文摘
客观的我们试图确定罕见变异影响大脑成像表型在弗雷明汉心脏研究通过执行全基因组序列关联分析在Trans-Omics精密医学程序。
方法我们协会执行分析的脑和海马(负责人)卷和白质高密度2180个人通过测试协会rank-normalized来自混合效应线性回归模型的残差调整性别、年龄、与个体变异和颅内总额,而占家庭亲缘。我们为罕见变异进行了基于基因测试使用(1)滑动窗口的方法,(2)选择的功能其实变异,或(3)所有变体。
结果我们检测到新的大脑p21基因座在1卷(小0.005等位基因频率(加),p= 10−8海马体积)和16个q23处(加0.05,p= 2.7×10−8)。之前确定协会在12抓起海马体积(rs7294919,p= 4.4×10−4研究负责人)和17个q25 (rs7214628,p= 2.0×10−3)被证实。基于基因的测试检测协会(p≤2.3×10−6脑)在新的位点(5个问题,8 p12, 9问,13 q12-q13 15抓起,17 q12, 19问题)和海马卷(2 p12)和负责人(3个问题,4 p15)包括阿尔茨海默病(UNC5D)和帕金森疾病有关的基因(GBA)。通路分析证明浓缩免疫相关基因的炎症,和阿尔茨海默病和帕金森病通路。
结论全基因组sequence-wide搜索揭示了有趣的新位点与大脑相关措施。需要复制的小说位点来证实这些发现。
术语表
- 广告=
- 阿尔茨海默病;
- 负责=
- 军团对心脏和衰老基因流行病学的研究;
- dbGaP=
- 基因型和表现型的数据库;
- eQTL=
- 表达数量性状位点;
- FHS=
- 弗雷明汉心脏研究;
- 天赋=
- fluid-attenuated反转恢复;
- GWAS=
- 全基因组关联研究;
- 人乳头状瘤病毒=
- 海马体积;
- LD=
- 连锁不平衡;
- 加=
- 轻微的等位基因频率;
- 品红色的=
- 荟萃分析的基因簇浓缩变体协会;
- 质量控制=
- 质量控制;
- 纸牌游戏=
- 内核协会测试序列;
- SNV=
- 单核苷酸变异;
- TCBV=
- 总脑脑容量;
- TCV=
- 颅内总额;
- TOPMed=
- Trans-Omics精密医学程序;
- WGS=
- 全基因组序列;
- 研究负责人=
- 白质hyperintensity
大脑成像表型(脑(负责人)和海马萎缩或白质高密度负担)接受表型的阿尔茨海默病(AD)和血管性脑损伤。1识别基因位点,影响这些措施可能会导致这些疾病的潜在新发现的生物机制。最近,大的全基因组关联研究(GWAS)已经成功地识别和复制的遗传变异和大脑之间的关联成像表型。2,- - - - - -,7
两个地区被协会研究报告(17 q25,负责人和12抓起,海马萎缩)。2,4,6,717 q25地区最初发现的GWAS研究负责人stroke-free欧洲人军团的心脏和衰老基因流行病学研究(电荷)财团与复制(n = 9361) 2组(n = 3024)。7这个轨迹包含6基因(WBP2,TRIM65,TRIM47,MRPL38,FBF1,ACOX1)。712抓起地区最初报道的GWAS dementia-free个人从电荷财团(n = 9232)复制两份样本中(n = 2318)和外部验证通过荟萃分析提高神经影像遗传学(谜)财团(n = 7794)。这些关联影响凋亡相关基因(HRK和泛素化FBXW8)。2
这些之前GWAS已经确定了常见的遗传变异(小等位基因频率(加)≥5%)与温和的尺度效应,主要在于非编码区域。此外,关联的因果变异和功能基础尚不清楚在许多位点。因此,低频率的更详细的扫描和罕见变异于≤5%)可以从全基因组序列(WGS)是必须的,尤其是在GWAS位点和编码区域。
GWAS执行使用单核苷酸变异(SNVs)商业上可用的基因芯片或参考面板。他们关注SNVs在人群中常见(加器≥5%)。WGS可以捕获其他类型的遗传变异,如重复或indels(插入/删除)和GWAS相比有更好的分辨率。事实上,从单个基因变异可以被探测到,包括稀有和细化的变化。因此,WGS协会分析可以帮助发现新的信号,由GWAS可能已经错过了。
在这项研究中,我们试图确定低频和罕见变异与大脑相关措施在弗雷明汉心脏研究通过执行WGS协会内分析Trans-Omics精密医学程序(TOPMed)。
方法
弗雷明汉心脏研究的描述
我们包括参与者的3代弗雷明汉心脏研究(FHS)。FHS简单地说,是一个准,以人群为基础的研究,1948年开始研究心血管疾病的决定因素。随后的研究参与者从弗雷明汉镇麻萨诸塞州的人口几乎完全是白色的开始学习。第一代(最初/ Gen1)自1948年以来一直跟着,包括5209名参与者;幸存者仍biannualy接受检查。8第二代(后代群体/代)自1971年以来一直是5124年,由子女和配偶的后代,包括3514生物的后代;他们已经收到每4 - 8年考试一次。9第三代(Gen3)于2002年注册,包括4095名儿童从最大的家庭后代群体;他们已经收到2考试4年和第三个检查正在进行中。10所有军团正在积极监测心血管事件。
26日Gen1与会者和第七代考试被邀请参加1999年3月和2005年6月之间大脑核磁共振;第二Gen3考试也邀请与会者接受脑部MRI从2009年。4772人中大脑核磁共振数据,96名参与者被排除在外的中风或TIA, 73老年痴呆症,和102年因为其他神经系统疾病如多发性硬化、脑膜瘤、原发性或转移性脑部肿瘤,或严重头部创伤。剩余的4501名参与者构成本研究样本。
标准协议的审批、登记和病人同意
所有参与者提供书面知情同意。本研究机构审查委员会批准的波士顿大学医学中心。
核磁共振成像协议和表现型
大脑MRI收购措施和图像处理方法已经详细描述了其他地方。11短暂,参与者被成像在1 t(1999 - 2005)或1.5(2005年之后)Magnetom扫描仪(德国西门子医疗、埃朗根)。我们使用3 d t1冠状变质gradient-recalled回波采集扫描所有的参与者。此外,我们使用T2 fluid-attenuated反转恢复序列扫描后获得2005(天赋)。核磁共振都转移到加州大学戴维斯分校医学中心进行集中阅读。我们使用广达6.2(超5工作站,Sun Microsystems,圣克拉拉,CA)图像分析和解释了瞎了参与者的人口和临床特征以随机的顺序。
量化的半自动的分割协议颅内总额(TCV),总脑脑容量(TCBV),海马体积(HPV),描述了研究负责人。12短暂,TCV由概述颅内拱顶躺在小脑幕之上。13准确区分CSF和大脑,我们使用了一个半自动的磁共振成像的像素分布分析脑脊液,灰质和白质。14人乳头状瘤病毒是由一个半自动计算multiatlas海马分割算法。15分析研究负责人,我们包括参与者的子样品成像在1.5 t扫描仪和天赋序列,并使用半自动的过程13两分的高可靠性16天赋的分割和量化研究负责人。TCBV表示相对于TCV占头部大小的差异。没有实质性的偏见和不使用MRI观察参与者相比。11
全基因组测序
WGS是国家心脏、肺和血液研究所的TOPMed (nhlbiwgs.org),作为一个更大的初始步骤精密医学倡议。TOPMed第一阶段由11个不同的研究,包括了一系列的心脏,肺,血液,睡眠障碍表型和∼20000个样本。阶段2014年10月,我开始和完成测序的生产是在2016年2月完成的。FHS的这个阶段我和4148测序个体(372 Gen1, 2194代,1582 Gen3)。样本测序>×30深度报道Broad研究所的麻省理工学院和哈佛大学。个人基因组的基因变异被确定在一份联合调用执行的所有样本TOPMed信息学资源中心(密歇根大学)。集中阅读映射和基因型的召唤,变异的变异和样品质量量度和过滤未能满足这些质量指标,也是TOPMed信息学研究中心完成。表现型协调、数据管理、质量控制(QC),以确保正确的样本识别,和一般研究协调TOPMed提供的数据协调中心。WGS方法中描述的数据采集和质量控制是一个公开的数据库文档基因型和表现型(dbGaP)网站(ncbi.nlm.nih.gov /项目/差距/目录/ GetPdf.cgi ? id = phd006969.1)。我们排除了变异与阅读深度小于10。
统计分析
我们使用混合效应线性回归模型来检验WGS SNVs之间的关联和大脑核磁共振的措施。我们调整后的模型对年龄、性别、和TCV负责人,年龄、性别、年龄2,TCV HPV与年龄、性别和年龄2TCBV。脑容量和相关负责人TCV,随年龄和男女之间。我们创建了原始表型的残差协变量调整后,逆正常转换。然后,我们从这些模型测试rank-normalized残差之间的关系和个人SNVs同时考虑家族亲缘使用实证亲属关系矩阵分析的基础上实际参与者之间基因型相似之处。我们只过滤结果包括变异的等位基因数10或更大,使用一个阈值p= 1.5×10−8考虑一个SNV协会全基因组意义重大。17
在进一步的分析中,我们对先前的报道进行条件分析协会2 GWAS位点:12抓起HPV和17 q25负责人。
在每一个基因,我们也进行了基于基因测试来测试罕见变异之间的关系(加器≤1%)和MRI措施(即使用两种不同的multimarker方法。、序列内核联想测验(纸牌游戏)和负担测试(T1))。18这些方法聚合个人分数测试统计所有罕见基因变异的基因或一个地区。纸牌游戏测试是健壮的罕见变异可能加大或risk-decreasing效果。在T1测试,总结总效应被认为是只有罕见变异(加< 1%)包括分配分数每个基因或区域,因此这个测试是最强大的所有变体增加或减少风险。
为了提高我们的力量来检测协会,我们使用不同的过滤器只选择SNVs最可能影响表型的基因功能其实SNVs(错义或损失函数)或所有罕见的SNVs。我们也使用了滑动窗口的方法19基因的长度分为离散区域或“windows”和基因在每个区域窗口执行测试;这种方法提高了功率检测效果如果只有一个地区内的基因表型的影响。我们使用一个窗口大小为4 kb的重叠2 kb相邻窗口和显示我们过滤结果数10或更大的负担。我们使用一个阈值p= 2.5×10−6声明一个基因协会全基因组显著(Bonferroni调整数量的基因测试,0.05/20000)。滑动窗口的方法中,我们使用一个更严格的阈值p= 1.8×10−7声明一个基因协会全基因组重要占重叠窗口(修正测试中执行每个基因的数量,0.05/279713)。我们执行的功能注释SNVs Annovar公开变异函数预测软件。20.所有协会的分析进行了使用闰余3.2.6软件(密歇根大学)“帝无限”测试。最后,我们使用了荟萃分析的基因簇浓缩变体协会(红色)方法探讨pathway-based协会使用single-SNV协会的结果。洋红色实现基因集富集分析方法,如前所述。21在这种方法中,每个基因的基因得分计算基于SNV与较低的协会p上游价值110 kb,下游40 kb窗口周围的基因。这个分数是纠正的混杂因素(基因大小、SNV密度或连锁不平衡(LD) SNVs之间的基因),每个基因在其分数排名。在每一个途径,一个经验p值计算相应基因的观察值与阈值排在一个给定的意义(95或所有基因的第75个百分位数的分数)相比,106随机排列相同大小的途径。
总共10992通路基因本体,豹,KEGG,独创性,Reactome和Biocarta数据库检测浓缩与每个脑MRI表现型之间千丝万缕的联系。
结果
我们总共包括2180、2170和1667个人从FHS TCBV的WGS协会分析,人乳头状瘤病毒,和负责人(表1)。大多数参与者是女性(∼55%)和个人的平均年龄(SD)是61.8年(13.6)59.7年TCBV和HPV的负责人(13.3)。
SNV协会
曼哈顿QQ情节和情节TCBV WGS协会分析,人乳头状瘤病毒,研究负责人介绍了图e 1和依照(links.lww.com/WNL/A32)。WGS协会分析揭示了在全基因组水平的新轨迹1 p21 TCBV位于之间的RWDD3和PTBP2基因(最高SNV rs181221422加= 0.005,p= 10−8,表2)。第二个新轨迹中HPV 16 q23处LOC102724084(顶部SNV rs99211188金宝慱官网下载14加= 0.05,p= 2.7×10−8,表2)是接近全基因组水平。我们确认之前完成了协会在12抓起HPV (rs7294919加= 0.11,p= 4.4×10−4研究负责人)和17个q25 (rs7214628加= 0.19,p= 2.0×10−3)(表格e 1,links.lww.com/WNL/A33)。于我们最好的12抓起HPV协会rs7132910 = 0.15,p= 3.4×10−5)与之前报道适度LD协会(r2= 0.49,与rs7294919 D ' = 0.94)。条件分析显示,该协会所观察的观察与rs7132910有别于rs7294919 (p= 1.2×10−5)。苏格兰民族党rs7132910位于1.4 kb的5′区域HRK基因和它是一个表达数量性状位点(eQTL)HRK和FBXW8基因的血液。22强启动子组蛋白标记描述了大脑组织。22于我们最好的17 q25负责人协会rs9889965 = 0.15,p= 1.2×10−6)与之前报道适度LD协会(r2= 0.68,与rs7214628 D ' = 0.88)。条件分析显示,该协会所观察的观察与rs9889965有别于rs7214628 (p= 3.0×10−5)。苏格兰民族党rs9889965位于5′区域的113个基点TRIM47基因和它是一个eQTLTRIM65基因在神经组织和胫骨TRIM47在大脑、皮肤和血液组织。22强烈的活跃转录起始站点组蛋白标记描述了大脑组织。22Single-SNV结果12抓起,17 q25地区展示在表e 1和地区提出了情节图1。
基于基因的测试
主要介绍了基于基因的测试结果表3和区域块为每个基因提供了图e - 3 (links.lww.com/WNL/A32)。使用滑动窗口方法在基因,我们检测全基因组或暗示协会在新位点的TCBV纸牌游戏测试(FCHO25个问题,UNC5D8 p12,CCDC33-15抓起)和压力测试(C9orf84 -9问,UBL3 -13 q12-q13,SYT3-19问题),HPV的纸牌游戏测试(LRRTM42 p12)和负责人的压力测试(ALCAM -3个问题,GBA3 -4 p15)。使用中的所有SNVs基因,我们检测到SOCS7(17 q12)显著相关TCBV用纸牌游戏测试。没有明显的结果被发现在选择功能其实SNVs。
路径分析
洋红色的分析揭示了有趣的途径与大脑核磁共振相关表型(表飞行,links.lww.com/WNL/A33)。有些是与免疫或炎症(B淋巴细胞通路,interleukin-4和白细胞介素- 6信号,抗原表示通路)或广告等病理presenilin通路。这些分析也证实了泛素蛋白酶体通路的重要性,发现相关负责人(p= 4×10−4错误发现率= 0.04,75浓缩截止)。
讨论
我们研究了低频或罕见SNVs影响大脑MRI表型通过执行在TOPMed FHS WGS协会分析。
使用单独的变种分析,我们确定了罕见的或低频变异p21 1 (TCBV)和16 q23处(HPV)。在1 p21, SNVs位于159 kbPTBP2(段位结合蛋白2),brain-specific同系物PTBP1。两个基因调节神经前体细胞的分化,促进神经胶质瘤细胞系的增殖和迁移。23在16个q23处,SNVs位于一个ncRNA基因LOC102724084。
使用基于基因的测试,我们发现了10个与大脑核磁共振相关的潜在新基因表型。这些基因的几个特别相关的大脑相关疾病和一些大脑也强烈的表达。
UNC5D(unc-5 netrin受体D)、相关TCBV,编码一个unc-5 netrin受体发挥作用在轴突的规定指导和发展中感官强烈表达小鼠大脑皮层的区域24和人类大脑。25有趣的是,相同的基因家族,UNC5C据报道与广告有关。26此外,UNC5C基因型与中间暂时发现体积和可能改变广告的萎缩等地区海马体和楔前叶。27的表达C9orf84(染色体9开放阅读框84),与TCBV有关,被发现调节海马的重度抑郁症患者。28UBL3(泛素像3)属于泛素途径与神经退行性疾病的发病机制。29日,30.UBL3在大脑中被强烈的表达。25SYT3(synaptotagmin 3)皮层中高度表达,额叶皮层、前扣带皮层、海马、小脑和大脑半球。它属于一个家庭brain-specific蛋白质上的突触囊泡膜的分泌神经递质中发挥作用。31日LRRTM4(富亮氨酸重复跨膜神经4)属于富亮氨酸重复蛋白质突触发育和功能有重要的调控作用。32LRRTM4发现调节培养海马神经元的兴奋性突触的形成。32LRRTM4在大脑中被强烈的表达。25ALCAM(激活白细胞细胞粘附分子或存在)的配体CD6中枢神经系统炎症和调节白细胞外渗。ALCAM表达对人类中枢神经系统微血管内皮细胞,尤其是神经炎症过程中,起着关键作用的招聘和白细胞迁移进入大脑。33GBA3(glucosylceramidaseβ3)与戈谢病有关34和GBA基因与晚发性帕金森和路易体痴呆。35,- - - - - -,37此外,附近的基因变异GBA3被发现与白质病变进展有关。38SOCS7(7)抑制细胞因子的信号属于一个家庭的蛋白质发挥作用在防止大脑的炎症。SOCS7水平被发现人类大脑增加广告。39SOCS7明显表现在小鼠大脑和老鼠,打乱了SOCS7基因显示缺陷CSF体内平衡。40
痴呆的主要结果不变,包括个人的分析。的意义ALCAM(负责人),UBL3,SYRT3(TCBV)甚至有所改善,而LRRTM4(HPV)不再是重要的,这表明这个基因可能有一个角色在发病的早期但不是痴呆患者。
本研究的优点是基于样本,定量核磁共振技术的使用,以及测序数据和事实,我们专注于内在表型有实质性的差异在我们的人口。本研究也有一些局限性。首先在一个我们进行分析研究。然而,访问数据集与大脑核磁共振表型和WGS数据是有限的,这个日期,只有FHS TOPMed第一阶段研究与测序数据和大脑MRI措施可用。通过精细定位GWAS地区,我们SNVs协会证实,被发现与成像表型相关的其他研究。复制或验证一个独立队列需要确认新的联系(变体或基因)确定在本研究中。我们也受限于样本大小发现罕见变异(2180、2170和1667个人分析TCBV,人乳头状瘤病毒,和负责人,分别)。最后,主要是欧洲的起源样本限制了这些结果的推广到其他民族。
这FHS WGS-wide搜索大脑MRI在有趣的新措施揭示罕见变异位点与脑容量有关。复制这些结果的第二阶段TOPMed研究,正在进行的测序,计划来证实这些发现。进一步调查这些位点,如生物实验、功能的研究,或动物模型,将有潜力来验证我们的发现。
Web资源
FHS WGS数据采集和质量控制方法的文档描述dbGaP公开
作者的贡献
克洛伊Sarnowski:采集和分析的数据,起草很大一部分的手稿或数字。克劳迪娅·l·Satizabal:采集和分析的数据,起草很大一部分的手稿或数字。Charles DeCarli:数据的采集和分析。蓍属n Pitsillides:数据的采集和分析。l .艾德丽安Cupples:数据的采集和分析。拉马钱德兰s Vasan:数据的采集和分析。詹姆斯·g·威尔逊:数据的采集和分析。约书亚·c·Bis:概念和设计的研究中,数据的采集和分析。Myriam Fornage:概念和设计的研究中,数据的采集和分析。Alexa s Beiser:概念和设计的研究中,数据的采集和分析。 Anita L. DeStefano: conception and design of the study, acquisition and analysis of data. Josée Dupuis: conception and design of the study, drafting a significant portion of the manuscript or figures. Sudha Seshadri: conception and design of the study, acquisition and analysis of data, drafting a significant portion of the manuscript or figures. Review of the manuscript: all authors.
研究资金
支持的国家心脏,肺和血液研究所的弗雷明汉心脏研究(合同n01 - hc - 25195和HHSN268201500001I);从国家老龄研究所和赠款(R01 AG033193, AG008122, AG054076, AG049505, AG016495, AG049607, NS017950)和国家心脏,肺和血液研究所(UH2 NS100605, R01 HL093029, HL096917)。支持博士DeCarli UCD阿尔茨海默病中心(e AG 010129)。
信息披露
c . Sarnowski c . Satizabal c . DeCarli a . Pitsillides l . Cupples r . Vasan j·威尔逊,j . Bis m . Fornage a . Beiser和a . DeStefano报告没有披露相关的手稿。j . Dupuis报告从国家卫生研究院资助的行为研究。美国瑟哈德里报告没有披露相关的手稿。去首页Neurology.org/N为充分披露。
承认
作者感谢弗雷明汉心脏研究的参与者,以及研究小组(尤其是神经病学的调查人员和员工团队),他们的贡献;首页全基因组测序(WGS) Trans-Omics精密医学程序(TOPMed)支持的国家心脏,肺和血液研究所(NHLBI);WGS“NHLBI TOPMed:全基因组测序及相关表型在弗雷明汉心脏研究”(phs000974.v1.p1)是在麻省理工和哈佛(HHSN268201500014C);集中阅读映射和基因型的召唤,变体质量量度和过滤,提供TOPMed信息学研究中心(3 r01hl - 117626 - 02 - s1);表现型协调、数据管理、sample-identity QC和一般研究协调TOPMed提供的数据协调中心(3 r01hl - 120393 - 02 - s1);作者感谢研究和参与者提供TOPMed生物样本和数据;Goncalo Abecasis他的工作,使TOPMed数据;Cashell Jaquish对她领导最大TOPMed推上WGS项目和对她的支持在TOPMed弗雷明汉;和研究人员的贡献NHLBI TOPMed联盟(nhlbiwgs.org/topmed-banner-authorship)。
脚注
去首页Neurology.org/N为充分披露。资金信息和披露认为作者相关的,如果有的话,年底提供这篇文章。
这篇文章加工费由国立卫生研究院资助。
NHLBI Trans-Omics精密医学(TOPMed)财团coinvestigators列出links.lww.com/WNL/A120;TOPMed神经认知工作组coinvestigators列出links.lww.com/WNL/A121。
- 收到了2017年3月14日。
- 接受的最终形式2017年9月22日。
- 版权©2017年作者(年代)。发表的Wolters Kluwer健康,公司代表美国神经病学学会。首页
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