阮曉嵐,翁鴻,田國祥,李勝,曾憲濤,5
· 循證理論與實(shí)踐 ·
遺傳關(guān)聯(lián)性研究Meta分析的異質(zhì)性來源
阮曉嵐1,2,翁鴻2,3,田國祥4,5,李勝2,3,曾憲濤2,3,5
遺傳關(guān)聯(lián)性研究Meta分析越來越流行,即使在全基因組時(shí)代,由于遺傳關(guān)聯(lián)性研究的特殊性,其Meta分析仍起到重要的作用。遺傳關(guān)聯(lián)性研究Meta分析的異質(zhì)性來源具有其特殊性,本文主要從人群特征、基因-基因、基因-環(huán)境交互作用方面介紹其異質(zhì)性來源。
遺傳關(guān)聯(lián)性研究;基因多態(tài)性;異質(zhì)性;Meta分析
遺傳關(guān)聯(lián)性研究的特點(diǎn)是可重復(fù)性差,多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的陽性結(jié)果既不能被重復(fù)出來,也不能被連鎖或功能分析證實(shí),出現(xiàn)了“贏者詛咒”現(xiàn)象[1]。這可能由于缺乏統(tǒng)計(jì)學(xué)效能等原因,使得重復(fù)試驗(yàn)無法檢測出真實(shí)的基因效應(yīng)。我們知道大多數(shù)基因在復(fù)雜疾病中對疾病易感性的作用較小,因此需要大樣本研究以獲得更高的統(tǒng)計(jì)學(xué)效能。除全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)由于特殊性,樣本量常常為數(shù)千以上外,大多數(shù)發(fā)表的候選基因研究的樣本量均為數(shù)百。此外,無論基因與疾病的關(guān)聯(lián)是否存在,研究間異質(zhì)性是一個(gè)不可忽視的問題[2,3],其可能來源于人群特征、基因分型錯(cuò)誤、連鎖不平衡及其他因素[1,4,5]。在GWAS時(shí)代,這一問題仍然是遺傳關(guān)聯(lián)性研究的最重要的難題之一[2-5]。例如,一項(xiàng)國際性大型帕金森病的GWAS未能重復(fù)之前GWAS研究[6]所篩選出的13個(gè)單核苷酸多態(tài)性(SNP)。
因此,研究者們便引入了Meta分析來解決這些難題,Meta分析不僅能增大樣本量、增加統(tǒng)計(jì)學(xué)效能和結(jié)果的精確性,還能探討研究間的異質(zhì)性。檢測和量化研究間異質(zhì)性是Meta分析重要的部分,處理研究間異質(zhì)性甚至可以給基因-疾病之間關(guān)聯(lián)的理解帶來新的視角[7,8]。當(dāng)前已有許多遺傳關(guān)聯(lián)性研究Meta分析證實(shí)了在多數(shù)單個(gè)研究中報(bào)告不清楚的基因效應(yīng)[2,9]。本研究主要探討遺傳關(guān)聯(lián)性研究Meta分析的異質(zhì)性來源,包括人群特征、基因-基因和基因-環(huán)境交互作用的混雜。
研究人群的異質(zhì)性可能導(dǎo)致研究結(jié)果差異,因?yàn)殡S機(jī)漂變、新突變、自然選擇及SNP頻率的變化貫穿于多數(shù)種群中。這里探討的人群特征是從遺傳學(xué)角度出發(fā)的,是整體研究人群的遺傳學(xué)特征,主要包括人群分層、Hardy-Weinberg平衡(HWE)、連鎖不平衡和種群動(dòng)態(tài)、等位基因和位點(diǎn)異質(zhì)性、隔離群體。
1.1人群分層 人群分層也稱人群混雜,主要是在基于群體的病例-對照研究中(基于家系的研究可以避免人群分層),當(dāng)兩組(病例組和對照組)之間研究對象的遺傳起源匹配較差時(shí)產(chǎn)生,此外,即使是基于同源性較好的同一人群的研究也有可能發(fā)生[10,11]。如果所研究的疾病在某一人群中發(fā)病率更高,那么所選取的研究對象就會過代表該疾病,使得該遺傳變異(如SNP等)趨向于與該疾病有關(guān)聯(lián),進(jìn)而得出假陽性結(jié)果。另一種情況,若不同群體SNP的等位基因頻率不同,在兩組中表現(xiàn)出基因型頻率的差異,也導(dǎo)致假陽性關(guān)聯(lián)的出現(xiàn)。即兩組疾病情況及遺傳起源之間的混淆,會導(dǎo)致假陽性關(guān)聯(lián)的概率增加。人群分層是一項(xiàng)重要的混雜因素,在遺傳關(guān)聯(lián)性Meta分析中需要仔細(xì)評價(jià)其對Meta分析的影響。
但人群分層這一因素仍然有較大爭議。Cardon等[12]研究了人群分層的影響,并認(rèn)為該因素的影響被夸大,且目前有多種方法可對其進(jìn)行檢測和校正,主要包括基因組對照[13]、Cochran/ Mantel-Haenszel檢驗(yàn)[14]及傳遞不平衡檢驗(yàn)[15](TDT),在GWAS中可以應(yīng)用主成分分析[16]進(jìn)行亞群體的辨別。但該研究僅分析了非西班牙裔高加索人群和NAT2基因的一個(gè)SNP,因此其結(jié)論的適用性較差[17]。Edland等[18]將這一研究結(jié)果推廣到一般水平,并提出當(dāng)人群種族信息在可用的情況下,應(yīng)盡量使用該因素進(jìn)行分析。另一方面,Lohmueller等[9]證實(shí)了種族分層并不一定能減少異質(zhì)性。目前對人群分層因素較為廣泛的認(rèn)識是,其在較少的情況下會成為重要的混雜因素,但研究人員不能忽視這一因素[19,20]。Salanti等[17]建議將人群分層作為重要的混雜因素,人群分層可以暴露出效應(yīng)量的真實(shí)變異,包括基于種族的外顯率和環(huán)境差異。因此,我們推薦在遺傳關(guān)聯(lián)性研究Meta分析中,盡量考慮人群分層因素,在信息充足的情況下盡量使用該因素進(jìn)行分析。
1.2HWE 突變和重組是可遺傳變異的源泉,是進(jìn)化所需的原料。在有性繁殖過程中,通過遺傳漂變和自然選擇將變異體有區(qū)別地傳遞到后代中去。但遺傳本身并不改變基因頻率,即HWE定律的原理。該定律指出:當(dāng)一個(gè)大的孟德爾群體中的個(gè)體間進(jìn)行隨機(jī)交配,并同時(shí)無選擇、無突變、無遷徙和遺傳漂變發(fā)生時(shí),下一代基因型的頻率和前一代一樣,這個(gè)群體就被稱為處于隨機(jī)交配系統(tǒng)的平衡中[21]。該定律是在1908年由英國數(shù)學(xué)家Hardy和德國醫(yī)生Weinberg分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)的,故稱HWE定律,又稱基因型頻率的平衡定律、二項(xiàng)式平方定律,它是群體遺傳學(xué)的第一理論基石[21,22]。
HWE偏離多采用Pearson卡方檢驗(yàn)來評估。在遺傳關(guān)聯(lián)性研究Meta分析中,一般只對病例-對照研究的對照組基因型頻數(shù)分布進(jìn)行HWE的檢驗(yàn)[23]。若檢驗(yàn)結(jié)果提示數(shù)據(jù)偏離HWE,說明觀察數(shù)據(jù)存在雜合子數(shù)目的部分丟失。對照組觀察到的基因型頻數(shù)偏離HWE的可能原因有:①基因分型錯(cuò)誤,這是引起HWE偏離的重要因素[24,25]。在很多基因分型平臺中,鑒定雜合子個(gè)體比純合子個(gè)體更具有挑戰(zhàn)性,難度更大,因此,該基因型的個(gè)體缺失引起數(shù)據(jù)偏離HWE;基因分型質(zhì)量差的另一個(gè)原因是可分型率低,即大量SNP位點(diǎn)或個(gè)體無法進(jìn)行基因分型,這一問題在GWAS中更為顯著,在候選基因研究中也會產(chǎn)生,基因型的隨機(jī)缺失對試驗(yàn)結(jié)果的影響較小,但基因分型錯(cuò)誤率太高就意味著非隨機(jī)缺失,對試驗(yàn)結(jié)果會產(chǎn)生偏倚;此外,病例組和對照組中遺失率的不同也會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生偏倚,如兩組DNA提取或儲存的差異所引起的丟失[14,26];②選擇性配對,即非隨機(jī)配對。HWE檢驗(yàn)要求所分析的SNP是隨機(jī)配對的,但由于其他因素的干擾,如擇偶中女性對男性身高的選擇,以及在聾啞人群中也可能發(fā)生[17,26];③選擇偏倚。由于死胎或早期死亡的基因型可能被忽略;④人群分層。在研究中混合了遺傳學(xué)隔離的人群,可能會引起基因型頻數(shù)偏離HWE;⑤偶然因素。有的研究分析了多個(gè)SNP,因此其HWE檢驗(yàn)的P值也需要多重檢驗(yàn)校正[26];⑥小群體中可能由于遺傳漂變、始祖效應(yīng)、空間限制及雜合子優(yōu)勢而導(dǎo)致偏離HWE[17,27],如囊性纖維化病,雜合子體比正常的純合子體有生殖優(yōu)勢。
在遺傳關(guān)聯(lián)性研究Meta分析中,一般推薦先納入不符合HWE的研究,然后進(jìn)行敏感性分析,排除不符合HWE的研究,對比研究結(jié)果[1,28,29]。但由于檢驗(yàn)HWE的效能較低,HuGENet推薦評估的主要目的是評價(jià)偏離HWE程度的大小,而不是檢驗(yàn)是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[30]。因此,推薦研究者在制作遺傳關(guān)聯(lián)性研究Meta分析中,報(bào)告納入研究對照組基因型的HWE情況時(shí)應(yīng)報(bào)告檢驗(yàn)結(jié)果的P值,而不是僅僅報(bào)告是否符合HWE。
1.3連鎖不平衡和種群動(dòng)態(tài) 連鎖不平衡(LD)又稱等位基因關(guān)聯(lián),是指在某一群體中,不同座位上某兩個(gè)基因同時(shí)遺傳給后代的頻率明顯高于預(yù)期的隨機(jī)頻率的現(xiàn)象。因此,我們研究中的某一標(biāo)志基因(即標(biāo)簽SNP)可能并不是導(dǎo)致疾病的原因,由于LD現(xiàn)象,該標(biāo)志基因僅在遺傳時(shí)伴隨著真正導(dǎo)致疾病的基因一起遺傳給后代。故LD現(xiàn)象使得標(biāo)簽SNP與該疾病有關(guān)聯(lián)。等位基因之間的LD程度反應(yīng)了種群重組的歷史,越遠(yuǎn)的后代發(fā)生重組的現(xiàn)象就會越多。人群中染色體區(qū)域LD結(jié)構(gòu)模式的差異可能是遺傳關(guān)聯(lián)性研究間異質(zhì)性的來源之一[1]。LD由于區(qū)域可變性、基因漂變、人群分層、染色體結(jié)構(gòu)位置及交配模式而在人群內(nèi)和人群間發(fā)生變化[17]。
真實(shí)的基因-疾病關(guān)聯(lián),由于LD可能會使基于人群的研究及這些人群特定的DNA特征的結(jié)果呈現(xiàn)出矛盾。因此,評估LD有助于理解矛盾結(jié)果的原因及在Meta分析中如何更好地處理。研究者對目標(biāo)SNP與疾病的關(guān)聯(lián)有質(zhì)疑的情況下,可以探索同一基因上的其他相近的位點(diǎn),來確認(rèn)是否是真實(shí)的關(guān)聯(lián),還是由于LD所引起的[17]。
1.4等位基因和位點(diǎn)異質(zhì)性 等位基因異質(zhì)性,即同一基因不同的變異可以產(chǎn)生相同的表型;位點(diǎn)異質(zhì)性,即易感個(gè)體中的不同位點(diǎn)遺傳多態(tài)性導(dǎo)致同一疾病。在不同的研究內(nèi),等位基因和位點(diǎn)異質(zhì)性可以產(chǎn)生不同程度的關(guān)聯(lián)。任何特定等位基因與疾病的關(guān)聯(lián),甚至是在不同人群中有相同等位基因頻率的,都取決于其他致病等位基因的頻率。若這些其他的等位基因在不同人群中頻率不同,就會發(fā)現(xiàn)不同的關(guān)聯(lián)。家族性高膽固醇血癥是等位基因異質(zhì)性的典型例子,目前在Human Gene Mutation Database(http://www.hgmd.cf.ac.uk/ ac/index.php)、ClinVar(http://www.ncbi.nlm.nih. gov/clinvar/)及UK British Heart Foundation(http:// www.ucl.ac.uk/ldlr/Current/index.php?)數(shù)據(jù)庫中已有近1600個(gè)致病基因LDLR的變異位點(diǎn)被檢測出來[31],同時(shí)還有新的位點(diǎn)在不斷被檢測出來[32]。結(jié)節(jié)性硬化癥是一個(gè)典型的位點(diǎn)異質(zhì)性的例子,該疾病可由TSC1和TSC2兩個(gè)位點(diǎn)中任何一個(gè)位點(diǎn)變異而引起[17]。
1.5隔離群體 隔離群體在遺傳學(xué)復(fù)雜疾病研究中的價(jià)值越來越受到重視[33,34],如國外的冰島和芬蘭人群、我國的沿海小島人群(桃花島和漁山島)[35]。由于受到空間等障礙不能進(jìn)行基因交流或基因交流顯著降低,基于隔離群體的關(guān)聯(lián)研究具有顯著的理論優(yōu)勢,但常常難以獲得大樣本,缺乏足夠的統(tǒng)計(jì)學(xué)效能。
一對等位基因受到另一對等位基因的制約,并伴隨后者不同前者的表型有所差異(即上位效應(yīng)),后者即為上位基因,可分為顯性上位基因和隱性上位基因;前者即為下位基因。當(dāng)研究的性狀或疾病不是由單獨(dú)的一個(gè)基因所致,而是由兩個(gè)或多個(gè)位點(diǎn)交互作用所致時(shí),基因-基因間的上位交互作用就會產(chǎn)生混雜。
絕大多數(shù)的常見疾病是由遺傳和環(huán)境因素交互作用所致。在過去的幾十年,人們的生活方式發(fā)生了改變,尤其是我國人群,這些改變促進(jìn)了常見疾病的發(fā)生,如Ⅱ型糖尿病、高血壓、肥胖癥及腫瘤[36-39]。圖1A和1B分別從遺傳和公共衛(wèi)生角度解讀基因-環(huán)境的交互作用。遺傳角度先提出一個(gè)主效應(yīng)假設(shè),檢測基因變異與表型(疾病或性狀)之間的關(guān)聯(lián),然后,交互作用假設(shè)檢測表型-疾病的關(guān)聯(lián)是否在不同的環(huán)境因素中有差異。公共衛(wèi)生角度,研究者們首先質(zhì)疑環(huán)境暴露因素和表型之間的關(guān)聯(lián),然后交互作用假設(shè)檢測是否某種基因型攜帶者的表型受環(huán)境暴露因素的影響比該基因型攜帶更為敏感。遺傳關(guān)聯(lián)性研究的可重復(fù)性較低,而基因-環(huán)境交互作用的重復(fù)性更低?;?環(huán)境交互作用的Meta分析需要三個(gè)要素(基因、環(huán)境和結(jié)果)之間具有某種程度的標(biāo)準(zhǔn)化[26]。這種標(biāo)準(zhǔn)化對環(huán)境因素來說相當(dāng)困難,環(huán)境暴露因素的測量缺乏統(tǒng)一性是其主要原因。因此,所研究的基因與其他因素之間的交互作用也是遺傳關(guān)聯(lián)性研究Meta分析研究間異質(zhì)性的來源之一。
圖1 基因-環(huán)境交互作用(A:遺傳角度;B:公共衛(wèi)生角度)
本文主要探討了遺傳關(guān)聯(lián)性研究Meta分析中與遺傳相關(guān)的異質(zhì)性來源,主要包括人群特征、基因-基因和基因-環(huán)境交互作用的混雜。人群特征中主要探討了人群分層、HWE(推薦只檢測對照組)、LD和種群動(dòng)態(tài)、等位基因和位點(diǎn)異質(zhì)性、隔離群體。我們在制作一般遺傳關(guān)聯(lián)性研究Meta分析時(shí),主要能夠使用和檢測的是人群分層和對照組HWE狀態(tài),其他幾個(gè)因素是我們制作Meta分析時(shí)無法進(jìn)行檢測的,不能用于檢測異質(zhì)性來源。對于人群分層,若研究提供的信息足夠,應(yīng)當(dāng)做人群亞組分析或Meta回歸分析;對于對照組不符合HWE的研究,也不應(yīng)首先排除,應(yīng)該先將其納入整體的Meta分析,然后制作排除對照組不符合HWE研究的敏感性分析。對于基因-基因和基因-環(huán)境交互作用的混雜,若納入研究提供了足夠的信息,我們提取相關(guān)的數(shù)據(jù),進(jìn)行基因-基因和基因-環(huán)境交互作用的分析,以提供更多的結(jié)果。當(dāng)然,遺傳關(guān)聯(lián)性研究的Meta分析也具有一般觀察性研究Meta分析的異質(zhì)性,如研究人群的選擇、研究設(shè)計(jì)和實(shí)施、表型的定義、暴露因素的確定等。
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本文編輯:姚雪莉
Source of heterogeneity in Meta-analysis of genetic association studies RUAN Xiao-Lan*, WENG Hong,
TIAN Guo-xiang, LI Sheng, ZENG Xian-tao.*Department of Hematology, People's Hospital of Wuhan University,Wuhan 430000, China.
WENG Hong, E-mail: wengh92@163.com
The Meta-analysis of genetic association studies is more and more popular. Even in the genome era, the Meta-analysis of genetic association studies plays a vital role due to the characteristics of genetic association studies. The heterogeneity source of Meta-analysis of genetic association studies presents specific properties. The aim of this study is to introduce the heterogeneity sources according to population characteristics, gene-gene, and gene-environment interactions.
Genetic association studies; Polymorphism; Heterogeneity; Meta-analysis
R4
A
1674-4055(2016)09-1025-04
武漢大學(xué)自主科研項(xiàng)目基金(2042015kf0156);國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)基金(2016YFC0106300)
1430000 武漢,武漢大學(xué)人民醫(yī)院血液內(nèi)科;2430071武漢,武漢大學(xué)循證與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心;3430071 武漢,武漢大學(xué)中南醫(yī)院循證與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心;4100700 北京,陸軍總醫(yī)院干四科;5430071武漢,武漢大學(xué)中南醫(yī)院泌尿外科
翁鴻,E-mail:wengh92@163.com
10.3969/j.issn.1674-4055.2016.09.01