2023-04-27 13:30

肠易激综合征和相关精神疾病的全基因组多性状分析确定了38个新的独立变异

摘要

背景

肠易激综合征(IBS)是一种肠脑相互作用的慢性疾病,经常伴有精神疾病,包括抑郁和焦虑。尽管显示出大量的遗传性,并且部分由遗传成分决定,但解释高发病率的遗传基础在很大程度上仍然不清楚,并且没有关于它们之间时间关系的结论性数据。探索肠易激综合征和精神疾病之间重叠的遗传结构可能有助于确定肠易激综合征的新遗传位点和生物学机制以及它们之间的因果关系。

方法

我们量化了IBS、神经质、抑郁和焦虑之间的遗传重叠,进行了一项考虑这些特征的多性状全基因组关联研究(GWAS),并使用迄今为止最大的GWAS研究了它们之间的因果关系。

结果

肠易激综合征是一种高度多基因疾病,与精神疾病具有广泛的遗传共享。IBS与神经质、抑郁和焦虑的多性状分析鉴定出42个IBS全基因组显著变异,其中38个是新发现的。精细定位的风险位点突出了289个基因,这些基因在早期胚胎大脑发育过程中表达上调,并与精神、消化和自身免疫性疾病相关。抗炎抗风湿药物、麻醉药和阿片类药物依赖药物治疗的靶基因富集了ibs相关基因。考虑相关多效性的孟德尔随机化分析发现肠易激综合征与神经质和抑郁之间存在双向因果关系,肠易激综合征的遗传倾向与焦虑之间存在因果关系。

结论

这些发现为肠易激综合征的多基因结构提供了证据,确定了肠易激综合征的新的全基因组显著变异,并扩展了先前关于胃肠道和精神疾病之间遗传重叠和关系的知识。

介绍

肠易激综合征(IBS)是肠脑相互作用最常见的疾病之一,根据严格的罗马IV标准,其人群终生风险为11%,点患病率为4.1%。由于IBS的多因素病因和患者的异质性,其研究极具挑战性,精神障碍,特别是焦虑和抑郁的合并症发生率很高,对患者的生活质量产生负面影响[1,3,4]。

最近的一项系统综述显示,IBS患者中焦虑和抑郁症状的患病率分别为39.1%和28.8%。此外,与健康对照组相比,IBS与更严重的抑郁症状相关,并且当与精神疾病共存时,胃肠道症状更严重且致残[6,7,8,9,10,11]。肠易激综合征、焦虑和抑郁之间的密切联系也得到了神经影像学研究的支持,可能与大脑和消化系统之间的双向交流有关,这种交流被称为脑-肠轴,通过微生物群、神经、神经免疫和神经内分泌途径进行[12,13,14]。这一观点与证据一致,证据表明,包括抗抑郁药或认知行为疗法在内的精神干预措施可以改善肠易激综合征患者的功能,并表明这些疾病背后可能存在共同的病理生理机制。

IBS、焦虑和抑郁部分是由遗传因素决定的,遗传率从IBS的6%到焦虑和抑郁的30%-50%不等[16,17,18]。迄今为止对IBS进行的最大规模的全基因组关联研究(GWAS)包括53,400例病例和433,201例对照,鉴定出6个全基因组显著单核苷酸多态性(snp)[18],这比之前的研究有了改进,鉴定出4个独立的全基因组显著snp[19]。有趣的是,在173个特征中,三种精神状况(神经质、抑郁和焦虑)与肠易激综合征bbb的遗传相关性最强。尽管存在这些很强的遗传相关性,但解释肠易激综合征和精神疾病之间高发病率的遗传基础在很大程度上仍不清楚,也没有关于它们之间时间和因果关系的结论性数据[18,19]。

在本研究中,我们利用迄今为止可用的最大GWAS数据集的汇总统计数据,通过(i)估计它们之间的遗传相关性和重叠,研究了IBS与三种高度遗传相关的疾病(神经质、抑郁和焦虑)之间的共同遗传结构和关系的本质;(ii)开展GWAS的多性状分析(MTAG),以确定IBS的新遗传位点;(iii)进行下游分析,探索与其他疾病和性状的重叠遗传基础以及它们之间的因果关系。

材料与方法

样品

我们使用公开的snp水平GWAS对IBS[18]、神经质[20]、抑郁[21]和焦虑的汇总统计数据(表1)。更多细节见附加文件1:注1。

表1当前研究中使用的GWAS数据集摘要

SNP-ba遗传力、遗传相关和重叠

利用连锁不平衡评分回归(LDSC)分析[22]计算IBS与各精神状态之间的SNP遗传力(h2SNP)和两两遗传相关。利用IBS、神经质、抑郁和焦虑的人群患病率分别为11%、25%、30%和14%,将h2SNP估计值从观察值转换为责任量表。采用MiXeR[23]定量分析IBS与各精神状态之间的多基因重叠。MiXeR计算每个性状(单变量模型)和两个性状(双变量模型)的性状影响snp数量,以及两个性状影响方向一致的变异比例。两个性状共有snp的比例用Dice系数表示。采用赤池信息准则(Akaike Information Criterion, AIC)评价模型拟合。更多细节见附加文件1:注2。

GWAS (MTAG)多性状分析

为了确定肠易激综合征的新位点,使用MTAG[24]对肠易激综合征、神经质、抑郁和焦虑的snp水平GWAS进行meta分析。MTAG通过GWAS对几个遗传相关性状的汇总统计来估计性状特异性效应,同时考虑到发现样本[24]的样本重叠。为了排除结果中的通货膨胀,我们使用前面描述的默认设置计算了最大错误发现率(max-FDR)[24,25]。LDSC截距用于量化由混杂偏差[22]引起的通货膨胀。

MTAG-IBS结果中的独立snp (p值< 5E-08)通过聚集鉴定(r2 = 0.05, kb = 5000),使用1000 Genomes Project Phase 3 European reference panel (http://www.internationalgenome.org/)和Eijsbouts等人描述的Plink1.09。我们将位点定义为以最显著变异(先导变异)为中心的1Mb区域,并使用全基因组复杂性状分析(GCTA)[26]中实现的COJO进行条件分析,以确认每个位点(即在1Mb和r2 < 0.05范围内)的聚集步骤中鉴定的先导和任何其他变异(次要变异)之间的独立性。有关条件分析的更多详细信息,请参阅附加文件1:注3。

可信的变量和函数注释部分

使用FINEMAP 1.3.1[27]、PAINTOR v3.0[28]和CAVIARBF v.0.2.1[29]这三种不同的工具,根据其他地方可用的管道[30],对MTAG-IBS的独立先导snp进行精细映射,从而确定了可信变异集(可信集)。位于主要snp周围1Mb区域的变异被包括在分析中,我们假设每个位点只有一个因果变异。我们使用每个工具的推荐参数,并且只考虑所有三种方法确定的变量。利用fua[31]对可信变量进行功能标注。更多细节见附加文件1:注4。

Gene-baMTAG-IBS结果的sed和基因集分析

使用MAGMA v1.08[32]对MTAG-IBS相关snp进行基因分析和基因集分析。组织特异性基因表达使用MAGMA基因特性分析,分析来自fua中可用的GTEx v8和BrainSpan的表达数据(数据库详细信息见附加文件1:注5)。所有基因集均来自分子特征数据库(MSigDB v6.2),包括GO、KEGG、BIOCARTA和Reactome,共11,960个基因集。基因分析的bonferroni校正显著性阈值为0.05/18135个基因= 2.7571E-06,基因集分析的显著性阈值为0.05/11960个基因集= 4.18E-06。

药物靶点鉴定

为了探究与IBS相关的精细定位基因是否为药物靶基因(可用药基因)富集,我们基于来自PharmGKB的信息,使用WebGestAlt[33]进行富集分析。根据解剖治疗化学(ATC)分类系统提供的信息对鉴定的药物进行分类。

Partitio遗传力与遗传相关性

我们使用分层LDSC[34]对MTAG-IBS结果的h2SNP进行了功能标注分类。我们计算了分析中包含的28个特定基因组类别中是否有任何一个丰富了促成h2SNP的变体。这些功能基因组类别(如编码区或调控区)的注释可从LDSC网站(http://k1.fpubli.cc/file/upload/202304/23/fgjy0du2hha)获得。包括编码;基因内区;启动子;3 ' 5 '未翻译区;数字基因组足迹;转录因子结合位点;六种细胞系的chromHMM和Segway注释;DNase I超敏部位;H3K4me1、H3K4me3、H3K9ac标志;H3K27ac标志两套;super-enhancers;哺乳动物的保守区;和FANTOM5增强子(更多细节见附加文件1:注6)。我们关注的是在任何方向上延长500 bp的类别。每个类别中遗传力的富集/损耗计算为特定类别中SNPs的遗传力比例除以该类别注释的总SNPs比例。bonferroni校正显著性阈值为0.05/28,注释= 0.0018。

我们通过LDSC分析探讨了MTAG-IBS结果与胃肠道、免疫和精神疾病之间的遗传相关性。我们选择了mr数据库中所有胃肠道/腹部、免疫/系统疾病(UK Biobank: 21种表型)和精神疾病(PGC: 7种表型)的GWAS汇总统计数据(附加文件3:表S14)[35]。我们使用GWAS汇总统计数据,包括欧洲血统的男性和女性。如果有多个GWAS可用于同一疾病,我们选择有效样本量最大的研究(N有效= 4/(1/Ncases + 1/ n对照))。采用bonferroni校正显著性阈值为0.05/28个性状= 0.0018。

使用总结效应估计(CAUSE)进行因果分析

考虑独立变量,评估肠易激综合征与相关性状之间的因果关系(r2 = 0.05;kb = 5000)与使用CAUSE[36]时P < 1.0E-03的暴露相关。双向关系测试考虑肠易激综合征的暴露和抑郁,焦虑或神经质的结果,反之亦然。考虑到迄今为止最大的神经质研究中无法获得CAUSE所要求的标准误差[10],我们使用Luciano等人在329,821名受试者中获得的GWAS神经质数据集作为备选[10]。CAUSE的优势包括考虑相关的水平多效效应(即当一个变量通过共享的遗传因素影响结果和中介时),并使用不太严格的显著性阈值(P < 1.0E-3),允许将更多的变量纳入分析。CAUSE比较两个嵌套模型,一个是共享模型,一个是因果模型。两种模型都允许水平多效性(相关多效性(eta)),但只有随机模型包含因果效应参数(gamma)。将共享模型和因果模型与空模型进行比较,并相互比较。模型比较使用期望对数点后验密度(ELPD)进行,这是一种贝叶斯模型比较方法,用于估计特定模型的后验分布对新数据集的预测程度。当P < 0.05时,第二个模型比第一个模型更适合数据。当因果模型表示共享模型的模型拟合有显著改善时,有证据表明存在因果效应。

更多细节见附加文件1:注7。


目录

摘要
介绍
材料与方法
结果
讨论
数据和材料的可用性
缩写
参考文献

作者信息
道德声明

补充信息



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结果

SNP-ba遗传力、遗传相关和重叠

本文使用的最新的IBS[18]、神经质[20]、抑郁[21]和焦虑GWAS汇总于表1和附加文件1:注1。IBS的估计SNP遗传率(h2SNP)为6.9% (SE = 0.004),神经质为14.6% (SE = 0.005),抑郁症为9.9% (SE = 0.004),焦虑为8.3% (SE = 0.011)(表2)。我们发现IBS和所有三种精神状况之间存在很强的遗传相关性,范围从53到68%(表2)。单变量混合分析显示IBS和神经质是高度多基因的。大约12000个变异解释了90%的SNP遗传率(IBS的12438个变异和神经质的12308个变异);附加文件3:表S1a)。双变量MiXeR分析显示,影响IBS的大多数变异与神经质共有(12,438个(SE = 1305)变异中有10,793个(SE = 1094), Dice系数= 0.87),且高比例的变异是一致的(71%)(附加文件3:表S1a和附加文件2:图S1)。不幸的是,MiXeR无法根据赤池信息标准(Akaike Information Criterion, AIC)准确量化IBS与抑郁或焦虑之间的遗传重叠;附加文件3:表S1b)。

表2 IBS与神经质、抑郁和焦虑的遗传相关性估计油墨不平衡分数回归(LDSC)

GWAS (MTAG)多性状分析

为了确定IBS的新基因座,我们使用MTAG结合了GWAS关于IBS、神经质、抑郁和焦虑的汇总统计数据,将原始IBS数据集的估计有效样本量从486,601增加到887,490。MTAG-IBS分析的最大fdr较低(0.020),表明没有通货膨胀,这与不同GWAS的平均卡方值相似,从焦虑的1.08到神经质的1.69不等。没有证据表明残留分层或混杂导致检验统计量膨胀(LD Score回归截距= 0.857,SE = 0.009,见附加文件2:图S2)。

经过MTAG分析,IBS的全基因组显著snp数量从原始GWAS的6个增加到当前研究中37个位点的42个独立snp(每个位点的变异之间r2 < 0.05,定义为1Mb区域)(图1,附加文件2:图S3,附加文件3:表S2, S3)。5、6、11和18号染色体上的5个位点(18号染色体上有2个位点)有一个或多个次生变异(即每个位点上有多个独立的全基因组显著变异)。经条件分析证实,6号染色体(4个继发变异)、5号染色体(1个继发变异)和18号染色体(1个继发先导变异)位点的继发变异仍然显著。条件分析后,11号染色体的次生变异不再显著,只留下该位点的先导变异(表3和附加文件3:表S2)。

图1
figure 1

IBS的MTAG结果与先前的IBS、神经质、抑郁和焦虑的GWAS重叠。MTAG-IBS结果中发现的每个独立先导snp (n = 42)的MTAG-IBS和原始GWAS在IBS、神经质、抑郁和焦虑方面的z分数。灰虚线表示Z-score为0,灰实线表示P < 5-E08有统计学意义。b MTAG-IBS结果的曼哈顿图。灰色虚线表示P < 5-E08有统计学意义。c QQ图的MTAG-IBS结果。d维恩图描绘了原始GWAS中MTAG-IBS独立先导snp和全基因组显著snp之间的重叠

表3 MTAG-IBS分析中鉴定的42个独立先导snp的结果

将这些结果与最初描述的IBS b[18]的结果进行比较,本文鉴定的42个snp中有38个是IBS的新snp,并且它们都显示出一致的关联方向(图1a和附加文件3:表S3)。其中,11例先前未与神经质、抑郁或焦虑相关(图1d)。其余的信号,总共27个,是IBS的新相关snp,但之前报道过神经质和/或抑郁症(表3,图1d),总体上与原始研究报告的相关方向一致(图1a)。在先前在IBS b[18]中发现的6个snp中,3、6、9和11号染色体上的4个snp是本研究中IBS的显著snp,另外2个13号染色体上的snp显示出相关性(P < 5E-07;表3)在最重要的发现中,我们在转录调控基因附近发现了主要的snp,包括非编码RNA (RP11-629G13.1和MSH5-SAPCD1)、RNA剪接(CELF4)、染色质重塑(EP300和HIST1H3J)、mRNA转运(FAM120A)或核酸结合(TCF4和ELAVL2),以及大脑发育(TMEM161B)或突触前活性(PCLO)。

可信的变量和函数注释部分

我们在IBS的37个独立基因座中发现了1818个贝叶斯可信变异(附加文件3:表S4)。它们的功能注释显示,SNPs在内含子(64.6%)、基因间区(21.7%)或位于非编码RNA(9.4%)中过度呈现(图2和附加文件3:表S5)。可信集内共有75%的变异位于开放染色质区域(最小染色质状态≤7),3%可能影响转录因子的结合(RegulomeDB评分从1b到2c), 0.05%可能是有害的(联合注释依赖耗尽(CADD)评分bb0 12.37)(图2和附加文件3:表S5)。48个变异先前通过GWAS (P < 5E-07)与消化相关表型(如炎症性肠病、胃食管反流或肠道微生物群相对丰度)、生活方式因素(如饮酒、终生吸烟、喝咖啡或中度至剧烈体育活动水平)以及大脑和神经精神表型(如神经质、抑郁、焦虑、认知或大脑形态)相关(额外文件3:表S6)。此外,我们发现超过一半的可信变量(n = 953;52%)为至少一个基因在一个脑区表达数量性状位点(eQTL) (n = 895;49%)和/或消化组织(n = 690;38%;附加文件3:表S7)。

图2
figure 2

MTAG-IBS结果随访分析及原因分析。与MTAG-IBS相关的可信变体的功能注释。b与MTAG-IBS相关的可信变异的RegulomeDB评分。得分低表明具有调节功能的可能性增加。c与MTAG-IBS相关的可信变异在15种最小染色质状态中的分布。较低的状态表示较高的可及性,从1到7的状态表示开放的染色质状态。d MTAG-IBS结果与消化、免疫和精神疾病等17种表型之间的遗传相关性(rg)。只有经Bonferroni校正后的显著相关才会显示出来。e柱状图描绘了基因组位点的大小(左),位点上的候选snp数量(中)和基因组位点上的定位基因数量(右)。基因组位点以“染色体:起始位置-结束位置”表示。f使用LD评分回归对MTAG-IBS结果的SNP遗传力进行划分。富集度的计算方法是将一个类别的部分遗传力除以该类别中snp的比例(比例用颜色表示)。只显示重要的富集。g使用总结效应估计(CAUSE)的因果分析评估肠易激综合征与神经质、抑郁和焦虑之间的因果关系。只显示有因果关系证据的关联

可信的变异被定位到289个独特的基因(附加文件3:表S8和附加文件2:图S4),这些基因在早期胚胎大脑发育(概念后第8周;附加文件2:图S5)和几个基因集(附加文件3:表S9)。其中最重要的是,我们发现精神疾病(GWAS目录:自闭症谱系障碍或精神分裂症,p校正值= 5.0E-193)、消化疾病(GWAS目录:溃疡性结肠炎,p校正值= 1.1E-57,炎症性肠病,p校正值= 7.1E-40)、自身免疫性疾病(KEGG:系统性红斑狼疮,p校正值= 7.9E-61)和组蛋白去乙酰化酶(Reactome: HDACS去乙酰化组蛋白,p校正值= 3.1E-46)(补充文件3:表S9)。

Gene-baMTAG-IBS危险位点的sed和基因集分析

基于基因的分析鉴定出76个显著基因,这些基因与小脑(P = 5.2E-09)、额叶皮层(P = 9.80 e- 07)、前扣带皮层(P = 1.8E-05)、基底神经节核(伏隔核:P = 6.90 e- 05;尾状核:P = 9.7E-04)和下丘脑(P = 4.3E-04)(附加文件3:表S10,附加文件2:图S6-S7)以及第21周后基因表达(P = 8.5E-04)(附加文件2:图S7)。在最重要的发现中,我们发现了与大脑发育和突触功能有关的基因,包括CADM2和NCAM1,这些基因之前在IBS的最新GWAS中被发现,以及通过mRNA转运或染色质结构参与转录调控的基因,包括FAM120A、PHF2和不同的组蛋白编码基因。当我们进行基因集分析时,我们发现神经通路的分支形态发生与肠易激综合征显著相关(基因集大小= 10个基因;P = 1.7E-06)(附加文件3:表S11)。

药物靶点鉴定

可用药基因富集分析显示,21种药物可用药基因中mtag - ibs精细定位可信基因富集(附加文件3:表S12),其中l-赖氨酸(P < 2.2E-16)、贝利诺他(P = 8.6E-10)、s-腺苷蛋氨酸(P = 7.0E-09)和别嘌呤醇(P = 1.5E-07)富集程度最高(附加文件3:表S12)。它们还包括与肌肉骨骼系统相关的药物,如抗炎和抗风湿药,或与神经系统相关的药物,如麻醉剂和用于阿片类药物依赖的药物(附加文件3:表S12)。

Partitio遗传力与遗传相关性

当我们对IBS的h2SNP进行划分时,我们发现在10个功能类别中有显著的遗传力富集(图2和附加文件3:表S13),其中保守区域变异的富集最强(富集= 2.01;P = 4.0E-09), DNase I超敏感位点(DHSs)区域(富集= 1.66;P = 9.1E-08)和组蛋白H3赖氨酸9乙酰化(H3K9ac)峰(富集= 6.88;p = 1.1e-07)。

我们发现肠易激综合征与13种胃肠道、免疫或精神疾病之间存在显著的遗传相关性,其中包括胃反流(rg = 0.51;P = 2.6E-36), PGC的交叉障碍GWAS包括精神分裂症、双相情感障碍、重度抑郁症、自闭症谱系障碍和注意力缺陷/多动障碍(ADHD) (rg = 0.44, P = 9.7E-46)、憩室炎(rg = 0.44, P = 7.4E-22)、裂孔疝(rg = 0.43;P = 4.7E-20)和慢性疲劳综合征(rg = 0.39, P = 2.0E-04)等(图2和附加文件3:表S14)。

使用总结效应估计(CAUSE)进行因果分析

病因[36]显示了IBS遗传倾向对神经质(ΔELPD = -3.6, SE = 1.9, P = 0.031)、抑郁(ΔELPD = -5.9, SE = 1.8, P = 5.4E-03)和焦虑(ΔELPD = -2.9, SE = 1.7, P = 0.049)的因果关系的一致证据。我们还发现了反向因果关系的证据,神经质和抑郁的遗传倾向对IBS有因果关系(分别为ΔELPD = -7.3, SE = 1.4, P = 1.5E-07和ΔELPD = -6.3, SE = 1.4, P = 1.8E-06),但当焦虑被视为暴露和IBS作为结果时,没有证据表明存在因果关系(图2,附加文件3:表S15a, b和附加文件2:图S8)。



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