association mapping using local genealogies

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Association Mapping Through local genealogies Bioinformatics Research Center http://www.birc.au.dk / Thomas Mailund

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Page 1: Association mapping using local genealogies

Association MappingThrough local genealogies

Bioinformatics Research Center

http://www.birc.au.dk/

Thomas Mailund

Page 2: Association mapping using local genealogies

“Genetic” Diseases

Gunshot w

oundsC

ar accidents

Smoking induced

lung cancer

Cardiovascular

diseaseO

besityD

iabetes 2

Alzheim

erSchizophrenia

BRC

A1

breast cancer

Cystic fibrosis

Haem

ophilia

Page 3: Association mapping using local genealogies

Disease Mapping...

--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----

Locate disease-affecting polymorphism

Cases (affected)

Controls (unaffected)

Page 4: Association mapping using local genealogies

Disease Mapping...

--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----

Cases (affected)

Controls (unaffected)

Markers are locally correlated

Page 5: Association mapping using local genealogies

Disease Mapping...

--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----

Cases (affected)

Controls (unaffected)

Search for indirect signals

Page 6: Association mapping using local genealogies

Indirect Association

--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----

Cases (affected)

Controls (unaffected)

“Tag” markers Unobserved marker

Page 7: Association mapping using local genealogies

Indirect Association

--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----

Cases (affected)

Controls (unaffected)

Page 8: Association mapping using local genealogies

Indirect Association

--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----

Cases (affected)

Controls (unaffected)

Page 9: Association mapping using local genealogies

Indirect Association

--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----

Cases (affected)

Controls (unaffected)

Page 10: Association mapping using local genealogies

Indirect Association

--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----

Cases (affected)

Controls (unaffected)

Page 11: Association mapping using local genealogies

IndirectMulti-Marker

Association

--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----

Cases (affected)

Controls (unaffected)

Page 12: Association mapping using local genealogies

The Ancestral Recombination Graph

Hudson 1990, Griffith and Marjoram 1996

Page 13: Association mapping using local genealogies

Local PhylogeniesFor each “point” on the chromosome, the ARGdetermines a (local) tree:

Page 14: Association mapping using local genealogies

Local PhylogeniesFor each “point” on the chromosome, the ARGdetermines a (local) tree:

Page 15: Association mapping using local genealogies

Local PhylogeniesFor each “point” on the chromosome, the ARGdetermines a (local) tree:

Page 16: Association mapping using local genealogies

Local PhylogeniesFor each “point” on the chromosome, the ARGdetermines a (local) tree:

Page 17: Association mapping using local genealogies

Clustering on a Tree

Disease affecting mutation

Page 18: Association mapping using local genealogies

Clustering on a Tree

Complete penetrance

Incomplete penetrance

Spurious disease

Page 19: Association mapping using local genealogies

Clustering on a Tree

60%

40%

25%

75%

Case/control clusteringis not random on the tree...

Page 20: Association mapping using local genealogies

Using “Perfect Phylogenies”Use the four-gamete test to find regions thatcan be explained by a tree with no recurrent mutations

Mailund, Besenbacher & Schierup 2006

Page 21: Association mapping using local genealogies

Using “Perfect Phylogenies”Build trees for each such region

Mailund, Besenbacher & Schierup 2006

Page 22: Association mapping using local genealogies

Using “Perfect Phylogenies”Each marker splits a sub-tree in two

Mailund, Besenbacher & Schierup 2006

Page 23: Association mapping using local genealogies

Using “Perfect Phylogenies”Each marker splits a sub-tree in two

Mailund, Besenbacher & Schierup 2006

Page 24: Association mapping using local genealogies

Using “Perfect Phylogenies”Each marker splits a sub-tree in two

Mailund, Besenbacher & Schierup 2006

Page 25: Association mapping using local genealogies

Scoring the Clustering

Red=casesGreen=controls

Are the case chromosomes significantly over-represented in some clusters?

Page 26: Association mapping using local genealogies
Page 27: Association mapping using local genealogies

Mutation

We can place “mutations” on the tree edges and partition chromosomes into “mutants” and “wild-types” and test for different distributions of cases and controls

Mutants

Wild-types

Page 28: Association mapping using local genealogies

Mutation

Use average or maximum to score the tree

Average is kosher Bayesian stats; maximum needs to be corrected for over-fitting.

Mutants

Wild-types

Page 29: Association mapping using local genealogies
Page 30: Association mapping using local genealogies
Page 31: Association mapping using local genealogies

Whole genome breast cancer

Page 32: Association mapping using local genealogies

A single causal mutationMax BF / min p-value used as point estimate

Localisation Accuracy

Page 33: Association mapping using local genealogies

Localisation Accuracy

Two causal mutationsMax BF / min p-value used as point estimate

Page 34: Association mapping using local genealogies

Power to detect association

0.05 0.10 0.15

020

4060

8010

0

power

Susceptibility allelle frequency

Perc

enta

ge

QBlossocStudent's t−test

Page 35: Association mapping using local genealogies

Blossoc(BLOck aSSOCiation)

Homepage: www.birc.au.dk/~mailund/Blossoc

Command line andgraphical user interface(with limited functionality)

Page 36: Association mapping using local genealogies

Blossoc(BLOck aSSOCiation)

Homepage: www.birc.au.dk/~mailund/Blossoc

Fast enough to analysetens of thousands of individuals in hundred of thousands of markers in a few days on a desktop computer...

Page 37: Association mapping using local genealogies

Thank you!

More information athttp://www.birc.au.dk/~mailund/association-mapping/