定量计算已知易感变异对双相情感障碍遗传度的解释度

1、定量计算已知易感变异对双相情感障碍遗传度的解释度李康,许瑞环3,张洪德王前(510515广东广州，南方医科大学南方医院 检验医学中心；518116,广东深圳，深圳市龙岗中心医院：中心实验室，检验 科)【摘要】目的 根据已发现双相情感障碍易感变异定量计算已知易感变异对双相悄 感障碍遗传度的解释度。方法检索已发现双相情感障碍易感变异，使用多因素易 患性阈值模型讣算每个易感变异对双相情感障碍遗传度的解释度。将所有易感变 异遗传度解释度求和得到双相情感障碍已知易感变异对遗传度的总解释度，并评 佔双相惜感障碍的遗传度缺失。结果已知双相情感障碍易感变异对双相情感障碍 遗传度的合计解释度为37. 86%,尚

2、有62. 14%的遗传度无法被已有易感变异解释， 属于遗传度缺失。结论 双相情感障碍37. 86%的遗传度解释度较早前国外同类研究 大幅度提高,表明随着新的双相惜感障碍易感变异被不断发现，双相情感障碍遗 传度缺失得到大幅度减小。但双相情感障碍遗传度缺失依然存在且数U较大的事 实也表明双相悄感障碍尚存在许多未知的分子遗传学机制有待进一步阐明。【关键词】双相情感障碍；遗传度；遗传度缺失；易患性阈值模型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 基金项目：广东省科技厅科技计划项目(NO.2011B061200003)通讯作者: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.双

10、相1W感障碍是一种典型的多基因遗传病(polygenic inheritance disease),其发生除了多个易感变异的累加效应外，还受环境因素的影响。 Edvardsen J等研究发现双相悄感障碍的遗传度为77%,显示出遗传因素在双相惜 感障碍的发病机制中发挥主要作用，也预示了双相情感障碍存在大量易感变异。为阐明双相情感障碍的发病机制，国内外学者进行了大量的研究，取得了丰 硕的成果。特别是全基因组关联分析(GWAS)技术诞生后，大大的促进了双相情 感障碍易感变异的研究进程，发现了大量的双相悄感障碍易感变异。但随着研究 的深入，人们发现已发现的大量双相情感障碍易感变异并不能完全解释双相情感

11、 障碍的高遗传度，即当前发现的双相情感障碍易感变异对双相悄感障碍发病的贡 献远远小于其遗传度,这种现象被称为遗传度缺失(missing heritability)n遗传度缺失现象普遍存在于双相情感障碍、精神分裂症、糖尿病、乳腺癌等 多种复朵疾病。国外学者已经研究出了若干种讣算遗传度缺失的数学统讣方法， 并对多种常见复杂疾病的遗传度缺失进行了统计计算。已有的研究显示已发现易 感变异对双相情感障碍遗传度的解释度仅2. 77%：3 U前还未见国内学者进行复杂 疾病遗传度缺失的研究。本研究拟使用多因素易患性阈值模型讣算双相情感障碍 易患性解释的变异(variance in liability expl

12、ained, Vg),由于计算多基因 疾病遗传度的Falconer公式法同样基于易患性阈值模型，所以基于特定易感变异 计算所得的易患性解释的变异(Vg)可被直接解释为位点特异性遗传度。Vg与遗 传度的比值即为此易感变异对双相情感障碍遗传度的解释度。本研究拟使用易患 性解释变异(*)与双相情感障碍遗传度的比值评估双相情感障碍所有已知易感 变异对双相情感障碍遗传度的解释度，并对双相情感障碍的遗传度缺失进行评佔。 1对象和方法1.1研究对象双相情感障碍的易感变异信息主要来源于美国国家人类基因组研 究所 (National Human Genome Research Institute , NHGRI

13、 ) (http：/www. genome, gov/gwastudies )编制的已发表 GWAS 研究 U 录 gwascatalog (截止2013年9月30日)，Hindorff等对此目录做了详细的介绍。L1录中涉及到双相情感障碍的易感变异共55个，排除其中除双相情感障碍外还与 其他疾病相关的易感变异6个，本研究共纳入49个双相情感障碍易感变异。1.2研究方法1* aa 11 Aa U AA易弟性uAA, uAa, Paa分别为基因型AA, Aa, aa的易患性平均值，阴影部分表示双相情感障碍患者图1易患性阈值模型示意图假设每个易感变异均为一个风险等位基因A和一个保护等位基因d组成的双

14、等 位基因。对于同一个人群，易感变异三种基因型AA, Aa, aa具有不同的平均易患 性，相同的易患性阈值(图1)。等位基因A, a的基因频率分别表示为PA, Pao 基因型AA, Ad,如的基因型频率分别表示为PAA, Paa, Paa。基因型AA, Aa, aa 的外显率分别表示为fAA, fAa, faao RR1表示基因型Ad相对于基因型竝的相对 风险率(relative risks), RR2代表基因型AA相对于基因型如的相对风险率。 由于基因型Aa含有一个风险等位基因，而基因型AA含有两个风险等位基因，所 以RR2二RR1。本研究使用易感基因的OR值作为其RR1的佔计值。基因型AA

15、, Aa, aa 的易患性平均值分别表示为P AA, 11 Aa, uaao T表示疾病的易患性阈值。K表示 疾病总发病率。本研究双相悄感障碍总发病率参考Merikangas等的研究。首先，根据哈迪温伯格定律,我们可用PA推算出Pa, PAA, PAa, PaaoPa二1-PAPAA 二 PAPAa =2*PA*(1-PA)Paa =(1-PA) 3总患病率K与基因型频率，基因型外显率，相对风险比的关系可用下列公式表 达：K=Paa*faa+PAa* (RRl*faa) +PAA* (RR2*faa)由此可推导出：faa= K/(Paa + PAa*RRl + PAA*RR2)fAa= RRl

16、*faafAA二 RR2*faa假设三种基因型的残余方差均为1，则基因型特异性易患性均值与基因型外显 率存在如下关系：(l-faa)=T- u aaD_1(l-fAa)=T-MAaO_1(l-fAA)=T-uAA其中-为返回正态分布百分位数的函数。我们可以假设口如数值为0,这不 会影响我们对Vg的计算。则T, PAa, uAA可计算如下：T=0)-1(l-faa) nAa=T-O_1(l-fAa)uAA=T-O_1(l-fAA)所有人群总的易患性平均值u all计算公式如下：u all=PAa* uAa+PAA* MAAVg计算公式如下：Vg二 Paa*( u aa M all) = + PA

17、a* ( u Aa- u al 1)c+ PAA*( M AA- M all):将讣算所得的Variance explained表示为V*,为方便与遗传度进行比较，需 要将V*进行标准化估计，估计值表示为VgoVg=V*/(l+V*)2结果运用多因素易患性阈值模型计算出49个双相情感障碍易感变异对于双相惜感 障碍遗传度的解释度，结果见表lo其中41个易感突变的解释度低于1.00%,最 低值为0. 01%o 8个易感基因的解释度高于1. 00%,最高值为6. 94%, 49个易感基 因对双相悄感障碍遗传度的合计解释度为37. 86%o双相情感障碍遗传度中尚存在 62. 14%的部分无法被已知易感

18、变异解释，即为双相情感障碍的遗传度缺失。表1已知双相情感障碍易感变异对双相情感障碍遗传度的解释度定位基因SNPs风险等位基因频率ORVg (%)遗传度解释度(%)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%合计29. 15%37. 86%平均值0. 59%0. 77%中位数0. 19%0. 24%3讨论双相情感障碍是典型的多基因遗传病。随着全基因组关联分析（GWAS）越来越 广泛的运用于双相情感障碍的研究，U前有超过

26、50个双相情感障碍易感变异被发 现。然而双相情感障碍众多易感变异的发现对于双相情感障碍发病机制的阐明及 诊断治疗并未产生显著地推动作用。对比单基因疾病易感变异对于疾病发病机制 及诊断治疗的巨大推动价值，双相情感障碍显示出更加复朵的遗传学发病机制。 继续深入的研究揭示出双相情感障碍已发现易感变异无法完全解释疾病遗传度的 遗传度缺失现象。遗传度缺失现象普遍存在于多基因遗传病中，已成为多基因遗 传病易感变异研究的主要瓶颈和热点研究领域。Hon-Cheong S。等对包含双相情感障碍在内的十种常见多基因遗传病的已发现 易感变异对遗传度的解释度进行定量计算，结果显示解释度最高的是前列腺癌， 其解释度为3

27、1. 16%,解释度最低的精神分裂症仅0.39%,双向惜感障碍的解释度 为2.77%。我们的研究显示，已发现双相情感障碍易感变异对遗传度的解释度为 37. 86%,显著高于先前报道。分析其中原因，主要有以下儿点：首先，一些新近 发现且遗传度解释度较高的易感变异的纳入提高了本研究的总遗传度解释度。 Hon-Cheong So的研究参考了 NHGRI截至2010年1月份的gwascatalogo当时 gwascatalog共收录了 43个双相悄感障碍易感变异。2010年后，乂有6个通过GWAS 研究发现的双相情感障碍易感变异收录入gwascatalog 录中。这6个新增的易 感变异均具有较高的遗传

28、度解释度，合计遗传度解释度达到17. 00%,其中Lee等 发现的rs41350144和Yosifova等发现的rs8099939对双相情感障碍遗传度的 解释度分别为6. 94%和4. 60%,是U前发现的对双相情感障碍遗传度解释度最高的 两个易感变异。这6个新发现易感变异的纳入使得双相情感障碍的总遗传度解释 度大幅度提高。其次，对基因组显著性阈值的要求适当放宽，使得更多的易感变 异纳入本研究。Hon-Cheong So的研究为了保证结果准确度，仅纳入p值小于7. 20 XUT3的易感变异，从而使39个双相情感障碍易感变异被排除，仅有5个易感变 异被纳入研究。考虑到GWAS研究者在发现易感变异

29、研究中，均已根据自身研究特 点，选择了合适的基因组显著性阈值，为了全面的反映所有已发现双相悄感障碍 易感变异对其遗传度的解释度，我们未釆用7. 20X10-3的显著性阈值对易感变异进 行筛选，将所有49个易感变异全部纳入研究，从而使得双相悄感障碍的总遗传度 解释度大幅度提高。本研究对已知易感变异对双相惜感障碍遗传度的解释度的汁算也存在一定的 局限性。第一，本研究主要选择的双相悄感障碍易感变异主要来源于GWAS研究， 而GWAS自身的一些局限性，例如较难识别低最小基因频率(0.5%MAF5%)突变甚 至稀有突变(MAF0. 5%),对拷贝数变异(CNVs)和中性拷贝变异(copy neutral

30、 variation)等结构性变异较难识别也从一定程度上制约了本研究。第二，对于双 相惜感障碍易感变异，本研究主要参考美国NHGRI编制的已发表GWAS研究訂录 gwascatalogo可能存在一些双相情感障碍易感变异山于未收录入gwascatalog而 未被纳入我们的研究，从而使我们讣算所得的双相情感障碍遗传度解释度偏低。 第三，本研究使用比值比近似替代相对危险率，但我们也注意到当疾病患病率较 高时，相对危险率将小于比值比，这样使用相对危险率计算所得的总遗传度解释 度将小于使用比值比汁算所得的遗传度解释度。37. 86%的遗传度解释度说明双相惜感障碍依然有大部分遗传度依然无法得到 解释，依然

31、存在较大的遗传度缺失。随着全球范圉内双相情感障碍GWAS研究的不 断开展，新的双相情感障碍易感变异的不断发现将使得双相悄感障碍遗传度解释 度进一步得到提升。但基于GWAS如上所述的局限性，仅仅依赖GWAS研究无法完全 解决双相情感障碍的遗传度缺失。Manolio等建议的复杂疾病遗传度缺失研究策 略包括：对极端表型患者进行U标区域或全基因组测序；使用扩大的基因组变异 参考品以增大GWAS研究的覆盖度；挖掘现有GWAS研究，研究基因结构变异与疾病 的关联及基因间相互作用的证据；通过扩大单个研究和Me分析来增加多种复杂 性疾病研究的样本量，包括对非欧裔人群的研究。相信随着研究样本量的不断增 大，基因

32、-基因、基因-环境间相互作用的不断阐明，对稀有变异和结构性变异与 复杂疾病相关性的深入研究，复杂疾病的遗传度缺失问题将得到进一步解决。Sang Hong Lee等“建立了名为基因组复朵性状分析(Genome-wide Complex Twit Analysis, GCTA)的基于线性混合模型定量计算复杂疾病遗传度缺失的统 汁学方法，U前已被迅速应用于包括帕金森病在内的众多复杂疾病遗传度缺失 研究，并显示出良好的研究价值。我们计划在下一步的研究中使用GCTA方法对双 相悄感障碍遗传度缺失进行进一步研究。参考文献Edvardsen J, Torgersen S, Roysanb E, et al.

33、Heritability of bipolar spectrum disorders. Unity or heterogeneity? J J Affect Disord, 200& 106 (3):229-40.Maher B The case of the missing heritabilityJ Nature, 2008,458(7218):18-21.So H C, Gui A H S, Cherny S S, et &1 Evaluating the Heritability Explained by Known Susceptibility Variants:A Survey of Ten Complex Diseases.J Genetic Epidemiology, 2011, 35: 310-317.Falconer D The inheritance of liability to certain diseases, estimated from the incidence among relativesJ Annals of Human Genetics, 29:51-76Hindorff LA, Sethupathy P, Junkins HA, et al Potential etiologic and fu