GWAS与其他组学的贯穿分析

传统的全基因组关联分析，是直接阐述DNA与外在表型间的关联。但这一方法也存在一些不足。

传统GWAS的不足

难以确定具体功能突变

由于连锁不平衡的作用，与特点性状关联的区域往往具有较大的宽度，从而难以确定具体功能突变。如下图[1]，氯吡格雷GWAS分析的结果咋一看是个细峰，实际放大后你会发现这个峰具有1.5Mb的宽度。

峰的区域内涵盖了CYP2C18- CYP2C19-CYP2C9- CYP2C8 4个基因的基因簇。仅仅凭关联分析的结果，我们可能还无法确定候选目标基因以及目标突变。

图1 心血管药物氯吡格雷代谢机制关联分析的结果

难以解析DNA突变如何影响性状的具体机制

因为从DNA到高阶表型之间还有大量的中间调控机制，突变如何影响性状还有很多可能性。

尤其大部分GWAS得到的显著关联区域位于非编码区的情况下，如果没有找到非编码区调控的具体中间分子，解析其调控机制将会非常困难。

有些高阶表型难以定性定量

某些外在高阶表型，定性定量难度大，给大样本的表型鉴定的时候带来困难。例如，水果的风味鉴定。

贯穿分析的优点

实际上从DNA分子到影响外在表型之间，要经历表观组、转录组、蛋白组、代谢组等多个路径。在传统GWAS的基础上，加入解析DNA突变与潜在对性状有影响的中间分子（例如mRNA表达量）间的关系，将可以解决以上的问题。其主要体现在：

数据解析的维度增加

由于加入了中间性状，数据的解析从单线（仅仅DNA-表型的关系）升级为多维度（基因型-中间分子，中间分子-表型），这有助于在传统GWAS分析的基础上缩小候选基因的范围。

多维度的数据结果

多维度的数据，也为解析基因突变影响具体高阶表型的内在机制提供了可能。

分子表型定量更准确高效

处于中间的分子表型，相比外在的抽象的高阶表型（例如，抗病性、风味、性状等）更容易被高效、准确地定量，从而减少误差，有利于统计学上得到更显著的结果。

而且根据上个小节提到的相关性传递原理，相比高阶表型，中间分子表型离DNA基因型更近，也进一步有利于得到更显著的关联结果。

所以，针对以各种各样的中间分子表型开展关联分析，也成为了近年来关联的研究热点——xGWAS。如图2，如果以转录组为中间表型，开展基因表达与基因型的关联分析，找到的控制基因表达的染色体位点，就被称为expression QTL（eQTL）。

如果这个中间表型是DNA甲基化，就被称为methylation QTL（mQTL）；如果这个中间表型是代谢组，则可以称为metabolite QLT（也是mQTL，好像有重名啦哈，还是慎用简称的好

）。

图2 整合多种类型的组学数据解析基因型-表型间的关联

以eQTL类的研究为例，有时候可以帮助我们解析看似难以解释的非编码区调控现象。例如，在人类的GWAS研究中，位于基因CELSR2 的3’UTR区的若干个SNP与血清低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）相关，是与心肌梗死（MI）相关的风险位点。

如果按照一般的逻辑理解，我们或许会以为是3’UTR区的突变，影响了miRNA的调控，从而影响CELSR2的翻译，最终导致疾病。但通过eQTL分析以及后续的多群体重复验证，研究人员发现表达量与这个区域的突变最相关的基因不是CELSR2，而是位于这个3’UTR区40k下游的SORT1。

虽然最显著相关的SNP rs12740374看似位于基因CELSR2内，但这个位点缺失转录因子C/EBP的结合位点。这个位置的突变，直接影响了其下游40k处的SORT1的表达（中间隔了两个编码基因，居然还能调控到，应该是染色体的三维结构有关），从而影响LDL-C的代谢。这么骨络清奇的发现，自然在当年也发表在《nature》上[2]。类似这样的发现，为我们解析编码区突变的潜在机制，提供了不少启发。

图3 3’UTR区的突变影响转录因子结合，从而调控下游基因表达

再例如，代谢组就往往可以被作为代表外在高阶表型的标记物。在西红柿风味研究的的文章中[3]，作者就是先通过代谢物和风味的关联分析，找到决定西红柿风味的物质是糖类、有机酸和挥发性物质。然后再以这些影响风味代谢分子作为分子表型，与DNA水平开展关联分析，找到调控这些分子的决定基因。这项研究有两大亮点：

a)将难以量化、难以大规模高效鉴定的“风味”转为简单、容易量化评估的分子代谢物，有利于后续育种应用过程中开展大规模检测；

b)将抽象的风味概念，转为为直观解释的影响风味的代谢物（糖类、有机酸等），更便于从分子水平解析果实风味变化的机制。

图4 西红柿风味的研究思路

具体的这篇文章解读见《science文章解读：mGWAS+mQTL 研究番茄遗传机制》，大家也可以通过点击“阅读原文”查看。

随着测序价格不断下降，类似这样有趣又能解决问题的xQTL研究，一定会越来越多。那么，在解析突变如何影响性状这个问题上，就会有越来越多的思路。

拓展阅读

参考文献：

[1]Shuldiner A R, O’Connell J R, Bliden K P, etal. Association of cytochrome P450 2C19 genotype with the antiplatelet effectand clinical efficacy of clopidogrel therapy[J]. Jama, 2009, 302(8): 849-857.

[2]Musunuru K, Strong A, Frank-Kamenetsky M, etal. From noncoding variant to phenotype via SORT1 at the 1p13 cholesterollocus[J]. Nature, 2010, 466(7307): 714-719.

[3] Tieman D, Zhu G, Resende M F R, et al. Achemical genetic roadmap to improved tomato flavor[J]. Science, 2017,355(6323): 391-394.