型AA含有兩個風險等位基因，所 以RR2二RR1。本研究使用易感基因的OR值作為其RR1的佔計值?；蛐虯A

15、, Aa, aa 的易患性平均值分別表示為P AA, 11 Aa, uaao T表示疾病的易患性閾值。K表示 疾病總發(fā)病率。本研究雙相悄感障礙總發(fā)病率參考Merikangas等的研究。首先，根據(jù)哈迪溫伯格定律,我們可用PA推算出Pa, PAA, PAa, PaaoPa二1-PAPAA 二 PAPAa =2*PA*(1-PA)Paa =(1-PA) 3總患病率K與基因型頻率，基因型外顯率，相對風險比的關(guān)系可用下列公式表 達：K=Paa*faa+PAa* (RRl*faa) +PAA* (RR2*faa)由此可推導(dǎo)出：faa= K/(Paa + PAa*RRl + PAA*RR2)fAa= RRl

16、*faafAA二 RR2*faa假設(shè)三種基因型的殘余方差均為1，則基因型特異性易患性均值與基因型外顯 率存在如下關(guān)系：(l-faa)=T- u aaD_1(l-fAa)=T-MAaO_1(l-fAA)=T-uAA其中-為返回正態(tài)分布百分位數(shù)的函數(shù)。我們可以假設(shè)口如數(shù)值為0,這不 會影響我們對Vg的計算。則T, PAa, uAA可計算如下：T=0)-1(l-faa) nAa=T-O_1(l-fAa)uAA=T-O_1(l-fAA)所有人群總的易患性平均值u all計算公式如下：u all=PAa* uAa+PAA* MAAVg計算公式如下：Vg二 Paa*( u aa M all) = + PA

17、a* ( u Aa- u al 1)c+ PAA*( M AA- M all):將訃算所得的Variance explained表示為V*,為方便與遺傳度進行比較，需 要將V*進行標準化估計，估計值表示為VgoVg=V*/(l+V*)2結(jié)果運用多因素易患性閾值模型計算出49個雙相情感障礙易感變異對于雙相惜感 障礙遺傳度的解釋度，結(jié)果見表lo其中41個易感突變的解釋度低于1.00%,最 低值為0. 01%o 8個易感基因的解釋度高于1. 00%,最高值為6. 94%, 49個易感基 因?qū)﹄p相悄感障礙遺傳度的合計解釋度為37. 86%o雙相情感障礙遺傳度中尚存在 62. 14%的部分無法被已知易感

18、變異解釋，即為雙相情感障礙的遺傳度缺失。表1已知雙相情感障礙易感變異對雙相情感障礙遺傳度的解釋度定位基因SNPs風險等位基因頻率ORVg (%)遺傳度解釋度(%)lp31. 3NFIArs413501440.472.275. 34%6. 94%19q13. 2GRIK5rs80999390. 391.953. 55%4. 60%20q13. 1PARD6B - BCAS4rs61229720.822. 022. 28%2.97%15q25CTSHrs22897000. 072. 131. 40%1.82%19pl3. 1NCANrsl0643950. 161. 170. 12%0. 15%15

19、q26. 1C15orf32rs80400090. 111.400. 40%0. 52%19q13. 1DPY19L3rs21115040.231. 741. 91%2.48%lp32. 1PGBD4P8 - NFIArs4729130. 501. 180. 24%0. 31%2pl2REG3A - MIR4264rsl34093480.241.200. 21%0. 28%2qll.2KIAA1211Lrs67330110.461. 170. 21%0. 28%3p21. 1ITIH1rsl0427790. 631. 190. 24%0. 31%3q26. 1RNU7-82P - MIR126

20、3rs74270210. 561. 160. 19%0. 24%4ql2PDGFRA - KITrs25378590. 601. 160. 18%0. 24%5ql5MCTP1rsl74182830.281.210. 26%0. 33%8pl2CYCSP3 - RPL10AP3rs69902550. 951. 330. 13%0. 17%9q34. 1RNU7-21P - GFI1Brs29050720.771.210. 22%0.28%11q13. 2CTSFrs22426630. 251.200. 22%0. 28%15q23MIR629 - UACArs64948490. 121.230

21、. 16%0.21%17q21. 3EIF4EP2 - NGFRrsl0350500.401. 170. 21%0. 27%19pl3. 3ATP8B3rs72508720.691.210. 27%0. 34%10q21.2ANK3rsl09943360.051.450. 24%0. 31%15q14C15orf53 - C15orf54rsl28994490.721.200. 23%0. 30%2qll.2LMAN2L - CNNM4rs23143980. 691. 170. 18%0.23%9q33GARNL3rs41305900. 561. 160. 19%0. 24%11q14. 1T

22、ENM4rsl22908110. 151.200. 15%0. 19%6q25. 2SYNE1rsl70826640. 131.220. 16%0.21%15q14TMC05A - SPRED1rsl69664600. 101.260. 17%0. 22%3p22CMTM8rs43804510.731. 180. 18%0. 24%9pl3PRSS3rs2163450. 371. 150. 16%0.21%3p24.3ZNF385Drs38213960. 111.230. 15%0. 19%14q13NPAS3rs80159590. 021.590. 16%0. 20%14q11.2SUZ12

23、P2 - DHRS4-AS1rsl24364360. 081. 300. 18%0. 24%3p24.3RNY4P22 - VENTXP7rsll7204520. 581. 150. 16%0.21%lp21PPIAP7 - RPSAP19rs19483680.511. 150. 17%0. 22%9q31SVEP1rs70421610. 651. 150. 15%0. 20%llq24SIAErs5443680. 121.220. 15%0. 19%15q25ARNT2rs22787020.831.210. 17%0.23%18pll. 32TH0C1 - COLECI2rs72266770

24、. 121.240. 17%0. 22%3p26CRBN - LRRN1rsl6018750. 501. 140. 15%0. 19%10q22. 3ZMIZ1rs7039650. 541. 150. 17%0. 22%12pl3. 3CACNA1Crsl0067370. 321. 180. 21%0.27%16pl2PALB2rs4202590. 722.083. 38%4. 40%6p21. 1TBCC - GLTSCR1Lrs64583070. 691. 190. 22%0. 29%3q27LAMP3rs6833950. 081.470. 40%0. 51%2q37. 3RNPEPL1r

25、s29531450.231.842. 31%3.00%20pl3CDC25Brs37612180. 641.030. 01%0.01%14q23SLC35F4rsl01349440. 091.450.41%0. 53%14q32. 3TDRD9rsll6224750.701. 130. 11%0. 14%13q14. 1DGKHrsl0120530.841.590. 94%1.22%合計29. 15%37. 86%平均值0. 59%0. 77%中位數(shù)0. 19%0. 24%3討論雙相情感障礙是典型的多基因遺傳病。隨著全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）越來越 廣泛的運用于雙相情感障礙的研究，U前有超過

26、50個雙相情感障礙易感變異被發(fā) 現(xiàn)。然而雙相情感障礙眾多易感變異的發(fā)現(xiàn)對于雙相情感障礙發(fā)病機制的闡明及 診斷治療并未產(chǎn)生顯著地推動作用。對比單基因疾病易感變異對于疾病發(fā)病機制 及診斷治療的巨大推動價值，雙相情感障礙顯示出更加復(fù)朵的遺傳學發(fā)病機制。 繼續(xù)深入的研究揭示出雙相情感障礙已發(fā)現(xiàn)易感變異無法完全解釋疾病遺傳度的 遺傳度缺失現(xiàn)象。遺傳度缺失現(xiàn)象普遍存在于多基因遺傳病中，已成為多基因遺 傳病易感變異研究的主要瓶頸和熱點研究領(lǐng)域。Hon-Cheong S。等對包含雙相情感障礙在內(nèi)的十種常見多基因遺傳病的已發(fā)現(xiàn) 易感變異對遺傳度的解釋度進行定量計算，結(jié)果顯示解釋度最高的是前列腺癌， 其解釋度為3

27、1. 16%,解釋度最低的精神分裂癥僅0.39%,雙向惜感障礙的解釋度 為2.77%。我們的研究顯示，已發(fā)現(xiàn)雙相情感障礙易感變異對遺傳度的解釋度為 37. 86%,顯著高于先前報道。分析其中原因，主要有以下兒點：首先，一些新近 發(fā)現(xiàn)且遺傳度解釋度較高的易感變異的納入提高了本研究的總遺傳度解釋度。 Hon-Cheong So的研究參考了 NHGRI截至2010年1月份的gwascatalogo當時 gwascatalog共收錄了 43個雙相悄感障礙易感變異。2010年后，乂有6個通過GWAS 研究發(fā)現(xiàn)的雙相情感障礙易感變異收錄入gwascatalog 錄中。這6個新增的易 感變異均具有較高的遺傳

28、度解釋度，合計遺傳度解釋度達到17. 00%,其中Lee等 發(fā)現(xiàn)的rs41350144和Yosifova等發(fā)現(xiàn)的rs8099939對雙相情感障礙遺傳度的 解釋度分別為6. 94%和4. 60%,是U前發(fā)現(xiàn)的對雙相情感障礙遺傳度解釋度最高的 兩個易感變異。這6個新發(fā)現(xiàn)易感變異的納入使得雙相情感障礙的總遺傳度解釋 度大幅度提高。其次，對基因組顯著性閾值的要求適當放寬，使得更多的易感變 異納入本研究。Hon-Cheong So的研究為了保證結(jié)果準確度，僅納入p值小于7. 20 XUT3的易感變異，從而使39個雙相情感障礙易感變異被排除，僅有5個易感變 異被納入研究?？紤]到GWAS研究者在發(fā)現(xiàn)易感變異

29、研究中，均已根據(jù)自身研究特 點，選擇了合適的基因組顯著性閾值，為了全面的反映所有已發(fā)現(xiàn)雙相悄感障礙 易感變異對其遺傳度的解釋度，我們未釆用7. 20X10-3的顯著性閾值對易感變異進 行篩選，將所有49個易感變異全部納入研究，從而使得雙相悄感障礙的總遺傳度 解釋度大幅度提高。本研究對已知易感變異對雙相惜感障礙遺傳度的解釋度的汁算也存在一定的 局限性。第一，本研究主要選擇的雙相悄感障礙易感變異主要來源于GWAS研究， 而GWAS自身的一些局限性，例如較難識別低最小基因頻率(0.5%MAF5%)突變甚 至稀有突變(MAF0. 5%),對拷貝數(shù)變異(CNVs)和中性拷貝變異(copy neutral

30、 variation)等結(jié)構(gòu)性變異較難識別也從一定程度上制約了本研究。第二，對于雙 相惜感障礙易感變異，本研究主要參考美國NHGRI編制的已發(fā)表GWAS研究訂錄 gwascatalogo可能存在一些雙相情感障礙易感變異山于未收錄入gwascatalog而 未被納入我們的研究，從而使我們訃算所得的雙相情感障礙遺傳度解釋度偏低。 第三，本研究使用比值比近似替代相對危險率，但我們也注意到當疾病患病率較 高時，相對危險率將小于比值比，這樣使用相對危險率計算所得的總遺傳度解釋 度將小于使用比值比汁算所得的遺傳度解釋度。37. 86%的遺傳度解釋度說明雙相惜感障礙依然有大部分遺傳度依然無法得到 解釋，依然

31、存在較大的遺傳度缺失。隨著全球范圉內(nèi)雙相情感障礙GWAS研究的不 斷開展，新的雙相情感障礙易感變異的不斷發(fā)現(xiàn)將使得雙相悄感障礙遺傳度解釋 度進一步得到提升。但基于GWAS如上所述的局限性，僅僅依賴GWAS研究無法完全 解決雙相情感障礙的遺傳度缺失。Manolio等建議的復(fù)雜疾病遺傳度缺失研究策 略包括：對極端表型患者進行U標區(qū)域或全基因組測序；使用擴大的基因組變異 參考品以增大GWAS研究的覆蓋度；挖掘現(xiàn)有GWAS研究，研究基因結(jié)構(gòu)變異與疾病 的關(guān)聯(lián)及基因間相互作用的證據(jù)；通過擴大單個研究和Me分析來增加多種復(fù)雜 性疾病研究的樣本量，包括對非歐裔人群的研究。相信隨著研究樣本量的不斷增 大，基因

32、-基因、基因-環(huán)境間相互作用的不斷闡明，對稀有變異和結(jié)構(gòu)性變異與 復(fù)雜疾病相關(guān)性的深入研究，復(fù)雜疾病的遺傳度缺失問題將得到進一步解決。Sang Hong Lee等“建立了名為基因組復(fù)朵性狀分析(Genome-wide Complex Twit Analysis, GCTA)的基于線性混合模型定量計算復(fù)雜疾病遺傳度缺失的統(tǒng) 汁學方法，U前已被迅速應(yīng)用于包括帕金森病在內(nèi)的眾多復(fù)雜疾病遺傳度缺失 研究，并顯示出良好的研究價值。我們計劃在下一步的研究中使用GCTA方法對雙 相悄感障礙遺傳度缺失進行進一步研究。參考文獻Edvardsen J, Torgersen S, Roysanb E, et al.

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