基于生物信息学方法的阿尔茨海默病相关遗传变异研究

发布时间：2020-04-19 01:34

【摘要】：阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一种常见的神经系统退行性疾病。随着世界及我国人口日趋老龄化,AD困扰着我国数百万家庭,因此针对AD的基础与应用研究具有重要的意义。近年来,随着高通量基因芯片及基因组测序技术的发展,对AD遗传影响因素的研究日益深入,然而72%的AD遗传因素仍然未知,目前尚无有效的药物治疗AD,因此,深入探寻疾病相关的遗传因素和可控环境因素,可为AD风险评估和早期诊断提供理论依据。本文基于生物信息学方法,分析了基因组、转录组、影像学、病理学、社会环境、生理环境等多组学数据。在遗传因素研究方面,深入研究了AD相关的遗传变异显著富集的生物学通路、不同人群间的遗传异质性、调控的靶基因及其对病理特征的影响。在环境因素研究方面,深入研究了AD相关的社会和生理环境因素。针对72%的AD遗传因素未知这一研究现状,本文提出样本量增大有助于发现AD潜在遗传因素的观点。为验证这一观点,本文基于大样本量的GWAS数据和599个非独立的AD遗传变异(P5.00E-08)为研究对象,识别了AD相关的生物学通路,进一步发现了免疫、脂类代谢生物学通路与AD的相关性、5个细菌及病毒感染相关的生物学通路与AD的相关性,其中包含Herpes simplex infection(单纯疱疹病毒,hsa05168)、Tuberculosis(肺结核,hsa05152)、Epstein-Barr virus infection(Epstein-Barr病毒,hsa05169)、Staphylococcus aureus infection(金黄色葡萄球菌,hsa05150)、Influenza A(A型流感病毒,hsa05164)。以上研究发现为深入理解AD发病机制提供了新的思路。针对全基因组关联分析识别的AD遗传变异全部位于基因组的非编码区且其功能未知现状,本文提出一种假设,即位于基因组非编码区的AD遗传变异通过调控靶基因的表达来行使其生物功能、影响AD病理特征。为验证这一假设,本文从599个非独立的AD遗传变异中选取22个独立的AD遗传变异,首先对22个AD遗传变异进行表观遗传学功能预测分析,发现AD遗传变异在外周血中激活。在此基础上,基于全基因组关联分析的22个AD遗传变异中,11个AD遗传变异(rs35349669、rs6733839、rs10948363、rs11771145、rs2718058、rs28834970、rs2373115、rs983392、rs10498633、rs6656401、rs190982)在外周血中显著调控靶基因表达、5个遗传变异(rs6656401、rs1476679、rs9331896、rs10838725、rs7274581)在认知正常个体脑组织中显著调控靶基因表达、2个遗传变异(rs6656401和rs2373115)在认知障碍个体脑组织中显著调控靶基因表达。基于病理学数据研究,发现仅rs190982变异对认知功能有显著影响。以上结果表明,AD遗传变异倾向于在外周血中调控靶基因表达,为深入理解疾病的致病机制提供了新线索。针对AD相关遗传变异在中国人群和欧美人群中存在不一致性的问题,本文从22个独立的AD遗传变异中选取rs3851179、rs3865444、rs2373115、rs11767557变异,通过大量的文献检索和大样本数据分析,评估上述AD相关遗传变异在中国人群中的AD易感性,同时比较其在中国人群和欧美人群中的遗传差异,发现rs3851179变异在中国人群中和AD显著相关、在中国人群和欧美人群中不存在群体遗传差异,而rs3865444、rs2373115、rs11767557变异在中国人群中与AD无显著关联、且在中国人群和欧美人群中存在群体遗传差异。基于以上发现,可以得出群体遗传异质性是引起中国AD候选基因研究结果不一致的主要原因,为深入研究我国AD特异遗传变异提供了理论基础。针对AD是遗传因素和环境因素共同作用所引起这一假说,本文在以上遗传研究的基础上,进一步识别了影响AD的社会和生理环境因素。基于大样本全基因组关联研究数据和孟德尔随机化方法,评估了社会和生理环境因素(个体教育程度、血液中钙水平和维生素E水平)对AD的影响。研究发现,在一般人群中,个体受教育年限每增加4.2年、个体患AD风险减少大约35%;血钙水平每增加0.5-mg/dL、个体患AD风险减少大约44%;个体维生素E水平的高低与AD风险无显著因果关联。以上发现为AD可控风险因素的识别提供了新线索和新思路。综上,本文基于生物信息学方法,深入研究了AD相关的遗传因素和环境因素。在遗传因素方面,研究发现:AD遗传变异显著富集在免疫、脂类代谢、细菌及病毒感染通路中;AD遗传变异倾向于在外周血中调控靶基因表达;AD相关的遗传变异在中国和欧美人群中具有群体遗传差异性;在环境因素方面,研究发现较长的受教育年限和较高的血钙水平有助于减少个体罹患AD的风险。以上研究结果将为深入研究AD发病机制和早期预防提供坚实的理论基础。
【图文】：

序列,单核苷酸多态性

第 1 章绪论内外研究现状美人群 AD 遗传变异研究进展）GWAS 研究简介苷酸多态性（single nucleotide ploymorphism，SNP）主要是指苷酸的变异所引起的 DNA 序列多态性（如图 1-1 所示）[5]。变异中最常见的一种。占所有已知多态位点的 90%以上[5]。SN广泛存在，平均每 500-1000 个碱基对中就有 1 个，人类 30 亿0 万个甚至更多的 SNP[5]。因此，SNP 成为第三代遗传标志，人对药物或疾病的易感性等都可能和 SNP 有关[5]。将 SNP 确立物是人类基因组计划走向应用的重要步骤。SNP 将提供一个强于高危群体的发现、疾病相关基因的鉴定、药物的设计和测试研究等。SNP 被称为“第三代 DNA 遗传标记”，，被认为是应用记物。

欧美人,全基因组

图 1-2 全基因组关联研究Fig.1-2 Genome-wide association study（2）欧美人群 AD GWAS 研究AD 发病和个体的年龄呈正相关，同时遗传、环境、生活方式等也会影响AD，是 AD 的重要的风险因子[2]。早期的连锁分析发现早发家族性 AD 的风险基因 APP、PSEN1、PSEN2。ApoE 蛋白（载脂蛋白 E）是一种参与胆固醇代谢运输的蛋白质，其编码基因 ApoE 具有三个主要的等位基因：ApoE2、ApoE3 和ApoE4[1]。已有研究表明，ApoE4 是 AD 最大的已知遗传风险。研究证实 65%的AD 患者均携带 ApoE4 的等位基因[1, 8]。为了识别更多未知的 AD 风险因素，近年来，有关于 AD 的 GWAS 研究逐渐兴起，如图 1-3 所示。2007 年，一项来自欧洲的 AD GWAS 发现了 GAB2 基因上的 rs2373115 变异G 等位和 AD 显著相关(P=9.0E-11, OR=4.06, 95% CI 2.81-14.69)[9]。2009 年，英国和法国的研究人员对两万人的基因组 SNP 数据进行了分析，发现了 CR1 基因rs6656401 变异，CLU 基因 rs11136000 变异，以及 PICALM 基因 rs3851179 变异和 AD 显著相关[10-11]。2011 年，来自 44 所美国大学和研究机构的科研人员收集了大约共计 5.4 万个体的遗传数据，发现了 4 个和 AD 显著相关的新基因，分别
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R749.16;Q811.4

【参考文献】