定量計算已知易感變異對精神分裂癥遺傳度的解釋度☆

李康 許瑞環(huán) 張洪德 王前

·論著·

定量計算已知易感變異對精神分裂癥遺傳度的解釋度☆

李康*△許瑞環(huán)△張洪德△王前*

目的評估已發(fā)現(xiàn)精神分裂癥易感變異對精神分裂癥遺傳度的解釋程度。方法查詢美國國家人類基因組研究所（National Human Genome Research Institute，NHGRI）編制的全基因組關(guān)聯(lián)研究（genome-wide association study，GWAS）目錄，檢索所有已發(fā)現(xiàn)的精神分裂癥易感變異位點共347個，納入其中已提供風(fēng)險等位基因頻率和比值比的62個位點，使用多因素易患性閾值模型計算每個易感變異對精神分裂癥遺傳度的解釋度。結(jié)果已知的62個精神分裂癥易感變異對精神分裂癥遺傳度的合計解釋度為25.66%，尚有74.34%的遺傳度無法被已知易感變異解釋，屬于遺傳度缺失。結(jié)論已知精神分裂癥易感變異對精神分裂癥遺傳度的解釋度依然較低，表明精神分裂癥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。

精神分裂癥 全基因組關(guān)聯(lián)研究 單核苷酸多態(tài)性

精神分裂癥是典型的多基因遺傳病，其發(fā)生受多個易感變異控制，遺傳度為81%[1]。目前已有大量精神分裂癥易感變異被發(fā)現(xiàn)，但已知的易感變異無法解釋精神分裂癥的高遺傳度，存在“遺傳度缺失（missing heritability）”[2]現(xiàn)象。2010年，So等[3]使用多因素易患性閾值模型[4]，首次定量評估已知易感變異對包括精神分裂癥在內(nèi)的多種復(fù)雜疾病遺傳度的解釋程度，發(fā)現(xiàn)已知精神分裂癥易感變異僅能夠解釋精神分裂癥遺傳度的0.39%。鑒于2010年至今，已有大量新的精神分裂癥易感變異被發(fā)現(xiàn)，而國內(nèi)外針對精神分裂癥的遺傳度解釋度無進(jìn)一步深入的報道，本研究擬收集目前所有已發(fā)現(xiàn)的精神分裂癥易感變異，使用So等[3]的研究方法定量計算其對精神分裂癥遺傳度的解釋度。

1 對象與方法

1.1 研究對象精神分裂癥易感變異信息來源于美國國家人類基因組研究所（National Human Genome Research Institute，NHGRI）編制的全基因組關(guān)聯(lián)研究（genome-wide association study，GWAS）目錄（GWAS Catalog）[5]（http://www.genome.gov/gwastudies）。截止2013年9月30日，目錄中包含精神分裂癥的易感變異位點347個，其中285個位點因未提供相應(yīng)的風(fēng)險等位基因頻率（risk allele frequency）或比值比（odds ratio，OR）而被排除，本研究共納入62個精神分裂癥易感變異，詳細(xì)情況見表1。

1.2 研究方法參考So等[3]基于多因素易患性閾值模型分析復(fù)雜疾病已知易感變異對疾病遺傳度解釋程度的方法進(jìn)行分析。假設(shè)每個易感變異由一個風(fēng)險等位基因A和一個保護(hù)等位基因a組成。對同一人群，三種基因型AA、Aa、aa具有不同的易患性平均值和相同的易患性閾值，如圖1所示。A、a的等位基因頻率分別為PA、Pa；AA、Aa、aa的基因型頻率分別為PAA、PAa、Paa；AA、Aa、aa的外顯率分別為fAA、fAa、faa。RR1為Aa相對于aa的相對風(fēng)險度（relative risks，RR），RR2為AA相對于aa的相對風(fēng)險度，本研究使用易感變異的OR值作為其RR1的估計值?；蛐虯A、Aa、aa的易患性平均值分別為μAA、μAa、μaa；T為疾病的易患性閾值；K為終生患病風(fēng)險，精神分裂癥的終生患病風(fēng)險為0.0072[6]。

首先，根據(jù)Hardy-Weinberg平衡定律，可由PA推算Pa、PAA、PAa、Paa。K與基因型頻率、基因型外顯率、相對風(fēng)險度的關(guān)系如下：

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：

Φ-1為返回正態(tài)分布百分位數(shù)的函數(shù)。假設(shè)μaa數(shù)值為0，則T、μAa、μAA可分別計算如下：

所有人群總易患性平均值μall計算公式如下：

易患性解釋變異（variance in liability explained，Vg）計算公式如下：

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稱為實際Vg（actualVg）。

遺傳度解釋度=actualVg/h2h2為遺傳度，精神分裂癥的遺傳度為81%[1]。使用R語言編寫的相應(yīng)軟件（So等[3]提供http://sites.google.com/site/honcheongso/software/varexp）完成本計算。

2 結(jié)果

62個精神分裂癥易感變異對于精神分裂癥遺傳度的合計解釋度為25.66%，結(jié)果見表1。對精神分裂癥遺傳度的解釋度高于1.00%的易感變異位點有7個，合計解釋度為11.27%，其中解釋度最高的是位于15q25.3的rs16977195，為3.55%。對精神分裂癥遺傳度的解釋度低于1.00%的易感變異有55個，合計解釋度為14.39%，其中解釋度最低的是位于18q21.2的rs17512836，為0.03%。精神分裂癥遺傳度中尚存在74.34%無法被已知易感變異解釋，為精神分裂癥的遺傳度缺失。

圖1 易患性閾值模型示意圖[3]μAA、μAa、μaa分別為基因型AA、Aa、aa的易患性平均值，陰影部分表示精神分裂癥患者

表1 已知精神分裂癥易感變異對精神分裂癥遺傳度的解釋度

續(xù)表1

3 討論

精神分裂癥是典型的多基因遺傳病，多對微效基因協(xié)同，并與環(huán)境因素共同作用導(dǎo)致疾病發(fā)生[7]。隨著越來越多精神分裂癥相關(guān)GWAS研究的開展，目前已發(fā)現(xiàn)超過300個精神分裂癥易感變異。然而繼續(xù)深入的研究顯示已知精神分裂癥易感變異無法完全解釋疾病遺傳度，存在遺傳度缺失現(xiàn)象。

So等[3]對10種常見多基因遺傳病的已知易感變異對遺傳度的解釋度進(jìn)行定量計算，結(jié)果顯示前列腺癌的解釋度最高，為31.16%，解釋度最低的精神分裂癥僅0.39%。本研究發(fā)現(xiàn)精神分裂癥易感變異對遺傳度的解釋度為25.66%，高于先前報道。分析其中原因，首先，納入大量新發(fā)現(xiàn)的精神分裂癥易感變異提高了本研究的總遺傳度解釋度。So等[3]的研究參考截至2010年1月31日的NHGRI GWAS目錄，當(dāng)時目錄中僅收錄33個精神分裂癥易感變異，排除13個未提供風(fēng)險等位基因頻率或OR值的易感變異后剩余20個易感變異，So等[3]從這20個易感變異中選擇4個，加上該目錄外的4個，合計8個易感變異用于評估精神分裂癥遺傳度解釋度。2010年2月1日至2013年9月30日，該目錄新增214個精神分裂癥易感變異，本研究共納入62個，使已知精神分裂癥易感變異對精神分裂癥遺傳度的解釋度大大提高。其次，本研究未對NHGRI GWAS目錄包含的所有精神分裂癥相關(guān)GWAS研究設(shè)定統(tǒng)一的假設(shè)檢驗水準(zhǔn)，未對已知精神分裂癥易感變異進(jìn)行二次篩選，使更多易感變異納入本研究。So等[3]為保證結(jié)果準(zhǔn)確度，使用7.2×10-8作為NHGRI GWAS目錄中所有精神分裂癥GWAS研究病例與對照間SNP頻率比較的檢驗水準(zhǔn)，對其結(jié)果進(jìn)行二次篩選，其中13個精神分裂癥易感變異被認(rèn)為在病例、對照間缺乏統(tǒng)計學(xué)差異（P＞7.2×10-8）而未納入研究?？紤]到各GWAS研究已根據(jù)自身樣本量、研究SNP數(shù)量等因素選擇了適合自身的檢驗水準(zhǔn)，為盡可能全面地評估所有已發(fā)現(xiàn)精神分裂癥易感變異對其遺傳度的解釋度，本研究未采用7.2×10-8作為統(tǒng)一檢驗水準(zhǔn)進(jìn)行二次篩選，從而使得更多的精神分裂癥易感變異被納入本研究。

本研究也存在一定的局限性。首先，資料來源于GWAS研究，而GWAS自身的局限性在一定程度上制約了本研究，如較難識別最小基因頻率（minor allele frequency，MAF）小于5%的突變，以及對拷貝數(shù)變異（copy number variations，CNVs）和中性拷貝變異（copy neutral variation）等結(jié)構(gòu)性變異較難識別等；第二，對于精神分裂癥易感變異，本研究主要參考美國NHGRI編制的GWAS目錄，可能存在一些易感變異由于未錄入此目錄而未被納入本研究，從而使計算所得的精神分裂癥遺傳度解釋度偏低；第三，本研究使用的計算方法要求易感變異必須有相應(yīng)的風(fēng)險等位基因頻率和OR值，GWAS目錄中與精神分裂癥相關(guān)的易感變異總計347個，其中僅62個同時提供上述兩個參數(shù)，即超過80%的易感變異由于缺少上述數(shù)據(jù)而無法納入分析，這部分易感變異對精神分裂癥遺傳度的解釋度無法評估；第四，本研究使用OR值近似替代RR值，但當(dāng)疾病患病率較高時，OR值將大于RR值，使用OR值計算所得的遺傳度解釋度將大于使用RR值計算所得的結(jié)果。

已發(fā)現(xiàn)的精神分裂癥易感變異僅能解釋精神分裂癥遺傳度的25.66%，精神分裂癥存在明顯的遺傳度缺失，這表明其遺傳機(jī)制中仍有大量未知因素有待進(jìn)一步研究。這些未知因素可能包括稀有突變的影響，拷貝數(shù)變異等結(jié)構(gòu)性變異的影響，基因—基因、基因—環(huán)境相互作用的影響等。Manolio等[10]給出的復(fù)雜疾病遺傳度缺失研究策略包括：對極端表型患者進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域或全基因組測序，以盡可能發(fā)現(xiàn)與疾病相關(guān)的稀有突變及結(jié)構(gòu)性變異；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)大單個研究和Meta分析來增加研究的樣本量；增加對非歐裔人群的研究。相信隨著全基因組外顯子測序、全基因組測序等技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于精神分裂癥研究，研究樣本量不斷增大，基因—基因、基因—環(huán)境間相互作用不斷闡明，以及對稀有變異和結(jié)構(gòu)性變異與精神分裂癥相關(guān)性的深入研究，精神分裂癥的遺傳機(jī)制將得到進(jìn)一步闡明，其遺傳度缺失也將不斷縮小。

Lee等[11]建立了名為基因組復(fù)雜性狀分析（ge nome-wide complex trait 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)計學(xué)方法，目前已被迅速應(yīng)用于包括帕金森病[12]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方法對精神分裂癥遺傳度缺失進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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Quantitative evaluating the heritability explained by known susceptibility variants of schizophrenia.

LI Kang,XU Ruihuan,ZHANG Hongde,WANG Qian.Laboratory Medical Center,Nanfang Hospital,Southern Medical University,Guangzhou 510515,China.Tel：020-61641007.

ObjectiveTo evaluate the heritability explanation degree of schizophrenia by all known susceptibility variants in schizophrenia.MethodsThe GWAS catalog of National Human Genome Research Institute(NHGRI)was queried to retrieve all the susceptible gene variations of schizophrenia.Sixty-two variants with risk allele frequency and odds ratio(OR)were selected from347 susceptible gene variants of schizophrenia.The heritability exp lanation degree of each susceptibility variants was calculated using the multifactorial liability threshold model.ResultsThe total heritability explanation degree of schizophrenia by 62 known susceptible variants was 25.66%.In contrast,74.34%of heritability, which could not be explained by known susceptibility variants,were then defined as the missing heritability of schizophrenia.ConclusionsThe results demonstrate that the heritability explanation degree of schizophrenia by all known susceptibility variants in schizophrenia is low,indicating that there may be many unknown schizophrenia molecular genetic mechanisms need to be further clarified.

Schizophrenia Genome-wide association study Single nucleotide polymorphism

R749.3

A

2014-01-10）

（責(zé)任編輯：肖雅妮）

10.3936/j.issn.1002-0152.2014.08.001

☆廣東省科技廳科技計劃項目（編號：2011B061200003）

*南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院檢驗醫(yī)學(xué)中心（廣州510515）△深圳市龍崗中心醫(yī)院中心實驗室