NG：迄今为止最大的视神经形态学全基因组关联研究
生信干货
科儿 ·2020年2月20日 01:27
青光眼的多基因分析确定了新的位点，使多基因预测疾病易感性和进展成为可能青光眼是一种以进行性视神经变性为特征的疾病，通过及时的诊断和治疗可以预防。文章对67040名英国Biobank参与者的视神经照片进行了观察，并使用多性状遗传模型来确定青光眼的风险位点。青光眼多基因风险评分（PRS）可在未选择的青光眼病例中实现有效的风险分层，并改变编码p.Gln368Ter的MYOC变异的外显率，p.Gln368Ter是最常见的青光眼相关肌醇变异，在未经选择的青光眼人群中，PRS最高的十分位个体有青光眼的危险比最下面的十分位数早10年，并且发展为晚期青光眼的风险增加了15倍。这种青光眼会促进为高危人群的早期治疗开发个性化方法，低风险人群可进行低强度的监测和治疗。青光眼是指一组由临床特征性视神经病变的眼部疾病，这些视神经病变与高眼压相关。它是全球不可逆转失明的主要原因。青光眼没有一个明确的生物标志物，诊断需要评估临床特征及视神经头的特征。原发性开角型青光眼（POAG）是欧洲和非洲祖先人群中最常见的青光眼亚型。POAG在早期阶段无症状，早期发现是最重要的，因为现有的治疗方法不能恢复失明的视力，晚期表现是失明的主要危险因素。因此，迫切需要更好的策略来识别高危人群， 健康视神经与青光眼早期患者共有的特征重叠，使得早期诊断很困难，需要对进行性视神经衰弱患者进行昂贵的持续监测。POAG的慢性、遗传性、临床异质性和可治疗性使其成为遗传风险分析的理想病症。首先对青光眼（7947例和119318例对照组）和青光眼的关键内表型进行了GWAS研究：VCDR（包括67040例UKB参与者和国际青光眼遗传学联合会（IGGC）的新数据，n=23899）；和IOP（包括103914例数据和IGGC的GWAS汇总统计，n=29578）。然后利用MTAG将这些数据结合起来，确定新的青光眼风险位点，并构建一个PRS。PRS的临床数据调查了了两个晚期青光眼患者人群以及一个单独的前瞻性监测的早期青光眼临床队列。PRS的预测能力也在其他数据中进行了探索；但是，为了确保我们的结果推广到进一步的队列中，在发现和测试数据集中选择了突变特有的样本以确保没有样本重叠。VCDR（经垂直圆盘直径调整）的GWAS鉴定出76个具有统计学独立性、全基因组显著性的snp（66个位点），其中49个（43个位点）之前与VCDR不相关。利用连锁不平衡回归分析，没有发现基因组膨胀的证据。在UKB中，VCDR与青光眼之间的遗传相关性为0.50；76个SNP的效应大小相关性为0.60。进一步使用MTAG将UKB VCDR GWAS和IGGC VCDR GWAS统计数据结合起来，确定了VCDR中107个独立的全基因组显著snp。如前所述，眼压与青光眼之间的遗传相关性很高（0.71），但正如预期的那样，VCDR与眼压之间的遗传相关性明显较低（0.22）。考虑到青光眼与其内表型之间的高度相关性，进行了一项多变量GWAS（8002429个snp）确定114个统计独立的与青光眼相关的snp；这包括所有先前发表的青光眼位点以及49个先前未知的位点（图1）。在模拟研究提出的更严格的多重检测阈值（P<1×10-8）下，95个位点达到显著性，其中39个以前未知；这49个snp中有27个与全基因组显著性水平上的任何单个输入性状没有单独关联（P=5×10-8）。然后尝试在两个独立的青光眼队列（澳大利亚和新西兰晚期青光眼登记处（ANZRAG）和国家眼科研究所青光眼人类遗传学合作遗传操作数据库中重复49个先前未知的SNP。鉴于这些重复队列的有效样本量要小得多（与MTAG分析中的发现数据集相比），我们并不期望所有snp都是强关联的；相反，如果它们是真正的关联，希望比率（0Rs）是高度一致的，一些较小的ORs不重要。发现队列和复制队列之间的一致性非常好（相关度为0.88，P=1.6×10-36），表明多变量模型在识别真正的青光眼风险位点方面是成功的（图2）。在49个先前未知的SNP中，9个在Bonferroni校正后被复制（P<0.05/49=0.001，单侧检验；），26个在名义显著性水平上相关（P<0.05，单侧检验），46个（94%）在预期方向上。虽然多变量和青光眼重复样本相关系数很高，但经过多个比较校正后，49个位点中只有9个对青光眼有显著意义；需要进一步研究重复其余40个位点对青光眼的影响。先前未知的snp用红点突出显示，最近的基因名用黑色文本显示。已知的snp以紫色点突出显示，最近的基因名在紫色文本中。红线是5×10-8的全基因组显著性水平。图2. 从UKB和独立青光眼队列的青光眼多性状GWAS分析中识别出的114个全基因组显著SNP的效应大小（对数ORs）的比较。Pearson相关系数为0.88 (P = 1.6×10−36)。红线为最佳拟合线，95%置信区间区域为灰色。先前未知的青光眼snp用红色标出;已知的snp用紫色表示。根据青光眼及其内表型的GWAS的MTAG数据得出PRS。除了增加达到全基因组显著性的SNPs的数量之外，多变量模型还通过减少每个SNP的效应大小的误差提高了风险预测的能力。首先在ANZAG晚期青光眼队列中测试了MTAG导致PRS的辨别力。发现MTAG P值≤0.001的单核苷酸多态性具有最高的Nagelkerke R2（13.2%）和曲线下面积。MTAG-PRS的预测能力强于单一输入性状。MTAG衍生的PRS在分离晚期青光眼个体的风险方面是有效的，其明显的剂量-反应（图3a）。在ANZAG队列中，处于PRS前十分位的个体比处于后十分位的个体有14.9倍的高风险（95% CI=10.7-20.9），对更常见的高眼压性青光眼（OR=21.5，95% CI=12.5-37.0）的鉴别能力比正常眼压性青光眼更好。在一个较小的英国晚期青光眼数据集（南安普顿和利物浦）中也得到了PRS的剂量-反应；在ANZRAG队列中，前10个个体和所有剩余个体的OR分别为4.2和8.5。先前的研究表明，PRS可改变乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌罕见BRCA1和BRCA2突变携带者的外显率。尽管MTAG衍生的PRS只包含常见的变异，考虑到它能反映一般青光眼的风险，假设它能将携带已知高外显率青光眼变异的个体分层。致病性肌醇（myocilin）基因变异占大多数人群POAG病例的2-4%，最常见的致病性变异是编码p.Gln368Ter（rs74315329）的变异。外显率与年龄相关。推测外显率的差异可能是由于改变年龄相关外显率的家族中常见青光眼相关变异丰富所致。在UKB内，根据估算确定了965名肌钙蛋白p.Gln368Ter携带者。图3c显示p.Gln368Ter携带者青光眼的累积风险。对于p.Gln368Ter携带者来说，在60岁之前，青光眼的风险仍然很低（2%）。相比之下，高三分位PRS组的早期诊断风险显著增加，到60岁时青光眼的绝对风险比低三分位PRS组增加6倍。这支持了PRS在优化风险分层和预测中的应用，以及在存在高PRS分数的情况下对携带高外显率心肌变异的患者进行早期筛查。a、在ANZAG队列中（1734例晚期青光眼病例和2938例对照组）每十分位数出现晚期青光眼的OR。正方形点是OR值（根据性别和前四个主成分进行调整），误差线是95%置信区间。虚线是底部PRS十分位处的参考。b BMES队列中AUCs的PRS。MTAG衍生的PRS在传统危险因素的基础上提供了额外的预测能力。AUC基于一个回归模型，其中年龄、性别、家族史和根据BMES数据估算的PRS。c、按PRS分层的MYOC p.Gln368Ter携带者青光眼的累积风险。d、无MYOC p.Gln368Ter变异的UKB受试者的PRS上下十分之一人群青光眼的累积风险。虚线是3%累积风险的参考线。文章考虑了使用UKB筛选一般人群的方案，排除了965个MYCO p.Gln368Ter携带者。在UKB的40-69岁年龄段中，青光眼患病率从40岁时的0.1%上升到64岁时的3%。MTAG衍生的PRS可以非常有效地将UKB参与者分层；对于PRS排名靠前的参与者，在59岁时达到3%的患病率，这是要最低PRS十分位数患者另外10年才能达到的患病率。可以很好地按PRS十分位进行患病率分层（图3d）。为了将MTAG衍生PRS的表现与传统危险因素进行比较，计算了数据集中的AUC，这是可能的：BMES、UKB青光眼和UKB POAG，图3b。在BMES队列中，PRS提供了超出传统危险因素（年龄、性别和自我报告的家族史）的额外预测能力，AUC有显著变化（从0.73到0.80，P=0.002；图3b）。评估了PRS对晚期青光眼的预测能力；在1336例具有准确年龄诊断信息的ANZAG晚期POAG患者中，PRS与POAG诊断年龄显著相关（P=1.8×10-5）。PRS分布的前10%的个人平均比后10%的人早7年被诊断（图4a）。还发现，具有较高PRS的ANZAG个体有更多的受青光眼影响的家庭成员（P=3.5×10-9）。早发性青光眼的主要结构改变是视网膜神经纤维层（RNFL）变薄。在青光眼早期表现队列中，PRS预测了视乳头周围RNFL丢失的比例和丢失率。考虑一些因素分析了早期青光眼患者和大于2年纵向光学相干断层扫描数据中受影响最大的象限。即使在校正了已知的危险因素：年龄、眼压和呈现时的RNFL厚度（P=0.004；图4b）后，从基线检查到最近一次复查的RNFL丢失率与PRS显著相关。以损失率表示，PRS的十分位变化与每年0.05 µm的加速进展率相关。青光眼的切口手术（小梁切除术）在降低眼压方面非常有效，但有严重的并发症，对视力会产生不利影响。高PRS患者更会接受青光眼手术（图4c），对于处于最高位PRS的人而言，无论哪只眼睛，需要小梁切除术的OR在高十分位与底分位相比是1.78。a、ANZRAG队列中每十分之一PRS的平均诊断年龄（岁）。1336例患者的诊断信息中年龄准确。在线性回归模型中，我们计算了每十分之一PRS的平均诊断年龄，黑方块是基于回归的诊断平均年龄。红线是最适合的线，95%的CIs为灰色。b、PROGRESSA早期青光眼患者保留的基线视网膜神经纤维层比例与PRS分位数的关系（n=388；线性回归P=0.004）。黑色方块是视网膜神经纤维层的比例。在ANZAG-POAG队列中，任何一只眼睛需要小梁切除的患者比例。1360例有手术治疗记录。黑方块代表每十分之一需要小梁切除术的PRS中观察到的病例的平均比例。最佳拟合线显示为红色，95%置信区间显示为灰色。
