Informatics Algorithms for Genomic Analysis of Brain Imaging Data

用于脑成像数据基因组分析的信息学算法

基本信息

  • 批准号:
    10065859
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 35.07万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-07-01 至 2024-03-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary Brain imaging genetics studies the relationship between genetic variations and brain imaging quantitative traits (QTs) and offers enormous potential to reveal the genetic underpinning of the neurobiological system that can impact the development of diagnostic, therapeutic and preventative approaches for complex brain disorders. Two critical gaps limiting the progress of brain imaging genetics include (1) the unprecedented scale and complexity of the imaging genetic data sets, and (2) lack of intermediate-level omics data to capture the molecular effects linking genetics to brain QTs. Our prior studies have contributed substantially to addressing the first gap. The proposed project will develop new informatics strategies to bridge the second gap, where valuable existing data in the omics domain will be leveraged to link brain imaging and genetics. In this project, we will focus on transcriptomics, and will make use of major transcriptomics data repositories including Genotype-Tissue Expression (GTEx) Project, UK Brain Expression Consortium (UKBEC), and Allen Human Brain Atlas (AHBA). Our overarching goal is to identify brain imaging genetic associations with evidence manifested in the human brain transcriptome. Our hypothesis is that, with additional source of evidence at the transcriptomic level, the identified brain imaging genetic associations are biologically more meaningful and less likely to be false positives. To achieve our goal, we propose four aims. Aim 1 is to develop novel bi-multivariate models incorporating regional tissue-specific expression quantitative trait locus (eQTL) knowledge for mining brain imaging genetic associations. Given that eQTL is a source of tissue-specific evidence to link genotype, gene expression, and brain QTs, we will develop novel eQTL-guided bi-multivariate models to identify imaging genetic associations potentially evidenced by regional tissue-specific eQTL knowledge. Aim 2 is to develop novel bi-multivariate models incorporating brain-wide genome-wide (BWGW) cross-domain co-expression patterns for mining brain imaging genetics associations. AHBA, a BWGW gene expression database, is a natural connection between genome and brain. We propose to develop novel biclustering and bi-multivariate methods to identify meaningful AHBA modules with cross-domain co-expression patterns, and use these patterns to guide the search for co-expression-aware associations between genetic variations and multimodal brain imaging measures. Aim 3 is to develop open source software tools for structure-aware mining of brain imaging genetic associations. Aim 4 is to perform evaluation and validation on both simulated data and real imaging genetics cohorts. Successful completion of the above aims will produce innovative informatics methods and tools for integrative analysis of imaging, genetics and transcriptomics data to address a critical barrier in brain imaging genetics. Using ADNI and related cohorts as test beds, these methods and tools will be shown to have considerable potential for understanding the molecular mechanism of Alzheimer’s disease, and be expected to impact neurological and psychiatric research in general and benefit public health outcomes.
项目摘要 脑成像遗传学研究遗传变异与脑成像定量之间的关系 特征(QT),并提供了巨大的潜力,以揭示神经生物学系统的遗传基础 可以影响复杂大脑的诊断,治疗和预防方法的发展 疾病。限制脑成像遗传学进展的两个关键差距包括(1)前所未有的量表 和成像遗传数据集的复杂性,以及(2)缺乏中间级别的OMIC数据来捕获 将遗传学与脑QT相关的分子效应。我们先前的研究为解决 第一个差距。拟议的项目将制定新的信息策略来弥合第二个差距, 对OMICS领域中的现有数据的价值将被利用以将脑成像和遗传学联系起来。在这个项目中, 我们将专注于转录组学,并将利用主要的转录组学数据存储库,包括 基因型 - 组织表达(GTEX)项目,英国脑表达联盟(UKBEC)和艾伦人 脑图集(AHBA)。我们的总体目标是识别与证据的大脑成像遗传关联 体现在人脑转录组中。我们的假设是,还有其他证据来源 转录组水平,已鉴定的大脑成像遗传关联在生物学上更有意义,更少 可能是误报。为了实现我们的目标,我们提出了四个目标。目的1是开发新颖的双重变量 融合区域组织特异性表达定量性状基因座(EQTL)知识的模型 脑成像遗传关联。鉴于EQTL是组织特异性证据的来源,以联系基因型, 基因表达和脑QT,我们将开发出新的EQTL引导的双兴奋模型,以识别成像 遗传关联可能通过区域组织特异性EQTL知识来证明。目标2是发展 新型的双层模型,结合了整个大脑全基因组(BWGW)跨域共表达 采矿脑成像遗传学关联的模式。 ahba是一个BWGW基因表达数据库,是一个 基因组和大脑之间的自然联系。我们建议开发新颖的Bislustering和Bi-Multivariate 识别具有跨域共表达模式的有意义的AHBA模块的方法,并使用这些 指导搜索遗传变异与多模式之间的共表达感知关联的模式 大脑成像措施。 AIM 3是开发开源软件工具用于结构感知大脑的采矿 成像遗传关联。 AIM 4是对模拟数据和真实数据进行评估和验证 成像遗传学队列。成功完成上述目标将产生创新信息 用于整合成像,遗传学和转录组学数据的方法和工具,以解决关键 大脑成像遗传学的障碍。将ADNI及相关队列作为测试床,这些方法和工具将是 证明具有了解阿尔茨海默氏病的分子机制的潜力很大,并且 期望一般会影响神经系统和精神病研究,并使公共卫生结果受益。

项目成果

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