Deep learning predicts DNA methylation regulatory variants in the human brain and elucidates the genetics of psychiatric disorders

德纳姆 全基因组关联研究 生物 连锁不平衡 遗传关联 数量性状位点 遗传学 表达数量性状基因座 遗传力 DNA甲基化 基因组学 人口 计算生物学 单核苷酸多态性 单倍型 基因组 基因 等位基因 医学 基因型 基因表达 环境卫生
作者
Jiyun Zhou,Qiang Chen,Patricia Braun,Kira A. Perzel Mandell,Andrew E. Jaffe,Hao Yang Tan,Thomas M. Hyde,Joel E. Kleinman,James B. Potash,Gen Shinozaki,Daniel R. Weinberger,Shizhong Han
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:119 (34) 被引量:15
标识
DOI:10.1073/pnas.2206069119
摘要

There is growing evidence for the role of DNA methylation (DNAm) quantitative trait loci (mQTLs) in the genetics of complex traits, including psychiatric disorders. However, due to extensive linkage disequilibrium (LD) of the genome, it is challenging to identify causal genetic variations that drive DNAm levels by population-based genetic association studies. This limits the utility of mQTLs for fine-mapping risk loci underlying psychiatric disorders identified by genome-wide association studies (GWAS). Here we present INTERACT, a deep learning model that integrates convolutional neural networks with transformer, to predict effects of genetic variations on DNAm levels at CpG sites in the human brain. We show that INTERACT-derived DNAm regulatory variants are not confounded by LD, are concentrated in regulatory genomic regions in the human brain, and are convergent with mQTL evidence from genetic association analysis. We further demonstrate that predicted DNAm regulatory variants are enriched for heritability of brain-related traits and improve polygenic risk prediction for schizophrenia across diverse ancestry samples. Finally, we applied predicted DNAm regulatory variants for fine-mapping schizophrenia GWAS risk loci to identify potential novel risk genes. Our study shows the power of a deep learning approach to identify functional regulatory variants that may elucidate the genetic basis of complex traits.

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