双生子研究对复杂性疾病致病机制的启示

发布日期:2014-02-18

何明光  郑颖丰       中山大学中山眼科中心

  许多影响人类健康的复杂性疾病(如近视、年龄相关性黄斑变性、青光眼、肥胖、高血压和糖尿病)都有明确的遗传倾向,但它们往往受多个基因和环境因素的共同作用和影响,其病因未明。这些复杂性疾病通常是致盲、致残、致死的首要原因,造成了沉重的社会和经济负担。

  近年来分子遗传学的高速发展使我们能够深入了解单基因疾病的遗传规律,但我们对人群中高发的各种复杂性状眼病的认识却停留在起步阶段。

  近年来分子遗传学的高速发展使我们能够深入了解单基因疾病的遗传规律,但我们对人群中高发的各种复杂性眼病的认识却停留在起步阶段。首先,单个致病基因突变在自然人群中只解释了极少的复杂性疾病风险。以青光眼为例,至今为止基于大家系的研究已发现数十个青光眼的致病基因/突变(包括了MYOC、WDR36、OPTN等),但这些突变在散发青光眼患者中只解释了3%~5%的致病风险。其次,基因和环境因素似乎都对复杂性疾病发挥着重要的作用。以单纯性近视为例,由中山眼科中心预防眼科在中国华南城市地区开展实施的以人群为基础的青少年大型流行病学调查显示:华人青少年在15岁时近视的患病率将近80%,显著高于居住在农村地区的同龄人群以及80年代的城市青少年人群的近视患病率,提示环境因素发挥着重要作用。另一方面,如果和其他种族人群比较,华人青少年的近视患病率也显著高于居住在澳大利亚和美国等城市地区的白种人和黑种人,间接提示了遗传因素的影响。目前认为,传统的研究方法难以明确揭示这些复杂性眼病的内在致病机制。

  因为双生子具有得天独厚的遗传相似性,在年龄、性别、宫内环境和儿童期生活环境上有天然的匹配,使其成为稀有的遗传学研究资源。双生子分为同卵双生子和异卵双生子两种,后者的遗传特性和表型仅有部分相同。这两种双生子可以通过判断外表、血型进行粗略鉴别,而DNA多态性卵型鉴定可以将鉴别准确度提高到接近100%。

  双生子可用于研究各种复杂性疾病的遗传背景。经典的双生子研究(classic twin study)认为同卵双生子间的基因100%相同,而异卵双生子仅有50%相同。与异卵双生子相比较,如果同卵双生子在某个性状上具有更高的相似性,则提示该性状具有遗传背景,并可以较为精确地估计疾病/性状的遗传度。经典双生子研究目前被广泛用于估算各种疾病的遗传度,是疾病是否受遗传因素影响的最有力证据。以广州市双生子登记系统为例,从2005年开始,我们在广州市通过人口资料和逐户家访,成功登记了9700对5~18岁双生子以及50岁以上双生子。这个双生子登记系统是世界上单一城市最大样本量的双生子登记系统之一,具有人群同质性好、居住集中、容易募集检查等优点,同时也是我国具有自主知识产权的可持续性的遗传研究资源。基于这个登记系统开展的《广州双生子眼病研究》(Guangzhou Twin Eye Study)从2006年开始为超过1200对双生子进行了表型和DNA采集,到目前为止已经进行了连续7年的年度追踪检查,收集大量珍贵的眼科和全身参数数据,所有的双生子均进行了DNA卵型鉴定,并对各种单纯性近视和青光眼的相关性状进行了遗传度估计。结果发现单纯近视相关性状包括等效球径、眼轴和角膜曲率的遗传度均接近90%,环境因素的影响则约为10%。同样,各种青光眼相关性状如眼压、视神经杯盘比、中央前方深度和房角宽度的遗传度也均达70%~90%,环境因素的作用占10%~30%。这些结果证实了单纯近视和青光眼发生过程中遗传和环境因素的共同作用效应,取得了国际性的影响,研究连续3年(2007~2009)在ARVO年会上进行大会发言,其中眼部疾病相关性状的遗传度研究成果多次发表于IOVS杂志。我们通过多变量变异组分模型,第一次证明了与闭角型青光眼相关的浅前房和窄房角与近视眼在遗传基础上存在部分共享,在这两种眼病的表型相关性中,至少1/4是由共同的遗传机制或者遗传基因所决定。该研究为了解闭角型青光眼和近视的内在共享遗传机制提供了重要的线索。

  双生子研究不但包括经典的双生子研究模式,也包括其他的遗传研究模式。例如,广州双生子眼病研究同时对青少年双生子的父母和同胞进行了眼科和全身检查,这是因为通过扩展双生子研究(extended twin design),可以明确亲代和子代之间的遗传效应以及环境因素传递关系。在扩展双生子研究中如果父母同时采集了DNA样本,有利于明确等位基因传递关系,提高易感基因和环境因素确定的检验效率。

  更重要的是,随着分子遗传学技术日新月异的发展,利用双生子研究寻找致病基因的新型遗传学方法应运而生。异卵双生子对因为其非遗传影响因素得到了天然的控制,被广泛应用于致病基因的连锁和关联定位研究。而同卵双生子对则是表观遗传学的重要研究对象:因为同卵双生子在DNA序列上一致,利用其表型差异可以研究DNA序列以外的可遗传物质所引起的影响;也可以构建临床随机对照研究了解个体特异环境、干预因素对疾病的影响。

  目前国际上分子基因技术日臻成熟,复杂性疾病的研究进入一个高通量和高技术含量时代。双生子研究的出现拓宽了基因技术的视野,丰富了基因资源。展望未来,基于双生子研究的基因学研究和生物信息技术无疑将继续为人类重大疾病的病因学研究带来新的契机和贡献。

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