遺傳流行病學(xué)研究方法的進(jìn)展

譚奎璧（綜述），戴 勇（審校）

（深圳市人民醫(yī)院腎內(nèi)科，暨南大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，廣東深圳 518020）

遺傳流行病學(xué)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代，是由人類醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)和流行病學(xué)緊密結(jié)合形成的［1］。它運(yùn)用遺傳學(xué)方法和理論基礎(chǔ)，研究和分析人類群體中遺傳性疾病的流行學(xué)問題，著重辨析某些遺傳因素和環(huán)境因素在疾病發(fā)病中所起的不同作用，以及它們相互作用的后果，并為遺傳性疾病的群體監(jiān)控和預(yù)防制訂適當(dāng)?shù)膶Σ吆痛胧＝?jīng)過這幾十年的長足發(fā)展，遺傳流行病學(xué)在腫瘤、精神疾病、心血管病、糖尿病等復(fù)雜疾病領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，為疾病的病因診斷、個(gè)體化治療以及選擇性用藥等作出了重大貢獻(xiàn)。因此，選擇合適的研究方法，吸取先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來為遺傳流行病學(xué)服務(wù)，顯得格外重要。現(xiàn)主要介紹一些常見的遺傳流行病學(xué)研究方法以及全基因組關(guān)聯(lián)研究（genome-wide association study，GWAS）在遺傳流行病學(xué)中的應(yīng)用。

1 遺傳學(xué)在遺傳流行病學(xué)中的重要作用

遺傳流行病學(xué)是遺傳學(xué)和流行病學(xué)的結(jié)合，是近代對復(fù)雜疾病病因認(rèn)識的需要。作為遺傳流行病學(xué)的基礎(chǔ)，不管是現(xiàn)在還是將來，遺傳學(xué)和流行病學(xué)將會通過以下幾個(gè)交互作用點(diǎn)更加緊密地聯(lián)系在一起:①遺傳學(xué)在判斷遺傳性疾病中可以發(fā)揮重要作用;②遺傳學(xué)對分析研究設(shè)計(jì)有一定的影響;③利用全基因組數(shù)據(jù)可以有效地克服由選擇性偏差所造成的人群混雜誤差;④遺傳學(xué)是重要的流行病學(xué)調(diào)查工具;⑤流行病學(xué)可以收集足夠的顯型樣本用來遺傳學(xué)研究;⑥流行病學(xué)有助于解開基因變異與臨床和治療的相關(guān)性［2］。由此可見，充分地利用遺傳學(xué)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和手段，并將其與流行病學(xué)有效地結(jié)合，可以讓遺傳流行病學(xué)得到更好的發(fā)展。

2 遺傳流行病學(xué)的主要研究方法

遺傳流行病學(xué)主要研究環(huán)境與遺傳因素及其交互作用在疾病發(fā)生中的作用。近些年，遺傳流行病學(xué)已經(jīng)分為兩個(gè)分支:宏觀遺傳流行病學(xué)和微觀遺傳流行病學(xué)。

2．1 宏觀遺傳流行病學(xué)宏觀遺傳流行病學(xué)主要研究家系和群體的資料，可以用來探明疾病有無家族聚集性。包括代與代之間，同胞之間兩水平的研究。

2．1．1 家系研究 家系研究即家族聚集性研究，家族聚集性現(xiàn)象間接反映了遺傳因素的存在，包括病例對照和定群研究。其判斷標(biāo)準(zhǔn)如下:①患者親屬的患病率或發(fā)病率高于對照親屬或普通人群;②有家族史患者親屬的發(fā)病率高于隨機(jī)人群患者親屬;③與患者血緣關(guān)系越近發(fā)病率越高;④數(shù)量性親屬對之間的相關(guān)性大于非親屬對［3］。劉卓等［4］在家系研究的基礎(chǔ)上，對30個(gè)候選基因進(jìn)行了病例對照研究，提示KCNJ11基因是中國漢族2型糖尿病的易感基因之一。

2．1．2 群體研究 遺傳流行病學(xué)的群體研究是指對一定人群進(jìn)行某病發(fā)生頻率及特點(diǎn)的研究，是在積累個(gè)體資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討群體中遺傳性疾病的發(fā)生、分布和流行的特點(diǎn)。研究發(fā)病率在時(shí)間、地點(diǎn)、胎次等的變化，以及比較疾病易感基因在病例與對照分布的關(guān)聯(lián)研究都屬于群體研究的范圍。單晶等［5］采用了人群為基礎(chǔ)的病例對照家系設(shè)計(jì)和病例對照設(shè)計(jì)，分別研究了有關(guān)基因多態(tài)性與家庭乙型病毒性肝炎表面抗原陽性者聚集和乙型肝炎病毒感染不同結(jié)局的關(guān)系，并分析了基因-環(huán)境交互在慢性乙型病毒性肝炎發(fā)生中的作用。

2．1．3 雙生子和養(yǎng)子研究 雙生子研究是指主要通過調(diào)查，利用雙生子資料來研究某些疾病或性狀中遺傳和環(huán)境因素相互作用的程度。使單卵雙生子在不同環(huán)境中發(fā)育成長，可以研究不同環(huán)境因素對表型的影響。而使異卵雙生子處于相同的環(huán)境中，又可以研究不同基因型的表型效應(yīng)。

養(yǎng)子研究用于探討遺傳與環(huán)境對疾病發(fā)生的影響。通過比較患病養(yǎng)子的血緣親屬和非血緣親屬的患病率，或比較患病養(yǎng)子和未患病養(yǎng)子的血緣親屬的患病率來證實(shí)遺傳因素的存在，適用于行為和精神性狀的遺傳學(xué)分析。

2．2 微觀遺傳流行病學(xué) 微觀遺傳流行病學(xué)即細(xì)胞及分子水平的遺傳流行病學(xué)，主要應(yīng)用分子遺傳學(xué)的方法，在基因水平進(jìn)一步分析從群體和家系資料得到的結(jié)果，提供證據(jù)。

2．2．1 分離分析 分離分析是醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)上經(jīng)典的分析方法，以孟德爾的分離定律為理論基礎(chǔ)，主要通過家系調(diào)查對基因的分離行為進(jìn)行遺傳學(xué)分析，借助分離分析可以確定某一性狀或遺傳病的遺傳方式。在分析單基因遺傳的顯性形狀和隱性形狀時(shí)，應(yīng)用分離分析可以消除調(diào)查中的抽樣誤差或系統(tǒng)誤差。但對于那些復(fù)雜病因不明的多基因或多因素疾病，則不能單獨(dú)運(yùn)用分離分析進(jìn)行研究。

2．2．2 連鎖分析 連鎖分析即基于家系研究，觀察遺傳標(biāo)記等位基因和假定的遺傳性狀是否發(fā)生共分離來進(jìn)行遺傳分析的一種方法。連鎖分析是利用連鎖的原理研究致病基因與遺傳標(biāo)記位點(diǎn)的關(guān)系的。根據(jù)孟德爾分離率，如果同一染色體上的位點(diǎn)不連鎖，那么遺傳標(biāo)記將獨(dú)立于致病基因而分離，與致病基因位于同一單倍體或不同單倍體的機(jī)會各占一半，否則表明連鎖的存在。連鎖與減數(shù)分裂期間兩個(gè)染色體位點(diǎn)重組的概率有關(guān)［6］，當(dāng)兩個(gè)基因位點(diǎn)離得很遠(yuǎn)時(shí)，各有50%的概率發(fā)生交叉和重組，當(dāng)兩個(gè)位點(diǎn)離得很近或相連時(shí)，重組的概率會降低或很少發(fā)生。如今用于連鎖分析最典型的遺傳標(biāo)記是單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)。

3 遺傳流行病學(xué)研究的新方法——全基因組關(guān)聯(lián)研究

全基因組關(guān)聯(lián)研究（genome-wide aqssociation studies，GWAS）是指在全基因組層面上，開展多中心、大樣本、反復(fù)驗(yàn)證的基因與疾病的關(guān)聯(lián)研究，全面揭示疾病發(fā)生、發(fā)展與治療相關(guān)的遺傳基因。因此，GWAS也屬于微觀遺傳流行病學(xué)的研究方法的范疇。

在單核苷酸多態(tài)性成功分型以前，人們都是利用微衛(wèi)星來進(jìn)行遺傳學(xué)研究的。王劍青等［7］通過研究COL4A5基因連鎖的12個(gè)微衛(wèi)星遺傳標(biāo)志擴(kuò)增后形成的單倍體圖，對一個(gè)遺傳性腎炎綜合征家系進(jìn)行治病基因的排除定位，得到了遺傳性腎炎綜合征并非是通過X染色體連鎖的方式遺傳，而可能是常染色體上基因突變致病的結(jié)論。

在人類基因組計(jì)劃與人類基因組單體型圖計(jì)劃圓滿完成后，單核苷酸多態(tài)性成為第3代遺傳標(biāo)志，高密度的單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)，為GWAS提供了可能。Hom等［8］運(yùn)用GWAS進(jìn)行病例對照研究，在具有歐洲血統(tǒng)的北美人群中找到了兩個(gè)關(guān)于系統(tǒng)性紅斑狼瘡的易感基因位點(diǎn):8號染色體開放讀碼框13-B淋巴細(xì)胞酪氨酸激酶和α-整合素M-α-整合素X。

4 遺傳流行病學(xué)在復(fù)雜疾病中的應(yīng)用

復(fù)雜疾病也被稱為多基因遺傳病，是指由多個(gè)微效應(yīng)基因的累加效應(yīng)結(jié)合環(huán)境因素共同作用所導(dǎo)致的疾病。大多數(shù)人類常見疾病都屬于復(fù)雜疾病，如糖尿病、冠心病、銀屑病、精神分裂癥、阿爾茨海默病等。因其具有患病率高，發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，難以治愈等特點(diǎn)，一直是困擾醫(yī)學(xué)界的難題。

Sladek等［9］利用GWAS方法在法國人的病例對照同期群組研究中測試了329 935個(gè)單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)，找到了4個(gè)新的與2型糖尿病相關(guān)的易感基因位點(diǎn):TCF7L2、SLC30A8、胰島素降解酶-驅(qū)動蛋白家族成員11-造血細(xì)胞特異表達(dá)同源盒 和 EXT2-ALX4。隨后，Barrett等［10］也找到了 40多個(gè)與 1型糖尿病相關(guān)的易感基因位點(diǎn)。我國的GWAS研究雖然起步較晚，但如今也在慢慢興起。2009年初，Zhang等［11］研究者率先完成了對漢族人銀屑病易感基因GWAS的研究，成功發(fā)現(xiàn)了其易感基因:非免疫相關(guān)基因晚期角化包膜。隨后順利完成了系統(tǒng)性紅斑狼瘡［12］、麻風(fēng)［13］、白癜風(fēng)、食管癌易感基因 GWAS的研究，成功發(fā)現(xiàn)了幾十種與漢族人相關(guān)這些復(fù)雜疾病的易感基因。

5 關(guān)于遺傳流行病學(xué)今后發(fā)展的設(shè)想和建議

遺傳流行病學(xué)在復(fù)雜疾病領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對疾病的病因診斷、個(gè)體化治療以及選擇性用藥等也有著積極的作用。但其今后的發(fā)展依然面臨著巨大的挑戰(zhàn):①進(jìn)行遺傳流行病學(xué)研究需要多中心、大樣本、反復(fù)驗(yàn)證，想要進(jìn)行大樣本研究的相互重復(fù)，數(shù)據(jù)共享是必由之路［14］。未來的遺傳流行病學(xué)研究應(yīng)該建立一個(gè)專門的數(shù)據(jù)平臺，收集全球的研究結(jié)果與相關(guān)數(shù)據(jù)，還需多中心、多學(xué)科（臨床醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)、流行病學(xué)、分子生物學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等）的各位專家相互協(xié)作［15］。②目前大多數(shù)的遺傳流行病學(xué)研究還停留在基因水平——易感基因的找尋和確定上。如何將研究成果應(yīng)用于臨床，進(jìn)行基因診斷和靶向治療，研制出相關(guān)的基因靶向藥物是今后關(guān)注的重點(diǎn)。③GWAS始終面臨著人群遺傳結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的假陽性結(jié)果問題。亞洲人群歷史悠久，其形成是一個(gè)群體分化、群體接觸、交流、聯(lián)結(jié)和融合的復(fù)雜過程。全面解析亞洲人群的遺傳結(jié)構(gòu)、量化個(gè)地區(qū)人群的遺傳差異以及充分了解亞洲人群遺傳結(jié)構(gòu)對GWAS的影響程度，是合理設(shè)計(jì)的前提，也是保證GWAS結(jié)果可靠的必要條件。④目前的遺傳流行病學(xué)研究多數(shù)集中在常見疾病的研究階段，對于那些具有遺傳易感性罕見性疾病（如兒童腦腫瘤［16］），應(yīng)該在以后的工作中給予更多的關(guān)注。⑤在遺傳流行病學(xué)研究中，還應(yīng)進(jìn)一步闡釋基因-基因、基因-環(huán)境之間的相互作用以及它們對疾病的發(fā)展變化所起的作用。

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［15］王蕾．專訪安醫(yī)大校長張學(xué)軍:用最先進(jìn)的方法趕超國際水平［EB/OL］．（2010-11-25）．http://www．ebiotrade．com/newsf/201011/20101124102838107．html．

［16］Andersson U，McKean-Cowdin R，Hjalmars U，etal．Genetic variants in association studies——review of strengths and weaknesses in study design and current knowledge of impact on cancer risk［J］．Acta Oncol，2009，48（7）:948-954．