大數據分析在生物資訊的應用—找尋自閉症兒童遺傳因子案例分享 (影片有中英文字幕) 關注
#百業分享堂 #BaiyeSharingGroup 分享主題:「大數據分析在生物資訊的應用—找尋自閉症兒童遺傳因子案例分享 」 (影片有中英文字幕) 分享人: 邵遵文/ 美國賓州費城兒童醫院 Bioinformatics Scientist II/ 台灣陽明大學生物醫學資訊學系博士 遵文有12年生物資訊學研究經歷,跨足基因體、微生物體、轉譯體等多體學數據分析和整合、微生物網絡建構、Biomarker開發、機器學習、數學模型和工具開發。 遵文在這段期間,參與了多項前沿研究,致力於利用先進的數據分析技術來解決複雜的生物學問題。目前,遵文負責多個基因體學研究計畫,其中一個主要項目是開發連鎖不平衡(LD)統計工具,以識別基因組中的獨特變異區塊。團隊正在開發新的LD統計模型,旨在找出具有族群特異性的變異點。此外,遵文還參與了一個預測自閉症患者拷貝數變異(CNV)區間的分類器開發計畫,通過改良現有的統計模型來提升預測能力。在另一個計畫中,團隊將人類神經元細胞的基因表現和互動數據(包括RNA-seq、ATAC-seq和HiC數據)與現有的自閉症相關基因和變異點進行關聯分析,以期揭示自閉症的分子機制。 在此之前,遵文曾在台灣南港區的財團法人生物技術開發中心(DCB)擔任Research Fellow II,是開發靶向腫瘤醣抗原Globo H的CAR-T細胞的團隊成員之一。我協助開發生物標誌物(Biomarkers),期找出對Globo H CAR-T細胞治療具潛在正向反應的胃癌患者,以達到精準治療的目標。 遵文在中研院七年的博士後研究期間,曾參與HCV的世代研究計畫,和以豬糞為材料的厭氧發酵槽計畫,開發了微生物網絡預測工具,並成功預測關鍵好氧菌株,提高厭氧發酵槽的產量。 12年的生物資訊研究經驗,讓遵文在基因體學、轉錄體學、代謝體學和微生物學等方面積累了豐富的經驗。下一個階段,遵文期待能有機會將她的專業知識應用於產業界。如果各位前輩覺得遵文適合作為同事,請不吝私訊她。如果對遵文現在或過往的研究有興趣,也歡迎與她連絡! 影片簡介: 探索大數據分析如何運用於自閉症基因變異的研究! 透過本影片,您將了解現代基因組學技術如何揭示自閉症相關的遺傳因素,並深入探討 de novo 變異的分析策略。此外,影片將展示如何從常見變異中識別出罕見且具有潛在臨床應用的自閉症相關變異位點。這些研究不僅有助於揭示自閉症的遺傳機制,還能為未來的早期診斷和個人化治療提供新視角。本影片結合生活中的案例,以通俗易懂的方式幫助觀眾了解這些前沿研究的實際影響。 聯絡方式 : LinkedIn : https://www.linkedin.com/in/tzun-wen-shaw-340b81b6/ 影片(有中英文字幕)連結如下: https://bit.ly/3YnFtcZ 關於「百業分享堂」: 「百業分享堂」頻道,如果希望以後在新的影片及短片上傳後得到通知,請按訂閱,如下連結。 https://bit.ly/3AGXwPA 「百業分享堂」分享者(contributor)是來自台灣在全球生技,生醫,人工智慧,金融科技,人文,藝術這些領域的專家參加。部分40多位專家的簡介,大家可以到「百業分享堂」網站參考。網址連結如下 https://100-pro-sharing.mystrikingly.com 以下是「百業分享堂粉絲團」的連結,你可以按追蹤,以後有新的貼文就會通知你。 https://bit.ly/3wkZCCd 「百業分享堂」FB連結如下,歡迎參加與專家互動 https://bit.ly/3K6Ta7w
評論 文字稿
各位百業分享堂的朋友大家好
我是Grace
我們今天將藉由大數據分析
在生物資訊的應用這個主題
來學習一點點基因體分析的小技巧
透過找尋自閉症兒童遺傳因數的案例分享
了解當我們手中有一狗票基因體數據的時候
可以透過哪些統計方法和資料庫
找出DNA上面哪些位置產生的改變
可能與疾病有關
首先我先簡單介紹我自己
我畢業於陽明大學生物醫學資訊學系
現在在賓州的費城兒童醫院
擔任Bioinformatics Scientist
主要負責基因體方面的分析
和統計套件的開發
如果大家對於我今天的分享
或者我之前的研究有興趣
歡迎透過LinkedIn跟我進一步討論
美國是一個非常重視兒童健康與福利的國家
除了我所服務的費城兒童醫院
許多州也有自己的大型兒童醫院
因此美國在兒童疾病研究上
提供了相當多的資源
這也是為什麼我們今天得以兒童自閉症作為演示
瞭解如何透過SPARK資料庫上
龐大的基因體數據篩選出自閉症相關的變異區塊
那什麼是自閉症呢?
自閉症是一種先天性的發展性神經障礙
涉及腦部的功能和結構異常
近年來被診斷為自閉症譜系障礙的兒童數據量顯著增加
這可能是由於診斷技術的進步
以及對自閉症認識的加深所導致
自閉症雖然和遺傳有極大的關係
但是在懷孕和生產過程中仍舊充滿了許多變數
增加孩童發生自閉症的可能性
那既然自閉症是遺傳疾病
我們是不是去檢測哪一個基因在搞怪就好啦
這部分可能很難哦
因為自閉症是一個多基因產生變異所造成的疾病
目前知道自閉症相關的基因已經高達好幾千咯
根據世界衛生組織2023年的統計
放眼全世界根據美國CDC組織2023年的統計
放眼全世界,大約每100個孩子就有1個患有自閉症
這代表在一個2000人的學校就會有20個孩子受到自閉症的折磨
根據美國CDC最新的統計數據
美國在17年前就已經達到這個數字
到現在已經增加到每36個孩子就有1個患有自閉症
這比例相當高等於在一個班上
至少會有一個自閉症同學
而且男生還是女生的四倍
通常在四歲左右被診斷出來
另外CDC也針對人種和區域性進行統計
平均而言
罹患自閉症的病人有24.46%
會發展成重度自閉症
也就是標示黃色的區塊
其中白人和居住在紐澤西的自閉症患者
發展成重度自閉症的比例
遠低於平均值
亞洲和黑人患者
則有較高比例發展成重度自閉症
這可能是由於不同文化
或不同人種的家庭成員
面對病童的時候
態度很不一樣
各州的醫療政策也可能是影響因素
但我們確定的是
如果能夠讓自閉症患者
越早開始進行早療
對於減緩病程的演進
是有極大的幫助的
就像我們前面提到的
重度自閉症的孩子
平均而言只佔了自閉症患者的四分之一
如果我們能夠不用等到孩子開始出現癥狀
就開始進行早療
對於所有自閉症患者的語言
或社交障礙
都可以有非常顯著的改善
可是如果一個剛出生的孩子
一切表現正常
我們該怎麼知道他在未來的幾年內
可能會發展出
並且診斷出自閉症呢
很幸運的是
由於NGS技術的進步
以及價格的平民化
搜集患者的檢體進行全基因組
或全外顯子定序已經變得非常普遍
SPARK資料庫是目前全世界最大的自閉症基因體資料庫
其中包含4萬多筆自閉症患者的WES
以及3000多筆WGS數據
此外資料庫中同時也納入
自閉症孩童的父母和手足的基因體數據
有了這些數據
我們就有機會從DNA的層次
搜集並建立自閉症相關的變異位點
未來當新生兒篩選出多個自閉症變異位點的時候
我們就可以在孩子還沒有出現任何自閉症的外顯癥狀的時候
提早開始介入與治療
好那現在假設我們要從SPARK個資料庫下載自閉症患者的基因體數據
我們第一個面對的問題是什麼呢
那就是要選擇使用WES
還是WGS
答案是都可以或者兩個都做
WGS雖然可以讓我們
同時收集編碼和非編碼區域的
變異位點
但是在SPARK資料庫中
僅有3000多筆數據
而WES數量高達4萬多
涵蓋更廣泛的家庭
譜系訊息
可以讓我們收集到更多的de novo變異位點
這些de novo變異位點
可以
收集起來變成一個參考資料庫
如果
一個新生兒或幼兒
在做全基因體定序的時候
在de novo資料庫比例到多個位點
我們就要提高警覺
而我們今天
所介紹的分析邏輯
WES
和WGS兩種數據類型都可以適用喔
那首先
我把基因體數據分析簡化成兩個步驟
第一步是找出變異位點
第二步則是確認變異位點是否具有功能性異常
或者與疾病相關
說到找出變異位點
相信稍微有接觸基因體數據分析的人
會直接聯想到Somatic mutation
這種和正常樣品比對找出變異差異的方式
是普遍在癌症研究上慣用的分析模式
可是在自閉症的研究中
體細胞變異的影響相對較小
我們的主要關注點是
除了由de novo突變引起的變異之外
如何透過遺傳訊息
來找出與自閉症相關的變異位點
我們接下來會先快速瞭解de novo突變的分析邏輯
然後再逐步學習如何利用連鎖不平衡的概念
來追蹤這些遺傳變異
這邊先說明一下
在今天基因體變異位點的分析中
所謂的變異是指替代等位基因(alt)的出現
因此在de novo變異的分析中
我們主要關注的就是這些替代等位基因的出現
這些變異位點是指在自閉症患者的基因組中找到
與參考序列(ref)不同
並且在父母的基因組中沒有出現
這就是為什麼我們需要父母的基因組數據
然後比較哪些變異位點
只出現在自閉症患者中
而沒有出現在父母身上
我們可以選擇針對單個家庭進行比對
也可以把所有的父母數據混合在一起來進行比對接下來我們還需要確認
這些變異是否真的是
自閉症患者特有的罕見變異
這時候我們會查看
這些de novo變異
在正常人基因組中的出現次數
來確認它們是否真的屬於de novo變異
我們常用的資料庫有gnomAD
通過這些比對
我們最終可以得到一組
只出現在自閉症患者中的de novo變異資料庫
de novo變異只出現在自閉症患者中
因此它們是罕見變異
僅佔人類基因組的一小部分
但更大挑戰在於
如何從那些常見的變異中找出與自閉症相關的遺傳變異
因為這些變異也出現在普通人群中要辨別他們與自閉症的關聯
需要更複雜的統計方法
和資料庫註解來進行分析和篩選
而這些統計方法
往往依賴連鎖不平衡的概念
以幫助我們
找出在演化過程中
產生的平衡選擇和保守區域
提到連鎖不平衡
我猜很多人可能已經準備要關掉影片了
所以
為了讓大家更容易理解這些統計方法背後的分析概念
我會試著用一個簡單的類比
來説明 讓大家容易理解
就像NGS技術一樣
如果我們的科技進步到某一天
全民普查變得又便宜又快速
今天
我們想知道一個提案在投票日會不會通過
我們會不會想要做一次全民普查呢
當然會啊
但是問題來了
選舉這種事情
民眾的意向是隨時可能變動的
沒有到最後一刻
誰也無法蓋棺定論呀
那怎麼辦
假設普查真的變得非常非常便宜
我們可以在投票日之前
做一千次全民調查來觀察趨勢
現在讓我們將每一個被調查的個體
類比為基因組上的一個位點
投出贊成票
就像是
位點沒有變異
保持參考等位基因
投出反對票
則表示
基因位點發生了變異
持有替代等位基因
結果發現
數據多了
問題也複雜了
有些人對提案的態度始終如一
但有些人的選擇卻不斷改變
這一群持續投出贊成票的
我們可以理解為鐵票區或忠誠區
而持續投出反對票的則是提案對抗者
如果對抗者未超過全體的半數
那麼態度搖擺不定三心兩意的這一群
往往是我們需要特別關注的
因為他們的決定可能會左右整個提案是否通過的結果
要了解這些搖擺群體為什麼總是三心二意
我們可以從他們的鄰居著手看看他們擺盪的方式是不是一樣呢
如果小美和她的鄰居阿珠在1000次的投票中
都分別有反對票500次
他們各自投出反對的幾率是50%
而他們同時投出反對票有250次
幾率是25%
那我們就認為
他們的搖擺是隨機的
D'等於0
沒有互相影響或干擾
類比到基因體上
我們想知道
兩個相近的位點
產生變異的時候
是否相互影響
是否為獨立事件
與另一個搖擺鄰居小寶相比
每當小美投出反對票時
小寶總是投出贊成票
反之亦然
這表明他們的選擇並非隨機
而且相關性極高
可能受到某個強烈的外部事件或因素的影響
我們在小美居住的社區中
如果又找到了另外一群鄰居
他們的投票模式與小寶一致
也就是與小美完全相反
這群鄰居就形成了
類似於基因組中的一個Halpotype
受到共同的外部事件或因素的影響
Halpotype通常是一組相鄰的基因位點
由於不易發生重組
而經常一起遺傳給後代
另外還有一種較為複雜的情況
雖然小美和鄰居老張投出反對票
並非隨機發生
因為他們的投票意向大多是相反的
但在1000次投票中
他們有250次都同時投出贊成票
假設他們大多時候投出相反票
僅僅只是因為情感因素
小美討厭她的鄰居老張
所以故意唱反調
當他們都投出贊成票時
顯然有另外其他的因素在影響他們
這類比在基因體上
代表兩個位點的共演化
受到多個演化事件的共同影響
經過前面幾張投影片的學習
我們已經通過全民普查類比
來簡單介紹連鎖不平衡的概念
簡單來說
如果任何兩個位點的變異狀況
不是隨機發生的
而是像好朋友一樣
常常牽著手一起出現
這說明他們在染色體上的位置相當靠近
且周圍很少有重組事件發生
因此他們的共同出現必定受到某種潛在的演化壓力所影響
瘧疾和鐮刀型貧血症的共演化是一個很好的例子
鐮刀型貧血症的異型結核子攜帶一個正常等位基因和一個突變等位基因
能夠對瘧疾產生抵抗力
而不會出現嚴重的鐮刀型貧血癥狀
這就是為什麼
鐮刀型貧血基因在非裔族群中頻率特別高
因為這種基因型在過去的瘧疾流行區域中有選擇優勢
PLINK是基因組分析中非常知名的工具
它能夠快速計算出連鎖不平衡的強度和相關性
並且可以進一步對這些位點進行Halpotype分析
從而找出那些高度連鎖不平衡且高度相關的區塊
然而在實作上
完美的連鎖不平衡
即D’等於1並不常見
因為染色體上的重組和交換
會逐漸打破演化形成的LD
讓變異位點的共同出現
逐漸變得隨機
這就像是人在投票的時候
某些時候會燃起內心的自由意志
根據自己的感覺來做決定
而不是被外部事件所影響
從而削弱了外界的干擾
讓投票結果更趨於隨機的表現
所以為了同時考量Halpotype對於一個變異位點的影響
也就是臨近位點是否和測試位點具有高度相關性
我們實驗室也就是我的老闆 (Tristan Hayeck)
提出了一個新的統計模型叫做LD-ABF
這個方法對於變異的定義比較不同
是以出現次數較少的那個等位基因當作變異
它以固定window size為基礎
將周邊位點與測試位點的相關度
同時納入運算
因此一個高LD-ABF數值的變異位點
代表它與周邊位點的相關程度也很高
可能潛在受到共同的演化事件所影響
這個複雜的統計模式乍看之下非常嚇人
但我們今天不細看數學演算的部分
而是將它的含義介紹給大家
它主要涵蓋三個部分
第一個部分是合理的對零值加一
穩定數據結構
第二部分是確認臨近位點
是否具有相關性和影響性
第三個部分則是以Window Size的概念
廣泛性的考量周邊位點的平均效應
所以當LD-ABF數值越高
代表這個變異位點周邊有高度連鎖不平衡的位點發生
因此可能有潛在的演化事件伴隨
反之如果當LD-ABF運算數值非常低
則代表這個變異位點周邊發生變異的機會非常低
在演化上如果一段DNA序列非常保守
經過世代相傳都不改變
代表他們可能與重要的功能相關
任何變異的發生
可能會造成個體的死亡
在選舉提案上做類比
如果能讓忠心耿耿的支援者
恍神間動搖投出反對票
必定是發生了非常非常重大的事件
為了知道一個具有高LD-ABF數值的變異位點
潛在受到哪種演化事件所影響
常使用的方式是進行資料庫註解
可了解這個變異位點關聯的基因以及關聯的疾病
所使用的註解資料庫可以是自閉症相關
或者疾病相關的
或者直接以Ensembl VEP對位點進行註解
一般稱之為Context
如果變異點經過註解
發現這些Context具有高度影響性
又與精神疾病相關
他們就很有可能
可進一步作為篩選自閉症的Biomarker
不僅僅是這些
有高度連鎖不平衡的變異位點
可以進行資料庫註解
de novo變異位點的部分
也可透過相似的方式
再篩選出具備高影響性的變異位點
可應用於幫助臨床診斷
進行到資料庫註解
以研究的層次其實已經足夠
如果各位行有餘力
還想再多做一點
或者註解的結果不盡理想
或許可以再接著
對於找出來的變異位點
進行功能性的預測
看看這些變異是否和蛋白質結構
和功能的改變有關
總結來說
我們所進行的這些基因變異位點的分析
不僅幫助我們加深了對自閉症遺傳背景的理解
還有望在未來應用於自閉症的篩選
我們期待通過這些研究能夠開發出更為精確的篩選工具
讓自閉症的早期診斷變得更加可行和普及
那麼,我今天的介紹就到這邊結束
謝謝大家跟著我一起學習了19分鐘
也祝福各位研究順利
如果對於今天的分享感到困惑
或者有興趣想要進一步瞭解的
歡迎跟我在LinkedIn上面討論哦
謝謝大家