该文档讨论了与疾病关联映射相关的未解决问题，涉及多标记方法、稀有变异和基因-基因相互作用等。介绍了如何定位疾病相关的多态性以及进行基因组宽关联研究（GWAS）的有效性，尽管仍然有大量遗传风险未被解释。文档提供了关于表型与基因型之间关系的复杂性以及现有研究的局限性的深入分析。

1. Open problems in
association mapping
Thomas Mailund
&
!"
Bioinformatics
!!"#$%&$'()*"%(+,&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& Centre
Research

2. Stuff about
Open problems in
association mapping
Thomas Mailund
&
!"
Bioinformatics
!!"#$%&$'()*"%(+,&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& Centre
Research

3. Overview
• Tutorial
• Multi-marker methods - rare(er) variants
• Multi-loci methods - epistasis

4. Tutorial

5. Gunshot wounds
Car accidents
Smoking induced
lung cancer “Genetic” diseases
Cardiovascular
disease
Obesity
Diabetes 2
Alzheimer
Schizophrenia
BRCA1
breast cancer
Cystic fibrosis
Haemophilia

6. Disease mapping...
Locate disease-affecting polymorphisms
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

7. Disease mapping...
Locate phenotype-affecting polymorphisms
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----

8. Disease mapping...
Markers are locally correlated
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

9. Marker Relatedness
Linkage disequilibrium (LD)
Empirical Results Theoretical Results
LD (r2)
Recombination rate
Clark et al. 2003, AJHG 73:285-300. Hein et al. 2005

10. Disease mapping...
Search for indirect signals
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

11. Indirect Association
“Tag” markers Unobserved marker
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

12. Indirect Association
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

13. Indirect Association
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

14. Indirect Association
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

15. Indirect Association
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

16. GWA
Type 500k - 1m and get 3b

17. GWA
Type 500k - 1m and get 3b
The common
variants

18. Multiple test issues
5% significance threshold
means 5% false positives...

20. Null distribution
Alternative distribution

21. Null distribution
Alternative distribution

22. Null distribution
Alternative distribution

23. Null distribution
"Real" null distribution
Alternative distribution

24. WTCCC results

25. GWA a successful
approach
~500 validated findings
for ~100 different traits

26. GWA a successful
approach
~500 validated findings
for ~100 different traits
...but much genetic risk
remains unexplained!

27. Why?

28. Why?
• Rare variants?
• We only tag common variants...
• Gene-gene interaction?
• Marginal effects vs interactions...

29. Multi-marker methods

30. Indirect Association
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

31. Indirect Association
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

32. Indirect Association
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

33. Indirect Association
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

34. Indirect
Multi-Marker
Association
Cases (affected)
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------G--------A----G---X----C---C---A----
--A--------G--------G----G---X----C---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----G---X----T---C---A----
--T--------C--------A----T---X----T---A---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---G----
--T--------C--------A----T---X----T---C---A----
--A--------C--------A----G---X----T---C---A----
--A--------C--------G----T---X----C---A---A----
--A--------C--------A----G---X----C---C---G----
Controls (unaffected)

35. Local trees along the
genome

36. Local trees along the
genome

37. Local trees along the
genome

38. Local trees along the
genome

39. Trees and LD
Tree similarity
LD r2
Recombination rate Recombination rate

40. Clustering on a tree
Disease affecting mutation

41. Clustering on a tree
Complete penetrance
Incomplete penetrance
Spurious disease

42. Clustering on a tree
25%
Case/control clustering
is not random on the tree...
75%
40%
60%

43. Scoring the clustering
Red=cases
Green=controls
Are the case chromosomes significantly
over-represented in some clusters?

47. Besenbacher et al. 2009

48. Multi-loci methods

49. A
A
A
G
G
A 3 2
A
A G 3 2
A
G
G
3
1.5
0
A G

50. T
T
A
A
A
T 2 3
A
A A 2 3
A
T
T
3
1.5
0
T A

51. A T
A T
A A AT 2 0
G A
G A
AA 1 1
GA 2 0
A A
A A
A A GT 0 2
G T
G T
2
1
0
AT AA GA GT

52. Explosion in complexity
500k markers gives us
~125 billion pairs!

53. Explosion in complexity
500k markers gives us
~2·10 16 triplets

59. • Using protein interaction networks we
• Reduced ~125 billion tests to ~3-4 million
• Reduced corrected significance threshold
-8
from ~4·10-13 to ~9·10

62. Perspectives...
• Complete genome sequencing
• No need for tagging
• Rare variants
• Structural variation
• Pathway analysis
• Analysis of pathways as a whole
• Constructing tests from known pathways