肠易激综合征(IBS)通常与精神疾病和胃肠道疾病同时发生。最近的一项全基因组关联研究(GWAS)确定了肠易激综合征的几种遗传风险变异。然而，大多数遗传能力仍未确定，与精神和躯体疾病的遗传重叠除了全基因组遗传相关性之外还没有被量化。在这里，我们描述了IBS的遗传结构，进一步研究了其与精神和胃肠道表型的遗传重叠，并确定了新的基因组风险位点。
利用GWAS对IBS(53,400例和433,201例对照)以及精神和胃肠道表型的汇总统计，我们进行了双变量随机混合模型分析，以表征这些表型之间的遗传结构和遗传重叠。我们利用已确定的遗传重叠来促进与IBS相关的基因组位点的发现，并使用条件/联合错误发现率(condFDR/conjFDR)框架确定与IBS、精神和胃肠道表型相关的特定共享位点。我们使用功能定位和基因注释(funa)进行功能分析。
IBS是高度多基因的，有12k个性状影响变异。我们发现肠易激综合征与精神疾病之间存在广泛的多基因重叠，与胃肠道疾病的重叠程度较小。我们通过精神疾病(n=127)和胃肠道疾病(n=24)的调节鉴定出132个独立的ibs相关基因座(condFDR < 0.05)。使用共轭fdr, 70个独特的基因座在肠易激综合征和精神疾病之间共享。共享位点的功能分析揭示了神经和免疫系统生物通路的富集。精神疾病与IBS亚型之间的遗传相关性和共享位点存在差异。
我们发现IBS与精神和胃肠道表型的广泛多基因重叠超出了遗传相关性。利用重叠，我们发现了与肠易激综合征相关的遗传位点，它涉及肠-脑轴以外的广泛生物学途径。遗传差异可能是肠易激综合征临床亚型的基础。这些结果增加了我们对肠易激综合征病理生理学的理解，这可能成为个体化干预措施发展的基础。
肠易激综合征(Irritable bowel syndrome, IBS)是一种以反复腹痛和排便习惯改变为特征的持续性肠道疾病，在临床或实验室检查中没有明确的病理[1,2]。这是一种常见病，患病率为9.2%，与显著的发病率和较差的生活质量有关[3]。IBS症状的发展涉及几个因素，包括肠-脑轴失调、肠通透性破坏、生态失调、肠道运动功能障碍以及遗传和社会心理因素[4,5]。肠易激综合征病理生理学方面的知识差距阻碍了有效治疗方法的发展[6]。为此，有必要推进肠易激综合征的遗传发现，以提高我们在分子水平上对肠易激综合征病理生理的认识[6]。
据估计遗传率为19.5%(±8.5)%，与收养者相比，IBS患者的亲生子女患IBS的风险增加[7]。然而，肠易激综合征等复杂性状的基因组风险位点的鉴定受到其多基因结构的限制，这需要非常大的样本量来检测效应较小的遗传变异[8]。迄今为止，肠易激综合征的全基因组关联研究(GWAS)只发现了少数基因组位点[9,10,11]，而由于常见遗传变异导致的大部分遗传力未被发现[12,13]。识别足够多的常见变异来解释遗传能力的重要部分，对于更有意义地应用发现和表征相关分子途径至关重要[13]。
虽然更大的样本量将增加高多基因性状的基因组发现[12,14]，但这样的工作需要投入时间和资金。另外，统计遗传学中的先进方法已经证明，通过利用辅助遗传数据来识别与最初未达到全基因组显著性阈值的性状相关的snp, GWAS有可能提高基因组风险位点的发现能力[15,16,17]。这些方法利用了两种性状之间的遗传重叠，并已成功应用于改善精神病学和躯体表型的遗传发现，如心脏代谢性状和重度抑郁症(MD)[18]，精神分裂症(SCZ)和躯体性状[19]，双相情感障碍(BIP)和心血管疾病[17,20]。这种基因发现的进步依赖于这对性状之间基因重叠的程度[17,21]。
现有的临床和流行病学数据支持肠易激综合征与精神疾病[22,23,24]和胃肠道疾病[25,26]存在共病。我们确认并利用这些重叠来发现肠易激综合征的新基因组位点[17]，从而推进对相关分子途径的了解，为开发新的治疗方法奠定基础[6]。此外，对肠易激综合征遗传格局的全面表征以及与其他表型的遗传重叠可以为诊断分类学提供信息[27]。双变量因果混合模型(MiXeR)提供了对一对性状的独特和共有遗传变异总数的估计，并量化了共享成分中一致变异的比例[21,27]。
在这里，我们应用先进的统计方法来表征肠易激综合征和共病精神和胃肠道表型的共享多基因结构，并利用这种重叠来提高识别更多肠易激综合征位点的能力[15]。首先，我们进行了MiXeR分析，以阐明肠易激综合征的多基因结构，并量化其与临床相关精神和胃肠道疾病的遗传重叠。其次，我们应用条件FDR (condFDR)来促进与肠易激综合征相关的特定遗传位点或变异的发现[15,17]，并使用GWAS汇总数据应用联合FDR (conjufdr)来识别共享位点。我们假设肠易激综合征与精神和胃肠疾病之间已知的临床共病部分与共享的遗传结构有关。因此，可以利用遗传重叠来识别新的IBS相关位点，并揭示参与IBS病理生理的分子途径。
ibs数据集
IBS的GWAS汇总统计数据来自英国生物银行和腹部基因倡议组织(BGI)的欧洲血统参与者。英国生物银行的40,548例IBS病例是在消化健康问卷(DHQ)中满足IBS罗马III标准的个体(n=24,845)，报告先前接受过IBS诊断，或在其电子医疗记录中诊断为ICD-10 IBS。对照组包括72,356名DHQ应答者和220,864名DHQ非应答者[11]。华大基因是一项国际合作，涉及多个IBS队列，共有12,852例病例和139,981例对照。华大基因样本中肠易激综合征的诊断基于电子病历、三级诊所的专家诊断和问卷调查数据(包括罗马III标准)。患有慢性肠道疾病(如乳糜泻和克罗恩病)的个体已被排除在病例和对照样本之外。
IBS亚型特异性汇总统计包括上述英国生物银行样本的DHQ应答者。因此，所有IBS亚型的对照为72,356例，病例为:便秘为主(IBSC;n=5406)，腹泻为主(IBSD;n=8756)，并伴有混合便秘和腹泻(IBSM;N=17,216)[11]。
广泛性焦虑障碍(GAD)数据集
GWAS对广泛性焦虑症的汇总统计数据来自百万退伍军人计划(MVP)队列。关于MVP队列特征的详细描述可以在其他地方找到[28]。在GAD的GWAS中，对175,163名欧洲血统的成年人使用GAD-2量表进行维度自我报告调查来评估表型[29]。
MD数据集
MD的GWAS汇总统计数据来自对欧洲血统人群中三个大型抑郁症GWAS的荟萃分析[30]。荟萃分析包括使用精神病学基因组学联盟(PGC)的结构性临床访谈或类似标准诊断的抑郁症的GWAS(43,204例和95,680例对照)[31]，23andMe公司自我报告的抑郁症诊断史的GWAS(75,607例和231,747例对照)[32]，以及来自UK Biobank的广泛抑郁症表型的GWAS(127,552例和233,763例对照)[33]。
BIP数据集
GWAS对BIP的汇总统计数据来自第三轮PGC，包括在欧洲、北美和澳大利亚收集的57个队列[34]。总样本为41,917例，对照为371,549例欧洲血统。病例被定义为符合国际共识标准之一的个体(DSM-IV, ICD-9或ICD-10)，使用结构化诊断仪器终身诊断BIP。从生物库获得的一些队列使用ICD代码或自我报告确定了BIP病例。
SCZ数据集
SCZ的GWAS汇总统计数据包括精神分裂症和分裂情感障碍队列的PGC荟萃分析的欧洲子集。该GWAS的样本包括53386例病例和77258例对照[35]。
憩室疾病数据集(DVD)
使用了2个欧洲血统人群DVD的GWAS汇总统计数据。芬兰国家生物库(FinnGen)第六版的数据集基于医院记录的ICD-9或ICD-10，有17,851例肠憩室病，以及14,357例对照[36]。第二个数据集来自英国生物银行的欧洲样本，基于ICD代码，有27,444例病例和382,284例对照[37]。
炎症性肠病(IBD)数据集
IBD的GWAS汇总统计数据来自国际IBD基因组学联盟对欧洲血统人群的荟萃分析报告。荟萃分析包括25,042例临床确诊病例(12,194例克罗恩病和12,366例溃疡性结肠炎)和34,915例对照[38]。
在除IBS外的所有GWAS数据集中，我们将来自UK Biobank的样本从IBS以外的表型中排除，以避免多基因富集分析所需的潜在样本重叠(表1)。由于MiXeR考虑了样本重叠，我们使用了整个样本，没有去除重叠样本[21]。
表1使用的全基因组关联研究数据列表
我们通过IBS对每个表型进行调节，构建了分位数-分位数(Q-Q)图，并检查了图中是否有多基因富集。我们使用MiXeR应用随机混合模型来研究IBS与GAD、MD、BIP、SCZ、DVD和IBD之间的遗传重叠[21]。我们进行了单变量MiXeR分析，以估计性状影响变异(即具有遗传效应的非连锁不平衡(LD)变异)的数量。单变量混合模型假设常见的遗传变异对特定性状可能是因果关系或非因果关系。因此，使用最大似然估计来计算多基因性，即解释90% SNP遗传率的“因果”变异的数量。双变量MiXeR建立在一对性状的单变量模型上，从而估计性状特异性和共享的“因果”变异。与遗传相关性不同，对共同“因果”变异的估计与对性状的影响方向无关[21]。MiXeR还估计骰子系数得分(即，在估计影响两个性状的变异总数中，两个性状之间的共享变异所占的比例)，并计算在共享成分中具有一致效应的变异的比例(附加文件1)。我们对IBS和身高进行了MiXeR分析，作为可遗传的体细胞比较器。我们使用LD评分回归计算了IBS和其他表型的遗传相关性[40]。
我们利用condFDR方法，通过调节IBS在每种精神和胃肠道表型上的遗传关联，来确定与IBS相关的基因座[15,16,17]。condFDR方法是标准FDR的扩展，建立在经验贝叶斯统计框架上，利用结合两个GWASs的能力来改进遗传变异的发现[17]。该方法利用SNP与主要表型和条件表型的关联[41]来识别更可能是真实关联的变异，即使p值未达到全基因组显著性阈值[15,17]。CondFDR程序根据其在条件表型(如SCZ)中的关联，对主要表型(IBS)中的SNP p值进行重新排序。因此，与SCZ联合相关的IBS变体将获得较低的condFDR估计[15,16,17]。类似地，基于反向condFDR分析，共轭fdr能够检测与主要表型和条件表型相关的snp，在反向condFDR分析中，主要表型变为条件表型，条件表型变为主要表型。共轭fdr统计量被定义为两个condFDR值的最大值(例如，IBS以SCZ为条件，反之亦然)[17]。在我们的分析中，我们对condFDR和condFDR使用了5%的FDR阈值。由于复杂LD可能会对FDR估计产生偏差[42]，在拟合FDR模型之前，我们排除了扩展的主要组织相容性复合体区域和染色体8p23.1(基因组构建chr6:25119106-33854733和chr8:7200000-12500000的19个位置)内的snp。我们在500次迭代中随机修剪snp，以最小化fold富集中的膨胀。因此，随机选择一个候选SNP作为LD块(r2 > 0.1)，并使用各自的p值计算经验累积分布函数(附加文件1)。
我们根据功能定位和基因注释(funa)协议定义了独立的基因组位点[43]。我们将condFDR/ conjufdr < 0.05和LD r2 < 0.6的候选snp视为独立显著snp，将LD r2 < 0.1的候选snp指定为先导snp。在LD r2≥0.6的候选SNP中，所有具有先导SNP的候选SNP都划定了基因组位点的边界。我们合并了间距小于250kb的位点。因此，我们将位于基因组位点边界内的任何候选SNP定义为属于单个独立的基因组位点。我们从1000基因组计划参考面板中计算LD信息[44]。对于共享基因座，我们通过比较GWAS汇总统计中对应表型的z-score来推断作用方向。我们将GWAS目录(下载于2022年4月)和以前的IBS研究中未发现的位点视为新的风险位点[11,45]。
由于单个先导snp的遗传效应较小，因此在较小的复制数据集中复制特定全基因组显著位点的可能性较低，我们在IBS的原始GWAS数据集和FinnGen的IBS复制GWAS中测试了效应方向的符号一致性[36]。先前的研究也采用了类似的方法[35,46,47]。如果在复制GWAS数据集中缺少先导SNP，我们用下一个最重要的候选SNP(如果可用)替换它们。然后，我们使用单侧精确二项检验检验符号一致性是否随机分布的显著性。
我们使用fua对所有先导snp进行了位置注释，其中condFDR/ confdr < 0.05[43]。对SNP进行联合注释依赖消耗(Combined Annotation Dependent Depletion, CADD)评分，以估计SNP对蛋白质功能的有害程度[48]，而RegulomeDB评分可预测SNP的调节功能[49]。使用OpenTargets平台对condFDR/ conjufdr的所有先导snp进行功能基因定位[50]。对于每个SNP，我们使用OpenTargets定位程序中得分最高的一个基因进行基因本体(GO)分析。对IBS的GO进行分析，包括在condFDR分析中鉴定的每个先导SNP的所有基因。此外，我们还对肠易激综合征和精神疾病的共轭fdr中共享铅snp的功能定位基因进行了氧化石墨烯检测。两种氧化石墨烯分析均使用fua进行[43]。IBS和体细胞表型之间的共享位点太少，无法进行GO分析。
摘要
背景
方法
结果
讨论
结论
数据和材料的可用性
缩写
参考文献
致谢
作者信息
道德声明
补充信息
搜索
导航
#####
我们检查了跨性状多基因富集的Q-Q图，其表现为与次级表型日益相关的snp亚群的向上和向左偏转图[17]。我们发现，基于MD、BIP、SCZ和GAD GWAS数据的p值地层，IBS的p值Q-Q图显示出多基因富集。然而，当基于DVD或IBD GWAS数据的p值进行分层时，与精神疾病相比，IBS SNP名义p值的Q-Q图上的多基因富集较少(图1)。IBS作为次要表型的逆Q-Q图也显示出类似的富集模式(附加文件2:图S1)。
图1
肠易激综合征(IBS)的名义-log10 p值与经验-log10 p值的条件Q-Q图低于标准全基因组关联研究阈值p < 5.0 × 10?8，作为与广广性焦虑障碍(GAD)、重度抑郁症(MD)、双相情感障碍(BIP)、精神分裂症(SCZ)、憩室疾病(DVD)或炎症性肠病(IBD)相关性的显著性函数，低于-log10 p值1、2或3的水平，对应p < 0.10。P < 0.01, P < 0.001。蓝线包括所有snp，虚线表示零假设
在单变量MiXeR分析中，我们估计IBS是一种高度多基因表型，约有12.1 k±1.1 k“性状影响”变异，占遗传力的90%。迦得相应的精神表型值k(8.4±0.8 k),医学博士(13.9 k±0.4 k),毕普k(8.6±0.2 k)和SCZ (9.6 k±0.2 k)。体细胞表型是多基因的数量少trait-influencing变异为炎症性肠病(0.5 k±22)和DVD (1.7 k±86)(图2)。IBS的SNP遗传是大约0.06 (SD=0.001),这是类似于MD(额外的文件3:表S1 - S8)。IBS亚型的GWAS没有足够的功率用于MiXeR分析。
图2
肠易激综合征(IBS)、广广性焦虑症(GAD)、重度抑郁症(MD)、双相情感障碍(BIP)、精神分裂症(SCZ)、憩室病(DVD)、炎症性肠病(IBD)和身高(HGT)的多基因性与性状影响(“因果”)变异的数量解释了90%的遗传力(从单变量混合分析估计)
双变量MiXeR显示IBS和精神疾病之间存在广泛的遗传重叠(图3)。IBS和BIP之间共有性状影响变异的估计数量为8.5 k±0.3 k，其中55%具有一致性影响。IBS和SCZ的相应估计为8.9 k±0.5 k变异，其中56%具有一致性效应。IBS和GAD估计有6.8 k±1.4 k的共同性状影响变异，其中81%具有一致性效应。此外，IBS和MD估计有10.3 k±1.5 k的共同性状影响变异，其中80%具有一致性效应(附加文件3:表S9 - S15)。值得注意的是，我们发现IBS和体细胞表型之间的共同性状影响变异较少;IBD约为0.4 k±0.1 k, 52%具有相同的效果方向，DVD约为1.7 k±86，几乎所有(99%)具有一致的效果(图3)。
图3
肠易激综合征(IBS)、广泛性焦虑症(GAD)、重度抑郁症(MD)、双相情感障碍(BIP)、精神分裂症(SCZ)、憩室病(DVD)、炎症性肠病(IBD)和身高(HGT)的全基因组遗传重叠和遗传相关性彩色维恩图中的数字表示共享和表型特异性性状影响变异的数量，这些变异占遗传率的90%，以千计，rg表示全基因组遗传相关性。注:对于GAD、MD和DVD，最小AIC值为负，这表明共享成分可能比图模型拟合中显示的要小(MiXeR分析)。
通过骰子系数估计IBS和精神表型之间的遗传重叠程度为GAD (66%)， MD (79%)， BIP(82%)和SCZ(83%)。IBS与体细胞表型之间的遗传重叠(骰子系数)分别为DVD(25%)和IBD(6%)，而IBS与比较物表型高度之间的对应数字为24%(图3)。我们计算了性状影响变异中观察到的重叠相对于最大可能重叠的比例，方法是将共享成分中的变异数除以考虑的两种表型中多基因较少的变异数。因此，IBS和精神病学表型重叠的比例为GAD(80%)、MD(85%)、BIP(98%)和SCZ(93%)。IBS和体细胞表型的比例分别为DVD(100%)、IBD(77%)和身高(47%)。当将最佳拟合模型与最小可能重叠(minimum)进行比较时，IBS与MD、GAD和DVD之间的MiXeR结果是负赤道信息准则(AIC)分数的次优模型拟合，表明IBS与这些性状之间的共享成分可能比估计的要小。
在LD-score回归分析中，IBS与GAD (rg=0.49)、MD (rg=0.55)、BIP (rg=0.13)、SCZ (rg=0.17)和DVD (rg=0.38)具有显著(P < 0.0001)的遗传相关性，但与IBD (rg=-0.01)无显著相关性。3种IBS亚型与SCZ、MD、GAD均呈遗传正相关(P < 0.05)。没有一种IBS亚型与IBD表现出显著的遗传相关性。BIP仅与IBSD呈正相关，DVD与IBSD和IBSM均呈正相关。有趣的是，IBSD和IBSC与IBSM表现出相似的高遗传相关性(rg=0.88, P < 0.00001);然而，IBSD与IBSC的遗传相关性仅为中等(rg=0.39, P < 0.01)(图4;附加文件4:表S16)。
图4
肠易激综合征(IBS)亚型:肠易激综合征合并便秘(IBSC)，肠易激综合征合并腹泻(IBSD)，肠易激综合征合并便秘和腹泻(IBSM)，以及精神和胃肠道疾病的LD评分回归分析的遗传相关性。广泛性焦虑症(GAD)、重度抑郁症(MD)、双相情感障碍(BIP)、精神分裂症(SCZ)、憩室病(DVD)或炎症性肠病(IBD)
我们利用condFDR研究了与肠易激综合征和精神疾病相关的snp的跨性状富集。我们通过GAD、MD、BIP或SCZ条件共鉴定出127个IBS的基因组风险位点(condFDR < 0.05)，其中111个位点是IBS的新基因位点。在这些condFDR分析中，我们鉴定出36个与GAD有关的位点，69个与MD有关的位点，53个与BIP有关的位点，41个与SCZ有关的位点。在利用DVD或IBD对IBS进行关联的condFDR分析中，我们确定了24个与IBS相关的基因组位点，其中包括14个新的风险位点。具体来说，17个基因座被确定为DVD条件，15个基因座被确定为IBD条件。在利用SNP与精神疾病相关的condFDR分析中，14个新基因座中有5个未被确定，从而导致总共116个新基因座被确定为IBS(附加文件2:图S2;附加文件5:表S17 - S22)。
使用共轭fdr，我们确定了肠易激综合征和精神疾病之间共有的70个独特的基因组位点，其中7个与广泛性焦虑症有关，35个与MD有关，27个与BIP有关，15个与SCZ有关。IBS与GAD基因座共享，IBS与MD基因座作用方向一致。IBS与BIP之间(20/27,74.1%)和IBS与SCZ之间(10/15,66.7%)的大部分共享位点具有一致的效应方向(表2;图5;附加文件5:表S23-S26)。
表2 ConjFDR分析了肠易激综合征(IBS)、广广性焦虑症(GAD)、重度抑郁症(MD)、双相情感障碍(BIP)、精神分裂症(SCZ)、憩室病(DVD)和炎症性肠病(IBD)相关的共享基因座(FDR < 0.05)。
图5
肠易激综合征(IBS)与其他表型(广广性焦虑障碍(GAD)、重度抑郁症(MD)、双相情感障碍(BIP)、精神分裂症(SCZ)、憩室病(DVD)和炎症性肠病(IBD))之间共有位点-log10(共轭FDR)值的曼哈顿图以大点表示-log10(共轭FDR) > 1.3(即共轭FDR < 0.05)的snp
IBS与DVD共有3个位点，作用方向一致(表2;图5;附加文件5:表S27)。唯一确定的IBS和IBD的共享位点映射到MHC区域。在三种IBS亚型的联合fdr中，与精神疾病或胃肠道疾病共享的基因座数量通常少于与合并IBS样本共享的基因座数量。BIP和SCZ具有与所有三种IBS亚型相同的基因座。然而，这些共享基因座在IBS亚型中都不相同。在整个IBS样本和继发表型的联合fdr分析中，没有发现IBSD或IBSC与继发表型之间共享的位点。在整个IBS样本的共轭fdr分析中，IBSM和继发表型共有的11个位点中有5个未被确定(图6;附加文件5:表S28 - S38)。
图6
肠易激综合征(IBS)不同亚型、精神疾病和胃肠道疾病之间共有基因位点的-log10(接合FDR)曼哈顿图。上型肠易激伴便秘(IBSC)，中型肠易激伴腹泻(IBSD)，下型肠易激伴便秘和腹泻(IBSM)。广泛性焦虑症(GAD)、重度抑郁症(MD)、双相情感障碍(BIP)、精神分裂症(SCZ)、憩室病(DVD)或炎症性肠病(IBD)
共有175个独特的引物snp被鉴定为以精神和胃肠疾病为条件的IBS(附加文件5:表S17 - S22)。在应用遗传效应一致性检验之前，共排除了30个先导snp(17个由于样本重叠，13个由于独立数据集中没有统计)。其余145个snp在FinnGen的验证GWAS汇总统计中检查其影响方向的一致性。我们发现，在发现样本和复制样本中，效应方向具有显著的一致性(100/145,p=2.86E?06)。
在联合fdr分析中发现的大多数位点都含有基因间或内含snp，而rs5174 [LRP8]和rs20551 [EP300]两个位点位于外显子区域。肠易激综合征与精神疾病之间共有的几个基因位点rs2265576、rs17210284、rs1909650、rss5174和rs1356292的CADD > 12.37，提示存在潜在的有害影响(附加文件5:表S23 - S26)。对肠易激综合征和精神疾病之间共享位点的基因进行GO分析，丰富了与免疫(防御反应)和神经(神经发生)系统相关的生物过程和细胞成分(附加文件6:表S39 - S40)。通过condFDR定位到IBS位点的基因丰富了与免疫系统相关的生物过程和细胞成分(例如，免疫反应调节信号通路，对细菌的反应，B细胞增殖的调节，炎症反应)，神经系统(例如，神经发生，突触后化学突触传递，神经递质水平的调节)，胃肠道(例如，上皮发育，管发育，上皮管形态发生)和其他器官系统(如骨骼系统发育、骨骼发育、有性生殖)(附加文件6:表S41 - S42)。与肠易激综合征和精神疾病共享位点相关的基因在大脑的不同部位(包括前扣带和额叶皮质、基底神经节、伏隔核、下丘脑和杏仁核)上调，而在胃肠道器官(包括胃、肝脏、胰腺、回肠末端和结肠)下调(附加文件2:图S3)。
下载原文档：https://link.springer.com/content/pdf/10.1186/s13073-023-01212-4.pdf
