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为探究多群体基因组关联研究(GWAS)的效果,挪威渔业与水产养殖研究所等机构研究人员对大西洋鲑进行研究,发现 mega-analysis 可提高检测力和定位精度,meta-analysis 虽检测力更高但结果需谨慎解读,该研究为鱼类遗传研究提供重要参考。
在生命科学的遗传研究领域,全基因组关联研究(Genome-wide Association Studies,GWAS)是探索复杂性状遗传机制的重要手段。它就像是遗传学家手中的 “寻宝图”,帮助我们寻找与各种性状相关的基因宝藏。然而,在实际研究中,这幅 “寻宝图” 却面临着诸多挑战。
在水产养殖方面,由于采用基因组技术的时间相对较晚,以及基因分型和表型分型的成本问题,GWAS 在水产养殖群体中的样本量往往较小,通常少于或在 1000 左右。而且,与其他畜牧群体不同,水产养殖群体中重叠世代的数据常常未被充分利用。这就好比在寻找宝藏时,只带了很少的人手,还没有充分利用已有的资源,使得发现 “宝藏”(数量性状位点,QTL)的难度大大增加。
同时,连锁不平衡(Linkage Disequilibrium,LD)相位在不同研究或群体间的持续性也是一个关键问题。当使用中低密度单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphisms,SNPs)数据时,由于致病变异可能未被基因分型,LD 相位在群体间若保守性差,标记与 QTL 之间的关联就可能在 mega-analysis 或 meta-analysis 中丢失或抵消,这无疑给 “寻宝” 之路增添了更多阻碍。
此外,在确定同一基因组区域是否存在多个 QTL(即独立或次要信号)时,也面临着方法上的挑战。传统的条件关联分析虽被视为金标准,但无法用于 meta-analysis 中常用的汇总统计数据。因此,寻找更有效的研究方法迫在眉睫。
为了解决这些问题,挪威渔业与水产养殖研究所(Nofima)、挪威生命科学大学等机构的研究人员 Afees A. Ajasa 等人开展了一项关于大西洋鲑的研究。他们旨在探究在 GWAS 中结合低 LD 相位持续性的群体(mega-analysis)是否能提高 QTL 的检测力(以降低 p 值衡量)和精确定位 QTL,同时识别次要信号,并找出哪种 meta-analysis 方法最接近 mega-analysis。
研究人员为开展此项研究,用到了以下几个主要关键的技术方法:首先,收集了来自三个年份等级的四个大西洋鲑群体在爆发阿米巴鳃病(Amoebic Gill Disease,AGD)期间的鳃评分表型数据;其次,对所有群体进行基因分型,使用 55k SNP 芯片,并经过严格的质量控制和插补后保留了 50,456 个 SNPs;最后,运用多种分析方法,包括在每个群体内进行 GWAS、mega-analysis 以及不同的 meta-analysis 方法(如 Z-score、IVW 和随机效应 meta-analysis),还使用了条件关联分析、COJO 和聚类方法来识别独立或次要信号。
研究结果如下:
- 检测力和定位精度提升:与群体内 GWAS 相比,mega-analysis 在降低 p 值方面提高了检测力,并且增加了定位精度。在条件关联分析中,群体内和 mega-analysis 都仅检测到一个 QTL,而 COJO 和聚类方法检测到的 QTL 数量在 1 - 19 之间变化。
- meta-analysis 与 mega-analysis 的关系:meta-analysis 方法得到的等位基因替代效应和-log_{10}p 值与 mega-analysis 的相应值高度相关。但 meta-analysis 比 mega-analysis 具有更高的检测力,不过其定位精度有所降低。
- QTL 检测方法的差异:不同方法检测到的 QTL 数量差异较大。聚类方法检测到的 QTL 数量最多,条件关联分析检测到的最少。COJO 检测到的 QTL 数量相对较多,可能与分析中使用的相对宽松的显著性阈值(FDR < 0.05)有关。
- 群体异质性分析:通过I^{2}指标评估,发现大多数显著 SNP 在不同研究或群体间的等位基因替代效应估计值是一致的,但也有部分变体存在异质性。
在研究结论和讨论部分,研究人员指出,通过 mega-analysis 结合多个大西洋鲑群体进行 GWAS 可以提高检测力和定位精度。meta-analysis 虽能提供对 mega-analysis 的合理近似,且检测力更高,但由于群体结构或隐藏的相关性,可能导致检验统计量膨胀,因此其结果应谨慎解读。这一研究为大西洋鲑的遗传研究提供了重要参考,也为后续研究指明了方向,即需要开发能够控制或减轻 GWAS meta-analysis 中混杂因素的模型。同时,该研究结果也表明,在其他物种的类似研究中,可能也需要关注这些问题,为整个生命科学领域的遗传研究提供了宝贵的经验。该研究成果发表在《Genetics Selection Evolution》期刊上,为相关领域的研究开辟了新的思路,推动了遗传研究在水产养殖等领域的进一步发展。