使用多因素易患性閾值模型評(píng)估雙相情感障礙的遺傳度缺失

李康，許瑞環(huán)，張洪德，王前

1. 南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)中心，廣州 510515；

2. 深圳市龍崗中心醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室，深圳 518116；

3. 深圳市龍崗中心醫(yī)院檢驗(yàn)科，深圳 518116

使用多因素易患性閾值模型評(píng)估雙相情感障礙的遺傳度缺失

李康1,2，許瑞環(huán)3，張洪德2，王前1

1. 南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)中心，廣州 510515；

2. 深圳市龍崗中心醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室，深圳 518116；

3. 深圳市龍崗中心醫(yī)院檢驗(yàn)科，深圳 518116

為了評(píng)估雙向情感障礙的遺傳度缺失，文章通過查詢美國(guó)國(guó)家人類基因組研究所(National Human Genome Research Institute，NHGRI)的gwascatalog目錄，檢索出所有已發(fā)現(xiàn)的雙相情感障礙易感變異，使用多因素易患性閾值模型計(jì)算每個(gè)易感變異對(duì)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(duì)遺傳度的總解釋度，使用此總解釋度評(píng)估雙相情感障礙的遺傳度缺失。結(jié)果顯示，已知雙相情感障礙易感變異對(duì)雙相情感障礙遺傳度的合計(jì)解釋度為38.34%，尚有61.66%的遺傳度無法被已有易感變異解釋，屬于遺傳度缺失。雙相情感障礙 38.34%的遺傳度解釋度較早前國(guó)外同類研究大幅度提高，表明隨著新的雙相情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)目較大的事實(shí)也表明雙相情感障礙尚存在許多未知的分子遺傳學(xué)機(jī)制有待進(jìn)一步闡明。

雙相情感障礙；遺傳度；遺傳度缺失；易患性閾值模型

雙相情感障礙是一種典型的多基因遺傳病，疾病的形成受多個(gè)易感變異控制，并且受環(huán)境因素的影響。Edvardsen等[1]研究發(fā)現(xiàn)雙相情感障礙的遺傳度為77.00%，表明遺傳因素在雙相情感障礙的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著主要作用，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(jī)制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)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(Genome-wide association study, GWAS)技術(shù)在雙相情感障礙分子機(jī)制中的應(yīng)用，大大地促進(jìn)了雙相情感障礙易感變異的研究進(jìn)程，發(fā)現(xiàn)了大量的雙相情感障礙易感變異。但隨著研究的深入，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障礙的高遺傳度，即當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的雙相情感障礙易感變異對(duì)雙相情感障礙發(fā)病的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其遺傳度，這種現(xiàn)象被稱為“遺傳度缺失(Missing heritability)”[2]。

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)雜疾病。So[3]等報(bào)道了基于多因素易患性閾值模型評(píng)估已知易感突變對(duì)復(fù)雜疾病遺傳度的解釋度的方法，并對(duì)多種常見復(fù)雜疾病易感變異對(duì)遺傳度的解釋度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算。結(jié)果顯示已發(fā)現(xiàn)易感變異對(duì)雙相情感障礙遺傳度的解釋度僅2.77%，有高達(dá)97.23%的雙相情感障礙遺傳度無法被已知易感變異解釋，屬于遺傳度缺失。目前國(guó)內(nèi)還未見關(guān)于雙相情感障礙的遺傳度缺失的研究。本研究使用So等[3]的研究方法計(jì)算雙相情感障礙的易患性解釋變異(Variance in liability explained, Vg)，使用Vg與雙相情感障礙遺傳度的比值評(píng)估雙相情感障礙所有已知易感變異對(duì)雙相情感障礙遺傳度的解釋度，并對(duì)雙相情感障礙的遺傳度缺失進(jìn)行評(píng)估。

1 對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象

雙相情感障礙的易感變異信息主要來源于美國(guó)國(guó)家人類基因組研究所(National Human Genome Research Institute, NHGRI)編制的已發(fā)表GWAS研究目錄gwascatalog(http://www.genome.gov/gwastudies) (截止2013年9月30日)，Hindorff等[4]對(duì)此目錄做了詳細(xì)的介紹。目錄中與雙相情感障礙相關(guān)的易感變異共有377個(gè)，其中324個(gè)易感變異因?yàn)槲刺峁╋L(fēng)險(xiǎn)等位基因頻率(Risk allele frequency)和比值比(OR)等數(shù)據(jù)而無法使用本方法計(jì)算其對(duì)雙相情感障礙遺傳度的解釋度，未納入本研究。本研究主要以剩余的53個(gè)雙相情感障礙易感變異為研究對(duì)象，計(jì)算其對(duì)雙相情感障礙遺傳度的解釋度，進(jìn)而對(duì)雙相情感障礙的遺傳度缺失進(jìn)行評(píng)估(表1)。

1.2 方法

假設(shè)每個(gè)易感變異均為一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等位基因A和一個(gè)保護(hù)等位基因 a組成的雙等位基因。對(duì)于同一個(gè)人群，易感變異3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、Pa?；蛐虯A、Aa、aa的基因型頻率分別表示為PAA、PAa、Paa?；蛐虯A、Aa、aa的外顯率分別表示為fAA、fAa、faa。RR1代表基因型 Aa相對(duì)于基因型 aa的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)率(Relative risks, RR)，RR2代表基因型AA相對(duì)于基因型aa的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)率。由于基因型Aa含有一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等位基因，而基因型AA含有兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等位基因，所以RR2=RR12。本研究使用易感基因的OR值作為其RR1的估計(jì)值?；蛐虯A、Aa、aa的易患性平均值分別表示為 μAA、μAa、μaa。T表示疾病的易患性閾值，K表示疾病總發(fā)病率。雙相情感障礙的總發(fā)病率為0.021[5]。

圖1 易患性閾值模型示意圖μAA、μAa、μaa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。

首先，根據(jù)哈迪溫伯格定律，用PA推算出Pa、PAA、PAa、Paa。

總患病率K與基因型頻率，基因型外顯率，相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)比的關(guān)系可用下列公式表達(dá)：

由此可推導(dǎo)出：

假設(shè) 3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：

其中 Φ-1為返回正態(tài)分布百分位數(shù)的函數(shù)?？梢约僭O(shè)μaa數(shù)值為0，這不會(huì)影響對(duì)Vg的計(jì)算。則T、μAa、μAA可計(jì)算如下：

所有人群總的易患性平均值μall計(jì)算公式如下：

Vg計(jì)算公式如下：

為方便與遺傳度進(jìn)行比較，將Vg按照如下公式進(jìn)行變換，變換后的Vg表示為實(shí)際Vg(actual Vg)。

h2代表遺傳度，雙相情感障礙的遺傳度為77.00%[1]。

So等[3]提供了此方法的程序軟件，可免費(fèi)下載使用(http://sites.google.com/site/ honcheongso/ software/varexp)。

2 結(jié)果與分析

運(yùn)用多因素易患性閾值模型計(jì)算出 53個(gè)雙相情感障礙易感變異對(duì)于雙相情感障礙遺傳度的解釋度，結(jié)果見表 1。解釋度低于 1.00%的易感變異有45個(gè)，對(duì)雙相情感障礙遺傳度的合計(jì)解釋度為10.90%，其中解釋度最低的是位于20p13的rs3761218，對(duì)雙相情感障礙的遺傳度解釋度為 0.01%。解釋度高于1.00%的易感基因有8個(gè)，對(duì)雙相情感障礙遺傳度的合計(jì)解釋度為 27.43%，其中解釋度最高的是位于1p31.3的 rs41350144，其對(duì)雙相情感障礙的遺傳度解釋度為6.94%。53個(gè)易感變異對(duì)雙相情感障礙遺傳度的合計(jì)解釋度為38.34%。雙相情感障礙遺傳度中尚存在 61.66%的部分無法被已知易感變異解釋，這部分無法被已知易感變異解釋的遺傳度即可理解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(duì)雙相情感障礙遺傳度的解釋度

續(xù)表

3 討 論

雙相情感障礙是典型的多基因遺傳病。隨著GWAS技術(shù)越來越廣泛的運(yùn)用于雙相情感障礙的研究，目前有超過300個(gè)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(duì)于雙相情感障礙發(fā)病機(jī)制的闡明及診斷治療并未產(chǎn)生顯著地推動(dòng)作用。對(duì)比單基因疾病易感變異對(duì)于疾病發(fā)病機(jī)制及診斷治療的巨大推動(dòng)價(jià)值，雙相情感障礙顯示出更加復(fù)雜的遺傳學(xué)發(fā)病機(jī)制。研究顯示已發(fā)現(xiàn)的雙相情感障礙易感變異無法完全解釋疾病的遺傳度，從而出現(xiàn)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(diǎn)研究領(lǐng)域。

So等[3]對(duì)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(duì)遺傳度的解釋度進(jìn)行定量計(jì)算，結(jié)果顯示解釋度最高的是前列腺癌，其解釋度為 31.16%，解釋度最低的精神分裂癥僅0.39%，雙向情感障礙的解釋度為2.77%。本研究顯示，已發(fā)現(xiàn)雙相情感障礙易感變異對(duì)遺傳度的解釋度為 38.34%，顯著高于先前報(bào)道。分析其中原因，主要有以下幾點(diǎn)：首先，大量新近發(fā)現(xiàn)的雙相情感障礙易感變異的納入提高了本研究的總遺傳度解釋度。So等[3]的研究參考了NHGRI截至2010年1月31日的gwascatalog。當(dāng)時(shí)gwascatalog中收錄了47個(gè)雙相情感障礙易感變異，排除 4個(gè)未提供風(fēng)險(xiǎn)等位基因頻率(Risk allele frequency)和(或)比值比(OR)的易感變異后剩余43個(gè)易感變異。剩余的43個(gè)易感變異再按照 p值小于 7.20×10-8的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選，排除39個(gè)p值大于 7.20×10-8的易感變異，剩余4個(gè)易感變異。So等[3]使用gwascatalog目錄中這4個(gè)剩余的易感變異加上1個(gè)gwascatalog外的易感變異合計(jì) 5個(gè)雙相情感障礙易感變異用于評(píng)估雙相情感障礙遺傳度解釋度。2010年后，全球范圍內(nèi)開展了大量的新的雙相情感障礙GWAS研究，有大量新的雙相情感障礙易感變異被發(fā)現(xiàn)。2010年2月1日至今，gwascatalog新錄入的雙相情感障礙易感變異多達(dá) 330個(gè)，本研究選擇了其中 10個(gè)易感變異。這10個(gè)易感變異的合計(jì)遺傳度解釋度達(dá)到17.48%，其中Lee等[6]發(fā)現(xiàn)的rs41350144和Yosifova等[7]發(fā)現(xiàn)的 rs8099939對(duì)雙相情感障礙遺傳度的解釋度分別為6.94%和4.60%，是目前發(fā)現(xiàn)的對(duì)雙相情感障礙遺傳度解釋度最高的兩個(gè)易感變異。這些新發(fā)現(xiàn)的易感變異的納入大幅提高了易感變異對(duì)雙相情感障礙的總遺傳度解釋度。其次，對(duì)基因組顯著性閾值的要求適當(dāng)放寬，使得更多的易感變異納入本研究。So等[3]的研究為了保證結(jié)果準(zhǔn)確度，僅納入p值小于7.20×10-8的易感變異，從而使gwascatalog中39個(gè)雙相情感障礙易感變異未納入研究，僅有 4個(gè)易感變異被納入研究?？紤]到GWAS研究者在發(fā)現(xiàn)易感變異研究中，均已根據(jù)自身研究特點(diǎn)，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)雙相情感障礙易感變異對(duì)其遺傳度的解釋度，本文未采用7.20×10-8的顯著性閾值對(duì)易感變異進(jìn)行篩選，將所有53個(gè)易感變異全部納入研究，從而使得雙相情感障礙的總遺傳度解釋度大幅度提高。

本研究對(duì)已知易感變異對(duì)雙相情感障礙遺傳度的解釋度的計(jì)算也存在一定的局限性。第一，本研究主要選擇的雙相情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(shí)別低最小基因頻率突變(0.5%＜MAF＜5%)和稀有突變(MAF＜0.5%)，對(duì)拷貝數(shù)變異(CNVs)和中性拷貝變異(copy neutral variation)等結(jié)構(gòu)性變異較難識(shí)別也從一定程度上制約了本研究。第二，對(duì)于雙相情感障礙易感變異，本研究主要參考美國(guó) NHGRI編制的已發(fā)表GWAS研究目錄gwascatalog。可能存在一些雙相情感障礙易感變異由于未收錄入gwascatalog而未被納入本研究，從而使計(jì)算所得的雙相情感障礙遺傳度解釋度偏低。第三，本研究使用的計(jì)算方法要求易感變異必須有相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等位基因頻率和 OR方能計(jì)算其遺傳度解釋度。Gwascatalog目錄中與雙相情感障礙相關(guān)的總計(jì)377個(gè)易感變異中，僅53個(gè)同時(shí)提供了風(fēng)險(xiǎn)等位基因頻率和OR，324個(gè)易感變異因?yàn)槲刺峁╋L(fēng)險(xiǎn)等位基因頻率和(或)OR等數(shù)據(jù)而未納入本研究。這一方法學(xué)局限性使得超過 80%的已發(fā)現(xiàn)雙相情感障礙易感變異對(duì)雙相情感障礙遺傳度的解釋度無法得到估算。第四，本研究使用比值比作為相對(duì)危險(xiǎn)率的估計(jì)值，但當(dāng)疾病患病率較高時(shí)，相對(duì)危險(xiǎn)率將小于比值比，這樣使用相對(duì)危險(xiǎn)率計(jì)算所得的總遺傳度解釋度將小于使用比值比計(jì)算所得的遺傳度解釋度。

38.34 %的遺傳度解釋度說明雙相情感障礙依然有大部分遺傳度無法得到解釋，存在較大的遺傳度缺失。隨著全球范圍內(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)將使得雙相情感障礙遺傳度解釋度進(jìn)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[8]建議的復(fù)雜疾病遺傳度缺失研究策略包括：對(duì)極端表型患者進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域或全基因組測(cè)序；使用擴(kuò)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(kuò)大單個(gè)研究和 Meta分析來增加多種復(fù)雜性疾病研究的樣本量，包括對(duì)非歐裔人群的研究。相信隨著研究樣本量的不斷增大，基因-基因、基因-環(huán)境間相互作用的不斷闡明，對(duì)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(jìn)一步解決。

Lee等[9]建立了名為基因組復(fù)雜性狀分析(Genome-wide complex trait analysis, GCTA)的基于線性混合模型定量計(jì)算復(fù)雜疾病遺傳度缺失的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，目前已被迅速應(yīng)用于包括帕金森病[10]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?jī)r(jià)值。我們計(jì)劃在下一步的研究中使用GCTA方法對(duì)雙相情感障礙遺傳度缺失做進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編委: 周鋼橋)

Evaluating the missing heritability of bipolar disorder using the multifactorial liability threshold model

Kang Li1,2, Ruihuan Xu3, Hongde Zhang2, Qian Wang1

1. Laboratory Medical Center, Nanfang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou 510515, China;
2. Central Laboratory, Longgang District Central Hospital, Shenzhen 518116, China;
3. Clinical Laboratory, Longgang District Central Hospital, Shenzhen 518116, China

In order to evaluate the missing heritability of bipolar disorder, we queried the GWAS catalog of National Human Genome Research Institute, retrieve all the susceptible gene variation of bipolar disorder, and calculate the heritability explanation degree of each susceptibility variant using the multifactorial liability threshold model. The total heritability explanation degree of bipolar disorder was obtained through summing up the heritability explanation degree of each susceptibility variant. Then, we evaluated the missing heritability of bipolar disorder based on the total heritability explanation degree.The results showed that the total heritability explanation degree of bipolar disorder explained by known susceptible variants was 38.34%, and the other 61.66% of heritability can’t be explained by known susceptibility variants, which belong to the missing heritability of bipolar disorder. The total heritability explanation degree of bipolar disorder in this study was significantly increased compared to earlier similar studies abroad. With constant discovery of new bipolar disorder susceptibility variants, the missing heritability of bipolar disorder has been greatly reduced, but the missing heritability of bipolar disorder still exists and occupies a large part of the bipolar disorder heritability, indicating that the molecular genetic mechanisms of bipolar disorder need to be further clarified.

bipolar disorder; heritability; missing heritability; liability threshold model

2014-01-31;

2014-07-07

廣東省科技廳課題項(xiàng)目(編號(hào)：2011B061200003)資助

李康，碩士，主管技師，研究方向：復(fù)雜疾病的基因組和蛋白質(zhì)組學(xué)。E-mail：kangerem@163.com

王前，博士，教授，研究方向：復(fù)雜疾病的快速診斷。E-mail：wangqian@smu.edu.cn

10.3724/SP.J.1005.2014.0897

時(shí)間: 2014-7-30 11:30:44

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20140730.1130.003.html