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骨质疏松症(Osteoporosis)是以骨量降低、骨组织微结构破坏以及骨脆性增加为主要特征的慢性骨代谢疾病。肥胖症(Obesity)是一种以体脂过多积累和(或)分布异常为特征的慢性代谢性疾病。这两种疾病的发生均主要由遗传引起,且其遗传机理相关。然而,目前对它们各自和共同的遗传机理的认识仍比较匮乏,亟需进一步的研究。本论文以鉴定肥胖症和骨质疏松症各自遗传关联位点以及多效易感位点为目标,开展了三个部分的研究。第一章研究目的本章研究旨在鉴定与不同骨骼部位骨密度(Bone mineral density,BMD)共同的遗传易感位点,并探究候选基因在骨质疏松症发生发展中的作用模式。研究方法本章研究使用最近开发的统计方法MTAG,以不同骨骼部位BMD为研究表型,结合以下两项大型GWAS研究进行联合分析:1)来自UKB足跟BMD的单个GWAS研究(N=142 487);2)来自 GEFOS 全身 BMD 的 GWAS meta 分析研究(N=66 628),鉴定与表型显著相关的易感位点。然后通过功能富集分析,对每个SNP进行基因组特征注释,通过SMR和DEPICT分析筛选出与疾病相关的候选基因。最后构建候选基因过表达稳转株,进行实时荧光定量PCR,探索基因对骨生物标志物表达水平的影响。研究结果本研究在全基因组显著性水平(α=5.0×10-8)上鉴定了 18个与BMD关联的新位点,分别解释了 0.43%和0.60%的足跟和全身BMD遗传力。所鉴定的大多数代表SNP或其邻近SNP具有cis-eQTL活性。可信风险变异(Credible risk variant,CRV)在转录因子结合位点(p=3.58×10-4)和编码区(p=5.71×10-4)富集。通过SMR和DEPICT分析,在新鉴定的位点上筛选出了 56个候选基因。我们选择SCMH1基因在小鼠成骨细胞中过表达,观察其对骨标志物表达的影响。结果显示,在SCMH1基因过表达的小鼠成骨细胞MC3T3-E1中,五种骨生物标志物(ALP,COL-1,OCN,OPN和RUNX2)的表达水平显著上调,表明其在骨形成中具有重要的调节作用。结论通过对两个大规模GWAS研究和meta分析的汇总统计量进行联合分析,我们鉴定了 18个与BMD相关的新位点,并筛选了多个候选基因。本研究可为进一步明确骨质疏松症的遗传机制提供新的科学基础。第二章研究目的通过高效的GWAS分析方法鉴定与腹型肥胖症关联的易感位点,并探究变异位点的功能机制。研究方法以躯干肌肉量校正的躯干脂肪量(Trunk fat mass adjusted by trunk lean mass,TFMadj)为研究性状,在来自6个样本的11 569名参与者中进行全基因组遗传关联meta分析(GWAS meta-analysis),鉴定与腹型肥胖症关联的易感位点,并在来自UKB和GIANT的三个大型研究样本中进行重复验证。然后进行cis-eQTL分析,结合体外双荧光素酶报告基因和凝胶电泳迁移实验,研究遗传变异对肥胖相关基因表达的影响。最后进行人类基因差异化表达分析,探索基因在肥胖和正常人群中的表达差异。研究结果GWAS meta分析鉴定了一个位于1p21的独立SNP rs12409479(MAF=0.07,p=7.26×10-10),并在UKB 的 TFM 性状中验证成功(N=331 093,单侧 p=3.39×10-3),在 GIANT 体重指数(Body mass index,BMI)(N=61 506,单侧 p=0.03)以及经过BMI 校正的腰臀比(Waist-hip ratio adjusted by BMI,WHRadj)(N=1 10 204,单侧 p=0.04)的汇总统计量(Summary statistics)中交叉验证成功。包含rs12409479的区域位于基因PTBP2上游386kb处。双荧光素酶报告基因分析结果显示这一区域可通过下调PTBP2启动子活性来抑制基因表达(p<0.001),且等位基因A的荧光活性比等位基因G高(p=4.15×10-3)。凝胶电泳迁移实验表明等位基因A 比等位基因G更能结合未知的转录因子。最后,基因差异化表达分析结果显示,PTBP2在肥胖症患者中的表达要比在不患肥胖症的人中表达更高(N=20和11,p=0.04和9.22×10-3),表明PTBP2对肥胖症的发生发展可能具有调控作用。结论通过GWAS分析及一系列的功能分析/实验,我们鉴定了位于1p21的独立SNP rs124094 79,并发现了rs12409479可能通过等位基因特异性调节PTBP2基因表达从而影响躯干脂肪量。我们的研究可为探明腹型肥胖症的遗传机理提供新的思路。第三章研究目的本章研究旨在鉴定与肥胖症和骨质疏松症同时关联的多效易感位点,并探究所鉴定的遗传变异在两种疾病发生发展中的功能机制。研究方法本章研究以TFMadj和股骨颈BMD(Femoral neck BMD,FNK-BMD)为研究性状,分为两个部分。第一部分在包含5 969名参与者的弗雷明汉心脏研究样本(Framingham Heart Study,FHS)中开展双变量 GWAS 研究,鉴定与 TFMadj 和FNK-BMD关联的多效易感位点。在三个内部样本和来自UKB的大型外部研究样本中进行重复验证。最后通过访问Heploreg网站,对变异进行功能注释。第二部分在来自6个样本的11 496名参与者中进行GWAS meta分析,鉴定与骨质疏松症和腹型肥胖症同时关联的易感位点,并在UKB样本中进行重复验证。最后,结合cis-eQTL分析和双荧光素酶报告基因分析,探索遗传变异对易感基因的调控作用。研究结果第一部分:通过双变量GWAS分析,在建议显著性水平上(α=1.0×10-6)鉴定了8个与FNK-BMD和TFMadj关联的多效位点,其中位于18p1 1的稀有变异rs 78202598(MAF=1%,p=6.62×10-7)在三个小型内部样本(p=7.0×10-3)以及UKB样本中(pBMD=3.0×10-3,pTFM=0.91)验证成功。功能注释结果显示rs 78202598在H1源性的间充质干细胞和脂肪细胞核中具有启动子活性。第二部分:通过双变量GWAS meta分析鉴定了 18个多效位点,其中两个新的多效位点:12q15(rs73134637,p=3.45×10-7)和 10p14(rs11254759,p=9.49×10-7),并在UKB样本中验证成功。Cis-eQTL分析显示,rs73134637等位基因C在全血组织中可正向调控IFNG基因的表达,而在内脏脂肪组织(N=313,p=0.04)和淋巴母细胞(N=117,p=0.03)中,PRKCQ基因是rs11254759的eQTL效应靶基因,等位基因A可负向调控基因表达水平。双荧光素酶报告基因分析结果显示包含rs11254759的区域可通过等位基因特异性调控PRKCQ基因的表达(p<0.05),进而可能参与两种疾病的发生。结论通过在FHS样本中进行双变量GWAS分析和在6个独立样本中进行GWAS meta分析,我们鉴定了 18个与FNK-BMD和TFMadj同时关联的多效位点,并研究了易感变异在表型调控中的作用。本研究结果可为进一步了解骨质疏松症和肥胖症之间的遗传关联提供帮助。