如何利用大數據理解體重與基因及環境的聯繫?

轉化醫學網2019-09-06 20:31:36


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編輯:Blake

基因型的環境交互(genotype by environment interaction, GEI)對研究複雜的生物性狀是必不可少的。然而,對人類而言,由於環境數據採集的困難以及環境影響效果弱,難以鑑定GEI效應相關的基因型。近日,來自昆士蘭大學的研究人員通過對大量樣本的分析推導出基因型和表型之間的聯繫,從而繞過了採集環境因素的困難。作者通過對英國biobank數據庫中無親緣關係的348501人的5600萬個突變的基因組水平的變異數量性狀位點(variance quantitative trait locus, vQTL)進行了分析,鑑定出了9個性狀的75個vQTLs,而且這些性狀與肥胖相關性大。隨後,對5個環境因素的GEI分析表明,GEI效應與vQTLs的富集相關性強。


研究人員發現,環境因素可以增強或減弱基因型對體重指數(body mass index, BMI) 的影響。相反,身高則主要由遺傳決定,受環境因素影響小。

這一發現有助於研究對於任何特定的性狀,不同的基因型是否也會受到環境因素的影響。

楊教授説:“對於大多數人類的性狀,比如身高或體重指數,都是很複雜的,因為它們受許多遺傳因素以及環境因素的共同影響。”

 “但是,這些性狀的不同基因型是否受環境因素的影響還不清楚——DNA的差異可能影響性狀,但在不同的環境中這種影響效果是否穩定?”

“比如,前期的研究表明CHRNA5-A3-B4基因簇與吸煙和尼古丁依賴有關,然而近期的GWAS結果並不支持這個基因與肺功能的聯繫。因此,我們假設CHRNA5-A3-B4基因簇通過對肺功能的影響由吸煙決定,並發現調整表型後這個基因位點的vQTL仍具有信號,而前期研究結果顯示這個基因位點影響QTL相關信號,説明這個基因位點具有GEI效應。”

 “儘管大家都知道吸煙對肺功能的影響,但是,如果你不知道環境條件(比如吸煙),如何發現基因型是否受到環境條件的影響?”

對於人類而言,測量一個人所接觸到的所有可能的環境因素是難以實現的,因此研究人員決定採取不同的方法。

研究人員從記錄有超過30萬人身高和體重指數等複雜性狀的數據庫中,尋找與這些性狀變異相關的基因型。

他們發現,即使對於具有相同基因型的個體,體重指數(BMI)也可能存在顯著差異,但與身高相關的基因型並非如此。

表1:基因組分析顯示13個性狀相關的vQTLs和QTLs數量。其中肥胖相關性狀如體重指數(BMI)、腰圍(WC)、臀圍(HC)等形狀相關vQTLs數量較高。


圖1:與隨機QTLs組相比75個vQTLs中GEI效應的富集。其中五個環境因素分別為:性別、年齡、身體活動(PA)、久坐行為(SB)和吸煙。

(A) 75個vQTL SNPs的GEI測試統計量的熱圖。“*” 表示Bonferroni校正後GEI效果顯著。

(B) 75個QTL SNPs的顯著GEI效應數量分佈。紅線表示75個vQTL SNP的顯著GEI效應的數量(即16)。


楊教授説:“我們發現了大量與身高相關的遺傳因素,但它們的影響似乎對環境條件不敏感,但對於體重指數和其它一些肥胖相關性狀的遺傳因素,似乎對環境條件更為敏感。”

“身高當然會受到環境的影響,也會受到基因的影響,但這些因素似乎是獨立的。”

 “瞭解這一點很重要,因為它能讓我們找到影響基因功能的複雜的環境因素。”

 “通過進一步的研究來理解特定基因位點的遺傳效應對環境敏感的原因是很有意義的,因為對基因型和環境交互作用機制的理解能夠促進生物學和醫學的研究。”

總之,這一發現為研究體重指數和身高等的基因環境交互作用提供了新的線索。同時,這項研究通過對常用的vQTL分析方法的調整,提供了一種更好的方法,可以在沒有環境數據條件下,更好的對大量樣本的分析來發現基因型與環境的聯繫。


參考文獻:

Huanwei Wang et al, Genotype-by-environment interactions inferred from genetic effects on phenotypic variability in the UK Biobank, Science Advances (2019).

DOI: 10.1126/sciadv.aaw3538



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