大規(guī)模多性狀全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定數(shù)百個(gè)青光眼風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn).png

●影響因子：2023_IF=31；中科大類: 遺傳學(xué)期刊1區(qū); JCR分區(qū): Q1
●發(fā)文單位：昆士蘭醫(yī)學(xué)研究所統(tǒng)計(jì)遺傳實(shí)驗(yàn)室
●文章作者：現(xiàn)北京大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院研究員韓西坤、昆士蘭醫(yī)學(xué)研究所Stuart MacGregor

●摘要：
青光眼是導(dǎo)致不可逆失明的主要原因，是一種高度遺傳的人類疾病。先前的全基因組關(guān)聯(lián)研究已確定了最常見形式原發(fā)性開角型青光眼（POAG）的 100 多個(gè)基因座。與青光眼相關(guān)的兩個(gè)關(guān)鍵特征也顯示出高遺傳性：眼壓和視神經(jīng)乳頭挖掘損傷（量化為垂直杯盤比）。在這里，由于青光眼遺傳性的大部分仍無法解釋，我們對歐洲血統(tǒng)的參與者進(jìn)行了一項(xiàng)大規(guī)模多性狀全基因組關(guān)聯(lián)研究，結(jié)合了原發(fā)性開角型青光眼及其兩個(gè)相關(guān)性狀（總樣本量超過 600,000），以顯著改善遺傳檢測效力（263 個(gè)位點(diǎn)）。
然后，我們采用多祖先Meta方法進(jìn)一步增強(qiáng)了我們的檢測效力，將獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)基因座的數(shù)量增加到 312 個(gè)，其中絕大多數(shù)在 23andMe 的大型POAG獨(dú)立隊(duì)列中得到重復(fù)（總樣本量超過 280 萬；296 個(gè)基因座在P < 0.05，Bonferroni 校正后為 240）。
利用多組學(xué)數(shù)據(jù)集，我們確定了許多潛在的藥物靶點(diǎn)，包括可能通過對視神經(jīng)作用的神經(jīng)保護(hù)靶標(biāo)，這是青光眼的一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)展，因?yàn)樗鞋F(xiàn)有藥物都只針對眼內(nèi)壓。我們進(jìn)一步使用孟德爾隨機(jī)化和基于遺傳相關(guān)性（LDSC）的方法來識別與其他復(fù)雜特征的遺傳關(guān)聯(lián)，包括多發(fā)性硬化癥和系統(tǒng)性紅斑狼瘡等免疫都是與POAG有潛在因果影響的。

●背景：

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• 青光眼是視力障礙的主要原因，也是全球第二大失明原因。其最常見的形式是原發(fā)性開角型青光眼，也就是POAG，是一種進(jìn)行性視神經(jīng)病變，雖然該疾病是可以治療的，但是造成的視力障礙是不可逆的。由于POAG在早期幾乎沒有癥狀，因此在全球，超過50%的青光眼直到發(fā)生不可逆的視神經(jīng)損傷才被診斷出來，這也說明仍舊缺乏青光眼早期診斷的手段。

• 垂直杯盤比 (VCDR) 和眼壓 (IOP) 是POAG的兩個(gè)關(guān)鍵內(nèi)表型，IOP升高是POAG的一個(gè)重要危險(xiǎn)因素，VCDR是評估視神經(jīng)損傷的臨床指標(biāo)。

• POAG是最具遺傳性的常見疾病之一(h2=0.665~0.698)，這使得研究人員可以利用大規(guī)模GWAS分析來挖掘POAG相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)變異，研究團(tuán)隊(duì)在2021年進(jìn)行的大規(guī)模POAG meta分析確定了127個(gè)風(fēng)險(xiǎn)基因坐，雖然解釋了一定比例的POAG風(fēng)險(xiǎn)，但這些基因座只占其遺傳性的中等部分，許多風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)還有待挖掘；

• multitrait 方法（文章用到的是MTAG）已經(jīng)被證明在整合高相關(guān)表型數(shù)據(jù)時(shí)，可以顯著提升GWAS對目標(biāo)性狀的power。研究團(tuán)隊(duì)在之前的研究中，也證明了剛才提到的POAG的兩個(gè)關(guān)鍵的內(nèi)表型IOP和VCDR與POAG有高度的遺傳相關(guān)性，以及IOP和VCDR之間的低相關(guān)性。
  

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• 近年來，隨著IOP 和 VCDR GWAS測試的樣本數(shù)量顯著增加，尤其是研究團(tuán)隊(duì)在之前提出的基于AI的方式獲得IOP的預(yù)測值，這大大增加了兩個(gè)內(nèi)表型的樣本量，給予研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行multitrait meta分析的機(jī)會，最重要的是，由于VCDR和IOP之間的低相關(guān)性，大規(guī)模meta分析可能揭示兩種表型特異的顯著信號，有助于研發(fā)針對VCDR的神經(jīng)保護(hù)類藥物。

●實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

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●數(shù)據(jù)來源：

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●兩個(gè)meta方法：

• Multitrait meta方法 MTAG
  • 不同性狀間的meta-analysis
• Cross-ancestry meta 方法 METAL

  • 同一性狀cohort間的meta-analysis

    
    
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兩種方法的本質(zhì)都是提升樣本量，進(jìn)而提升GWAS的統(tǒng)計(jì)效力。

●研究結(jié)果：

• 1、GWAS meta 分析
  

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  在歐洲人群中對POAG、VCDR 和 IOP 的 MTAG 分析形成POAG-MTAG數(shù)據(jù)，確定了 263 個(gè)獨(dú)立loci，其中有81個(gè)新發(fā)現(xiàn)的位點(diǎn)；這些顯著SNP共解釋了14.1%的POAG風(fēng)險(xiǎn)，與研究團(tuán)隊(duì)之前大規(guī)模meta分析的9.4%相比，增加了將近50%；
  在23andMe中，有261個(gè)SNP可用于replication，這些SNP中，有60％ 達(dá)到全基因組顯著性水平，85％達(dá)到多重檢驗(yàn)顯著水平，98％達(dá)到一般顯著水平?？傮w而言，POAG MTAG分析和 23andMe 的 replication 之間的效應(yīng)大小高度一致，皮爾遜相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.966。（圖2a）
  
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  然后研究進(jìn)行了cross-ancestry的meta分析，在meta分析之前，先對歐洲人群 POAG MTAG鑒定到的lead SNP與亞洲和非洲群體進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)不同族群之間的一致性較高（圖2c, d）。
  之后，進(jìn)行了Cross-ancestry的 meta 分析，共鑒定到312個(gè)lead SNP，其中109個(gè)為新發(fā)現(xiàn)的位點(diǎn);
  在23andMe中，有302個(gè)SNP可用于replication，其中，56％達(dá)到全基因組顯著水平，79％達(dá)到多重檢驗(yàn)顯著水平，98％達(dá)到一般顯著水平，并且，POAG Cross-ancestry和23andMe之間的效應(yīng)大小高度一致（圖2b）。

• 2、Gene-based and pathway analysis分析
  

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  之后，研究對上述meta結(jié)果進(jìn)行了深入分析，首先是對顯著SNP功能的探索，基于基因的分析，確定了355個(gè)與POAG相關(guān)的顯著基因，其中304個(gè)基因位于顯著SNP附近；通路分析中，發(fā)現(xiàn)32條顯著通路，相關(guān)途徑如參與膠原蛋白形成、心血管系統(tǒng)發(fā)育以及血管發(fā)育途徑。

• 3、整合多組學(xué)數(shù)據(jù)篩選POAG功能基因
  

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  之后利用多組學(xué)數(shù)據(jù)對POAG風(fēng)險(xiǎn)基因進(jìn)行篩選，首先利用49個(gè)GTEx組織或視網(wǎng)膜組織與POAG MTAG或cross-ancestry 的lead SNP進(jìn)行共定位（僅對23andMe的replication 中通過多重檢驗(yàn)的進(jìn)行分析），在對歐洲人POAG MTAG數(shù)據(jù)分析中，共定位鑒定到139個(gè) loci與QTL顯著共定位，40個(gè)為novel loci；
  在對cross-ancestry 的POAG數(shù)據(jù)分析中，共定位鑒定到了148個(gè) loci與QTL顯著共定位，38個(gè)為novel loci。
  然后，研究利用歐洲人視網(wǎng)膜組織進(jìn)行TWAS鑒定到86個(gè)風(fēng)險(xiǎn)基因，利用歐洲人血漿蛋白數(shù)據(jù)篩選相關(guān)功能蛋白，MR鑒定到33種與POAG有因果影響的風(fēng)險(xiǎn)蛋白，PWAS鑒定到10中與POAG相關(guān)的蛋白質(zhì)。

• 4、POAG 藥物靶點(diǎn)的篩選
  基于上述的多種遺傳學(xué)證據(jù)，即全基因組顯著loci、gene-based、TWAS、eQTL/sQTL 共定位以及pQTL 的MR，研究總共篩選到69個(gè)POAG的潛在藥物靶點(diǎn)；其中17個(gè)藥物靶點(diǎn)具有至少兩個(gè)水平的遺傳證據(jù)，在這里列出的這些基因，都已經(jīng)有針對黃斑變性及黃斑孔的藥物。

• 5、VCDR特異性藥物靶點(diǎn)
  

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  由于現(xiàn)有的治療青光眼的藥物只針對眼內(nèi)壓，也就是降低高眼壓，因此，為便于之后針對VCDR這一表型的特異性藥物的研發(fā)（也就是神經(jīng)保護(hù)性藥物的研發(fā)），研究基于z score的層次聚類方法對歐洲人中POAG MTAG分析得到的263個(gè)lead SNP進(jìn)行分類，結(jié)果發(fā)現(xiàn)更可能與VCDR相關(guān)和更可能與IOP相關(guān)的SNP分別為92和171個(gè)，然后研究又基于多性狀共定位的方法來證明了層次聚類方法的準(zhǔn)確性；
  之后，比較這些SNP在MTAG和VCDR及MTAG和IOP中的effect size，發(fā)現(xiàn)其效應(yīng)大小都表現(xiàn)出高度一致性。
  
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  根據(jù)對MTAG結(jié)果中POAG loci的分類以及上述篩選到的69種POAG潛在藥物靶點(diǎn)，研究確定了10種最有可能影響VCDR的藥物靶點(diǎn)，而與IOP無關(guān)，其中，有一些用于治療神經(jīng)退行性眼部疾病的藥物，比如視網(wǎng)膜萎縮、黃斑變性、黃斑孔等，已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段；這些VCDR 基因是研發(fā) POAG 神經(jīng)保護(hù)藥物的潛在靶標(biāo)。

• 6、與POAG 遺傳相關(guān)的性狀
  

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  最后，研究對IOP、VCDR、多性狀meta前的POAG、及多性狀meta后的POAG-MTAG這四部分?jǐn)?shù)據(jù)與其他復(fù)雜性狀間的遺傳關(guān)系進(jìn)行了探索，利用1347個(gè)復(fù)雜疾病或性狀與他們進(jìn)行遺傳相關(guān)性分析（LDSC）；確定了24種與POAG、VCDR或IOP有遺傳相關(guān)性的性狀，比如這里的智力、認(rèn)知表現(xiàn)和教育程度是與VCDR呈正相關(guān)。
  
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  同理，孟德爾隨機(jī)化分析確定了14中對POAG具有推定的因果影響的性狀，如多發(fā)性硬化癥、系統(tǒng)性紅斑狼瘡這些免疫相關(guān)疾病以及2 型糖尿病等。
  
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  并且研究還通過共定位分析，確定了POAG與這些性狀間共享的遺傳區(qū)域，比如這里確定的POAG與系統(tǒng)性紅斑狼瘡之間在12號染色體上的基因ATXN2的共享遺傳區(qū)域。

●總結(jié)：
創(chuàng)新點(diǎn)：

• 利用IOP和VCDR與POAG之間的高遺傳相關(guān)性，顯著提升POAG風(fēng)險(xiǎn)基因位點(diǎn)的檢測能力；
• 整合了多種族的GWAS數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高了研究的統(tǒng)計(jì)能力，有助于識別跨族裔的共享風(fēng)險(xiǎn)變異；
• 整合了轉(zhuǎn)錄組和蛋白組數(shù)據(jù)，識別潛在的致病基因和藥物靶點(diǎn)。

局限性：

• 1、EUR樣本占比過高，降低了檢測EAS和AFR特異POAG風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)的能力；
• 2、蛋白質(zhì)組學(xué)的數(shù)據(jù)來源于血漿，需要更多的相關(guān)組織進(jìn)行進(jìn)一步的蛋白質(zhì)組學(xué)的評估。