[論文レビュー] M´ as all´ a del GWAS: alternativas para localizar QTLs

Filippo Biscarini, Stefano Biffani+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2015

Genetic and phenotypic traits in livestock参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、家畜におけるQTLマッピングのための標準的GWASの代替手法として、ヘテロ接合性領域の連続的領域（ROH）解析と予測モデルにおけるSNPリサンプリングの2つの手法を提案する。ROH解析は、症例と対照群の間で、ヘテロ接合性が増加している領域を同定する。一方、リサンプリングは、モデル内でのSNPの含められ頻度を追跡し、原因となるバリアントを特定する。これらの手法は、GWASと比較して、より高い耐性と偽陽性の低減を実現し、既知のQTLを検出できた。

ABSTRACT

Beyond GWAS: alternatives to localize QTLs in farm animals. Two methods that could be used for QTL mapping as alternatives to standard GWAS are presented. The first relies on the differential frequency of runs of homozygosity (ROH) in groups of animals (e.g. cases and controls), while the second stems from resampling techniques used for the prediction of carriers of a mutation, and is based on the frequency of inclusion of polymorphisms (SNP) in the predictive model. ROH were applied to the detection of reproductive diseases in Holstein-Friesian cattle, while resampling was applied to the detection of carriers of the BH2 haplotype in Brown Swiss cattle. These alternative approaches may complement GWAS analyses in localizing more accurately QTLs for traits of interest in livestock.

研究の動機と目的

• 標準的GWASの限界、特に高い偽発見率と多因子的信号の解釈の難しさを是正する。
• ヘテロ接合性領域（ROH）や予測モデルにおけるSNP含め頻度といった、集団ゲノムパターンを活用する代替統計的手法を検討する。
• 特に劣性または低効果のバリアントに対して、複雑な特性におけるQTL検出の正確性と耐性を向上させる。
• p値に依存せず、生物学的解釈性を高めるGWASの補完的ツールを提供する。
• ホルスタイン＝フリーザンおよびブラウンシュヴァイツァー種の実データを用いて、これらの手法を検証し、既知の疾患関連座標の同定における有効性を示す。

提案手法

• ROH解析は、個体内で連続するヘテロ接合性SNPのストレッチを同定し、劣性疾患関連バリアントが、病態を呈する個体のそのような領域に蓄積されていると仮定する。
• ROHは1000 kbのスライディングウインドウを用い、最大5つの欠損ゲノム型と1つのヘテロ接合型を許容して定義する。
• この手法は、症例群と対照群の間でROHの頻度と長さを比較し、特性に関連する有意なゲノム領域を同定する。
• SNPリサンプリングでは、異なるしきい値（2.5%〜100%）でベストサブセット選択法を用いてSNPのサブセットを抽出し、線形判別分析を用いた予測モデルを構築する。
• 1000回の交差検証の繰り返しにおいて、SNPの含められ頻度を計算し、各SNPが原因バリアントに属する可能性を推定する。
• ゲノム全体における含められ頻度プロファイルは、例えばBTA19におけるBH2ハプロタイプのような候補領域を高い信頼性で特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 家畜における複雑な特性に関連する劣性QTLを、標準的GWASよりも耐性よく検出するために、ヘテロ接合性領域（ROH）を用いることは可能か？
• RQ2 予測モデルにおけるSNPリサンプリングは、従来のGWASと比較して、統計的パワーと偽発見率という観点から、QTLの局在化にどのように寄与するか？
• RQ3 ROHおよびリサンプリング手法は、GWASに共通する誤検出の影響をどの程度低減するか？
• RQ4 これらの代替手法は、SLITRK5遺伝子やBH2ハプロタイプといった既知の原因バリアントを、GWAS単独よりも高い精度で検出できるか？
• RQ5 系統的効果（例：農場、出産回数）をROHベースの解析に統合することで、統計的妥当性をどのように向上させられるか？

主な発見

• ROH解析により、ホルスタイン＝フリーザンの生殖器障害を呈する雌牛において、BTA15にヘテロ接合性領域の有意な蓄積が確認され、多因子的劣性構造が示唆された。
• 左側胃捻転のGWASでは、BTA12にSLITRK5遺伝子に近い有意なSNPが検出されたが、原因バリアントからわずか20 kbの距離にあり、ゲノム全体にわたり多数の有意でない関連が散在していた。
• SNPリサンプリング手法は、ブラウンシュヴァイツァー種のBTA19に位置するBH2ハプロタイプを明確な含められ頻度ピークを示しながら正しく局在化した。
• 同等の条件下でテストした結果、ROHベースの解析はGWASよりも偽発見率（FDR）が低く、耐性の高さが裏付けられた。
• リサンプリング手法は、p値のしきい値に依存せず、統計的パワーが高く、低効果アレルルでも原因バリアントの信頼性ある同定が可能であった。
• 両手法とも、GWASが個々のSNP効果が弱いために失敗しがちな、劣性または多因子的特性に対して生物学的に解釈可能な結果を提供した。