冠心病遺傳變異研究方法的進(jìn)展

胡鳴穎+徐耕

[關(guān)鍵詞]冠心??；遺傳變異；遺傳基礎(chǔ)

中圖分類號：R541.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-816X（2015）05-0401-04

冠心?。╟oronary hearat disease，CHD）主要由以冠狀動脈狹窄或閉塞為形態(tài)學(xué)改變的缺血性心臟病。家族史、年齡、性別、糖尿病、吸煙、高血壓、高膽固醇血癥和肥胖是早已公知的風(fēng)險(xiǎn)因素。環(huán)境因素如吸煙、飲食、運(yùn)動、飲酒、胎兒宮內(nèi)感染和空氣污染對該病有較強(qiáng)影響。此外，研究發(fā)現(xiàn)許多CHD新的風(fēng)險(xiǎn)因素如同型半胱氨酸（Hcy）升高，纖維蛋白原和c反應(yīng)蛋白升高，高密度脂蛋白水平降低，輔酶Q10、一氧化氮、維生素D和維生素K不足等。

CHD是一種復(fù)雜的疾病，由遺傳和環(huán)境因素以及兩者之間相互作用驅(qū)動。隨著成本效益和高通量技術(shù)的發(fā)展，單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide poly-morphism，SNP）基因分型，外顯子組，基因組，核糖核酸（RNA）測序，基因表達(dá)微陣列和代謝分析已啟用的集合數(shù)百萬個體的數(shù)以千計(jì)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這樣龐大數(shù)據(jù)的讀出，需要有效的分析方法。本文回顧并突出該領(lǐng)域一些主要成果，以利揭開CHD遺傳基礎(chǔ)的潛力，預(yù)測基因風(fēng)險(xiǎn)評分（genomis risk scores，GRS），理清基礎(chǔ)疾病復(fù)雜的相互作用，并預(yù)測對治療的反應(yīng)。

1.遺傳基礎(chǔ)

CHD的遺傳結(jié)構(gòu)研究最初是基于單變量全基因組關(guān)聯(lián)（genome-wide association study，GWAS），亦名基因組廣泛掃描，比較CHD組與對照組（無CHD）的SNP頻率，觀察多種遺傳變異和環(huán)境因素之間的相互作用，推測各變異賦予的疾病風(fēng)險(xiǎn)。CWAS數(shù)據(jù)集研究逐年增多，有研究發(fā)現(xiàn)SNP使CHD的風(fēng)險(xiǎn)增加15%-20%（雜合變異）和30%-40%（純合變異）。染色體9p21上一大段多個基因位點(diǎn)與CHD密切相關(guān)，其中9p21.3位點(diǎn)因重復(fù)性極高而通過全球驗(yàn)證。有學(xué)者研究的新位點(diǎn)，如ABCG5/ABCG8基因rs4299376多態(tài)性和CHD及脂質(zhì)水平的關(guān)聯(lián)。大規(guī)模薈萃分析找到其他基因位點(diǎn)，其中6q25.1一個等位基因變異使CHD風(fēng)險(xiǎn)增加23%。值得注意的是，這個SNP位于MTHFDIL基因，可以影響血漿Hcy水平增加CHD危險(xiǎn)。新位點(diǎn)也使用單倍型分析，近端多個SNP組成一個單元，從而提高檢測效率。

2.遺傳力的遺失

最初的單變量GWAS能夠識別與CHD低到中等相關(guān)的常見SNPs，這些SNP占據(jù)的CHD遺傳率小于10%。目前，雖然所有變異基因總體能導(dǎo)致的CHD風(fēng)險(xiǎn)可以量化，但是，尚未找全易感基因前，無法量化各個基因變異所占的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。已明確的多種CHD危險(xiǎn)因素，相關(guān)的基因本身有自己的遺傳結(jié)構(gòu)，且遺傳力度相當(dāng)大。另外，50歲之前CHD罕見，推測應(yīng)有其他危險(xiǎn)因素存在，目前，它們沒有被檢測到的部分原因可能是因?yàn)榛蚪M結(jié)構(gòu)，上位性互作（除加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)外不同位點(diǎn)的基因相互影響引起的效應(yīng)），表觀遺傳（不涉及DNA序列改變，但在有絲分裂和/或減數(shù)分裂中可遺傳的基因表達(dá)改變）以及變異修飾等影響，其中不能忽略的一個重要因素是罕見變異。

變異不太可能是繁殖成功的效果，更不太可能已經(jīng)受到直接進(jìn)化選擇壓力的影響，可能是在較寬的頻率范圍內(nèi)發(fā)生的中性進(jìn)化過程，某些變異導(dǎo)致CHD易感而某些變異反而起心血管保護(hù)作用。至今，人類遺傳學(xué)里持續(xù)了幾十年的爭論是，常見變異和稀有變異，究竟是哪種變異在主導(dǎo)常見疾病及復(fù)雜性狀。但是，學(xué)者們更傾向常見病/常見遺傳變異（common dis-ease/common variant，CDCV）假設(shè)理論，即：常見疾病，主要由常見變異導(dǎo)致。復(fù)雜性狀能發(fā)生具有相對高頻率（>1%）的遺傳變異，時空跨域可追溯到10萬年以前，且變異無或很少進(jìn)行人口選擇?；谶@種理論基礎(chǔ)，研究者在進(jìn)行GWAS之前往往會剔除低頻或者稀有變異來提高關(guān)聯(lián)分析的統(tǒng)計(jì)功效。同時也需要更大的數(shù)據(jù)集，因而有大型的薈萃分析來克服以上缺點(diǎn)，它確定了13個新位點(diǎn)，每個等位基因CHD風(fēng)險(xiǎn)增加6%至17%。更多的CHD的SNP需要被發(fā)現(xiàn)，則需要更多的合作，更大和更多樣化的人群樣本，來進(jìn)一步解釋遺失的遺傳變異。

3.構(gòu)建基因組風(fēng)險(xiǎn)評分

基因組關(guān)聯(lián)研究的潛在益處是利用個體的基因組創(chuàng)建一個CHD風(fēng)險(xiǎn)評分。目前，F(xiàn)ramingham風(fēng)險(xiǎn)評分（Framingham riks score，F(xiàn)RS）是一個強(qiáng)大的工具，結(jié)合患者年齡、性別、膽固醇、吸煙狀況、高血壓和糖尿病，產(chǎn)生了10年的CHD風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測。然而，有多數(shù)新發(fā)CHD個體不在FRS最高組的情況。鑒于FRS許多因素是依賴于年齡和/或一個遺傳成分，遺傳變異可發(fā)生在CHD其他風(fēng)險(xiǎn)因素如血壓或血脂等變化之前而更有效地預(yù)示風(fēng)險(xiǎn)，因此，GRS增加了遺傳變異相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)因素，可以計(jì)算患者風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值并據(jù)此分層。如在FRS進(jìn)行時，CHD早期危險(xiǎn)分層是至關(guān)重要的，患者能從改變生活方式或治療干預(yù)來阻礙發(fā)病，此時獲益最大。此外，GRS系統(tǒng)對個體進(jìn)行了重新分類，預(yù)測為CHD高風(fēng)險(xiǎn)的人群比例增加12%。這部分新識別的潛在患者將更早受益于針對性的醫(yī)療服務(wù)。GRS系統(tǒng)能對疾病/性狀的遺傳結(jié)構(gòu)進(jìn)行“最佳猜測”，評估CHD性狀的遺傳重疊，因此，它作為一個遺傳資源，價值已超越個體風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測范疇，雖然它仍然處于初期階段。GRS研究指向SNP識別CHD潛在患者并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分層，需要更精細(xì)的策略和統(tǒng)計(jì)方法來優(yōu)化基因組的預(yù)測。進(jìn)一步研究需要大量遺傳變異分析來確定GRS作為篩選工具和指示器用于干預(yù)疾病的有效性，特別是在發(fā)病早期階段，其中FRS變量如年齡，膽固醇和血壓尚不能很好預(yù)測CHD，但生活方式的改變可產(chǎn)生較大的影響。

GWAS是一種在全基因組范圍內(nèi)通過測定SNP，研究確定疾病相關(guān)基因、易感區(qū)域或疾病的標(biāo)記物，從而探究復(fù)雜疾病遺傳機(jī)制的方法。該研究策略首先需在病例對照樣本中通過芯片檢測數(shù)百萬個SNP，篩查出顯著相關(guān)的SNP，然后進(jìn)一步在不同的獨(dú)立樣本中進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證。與限于在已知基因內(nèi)尋找疾病易感位點(diǎn)的基因關(guān)聯(lián)研究方法相比，CWAS愈發(fā)彰顯其優(yōu)勢。endprint

CHD是一種復(fù)雜疾病其發(fā)病機(jī)制仍不清楚，不像單基因疾病，它受多個基因和環(huán)境因素共同影響，因此，每個基因單獨(dú)的作用較弱。通過對人類基因組序列1%的差異性進(jìn)行研究，找到多態(tài)性位點(diǎn)同疾病的關(guān)系，是研究CHD遺傳機(jī)制的關(guān)鍵。到目前為止，世界各地的研究人員已經(jīng)對心血管病進(jìn)行了GWAS，確定了大批易感區(qū)域和相關(guān)基因，發(fā)現(xiàn)了一些相關(guān)的基因突變位點(diǎn)。但是，GWAS的成功，至今只是找到了CHD病因拼圖中的其中一塊。接下來面臨的挑戰(zhàn)疋，GWAS如何解釋基礎(chǔ)生物學(xué)途徑方面?zhèn)€體SNP關(guān)聯(lián)。真正的致病性遺傳變異必須通過其他介質(zhì)，如影響基因編碼，改變蛋白結(jié)構(gòu)或改變轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合力，從而調(diào)節(jié)元件，影響基因的RNA水平和所編碼的蛋白質(zhì)的水平來表型效應(yīng)。早期研究這些生物現(xiàn)象的許多數(shù)據(jù)已不可獲得，這很大程度上限制了破譯這些復(fù)雜影響的能力。限制因素還有基因多效性的影響，研究設(shè)計(jì)缺陷，缺乏統(tǒng)計(jì)力量和復(fù)制性的結(jié)果等。到目前為止，這些通過GWAS發(fā)現(xiàn)的疾病風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)所顯示的效應(yīng)規(guī)模通常不大，同時提供的生物過程信息也非常的有限。此外，GWAS發(fā)現(xiàn)的不少基因功能尚不清楚。為了解決這些缺點(diǎn)，現(xiàn)在的研究則需要結(jié)合各系統(tǒng)中各種信息源，例如基因組、轉(zhuǎn)錄組和代謝數(shù)據(jù)。因?yàn)橐阎倪z傳變異可影響基因表達(dá)和代謝，通過對這些遺傳效應(yīng)的聯(lián)合調(diào)查來洞察疾病是如何被介導(dǎo)的。除了一次檢索多個生物數(shù)據(jù)資源能力，另一個重要的概念進(jìn)步是基因研究形成網(wǎng)絡(luò)的一部分，而不再被孤立看待?；诰W(wǎng)絡(luò)的分析能更好模擬這些生物分子關(guān)系和致病機(jī)理。在某些情況下，個體基因關(guān)聯(lián)可能是微弱的，但全球范圍的多個相關(guān)基因聯(lián)合檢測可能揭示微妙的關(guān)聯(lián)趨勢。一個最早期最簡單的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析，就能實(shí)現(xiàn)已知基因和遺傳變異生物實(shí)體之間的復(fù)雜關(guān)系可視化，使研究者得以構(gòu)建潛在病因的形象。然而，隨著數(shù)據(jù)變得更大，更復(fù)雜，更多面，這樣的網(wǎng)絡(luò)分析變得需要更復(fù)雜的方法進(jìn)行可視化和分析獲取生物學(xué)意義。

4.孟德爾隨機(jī)預(yù)測因果關(guān)系

網(wǎng)絡(luò)分析往往依靠統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián)，從觀測數(shù)據(jù)推斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了確定新藥干預(yù)靶標(biāo)，減少疾病風(fēng)險(xiǎn)，我們必須確定哪些因素引起疾病，并且這僅僅是相關(guān)聯(lián)，作為關(guān)聯(lián)并不一定意味著因果關(guān)系。這就要求特定的實(shí)驗(yàn)方法，即通過操縱代謝物水平觀察它對疾病產(chǎn)生相應(yīng)的效果。然而，在某些情況下，遺傳變異的統(tǒng)計(jì)分析可以確定因果關(guān)系。遺傳變異是該個體生命等位基因減數(shù)分裂過程中隨機(jī)分配并基本上是唯一固定的。因此，遺傳變異可以看作是系統(tǒng)（孟德爾隨機(jī)化）的自然干擾，使我們能夠解譯為致病性遺傳 表型關(guān)聯(lián)的1個方向，即遺傳變異引起的表型。通過統(tǒng)計(jì)框架這種因果信息，如工具變量允許推斷某一變量與疾病是否因果或相關(guān)。這樣的方法已用來證明，增加血漿HDL-C不能降低心肌梗死的風(fēng)險(xiǎn)，藥物靶向HDL-C進(jìn)行CHD的治療可能不是一個成功的戰(zhàn)略，盡管早先有充分的證據(jù)證明兩者存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)。應(yīng)用孟德爾隨機(jī)化的原理，統(tǒng)計(jì)方法可以施加在更大的實(shí)驗(yàn)范圍，如實(shí)驗(yàn)室模型或隨機(jī)對照人群試驗(yàn)，確定出無向基因或代謝網(wǎng)絡(luò)的邊緣，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)化公認(rèn)的因果結(jié)構(gòu)。

大規(guī)模的多組學(xué)數(shù)據(jù)集應(yīng)用正變得越來越多，它能更好地闡明炎癥和CHD之間的生物學(xué)關(guān)系。HDL-C水平與CHD風(fēng)險(xiǎn)呈負(fù)相關(guān)是已知的。芬蘭學(xué)者因此研究遺傳變異對血漿HDL-C水平的遺傳貢獻(xiàn)，結(jié)果是，基因組、轉(zhuǎn)錄組和脂質(zhì)組剖析均突顯了炎癥在較低水平的HDL-C個體起的作用。通過整合各種數(shù)據(jù)源，包括蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用（PPI）網(wǎng)絡(luò)和其他研究得出的基因網(wǎng)絡(luò)，他們發(fā)現(xiàn)了幾個調(diào)控基因，被稱為關(guān)鍵驅(qū)動因素，表現(xiàn)出對這些模塊強(qiáng)烈影響。其中眾所周知是基因TNFRSF13C，它影響主動脈根部動脈粥樣硬化，支持B細(xì)胞相關(guān)基因網(wǎng)絡(luò)協(xié)同調(diào)控假說，而引起這種驅(qū)動的部分原因是該基因增加CHD風(fēng)險(xiǎn)。

研究對象超越傳統(tǒng)CHD相關(guān)的代謝物（例如，總的LDL/HDL-C或甘油三酯），針對更寬范圍內(nèi)代謝物水平的表征顯得日益重要，它有助理解CHD和相關(guān)代謝性疾病的病因。因?yàn)閯用}粥樣硬化斑塊本身是異質(zhì)的，由多種免疫細(xì)胞類型和各種脂肪、脂蛋白以及其它代謝物組成。因此，有必要研究代謝和遺傳變異及轉(zhuǎn)錄效應(yīng)?，F(xiàn)在因?yàn)橛辛?H NMR技術(shù)的進(jìn)步和高分辨率質(zhì)譜，這類分析已成為可能，可在大型隊(duì)列研究中常規(guī)測量數(shù)百種代謝產(chǎn)物。

5.新的數(shù)據(jù)源到疾病模型

除了遺傳，轉(zhuǎn)錄和代謝數(shù)據(jù)，另一個信息豐富的來源是微生物，人的身體內(nèi)居住著微生物群落，它們越來越被認(rèn)為是肥胖和動脈粥樣硬化的重要因素。最近的證據(jù)指向口腔病原體如鏈球菌引起的炎癥過程可能造成動脈粥樣硬化斑塊。此外，特定基因調(diào)控的腸道細(xì)菌群落，在高脂肪/高蔗糖飲食的影響下，導(dǎo)致個體出現(xiàn)代謝下游效應(yīng)并最終面臨肥胖風(fēng)險(xiǎn)。許多表觀遺傳標(biāo)記被認(rèn)為是早期胚胎發(fā)育過程進(jìn)行復(fù)位；然而，某些表觀遺傳標(biāo)記仍可代間傳遞，并且標(biāo)記能自我修飾來應(yīng)對環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。CHD相關(guān)的一些后生效應(yīng)包括高半胱氨酸誘導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞甲基化，促進(jìn)動脈粥樣硬化，和非編碼RNA微小RNA-33調(diào)節(jié)膽固醇內(nèi)穩(wěn)態(tài)。進(jìn)一步大規(guī)模的研究將需要與其他數(shù)據(jù)源協(xié)作測定全基因組甲基化狀態(tài)和非編碼RNA的表達(dá)水平。

6.展望

除了新的生物變異源，許多研究沒有考慮的一個重要因素是時間：心臟和代謝性疾病的生物學(xué)過程是動態(tài)的，環(huán)境和遺傳效應(yīng)同時進(jìn)行一系列復(fù)雜的相互作用。CHD可能需要幾十年才有臨床表現(xiàn)，之前通常是亞臨床狀態(tài)。顯然，CHD的進(jìn)展，可以在不同階段由外部干預(yù)，如改變生活方式（飲食和運(yùn)動）和藥物如他汀類的應(yīng)用，使個體之間差異明顯。因此，為了更好地理解這些生物學(xué)過程，更大和更詳細(xì)的可復(fù)測性數(shù)據(jù)資料是必需的。為了補(bǔ)充時間動態(tài)，空間效應(yīng)即異質(zhì)性在整個組織中的表達(dá)需要被考慮。研究如果只考慮，種組織型（通常血液及其成分），將無法檢測到某些遺傳變異。因而需要采用多種組織類型的測定法，既能捕捉所有組織的協(xié)同反應(yīng)又能觀察特定組織的局部效應(yīng)。這種努力之一就是出現(xiàn)了基因型與組織表達(dá)（genotype-tissue expression，GTEx）項(xiàng)目，目標(biāo)是在大量人體組織中廣泛搜索基因表達(dá)及其相關(guān)遺傳變異。

系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化方法不僅用來預(yù)測個體疾病風(fēng)險(xiǎn)和深入了解病理生理，而且可能影響藥物基因組學(xué)，即研究遺傳變異如何影響每一個人對藥物的反應(yīng)。藥物反應(yīng)和藥物代謝均可視為表型，現(xiàn)有的許多分析方法都是適用的。這將真正有利實(shí)現(xiàn)藥物的個體化，藥物能精確匹配到個體的基因組譜，實(shí)現(xiàn)藥效最大化和副作用最小化。至今，臨床應(yīng)用藥物基因組學(xué)方法是相當(dāng)有限的。目前應(yīng)用的是，一旦檢測到基因CYP2C19（在P450酶家族的一部分）有喪失功能的變異，就推薦行經(jīng)皮冠狀動脈介入治療（PCI）的急性冠狀動脈綜合征（ACS）患者使用抗血小板藥氯吡格雷，因?yàn)樵撨z傳變異對血小板活性產(chǎn)生不利影響，增加心血管事件風(fēng)險(xiǎn)。

促進(jìn)CHD遺傳因素的搜索和鑒定是非常重要的。因此，未來的重大挑戰(zhàn)是，首先，超大規(guī)模多中心合作的多組學(xué)樣本的收集，達(dá)到足夠強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)力量來檢測多個交互作用的CHD病因。其次，新的統(tǒng)計(jì)方法更有效地將不同的信息源集成到疾病的相干模型，并產(chǎn)生可以在動物模型和臨床試驗(yàn)中進(jìn)行測試的生物學(xué)假說。再則，嚴(yán)格的評估體系來評價特定模型的可靠性以及缺陷，以利于制造更精確完善的新模型。一旦成功應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，就能更深入了解CHD的病理生理，制定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和干預(yù)的新戰(zhàn)略，必定獲得較好的臨床效果。endprint