基于组学的复杂疾病研究

基于组学的复杂疾病研究徐煜，[e-mail]，2013遗传和环境相互作用导致疾病复杂疾病研究的角度及解决的问题复杂疾病基因组转录组蛋白组代谢组表观基因组1)GWAS易感基因研究…1)疾病biomarker，e.g.心肌肥大病人药物处理不同时间段，冠状静脉窦取血；不同癌症发病阶段，发现早诊biomarker2)疾病机理研究，e.g.尿结石患者尿液vs.正常人尿液1)疾病biomarker：以代谢物为对象，研究药物对机体产生的影响。e.g.冠状动脉病变引起的心梗，寻找心梗病发病阶段的biomarker2)药物安全性评价：以代谢物为对象，研究药物对机体产生的影响。实验样品为易获得样品(如尿、血)，可连续多次获取，并在同一动物或人体观察毒性作用发生、发展和恢复过程；1)疾病biomarker研究：寻找差异表达的RNA，进行功能分析（蛋白功能、调控作用）2)研究基因相互作用，构建基因调控网络：eQTL存在问题：组织特异性和时空特异性1)表观修饰与疾病的关系，寻找致病原因或与药物靶点相关的信息2)环境与疾病关系e.g.药物疗效研究、EWAS、伦敦国王学院5000对双胞胎复杂疾病研究的角度——基因组检测单个突变(100SNPs;103genotypes)针对具体的基因(102SNPs;105+genotypes)区域研究(104SNPs;108genotypes)全基因组关联分析（GWAS）(106SNPs;1010genotypes)全基因组重测序（NGS-GWAS）(108SNPs/1012genotypes)20052005第一篇GWAS的文章发表于2005年；截至2013年8月共发表文章1688篇；报道了约11299个关联性位点；涉及超过200种的疾病或性状。GWAS策略大大加速了疾病研究GWAS面临的挑战•极少数SNPs有明确的与疾病机制相关联的功能性作用•鉴定出的风险等位基因通常效应值很低，只能解释极少的遗传度；•对于大多数常见疾病，至今为止发现的风险位点共同作用也只能解释较少的表型差异，大大低于该种疾病的估算遗传度；noncoding区域可为GWAS研究提供新的关注点发现的GWASSNPs仅4.9%位于coding发现的GWASSNPs仅4.9%位于coding区域绝大多数Noncoding区域内的GWASSNPs可能与调控相关Science.2012Sep7;337(6099):1190-5.对SNP的解读——从编码区到noncoding区美国国立人类基因组研究所（NationalHumanGenomeResearchInstitute，NHGRI）在2003年9月启动，由来自美国，英国，西班牙，日本和新加坡32个科研机构，442科学家共同完成。（）目的：分析“垃圾序列”的功能(旨在识别出人类基因组序列中的所有功能区，包括转录、转录因子结合、染色质结构和组蛋白修饰区)选样：147个组织类型成果：43篇文献（5篇Nature）结论：人类基因组中80%的成分是有功能的EncyclopediaofDNAElements(DNA元素百科全书)寻找“丢失的遗传度”•稀有和低频变异NGS测序、增大样本量（微效基因）、denovomutations•基因的相互作用eQTL构建基因互作网络•结构性变异和其他形式的基因组变异denovodeletion/CNV&autism、CNV&牛皮癣/BMI•基因调控表观遗传学效应，例如DNA甲基化和组蛋白修饰小RNA以及相关的功能蛋白……NatRevGenet.2010Jun;11(6):446-50.Solutionsfor“missingheritability”（BeyondGWAS）复杂疾病denovo突变研究（低频或罕见变异）MHC与疾病研究（目标区域挖掘低频变异）eQTL表达数量性状（构建gene互作网络）疾病动物模型机理多组学研究（突破样品局限）免疫组库与临床研究（临床应用潜力）背景denovo突变影响denovo突变影响denovo突变定义denovo突变定义denovo突变率denovo突变率denovo突变又称为新生突变或从头突变；即父母不具有但子代具有的遗传变异；denovo突变包括denovoSNVs;denovoIndels;denovoCNVs。denovo突变分为denovo体细胞突变，denovo胚系突变每代每个基因组~50-100个denovoSNVs,~3个denovoindels以及~0.02个denovoCNVs；每代每个外显子组~1个denovo突变；有进化遗传理论认为denovo突变是人类的许多遗传性疾病的主要原因。假说：即散发性疾病的遗传基础可能不同于很多家族性个体。因为前者更可能是由于denovo突变而非遗传变异。复杂疾病denovo突变研究-研究背景GeneDisorderPublicationTimeSETBP1Schinzel-Giedionsyndrome(mentalretardationandneurodegeneration).NG2010MLL2Kabukisyndrome(intellectualdisabilityandcongenitalanomalies).NG2010ASXL1Borhing-Opitzsyndrome(severeintellectualdisabilityandcongenitalmalformations.NG2011ANKRD11KBGsyndrome(facial/skeletalmalformationsanddevelopmentaldelay).AJHG2011AKT1(为体细胞突变)Proteussyndrome(skinovergrowthandatypicalbonedevelopment).NEJM2011ACTB/ACTG1Baraitser-Wintersyndrome(brainmalformation).NG2012SWI/SNFCoffin–Sirissyndrome.NG2012罕见疾病denovo突变研究paper时间杂志研究疾病方法主要结果DenovomutationsinthegeneencodingthesynapticscaffoldingproteinSHANK3inpatientsascertainedforschizophrenia2010PNAS精神分裂症185个trios，SHANK3基因的编码区直接测序，285个家系外正常样本验证。两个家系的两个denovo突变同SCZ相关Adenovoparadigmformentalretardation2010NG先天精神发育迟缓10个trios,外显子测序研究平均~5个denovo突变；验证出9（2）个突变同疾病相关。Increasedexonicdenovomutationrateinindividualswithschizophrenia2011NG精神分裂症14个患者及父母，外显子测序8个患者中15个denovo突变Exomesequencingsupportsadenovomutationalparadigmforschizophrenia2011NG精神分裂症53患者，22对照及父母，外显子测序40个denovo突变在27患者中；尤其DGCR2基因上一个突变。Denovogenemutationshighlightpatternsofgeneticandneuralcomplexityinschizophrenia2012NG精神分裂症231parent-probandtrios，34unaffectedtrios，外显子测序4个基因出现denovo突变Exomesequencinginsporadicautismspectrumdisordersidentifiesseveredenovomutations2012NG自闭症20个trios，外显子测序~5个denovo突变/个体；验证出21个突变。Sporadicautismexomesrevealahighlyinterconnectedproteinnetworkofdenovomutations2012Nature自闭症来自209个家庭的677个个体，外显子测序发现3个基因蛋白denovo突变Whole-genomesequencinginautismidentifieshotspotsfordenovogermlinemutation2012cell自闭症10对同卵双生的自闭症患者及其正常父母，全基因组测序(40X)发现581个胚系denovo突变，每个后代平均包含58个denovo突变DetectionofClinicallyRelevantGeneticVariantsinAutismSpectrumDisorderbyWhole-GenomeSequencing2013AJHG自闭症32个ASDtrios，WGS（30X）6个家系发现有害denovo突变，10个家系发现x连锁或常染色体遗传变异。4个genes从未发现，9个已知，8个候选ASD风险基因Denovomutationsinepilepticencephalopathies2013Nature癫痫性脑病264trios，外显子测序329个denovo突变，锁定在9个基因（2个从未与该病关联，2个偶尔关联，5个已知关联）国际上精神类疾病denovo突变研究进展旨在对极端罕见疾病或精神类疾病家系样本进行高通量测序，检测denovo突变，解析denovo突变在疾病发生过程中的作用。复杂疾病denovo突变研究-拟解决的科学问题复杂疾病denovo突变研究-解决方案提取基因组DNA外显子捕获IlluminaHiSeq2000测序(30X)基本生物信息分析大样本量验证：家系或其它对照疾病相关denovo突变疾病样本选取*1（triosorquads）基因组文库构建ORdenovo突变分析*2候选denovo突变StageIStageIStageIIStageII技术验证：Sanger测序/质谱改进过滤法结合ForestDNM检测denovoSNVs（自主研发）30组trios家系（父母+患病孩子）或10-20组quads家系（父母+患病双胞胎）分析方法对比0%20%40%60%80%100%传统过滤法改进过滤法ForestDNM验证率NatGenet.2010Dec;42(12):1109-12.NatGenet.2011Jul10;43(9):860-3.Atrainingdataset研究目的全面探讨基因组范围内突变发生速率的差异，发生突变的整体模式及其对人类遗传多样性和疾病易感性的影响。材料：10对同卵双生的自闭症患者及其正常父母方法：全基因组测序(40X)(文库500bp，测序90PE)结果1、共发现581个胚系denovo突变，每个后代中平均包含58个denovo突变，可得知人类基因组平均突变率大约为10-8数据级；2、denovo突变的发生与其父亲的年龄密切相关，但母亲年龄对突变的影响并不明显；3、胚系denovo突变在基因组中表现出高度的非随机性，并且比预期更为聚集。这种区域突变率可能受到DNA序列内在特征和染色体结构等多种因素的共同影响；4、超突变性是影响包括自闭症在内的致病基因的共同特征，局部的超突变性是塑造遗传变异模式和造成人类疾病潜在风险的显着因素。样本与策略Cell,Volume151,Issue7,21December2012,Pages1431–1442复杂疾病denovo突变研究-案例展示复杂疾病denovo突变研究-案例展示研究思路流程图采用机器学习工具forestDNM进行无偏向DNMcalling结果：共发现668个潜在germlineDNMs，采用Sangersequencing与Sequ