脑部疾病包括精神分裂症和躁郁症之类的精神性疾病和帕金森和阿尔茨海默症之类的神经性疾病,经常表现出相同或类似的临床症状,即共病特征。从病因学角度看,这些不同的脑功能障碍可能由相同的离子通道突变所致;从遗传学角度看,它们之间可能存在一定程度的遗传关联。


近期,大脑风暴联盟(The Brainstorm Consortium)在Science 杂志发表的一项涉及100万人群的全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)印证了这一观点,即多种精神疾病之间存在相同的基因变异。


该研究由美国麻省理工大学、哈佛大学与来自英国、德国、法国、中国和日本等36个国家的研究人员合作完成,数据来源于世界16大脑部研究机构。研究人员对265,218名脑部疾病患者和784,643名健康对照者进行全基因组关联分析,对25种精神疾病(psychiatric disorder)和神经疾病(neurological disorder)的遗传共享基因进行量化(表1),揭示了这些疾病之间具有遗传相关性,同时揭示了脑部疾病与17个身体(如BMI和冠心病等)或认知指标(如智力和受教育程度等)之间的相关性(表2) 。


表1  脑部疾病表型


表2  行为认知和其他表型


研究人员首先筛查各机构数据,符合以下条件之一的SNPs均被去除:HapMap Project Phase3 中未包含的、与1000 Genomes等位基因不匹配、正负链信息模糊、INFO score <0.9、MAF<1%、MHC区域 (chromosome 6:25-35 Mb)和 APOE基因座区域 (chromosome 19:44和 47Mb) SNPs,并进一步利用UK Biobank中的数据进行鲁棒性评估。最后利用连锁不平衡评分回归(linkage disequilibrium score (LDSC) regression)分析法,评估每种脑部疾病变异的遗传力,并利用疾病最佳遗传预测变量之间的关联定义其遗传相关性。


结果显示,不同类型的精神疾病之间存在广泛的基因变异重叠,尤其是精神分裂症、躁郁症、焦虑症、重度抑郁症(MDD)和注意缺陷多动障碍(ADHD),其中精神分裂症和MDD与绝大多数其他精神疾病具有显著遗传相关性。此外,神经性厌食症与强迫症(OCD)以及OCD与图雷特氏综合症之间同样具有强烈遗传相关性,但它们的常见变异风险似乎与其它精神疾病不同(图1A)。


A.精神性疾病表型之间的遗传相关性


与精神疾病不同的是,帕金森氏症、阿尔茨海默症、全身性癫痫和多发性硬化等神经疾病之间则存在较大遗传差异(图1B)。


B.神经性疾病表型之间的遗传相关性


与精神类疾病遗传变异唯一具有相关性的神经性疾病只有偏头痛,提示它可能与注意缺陷多动障碍(ADHD)、重度抑郁症(MDD)和图雷特氏综合症共有某些遗传模式(图1C)。


C.精神性和神经性疾病表型之间的遗传相关性


通过分析认知指标发现,一些精神疾病(厌食症、自闭症、躁郁症和强迫症)与至少一种或多种认知指标(如大学完成情况、教育年限、智力)显著正相关,而神经疾病,尤其是阿尔茨海默症和卒中,则与这些认知指标呈负相关(图1D)。


D.脑部疾病与行为认知表型之间的遗传相关性


可借鉴之处

1. 该研究从脑部疾病通常同时出现这一表型入手,探究疾病基因型层面的遗传关联,强调了遗传变异作为脑部疾病风险因素的重要性,凸显了遗传学方法在理解疾病机制方面的重要价值。

2. 该研究基于全基因组关联分析,对脑部疾病与遗传变异之间的相关性进行了迄今为止最为广泛的探究,表明不同的精神疾病之间在分子水平上具有的重要相似性,而目前的诊断类别尚未反映出这点。

3. 很多疾病常同时发生,利用遗传学手段揭示不同疾病之间遗传模式的相关性,能够更好地帮助我们了解这些疾病的根本原因,是迈向减少诊断异质性、改善诊断和治疗方案的重要步骤。


局限性

1. 由于每种遗传变异对发生某种疾病的风险贡献比例较小,因此开展这种分析必需要有大样本以便更好的从噪音中分辨出准确可靠的信号。

2. 需进一步分析评估重叠的遗传变异对精神病理学的贡献是否会影响治疗方案的选择。

3. 该研究揭示出精神疾病之间共有的遗传变异,但未在这些相同变异的基础上展开分析和讨论并提供功能层面的解释。

4. 精神疾病之间虽呈现出显著的遗传相关性,但仍表现出不同的临床表型,即“共性”和“个性”共存,那么“个性”由哪些因素决定,有待进一步研究。


本期关键词


全基因组关联分析

(Genome-wide association study,GWAS)

GWAS是应用基因组中数以百万计的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)为分子遗传标记,进行全基因组水平上的对照分析或相关性分析,通过比较发现影响复杂性状的基因变异的一种新策略。


GWAS可基于无关个体进行关联分析,也可进行家系的关联研究,其中基于无关个体进行关联分析的病例对照研究设计,主要用来研究质量性状,即是否患病;基于随机人群的关联分析主要用来研究数量性状。与之不同,基于家系的关联研究,可以排除人群混杂对于关联分析的影响,但其在发现阳性关联的检验方面不如相同样本量的病例对照研究有效。


GWAS研究可进行单一阶段研究,也可进行两个或多阶段研究:单个阶段研究即在有了足够大的病例和对照样本数量后,一次性的对其所有选中的SNP进行基因分型,然后分析每个SNP与样本的关联,一般样本数量需求量大,耗资巨大;两个或多个阶段研究,首先采用小样本数量进行第一阶段的全基因组范围SNP基因分型,筛选少量阳性SNPs,之后的第二阶段在更大数量的样本中对这些阳性SNPs进行基因分型,最后整合两个阶段的结果进行分析。


文献来源:

The Brainstorm Consortium. Analysis of shared heritability in common disorders of the brain. Science, 22 Jun 2018, 360(6395): eaap8757, doi:10.1126/science.aap8757

http://science.sciencemag.org/content/360/6395/eaap8757


本期嘉宾


贾鑫淼

博士,生物信息学,北京协和医院-中心实验室-统计与生信平台。

北京协和医院-中心实验室-统计与生信平台基于循证医学、医学统计学、临床流行病学、生物信息学理论与前沿技术,在院内外开展方法学咨询服务与大数据分析技术支持。从疾病的病因、诊断、治疗、预后多角度开展临床研究,为疾病预防、早期干预、新药和新治疗方法的临床应用提供科学的证据支持,促进转化医学发展与科研成果转化。


栏目策划


吴志宏教授

北京协和医院骨科教授、博导、中心实验室副主任、实验动物管理委员会主任、骨骼畸形的遗传学研究北京市重点实验室副主任、北京市生物医学工程高精尖中心学术委员会委员、医工整合联盟副理事长、中华医学会骨科分会基础学组委员。


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多种精神疾病之间存在相同的基因变异:一项来自全球100万人的GWAS研究

图文简介

从病因学角度看,这些不同的脑功能障碍可能由相同的离子通道突变所致;从遗传学角度看,它们之间可能存在一定程度的遗传关联。