基于孟德尔随机化分析FADS1和FADS2表达与认知功能因果关系的方法

本发明属于生物医药，具体涉及基于孟德尔随机化分析fads1和fads2表达与认知功能因果关系的方法，特别地，涉及基于cis-eqtl的双样本(mr)和共定位方法评估fads1和fads2基因表达对认知功能的组织和细胞类型特异性因果效应。

背景技术：

1、认知功能障碍是老龄人群中的一个重要问题。然而，在认知损害的诊断出现数年前，大脑功能就开始发生变化。因此，识别与认知损害发展相关的因素对社会具有重要意义。证据表明脂肪酸在认知中发挥重要作用，研究报告指出ω-3脂肪酸与认知和心理健康相关。然而，观察性研究和随机对照试验(rcts)显示出不一致的证据，需要其他证据来澄清ω-3脂肪酸对认知功能是否存在因果效应，ω-3脂肪酸受基因因素影响。δ-5脱饱和酶和δ-6脱饱和酶是关键的速率限制酶，在ω-3脂肪酸的一系列延长和脱饱和反应中至关重要，它们由两个基因编码：脂肪酸脱饱和酶1(fads1)和脂肪酸脱饱和酶2(fads2)。研究报道fads位点的单核苷酸多态性(snps)与ω-3脂肪酸浓度的关联，暗示fads基因区域的变异修改多不饱和脂肪酸脱饱和的活性。然而，fads1/fads2基因表达与认知损害之间的证据有限。此外，fads1和fads2基因在多个人体组织和细胞中表达，在不同组织和细胞类型中fads1和fads2基因表达水平对认知功能的作用需要进一步调查。

2、弥尔顿随机化(mr)分析是一种新兴的方法，利用基因变异作为工具变量(ivs)推断暴露对结果的因果效应。由于ivs的特异性，mr估计通常不容易受到混杂偏倚和逆向因果关系的影响。mr还应用于使用表达定量性状位点(eqtls)作为工具来检测组织特异基因表达对多种疾病的假定因果效应。然而，eqtl关系高度依赖于细胞类型，来自大体组织样本的eqtl可能掩盖遗传调控效应的细胞特异性。

3、随着新型组学工具的发展，特别是单细胞测序技术和基因共定位方法，在单细胞水平估计基因对疾病的影响将很快提供疾病发病学和分子机制的新见解。除了组织特异性外，研究表明许多eqtl效应是细胞类型特异，包括fads1和fads2等基因显示细胞类型特异性效应，利用各种细胞类型的eqtl将有助于补充潜在支撑认知功能的分子机制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于孟德尔随机化分析fads1和fads2表达与认知功能因果关系的方法，先利用mr分析确定ω-3脂肪酸在fads区域内外对认知功能的因果效应，再进行组织和细胞类型特异性mr分析，基于cis-eqtl的mr和共定位方法评估fads1和fads2在大脑和血液中的表达对认知功能的组织和细胞类型依赖效应，以此确定潜在的靶基因。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供基于孟德尔随机化分析fads1和fads2表达与认知功能因果关系的方法，基于cis-eqtl的mr和共定位方法评估fads1和fads2基因表达对认知功能的组织和细胞类型特异性因果效应，包括：

4、i)采用mr分析确定ω-3脂肪酸在fads区域内外对认知功能的因果效应；

5、ii)组织和细胞类型特异性mr分析，评估fads1和fads2在大脑和血液中的表达对认知功能的组织和细胞类型依赖效应；

6、ⅲ)采用mr steiger过滤方法排除具有潜在反向因果关系的cis-eqtls；

7、ⅳ)基于步骤i至ⅲ中cis-eqtl的mr和遗传共定位进行孟德尔随机化分析，得到fads1和fads2表达与认知功能因果关系。

8、所述于孟德尔随机化分析fads1和fads2表达与认知功能因果关系的方法，具体地包括以下步骤：

9、s1：获取研究数据，包括a)ω-3脂肪酸样本的全基因组关联研究数据(gwas)，确定用于分析的ω-3脂肪酸；

10、b)fads1和fads2在大脑组织中的cis-eqtl数据、fads1和fads2表达的单细胞cis-eqtl数据、血液中fads1和fads2表达的cis-eqtl数据；

11、c)提取认知功能的gwas摘要统计数据；

12、d)筛选与ω-3脂肪酸特征在全基因组范围内呈显著性相关的snps，并分配给相应的ω-3脂肪酸特征，筛选呈显著性相关的snps作为独立的snps，并去除独立的snps水平多效性；

13、s2：统计分析，包括：

14、(1)ω-3脂肪酸对认知功能的mr分析：协调snp-ω-3脂肪酸和snp-认知功能数据进行单变量mr分析，使用倒数方差加权(ivw)和wald比率法确定ω-3脂肪酸在fads区域内单个独立的snp对认知功能的因果效应；

15、(2)ω-3脂肪酸对认知功能的连锁不平衡分数回归(ldsc)分析：采用ldsc分析评估ω-3脂肪酸和认知功能之间的遗传相关性；

16、(3)组织和细胞类型特异性mr分析，包括fads1和fads2在大脑组织、大脑单细胞和全血中对认知功能的mr分析；其中：

17、使用gtex数据估计fads1和fads2在大脑组织中的表达对认知功能的假定因果效应，使用metabrain数据进行fads1在大脑组织中对认知功能的mr分析；和/或使用wald比率法估计fads1和fads2在大脑细胞类型中的表达对认知功能的假定因果效应；

18、和/或使用来自全血的fads1表达cis-eqtl和fads2表达cis-eqtl的ivw方法估计fads1和fads2的表达对认知功能的因果效应；

19、(4)敏感性mr分析，包括使用mregger、加权中位数、简单模式和加权模式的多效应方法估计在多效应独立于曝露效应的情况下获得一致的因果效应，通过ivw分析和cochrane'sq检验评估各个snp之间是否存在异质性；

20、(5)遗传共定位分析，包括使用贝叶斯共定位方法(coloc)检验fads1/fads2表达和认知功能之间的共享因果变异的后验概率，使用近似共定位分析(ld check)估计每个cis-eqtl与认知功能相关的区域中所有gwas的所有变异之间连锁不平衡分数回归值(r)；

21、s3：通过基于cis-eqtl的mr和遗传共定位进行孟德尔随机化分析，得到fads1和fads2表达与认知功能因果关系。

22、作为优选，所述大脑组织包括小脑半球、小脑、颈椎脊髓、下丘脑、皮层、海马、大脑基底神经节、前扣带皮层ba24、大脑基底神经节、和额叶皮层ba9。

23、作为优选，所述大脑单细胞包括寡突胶质细胞和抑制性神经元。

24、作为更优选，fads1在小脑半球和fads2在核心堆积基底神经节的表达水平增加与维持认知功能相关，fads1在小脑、颈椎脊髓、下丘脑、皮层、海马、基底神经节的腹侧区、前扣带皮层ba24、基底神经节的尾状核和额叶皮层ba9的表达水平下降与维持认知功能相关。

25、作为更优选，寡突胶质细胞中fads1和fads2表达水平降低与维持认知功能相关，抑制性神经元中未观察到fads1表达对认知功能的因果效应。

26、作为更优选，全血中fads1和fads2的表达水平增加显示出对认知功能的维持效应。

27、作为优选，步骤(5)中，共定位概率(pp.h4)>70％表明两个遗传关联信号共享相同的因果变异；和/或每个cis-eqtl与认知功能变异之间的r值大于0.7被视为近似共定位，fads1和fads2的表达与认知功能之间存在共定位。

28、作为优选，步骤(5)中，fads1和/或fads2表达对认知功能的影响与ω-3脂肪酸变异rs174564有关。

29、作为优选，步骤(5)中，ω-3脂肪酸、或fads1、或fads2基因与认知功能之间的潜在中介体与代谢或神经系统疾病相关，所述代谢或神经系统疾病包括非胰岛素依赖性糖尿病、代谢综合症、肥胖和阿尔茨海默病。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

31、1、使用大规模的ω-3脂肪酸的gwas数据，基因表达的组织和单细胞测序cis-eqtl数据以及认知功能的gwas数据，为研究提供良好的工具强度和统计能力。

32、2、传统研究往往关注ω-3脂肪酸与认知之间的关联，本发明首次提出fads1和fads2在多个脑组织和细胞类型中的表达对认知功能具有不同的影响，先利用mr分析确定ω-3脂肪酸在fads区域内外对认知功能的因果效应，再进行组织和细胞类型特异性mr分析，基于cis-eqtl的mr和共定位方法评估fads1和fads2在大脑和血液中的表达对认知功能的组织和细胞类型依赖效应。

33、3、通过提供证据将认知机制在遗传水平上进行补充，优先考虑fads1和fads2作为两个潜在的在大脑中可能具有功能的靶基因，具有重要的生物医学价值。