孟德尔随机化--研究

愿航

已于 2023-08-07 22:50:43 修改

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文章标签：生物信息学

于 2023-03-31 00:03:33 首次发布

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文章目录

写在前面
为什么要做孟德尔随机
原理
第三需要满足的假设条件
方法
结果解读
- 1.总体结果
如何下载数据
R代码实现
- 基本的暴露结局分析
- 敏感性分析(分析结果完之后看结果的可靠性)

写在前面

看了一些孟德尔随机化内容，大概整理一下步骤
参考博文：
第一篇：https://mp.weixin.qq.com/s/YdGgCi-hSLpBP3ngA_SvpQ
第二篇：https://zhuanlan.zhihu.com/p/582635108
第三系列：有何AI与医学（公众号）–孟德尔随机化研究系列
视频：B站https://www.bilibili.com/video/BV1EM4y1f7F6/?spm_id_from=autoNext&vd_source=74afe31b29c85e8f5a1afbc0d0ec17f0
系列：https://mp.weixin.qq.com/s/zo1nv3nlcwI4D8Lu0bXzMQ
多效性的讲解：https://zhuanlan.zhihu.com/p/439016497

为什么要做孟德尔随机

1.我们需要因果性分析，而不是相关性分析
2.现实中前瞻性比较难做到，而我们已有很多的研究数据可以用来做因果性推断
3.与GWAS的联系？需要用到GWAS的数据，GWAS算是只分析基因突变位点与表型的关系，孟德尔随机追寻的是暴露因素与表型的联系
4.类似于随机对照实验，随机实验以随机分组作为入组，孟德尔随机则是以位点突变作为入组。
5.非遗传变异的变量相关性较强，解释了为什么要选遗传变量作为工具变量
6.为什么数据最好是单人种，因为由于人口分层而产生偏见。就是说所有既能影响到工具变量又能影响结果的因素都应该控制。

原理

在这里插入图片描述
工具变量是基因型，暴露因素是表型，结局变量是响应变量。举个例子，研究饮酒量（暴露因素）引起CHD发病（结局变量）的风险，ALDH2基因多态性（工具变量）决定血中乙醛浓度（中间变量1），后者可影响饮酒行为（中间变量2），从而改变饮酒量（暴露因素），所以血乙醛浓度这一中间表型可间接代表饮酒量（该例取自第一篇博文）。
同时，第二篇博文提出，研究目的是得到XY之间关联，但通过Z-X-Y/Z-X，事实肯定不是简单的除法。这么做的原因，大致是因为有混杂因素存在，XY之间关联不好直接算。补上第二篇博文参考图：
在这里插入图片描述
何为多效性（违背下面2、3原理）
水平基因多效性指2
垂直基因多效性指
水平多效性
垂直多效性

第三需要满足的假设条件

在这里插入图片描述
关于第二点独立性，一般是指不同暴露下的其它混杂因素分布大致相同
1.强工具变量F值大于10
2.暴露因素与结局变量的人群还不应该交叉，而且不推荐亚洲人，因为比如亚洲人中不同种族的差异很明显（比如东亚人和中亚人）
3.在孟德尔随机化中，使用某种特定遗传变异作为IV的任何理由都应以生物学知识而非统计学检验为基础。

方法

IVW与Egger

在IVW的假设中，我们认为这些SNP（也称IV）是没有多效性的，同时考虑到GWAS的结果多为表型标准化后做出来的，所以我们认为结局和暴露之间是正比例关系。因此，我们在使用IVW方法必须要保证这些SNP没有多效性，否则结果会有很大的偏倚。
在MR-Egger的假设中，我们考虑截距项的存在，并用它来评估多效性。如果该截距项和0非常接近，那么MR-Egger回归模型就和IVW非常接近，但是如果截距项和0相差很大，那就说明这些IV间可能有水平多效性存在。
IVW是最早使用的方法，也是最常用的，它需要SNP完全符合MR研究三原则才能得到正确的因果估计；MR-Egger多加了截距项，其主要目的是判断水平多效性的有无；Weighted Median是利用大部分SNP（majority of genetic variants）来判断因果关系的有无。

方法使用原则

在这里插入图片描述

F

在这里插入图片描述

结果解读

1.总体结果

在这里插入图片描述
暴露与结果是否有因果因素，所以不会出现具体SNP，snp的数量在nsnp上,mydata上有时会删掉部分基因列mydata$mr_keep

如何下载数据

1.GWAS catelog

https://www.ebi.ac.uk/gwas/downloads/summary-statistics,这个网址，但可能需要翻梯子

2.ieu数据库

https://gwas.mrcieu.ac.uk/,这个貌似不需要开梯子

3.ukb数据库

https://www.nealelab.is/uk-biobank，貌似需要开梯子

4.芬兰数据库

https://www.finngen.fi/en/access_results
上述数据库具体操作可详见https://www.bilibili.com/video/BV1wV4y1w7w6/?spm_id_from=333.788&vd_source=74afe31b29c85e8f5a1afbc0d0ec17f0教学视频

R的twosampleMR能下载部分数据，其中以available_outcomes()查看所有下载路径，再查看包含的所有数据库
在这里插入图片描述

R代码实现

基本的暴露结局分析

# 基本的暴露结局分析
library(TwoSampleMR)
# 一般下面提取暴露变量，考虑到连锁不平衡时需要r2=0.001,kb=10000。去掉在10000kb范围内与最显著SNP的r2大于0.001的SNP；
bmi_exp <- extract_instruments(
  outcomes='ieu-a-835',
  clump=TRUE, r2=0.01,
  kb=5000,access_token= NULL
)
dim(bmi_exp)
# [1] 80 15
t2d_out <- extract_outcome_data(
  snps=bmi_exp$SNP,
  outcomes='ieu-a-26',
  proxies = FALSE,
  maf_threshold = 0.01,
  access_token = NULL
)
dim(t2d_out)
# [1] 80 16

mydata <- harmonise_data(
  exposure_dat=bmi_exp,
  outcome_dat=t2d_out,
  action= 2
)


res <- mr(mydata)
res

敏感性分析(分析结果完之后看结果的可靠性)

在这里插入图片描述
异质性检验(Q_pval远小于0.05具有异质性)，可剔除某些outcome的P值非常小的SNP，或可使用随机效应模型观察结局校正后是否还有显著性

het <- mr_heterogeneity(mydata)
het
mr(mydata,method_list=c('mr_ivw_mre')) #使用随机效应模型

多效性检验(p>0.05说明没有多效性，不需要处理)

pleio <- mr_pleiotropy_test(mydata)
pleio

逐个剔除检验

single <- mr_leaveoneout(mydata)
mr_leaveoneout_plot(single)

不同方法绘图

mr_scatter_plot(res,mydata)
#

森林图

res_single <- mr_singlesnp(mydata)
mr_forest_plot(res_single)

漏斗图

mr_funnel_plot(res_single)

备用代码

#设置工作路径
#第一次使用，下载TwoSampleMR包，将下方俩行#去掉后分别运行
#install.packages("remotes")
#remotes::install_github("MRCIEU/TwoSampleMR")
#读取TwoSampleMR包
library(TwoSampleMR)

#######找中间变量######
bmi_exp <- extract_instruments(outcomes = 'ieu-b-4877')
dim(bmi_exp)  #查看筛选出多少个SNP
head(bmi_exp) #查看前五行信息

#######利用汇总数据库ID进行结局SNP提取#######
t2d_out <- extract_outcome_data(
  snps = bmi_exp$SNP,
  #根据暴露SNP编号在结局中查找对用SNP
  outcomes = "ebi-a-GCST006906",
  #查找数据库ID号为ebi-a-GCST006906的SNP
  proxies = TRUE,
  #在结局中找不到的SNP是否用1000组的代替，默认TRUE，R方0.8
  maf_threshold = 0.01,
  #最小等位基因频率
  access_token = NULL#是否通过谷歌访问，国内选NULL
)

#查看暴露SNP基本情况，发现少了几个，
#一般可能不符合条件，或者再结局中没有找到
dim(t2d_out) #查看筛选出多少个SNP
head(t2d_out) #查看前五行信息
######合并暴露数据与结局数据#######
mydata <- harmonise_data(
  exposure_dat=bmi_exp,
  outcome_dat=t2d_out,
  action= 2#是否去除回文序列，2去除，1不去除，一般我们要去除
)
#如果需要保存SNP信息，则去掉write前#运行
#write.table(mydata, file="mydata.xls",sep="\t",quote=F)


#数据已经准备完成，接下来开始做MR分析
## MR
res <- mr(mydata) #一般看IVW行，如果p《0.05，说明有潜在的因果关系。
#是首选项，其他结果是辅助
## Heterogeneity statistics
mr_heterogeneity(mydata) # Q_pval<0.05说明有异质性，我们需要同质性样本
#当为异质性样本时，需要根据漏斗图考虑删掉部分SNP，再重新拟合
# 异质性可视化,所谓的漏斗图
mr_forest_plot(singlesnp_results = mr_singlesnp(mydata))
# pleiotropy test
mr_pleiotropy_test(mydata)


# leave-one-out analysis，一个个剔除，每个变量应该都在0右边，且偏差不大
res_loo <- mr_leaveoneout(mydata)

mr(mydata, method_list=c("mr_egger_regression", "mr_ivw"))

########MR分析##########
res_mi=generate_odds_ratios(mr(mydata))
#我们这里为方便直接完成转化OR所需结果就都涵盖在内
res_mi#输出查看结果
#保存MR结果
write.table(res_mi, file="res_mi.xls",sep="\t",quote=F)



# scatter plot
dat <- mydata
p1 <-mr_scatter_plot(res, dat)
length(p1) # to see how many plots are there
p1[[1]]

# forest plot
res_single <- mr_singlesnp(dat)#,all_method=c("mr_ivw", "mr_two_sample_ml")) to specify method used
p2 <- mr_forest_plot(res_single) 
p2[[1]]

## funnel plot for all
p3 <- mr_funnel_plot(res_single)
p3[[1]]
mr_report(dat)
out <- directionality_test(dat)
kable(out)
mr_steiger(
  p_exp = dat$pval.exposure, 
  p_out = dat$pval.outcome, 
  n_exp = dat$samplesize.exposure, 
  n_out = dat$samplesize.outcome, 
  r_xxo = 1, 
  r_yyo = 1,
  r_exp=0)

从ebi下载数据，并根据文件分割出所需要的GWAS数据

setwd("E:\\xianyu\\MR")
data <- vcfR::read.vcfR("bbj-a-140.vcf.gz") #读取VCF文件
gt <- data.frame(data@gt)#ES代表beta值、SE代表se、LP代表-log10（P值）、AF代表eaf、“ID”代表SNP的ID
library(limma)
dat <- strsplit2(gt$bbj.a.140, split = ":")#strsplit切分；unlist解开
fix<-data.frame(data@fix)#为SNP位点的基本信息

frame<-data.frame(dat) 
colnames(frame)<-c("ES","SE","LP","AF","ID")
frame$rs = fix$ID
write.table(frame, file=" pancreatic_cancer.txt",sep="\t",quote=F)
ggadjustedcurves