Multivariate analysis of genetic data on complex diseases and phenotypes

Abstract

Genetic association studies mainly focus on associations between single genetic variants and single phenotypes. However, multivariate methods allow the investigation of genetic effects on multiple phenotypes and, therefore, can better capture the shared genetic architecture between correlated traits. These multi-trait approaches offer many advantages, such as increased statistical power for detecting novel genetic loci, reduced multiple testing burden and a more holistic exploration of genetic pleiotropy.The main objective of this thesis was to identify multivariate methods that utilise summary statistics from genome-wide association studies (GWAS), to compare and prioritise the most effective multivariate approaches for the discovery of novel genetic loci and exploration of pleiotropy. Specific aims included a systematic review of existing multivariate methods in order to identify the most efficient of them and practical applications of suitable multivariate methods on real GWAS data. This research applied advanced multivariate techniques to discover novel genetic loci for blood cell traits and prioritise genes with effects on different stages of haematopoiesis. It also examines the shared genetic architecture between inflammation and cardiometabolism and identified several pleiotropic loci and common mechanisms. Furthermore, the present thesis explored the genetic predisposition for comorbidity between Alzheimer's and cardiovascular diseases, identified novel loci and genes with pleiotropic effects and suggested new potential therapeutic targets.The systematic review on multivariate methods of single variant - multiple traits genome-wide associations using GWAS summary statistics identified 24 distinct methods of various statistical frameworks. Multi-Trait Association of GWAS (MTAG) was indicated as the most influential method within the scientific community and was prioritised due to its special feature to generate trait-specific summary statistics that can be used to post-GWAS analyses.Blood cells play a crucial role in the pathophysiology of several diseases, with their phenotypes exhibiting high heritability and polygenicity. However, previous GWAS have only partially explained the overall phenotypic variance of these traits. To further explore the genetic structure of blood cells, a multi-trait GWAS was conducted on fifteen blood cell traits, which identified 3,100 novel associations across 711 genomic loci, including 29 loci not previously linked to any blood trait in the European population. A subsequent gene expression colocalisation analysis highlighted variants with broad or cell type-specific effects. These findings provide insights into underlying mechanisms involved into different stages of haematopoiesis and consist potential therapeutic targets for blood-related disorders.C-reactive protein (CRP), a marker of chronic inflammation, is involved in a wide range of pathological conditions and likely shares biological pathways with metabolic traits. A multi-trait GWAS on CRP levels and cardiometabolic traits, including body mass inde, lipids and smoking, identified 41 novel CRP loci. A subsequent colocalisation analysis highlighted 41 shared variants between CRP and cardiometabolic risk factors, with 12 of them demonstrating unexpected discordant effects. Phenome-wide association studies linked these variants to clinical outcomes. These findings expand knowledge on the shared genetic architecture between inflammation and cardiometabolism, suggesting potential targets for preventive and therapeutic strategies.The co-occurrence of cardiovascular and neurodegenerative diseases, such as Alzheimer’s disease, indicates a shared genetic architecture between the two conditions. A multi-trait GWAS was performed on Alzheimer’s disease and several cardiovascular diseases, identifying 5 novel genetic loci for Alzheimer’s disease and 16 potentially pleiotropic loci affecting both conditions. Fine-mapping and colocalisation analyses suggested that lower expression of PLEC in the cardiac left ventricle or higher expression of C1Q genes can lead, through independent pathways, to increased risks of Alzheimer’s disease and atrial fibrillation. These findings suggest PLEC and C1Q as potential therapeutic targets for addressing the comorbidity of cardiovascular and neurodegenerative diseases.This thesis investigated theoretical foundations and practical applications of multivariate techniques in genetic epidemiology. It extends the current knowledge about the genetic architecture of several complex diseases and phenotypes, emphasising on the discovery of novel genetic loci and exploration of genetic pleiotropy.

Οι μελέτες γενετικών συσχετίσεων επικεντρώνονται κυρίως στην αναζήτηση συσχετίσεων μεταξύ μεμονωμένων γενετικών παραλλαγών και μεμονωμένων φαινοτύπων. Ωστόσο, ορισμένες πολυμεταβλητές μέθοδοι επιτρέπουν τη διερεύνηση γενετικών επιδράσεων σε πολλαπλούς φαινοτύπους και, επομένως, μπορούν να συλλάβουν καλύτερα την κοινή γενετική αρχιτεκτονική μεταξύ συσχετιζόμενων χαρακτηριστικών. Αυτές οι πολυμεταβλητές προσεγγίσεις προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως αυξημένη στατιστική ισχύ για τον εντοπισμό νέων γενετικών τόπων, μειωμένο φορτίο πολλαπλών στατιστικών ελέγχων και μια πιο ολοκληρωμένη διερεύνηση της γενετικής πλειοτροπίας. Ο κύριος στόχος της παρούσας διατριβής ήταν ο εντοπισμός μεθόδων πολυμεταβλητής ανάλυσης που χρησιμοποιούν συνοπτικά στατιστικά δεδομένα από μελέτες ευρείας σάρωσης του γονιδιώματος (GWAS), να συγκρίνει και να ιεραρχήσει τις πιο αποτελεσματικές πολυμεταβλητές προσεγγίσεις για την ανακάλυψη νέων γενετικών τόπων και την εξερεύνηση της πλειοτροπίας. Ειδικότεροι στόχοι συμπεριλάμβαναν, αφενός, τη συστηματική ανασκόπηση υφιστάμενων πολυμεταβλητών μεθόδων, ώστε να εντοπιστούν οι πιο αποδοτικές εξ αυτών και αφετέρου, την πρακτική εφαρμογή κατάλληλων πολυμεταβλητών μεθόδων σε πραγματικά δεδομένα GWAS. Στη συγκεκριμένη έρευνα, εφαρμόστηκαν προηγμένες πολυμεταβλητές τεχνικές για την ανακάλυψη νέων γενετικών τόπων των αιμοκυτταρικών χαρακτηριστικών και την ιεράρχηση γονιδίων με βάση την επίδρασή τους στα διάφορα στάδια της αιματοποίησης. Επιπλέον, διερευνήθηκε η κοινή γενετική αρχιτεκτονική μεταξύ της φλεγμονής και του καρδιομεταβολισμού και εντοπίστηκαν αρκετοί πλειοτροπικοί τόποι και κοινοί γενετικοί μηχανισμοί. Ακόμη, η παρούσα διατριβή μελέτησε τη γενετική προδιάθεση για συννοσηρότητα μεταξύ της νόσου Αλτσχάιμερ και καρδιαγγειακών παθήσεων, εντόπισε νέους τόπους και γονίδια με πλειοτροπικές επιδράσεις και πρότεινε νέους πιθανούς θεραπευτικούς στόχους. Η συστηματική ανασκόπηση πάνω στις πολυμεταβλητές μεθόδους ευρυγονιδιωματικών συσχετίσεων μεταξύ ενός γενετικού τόπου και πολλαπλών φαινοτύπων με χρήση συνοπτικών στατιστικών από μελέτες GWAS εντόπισε 24 ξεχωριστές μεθόδους διαφόρων στατιστικών πλαισίων. Η μέθοδος Multi-Trait Association of GWAS (MTAG) αναδείχθηκε ως η πλέον επιδραστική στη επιστημονική κοινότητα και προτιμήθηκε λόγω της ειδικής της ιδιότητας να δημιουργεί συνοπτικά στατιστικά για κάθε φαινότυπο ξεχωριστά, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε επακόλουθες της GWAS αναλύσεις. Τα αιματικά κύτταρα παίζουν καθοριστικό ρόλο στην παθοφυσιολογία αρκετών ασθενειών, ενώ οι φαινότυποί τους εμφανίζουν υψηλή κληρονομησιμότητα και πολυγονικότητα. Ωστόσο, προηγούμενες GWAS μελέτες έχουν εξηγήσει μόνο εν μέρει τη συνολική φαινοτυπική διακύμανση αυτών των χαρακτηριστικών. Προκειμένου να διερευνηθεί περεταίρω η γενετική δομή των αιματικών κυττάρων, εφαρμόστηκε πολυμεταβλητή μελέτη GWAS σε δεκαπέντε χαρακτηριστικά αιματικών κυττάρων, η οποία εντόπισε 3.100 νέες συσχετίσεις σε 711 γονιδιωματικούς τόπους, μεταξύ των οποίων 29 τόποι που δεν είχαν συνδεθεί προηγουμένως με κανένα χαρακτηριστικό αίματος σε ευρωπαϊκό πληθυσμό. Επακόλουθη ανάλυση συνεντοπισμού γονιδιακής έκφρασης (gene expression colocalisation) υπέδειξε γενετικές παραλλαγές με γενικές ή κυτταροειδικές επιδράσεις. Τα συγκεκριμένα ευρήματα φωτίζουν πλευρές για την επίδραση υποκείμενων μηχανισμών που εμπλέκονται σε διάφορα στάδια της αιματοποίησης και συνιστούν πιθανούς θεραπευτικούς στόχους για διαταραχές που σχετίζονται με το αίμα. Η C-αντιδρώσα πρωτεΐνη (CRP), ένας δείκτης χρόνιας φλεγμονής, εμπλέκεται σε ένα ευρύ φάσμα παθολογικών καταστάσεων και πιθανώς μοιράζεται βιολογικά μονοπάτια με χαρακτηριστικά του μεταβολισμού. Διεξήχθη πολυμεταβλητή μελέτη GWAS πάνω στα επίπεδα CRP και ορισμένους καρδιομεταβολικούς δείκτες, όπως ο δείκτης μάζας σώματος, τα λιπίδια και το κάπνισμα, εντοπίζοντας 41 νέους γενετικούς τόπους της CRP. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση γενετικού συνεντοπισμού που ανέδειξε 41 κοινούς γενετικούς πολυμορφισμούς ανάμεσα στη CRP και καρδιομεταβολικούς παράγοντες κινδύνου, εκ των οποίων 12 εμφάνισαν μη αναμενόμενες αντιφατικές επιδράσεις. Μελέτες συσχέτισης του ευρύτερου φαινοτυπικού συνόλου (PheWAS) συνέδεσαν αυτές τις παραλλαγές με κλινικές εκβάσεις. Τα συγκεκριμένα αποτελέσματα επεκτείνουν τη γνώση σχετικά με την κοινή γενετική αρχιτεκτονική της φλεγμονής και του καρδιομεταβολισμού, προτείνοντας πιθανούς στόχους πρόληψης και θεραπείας. Η συννοσηρότητα καρδιαγγειακών και νευροεκφυλιστικών παθήσεων, όπως η νόσος Αλτσχάιμερ, υποδηλώνει κοινή γενετική αρχιτεκτονική ανάμεσα στις δύο παθήσεις. Εφαρμόστηκε πολυμεταβλητή ανάλυση GWAS πάνω στη νόσο Αλτσχάιμερ και διάφορες καρδιαγγειακές ασθένειες, εντοπίζοντας 5 νέους γενετικούς τόπους της νόσου Αλτσχάιμερ και 16 πιθανούς πλειοτροπικούς τόπους που επιδρούν και στις δύο παθήσεις. Επιπλέον αναλύσεις λεπτομερούς χαρτογράφησης (fine-mapping) και γενετικού συνεντοπισμού έδειξαν ότι μειωμένη έκφραση του γονιδίου PLEC στην αριστερή κοιλία της καρδιάς ή αυξημένη έκφραση των γονιδίων C1Q μπορεί να οδηγήσει, μέσω ανεξάρτητων μονοπατιών, σε αυξημένο κίνδυνο εμφάνισης της νόσου Αλτσχάιμερ και της κολπικής μαρμαρυγής. Τα ευρήματα αυτά υποδεικνύουν τα γονίδια PLEC και C1Q ως πιθανούς θεραπευτικούς στόχους για την αντιμετώπιση της συννοσηρότητας καρδιαγγειακών και νευροεκφυλιστικών ασθενειών. Η παρούσα διατριβή διερεύνησε θεωρητικές βάσεις και πρακτικές εφαρμογές πολυμεταβλητών τεχνικών στη γενετική επιδημιολογία. Επεκτείνει την τρέχουσα γνώση σχετικά με τη γενετική αρχιτεκτονική διάφορων σύνθετων ασθενειών και φαινοτύπων, δίνοντας έμφαση στην ανακάλυψη νέων γενετικών τόπων και την εξερεύνηση της γενετικής πλειοτροπίας.