肾脏疾病遗传学ppt课件

肾脏疾病 分子遗传学 张 宏 北京大学第一医院肾内科 北京大学肾脏疾病研究所 人 类 的 染 色 体 人类基因组计划 1953 James Watson and Francis Crick discover the double helical structure of DNA (Nature). 2001 The HGP consortium publishes its working draft in Nature (15 February), and Celera publishes its draft in Science (16 February). 人类基因组计划 基因组医学 （Genomic Medicine) 成为医学研究的主流 诊断 治疗 预防 环境因素 遗传因素 致病基因 相关基因 易感基因 疾病的发生发展 基因病 单基因病多基因病获得性基因病 基因病 经典 孟德尔 遗传病 多基因 多因素 疾病 遗传性疾病 先天性疾病 遗传性疾病 家族性疾病 经典遗传病 - Mendelian Traits 常染色体显性遗传 常染色体隐性遗传 性染色体遗传 符合垂直传递、先天性和家族性特点 由单基因的变异或突变所致 非经典遗传病 -Complex Traits 基因以及基因与环境因素的 相互作用影响疾病的发生、 发展、治疗反应和预后 涉及一个以上的致病易感基因 发病机理十分复杂 GENETIC SYMBOLS GENETIC SYMBOLS 家 系 谱 图 例 男女发病机率相等 父、母有一方患病，子女获得疾病基因的可能 性为50，基因携带者必发病 非患病的子女不携带致病基因，其子女（孙代） 不会发病，亦即不会隔代遗传。 常染色体显性遗传 父母双方均携带遗传基因才有可能使子女发病（发病率为25 ，基因传递率为50） 父母本身均不患病，可能发现患者的父母是血缘性婚配 常染色体隐性遗传 遗传与性别有关 父患病，将致病基因传给女儿，儿子不会患病 XXXY XX XY XY XX XY 性染色体显性遗传 肾脏遗传性疾病 遗传性肾小球疾病 遗传性肾小管疾病 遗传性囊性疾病 染色体异常性疾病 遗传性肾脏疾病分类（1） 肾小球损害为主要或唯一表现 Alport 综合征 Xq22.3， 2q36-37 薄基底膜肾病 2q36-37，Xq22 先天性肾病综合征 19q13 家族性肾病综合征19q13; 11q21-22;1q25-31 家族性IgA肾病 6q22-23 遗传性肾脏疾病分类（1） 主要累及肾小球的遗传性疾病 Fabry 病 Xq21-22 甲髌综合征 9q34 肝纤维化伴肾小球病 糖原累积病 家族性脂蛋白肾病 遗传性肾脏疾病分类（2） 以肾小管/ 间质损害为主要表现 Bartter 综合征 Liddle 综合征 家族性间质性肾炎 特发性 Fanconi 综合征 . 遗传性肾脏疾病分类（3） 肾脏囊肿性疾病 成人型多囊肾病 PKD1(16p13.3) PKD2(4q21-23) PKD3? 婴儿型多囊肾病6p12, 13q12 髓质囊性病1q21 Bourneville氏病 Lindau氏病 Wilms瘤 . 遗传性肾脏疾病分类（4） 染色体异常型肾脏病 染色体三体 染色体缺失或重叠 肾脏不发育/发育不良 异位肾 结节状胚胎肾/分叶肾 集合管囊性扩张 肾胚胎细胞瘤 双肾盂或双输尿管 成人型多囊肾 Adult Polycystic Kidney Disease (APKD） 最常见的遗传性肾脏病 发病率：1：1000 中国有约有130万患者 肾功能受损 85%90%的患者4060岁进入ESRD 占ESRD患者的510% 肾脏 心脏 颅内动脉 结肠 肝脏 脾脏 胰腺 肾外表现 多器官受累 主要诊诊断标标准次要诊诊断标标准 3个以上液性囊肿弥漫分布在双侧肾 皮、 髓质 多囊肝 血缘亲 属中有明确的ADPKD患者肾功能不全 腹部疝 心脏瓣膜异常 胰腺囊肿 颅内动脉瘤 精囊囊肿 眼睑下垂 符合两项项主要诊诊断标标准和任意一项项次要诊诊断标标准就可诊诊断ADPKD ADPKD临床诊断标准 年龄龄囊肿肿数* 30岁以下患者单侧 或双侧至少有3个囊肿 3059岁患者双侧肾脏 至少各有2个囊肿 60岁以上患者双侧肾脏 至少各4个囊肿 * B超可发现 直径为 0.5-1 cm 的囊肿，增强CT和MRI可发现 直径为 0.3-0.5 cm 的囊肿 *如果同时具有其它ADPKD表现（如肝囊肿等），肾脏诊 断标准 可适当放宽 超诊断ADPKD的标准 直接诊断： 检测特定基因的存在和/或变异 间接诊断： 利用RFLP进行家系连锁分析 基因诊断的途径 ADPKD致病基因的特性 PKD1位于16p13.3 基因全长14.5 Kb PKD2位于 4q21 基因全长5.6 Kb Polycystin-1是作为一种膜蛋白受体，能够结合 并与多种蛋白、糖类和脂类相互作用，通过磷酸 化途径导致细胞内的各种反应；而Polycystin-2 是一种钙通透性通道 462 KD 110KD PKD 的基因诊断基础 PKD 症前、产前诊断必备条件 完整的家族史（家系图） 可靠的临床资料（影像学结果 ） 家系成员的外周血DNA 家系成员：至少有两代人 至少有两个以上 PKD 患者 至少有两个 30 岁的正常人 鉴别鉴别 要点ADPKDARPKDMCKDTSVHL 遗传 方式常染色体显性常染色体隐性常染色体显性常染色体显性常染色体显性 致病基因PKD1, PKD2 PKHD1MCKDTSC1、TSC2VHL 起病年龄成人儿童，成人少见儿童/成人成人/儿童罕见 肾脏 表现 肾脏 体积增大增大缩小正常或增大合并肿瘤时增大 血尿多为镜 下血尿偶发肉眼血尿罕见偶发，肾出血，肾肿 瘤患者 肾功能早期只有浓缩 功能下降， 成年后逐渐出现肾 功能 下降至终末肾衰 胎儿或婴幼儿期下 降，成活者25岁以 前70患者进入终 末期肾衰 20岁前进展到 尿毒症 一定程度受损 一定程度受损 肾外表现 多器官受累常见a 先天性肝硬化， 门脉高压 少见常见b常见c 主要并发症高血压，肾结 石肺发育不良，高血 压 多尿，贫血， ESRD 心律失常，皮损 ，脑力迟钝 视网膜、脑或肾肿 瘤，嗜铬细 胞瘤 囊肿癌变或并发无报道无报道罕见偶见常见 与ADPKD相鉴别的常见遗传性肾脏囊肿性疾病 ADPKD鉴别诊断思路 临床标准 （B超标准） 收集家系 绘制家系图 检索相关数据库 收集家系成员表型 已报告的疾病 尚未报告的疾病 OMIM: /omim GeneCard: http:/bioinfo.weizmann.ac.il/cards HGMD: http:/www.uwcm.ac.uk 单基因遗传病研究策略 经典遗传性肾脏疾病的研究进展 发现新的致病基因/位点 vNephrin,Podocin, vIGAN1,IGAN2, 已知致病基因的功能研究 vPolycystin1 Polycystin2 vNephrin,Podocin, 遗传异质性研究 v基因的突变筛查 v基因的突变与临床表型的关 系 基因诊断及遗传咨询 v症前、产前诊断 基因治疗 v替代治疗 非经典遗传病 -Complex Traits 基因以及基因与环境因素的 相互作用影响疾病的发生、 发展、治疗反应和预后 涉及一个以上的致病易感基因 发病机理十分复杂 IgAN遗传学研究 多因素、多基因疾病研究策略 IgA肾病是一种多基因遗传病 IgA肾病致病/易感基因未明 IgAN是一种多因素多基因复杂性状疾病 Gene Environment Distribution n1978年Tolkoff-Rubin等首先报道家族性IgA肾病 1984年英联邦3.8%IgAN有肾病家族史 1989年美国18%为家族性IgAN 1999年意大利北方家族性IgAN占14%肾病 2001年意大利北方50%的IgAN呈家族聚集 2002年本研究所8.7%的IgAN呈家族聚集 家族性IgA肾病的研究 家族性IgA肾病的定义 IgAN 患者至少3代亲属进行尿常规检查 散发性IgAN 是指患者所有亲属尿检均正常 家族性IgAN 是指患者家族中至少有两个经肾 活检证实的IgAN 患者 可疑家族性IgAN 是指患者亲属中有镜下血尿/蛋白 尿/无其他原因的肾衰竭患者 Nature Genetics 26, 354, 2000 MH 15.6% P 3% MH+P 4% 77.4% A MH+P 0.3% P 2% MH 2% 95.7% B F.P.Schena Kidney Int. 48, 1998 IgAN家族成员尿异常检出率研究 269/48 FAMILIES 8255 家系研究 (1988-2000) 家系（110) 散发性IgAN 54 家族性IgAN 19 可疑家族性 IgAN 37 F.P.Schena，JASN 2002 49%51% IgA 肾肾病（n=742） 病人 比率（%） IgAN 有家族史 668.8 家族性 101.3 可疑家族性 567.5 IgAN 无家族史 67691.2 家族性IgA肾病发生率 吕继成 张宏 王海燕等， 中华内科杂志 2003 I:2 II:1II:3II:4II:5II:6 III:1III:2 II:2 I:1 Pedigrees 46 (71.9%)of the 66 kindred was multiple generation involvement 18 (28.1%)of the 66 kindred was single generation involvement Pedigree I Pedigree II 研究策略 Linkage Study 家族性 IgA肾病 散发性 IgA肾病 Association Study 以家族性患者为研究对象，利用孟德尔遗传定律,通过遗传标志，建立数 学模型，进行基因定位。 以散发病人为研究对象，重点是多基因遗传病，根据发病机制，筛选候 选基因，通过病例对照研究，验证致病/易感基因。 Linkage Study 以家族性患者为研究对象，利用孟德尔遗传定律 ，通过遗传标志，建立数学模型，进行基因定位 。 家族性IgA肾病的基因定位 IgA nephropathy, the most common cause of glomerulonephritis, is linked to 6q22-23. Italy24 USA6 Total 30 Nature Genetics 26, 354, 2000 nChromosome6q 22-23 nIGAN1 locus(6.5 - cM) nD6S 1040LS 3.7 Italian 58% USA 66% China 3/8 Replication Study in Chinese l8 families 20 cM uD6S 25 markers Alpha: 0.5 P-value:0.005 l3 families linked to IGAN1 lReplication Lod: 1.7 lTotal Lod: 7.3 Physical map of IGAN1 No obvious candidate genes in 6.5 cM interval Genome Wide Scan SNPs coverage: average spacing 0.32 cM Microsatellite coverage: average spacing 9 cM 4q22 LOD=4.0 (5cM) Localization of a Novel Susceptibility Loci based on familial IgAN Canadian2q36 Italian4q22 Singapore7q33 Chinese 4q22 家系连锁分析中的问题 家系的大小 家系成员表型的确定 费用 精确定位 功能研究 Association Study 以散发病人为研究对象，重点是多基因遗传病，以散发病人为研究对象，重点是多基因遗传病， 根据发病机制，筛选候选基因，通过病例对照研根据发病机制，筛选候选基因，通过病例对照研 究，验证是否为致病究，验证是否为致病/ /易感基因。易感基因。 IgA肾病Environment 2 Environment 1 Gene 1 Gene 3 Gene 2 SexAgeWeight IgA肾病是多基因多因素复杂性状疾病 Genetic Association Study HLA-Bw35, HLA-DQB1 T-cell receptor (TCR) andchain ACE, ATR1 TGF1，THF,eNOS Uteroglobin IL-10, PAI-1, MCP-1, P-selectin, Megsin, NPHS1, IL-1Ra 文献中IgA肾病基因多态性研究涉及的主要候选基因和结果 样本量 （1000以上， P0.00001） 表型分型 侯选基因的选择 多基因交互作用与遗传统计学处理 相关分析中的主要问题 Holly k. Tabor, Nature Reviews Genetics 2002 候候 选选 基基 因因 疾病人群 对照人群 样本量 样本的均一性 Association Study Springer Semin Immunopathol 2003,24: 477-93 Kidney Int, 2004, 65: 1544-1547 J Am Soc Nephrol 2005, 16: 2088-2097 IgA或以IgA为主的免疫复合物 在肾小球系膜区沉积 （免疫病理） IgA 肾病 IgAN 发病机制研究进展 结合符合受体-配体反应 nJacalin亲和层析，热聚合IgA1 n放射配基法 n饱和性、特异性、剂量依赖性 患者与正常人血清IgA1 n患者IgA1的结合力更强 n患者IgA1刺激MHC增殖的效应更强 n患者IgA1刺激MHC分泌细胞外基质更多 Wang et al. Clin Exp Immunol 2004;6:168-175 王悦等。中国病理生理杂志 2002;18:1101-1104 王悦等。中华医学杂志 2002;82:1406-1409 王悦等。中国病理生理杂志 2004;20:1025-1029 IgA1 和HMC受体的结合 PEG6000 原始血清 正常人 轻系膜 增生硬化 上清 沉淀 Xu, et al. Clin Exp Immunol 2005;142:569-575 患者血清中IgA1分子存在糖基化缺陷 n上清中IgA1分子无糖基化缺陷 n沉淀中IgA1分子存在糖基化缺陷 不同病理类型存在差异 n增生硬化患者沉淀中IgA1分子唾液 酸和半乳糖均缺陷 n轻系膜患者只有半乳糖缺陷 糖基化缺陷的血清IgA1分子易于聚合成大分子 血清IgA1分子糖基化缺陷与病理类型相关 去除唾液酸和半乳糖的IgA1易形成多聚体 多聚体 n增加结合力，结合分子数/细胞 nFn分泌并未增加 单体 n失去特异性结合能力 Gao, et al. Clin Immunol submitted 单体和多聚体与HMC结合的特征不同 v107例IgA肾病患者血清IgA1分 子糖基化程度 n患者IgA1 的2,6唾液酸和 半乳糖显著低于正常人 n局灶增生硬化的IgA1糖基化 缺陷显著重于轻系膜 Xu LX et al. Kidney Int 2005;68:167-172 IgA1分子糖基化异常与IgA肾病病理类型的相关 Ding JX,et al. Clin Immunol 125 (2007) 268-274 v128例IgAN患者 随访8年 v根据血清-2,6唾液酸水平分组 n相对正常组(n=107)，平均随访4724月 n严重缺失组(n=21)，平均随访6322月 IgA1分子2,6唾液酸缺失与患者预后相关 vIgA肾病患者外周血B淋巴细胞 n ST6GALNAC2 mRNA 的表达较 正常对照降低 n 基因表达及酶的活性与外周血中 IgA1分子2,6-唾液酸水平呈正 相关 B淋巴细胞唾液酸转移酶的表达和活性下降 是患者低唾液酸的主要原因 Scandinavian Journal of Immunology. 2008, in press 2,3Sialic acid C1GALT1, C1GALT2 OGalNAc 1,3Gal a2,6Sialic acid Ser/Thr ST6GalNA IISIAL1(NEU1) 候选基因 研究对象 IgAN patients: 670 IgAN patients confirmed with by immunopathology Controls: 494 geography-matched GeneMarker name dbSNP nameRegionPositionAllelesMAF ST6GAL NAC2 ST6-SNP1novel5flanking-949G/A0.35 ST6-SNP2rs38408585flanking-410D/I0.063 ST6-SNP3rs18675615flanking-96G/C0.10 ST6-SNP4rs98901585flanking-17G/T0.083 ST6-SNP5rs124493295flanking-16C/T0.10 ST6-SNP6rs31359345UTR16C/G0.23 ST6-SNP7rs2304921Intron27104G/A0.13 ST6-SNP8rs3744054Intron615402C/T0.13 ST6-SNP9rs2241918Intron718279C/T0.083 ST6-SNP10rs22419193UTR19983T/C0.042 NEU1N-SNP1rs38691445flanking-476G/A0.083 N-SNP2novel5UTR92T/G0.083 N-SNP3 rs131183UTR3398T/A0.063 ST6GALNAC2和NEU1基因中的多态性位点及其特点 ST6GALNAC2基因单倍型与IgAN易感性的关联分析 1.36 (1.08-1.72)0.00690.19050.1465ADG 1.19 (0.61-2.33)0.87710.02140.0186GDC 1.04 (0.80-1.34)0.76540.12060.1252ADC 1.03 (0.78-1.37)0.71160.10890.1106AIG 0.79 (0.16-3.91)0.53630.00320.0043GIG 0.28 (0.04-2.12)0.11350.00210.0075AIC Reference0.14870.55340.5872GDG CaseControl Odds Ratio (95%CI) P value Frequency Haplotype Bonferroni校正：P 0.0071有统计学意义 HaplotypeHaplotype frequenciesr valueP value ADG0.17990.40820.003512 AIG0.1020-0.04750.7751 GDG0.12270.25400.1936 Rare0.0213-0.49150.001591 ADC0.5741haplotype base IgAN患者ST6GALNAC2基因单倍型与血清IgA1分子 2,6唾液酸水平的关系 HaplotypeHaplotype frequenciesr valueP value ADG0.17990.40820.003512 AIG0.1020-0.04750.7751 GDG0.12270.25400.1936 Rare0.0213-0.49150.001591 ADC0.5741haplotype base 经过eGFR及性别联合分析 ST6GALNAC2基因启动子区-1049至-935的 区域对于ST6GALNAC2基因的转录有明显 的正性作用 ADG单倍型较GDG单倍型有显著的低 转录启动活性 P=0.002 Zhu L, et al. Submitted ST6GALNAC2基因单倍型功能验证 ST6GALNAC2基因启动子区ADG单倍型为功 能性多态位点 调控2，6唾液酸转移酶表达 IgA1分子2，6唾液酸化 IgA肾病易感性 2,3Sialic acid C1GALT1, C1GALT2 OGalNAc 1,3Gal 2,62,6SialicSialic acid acid Ser/Thr ST6GalNA IISIAL1 -1,3半乳糖转移酶 的编码基因C1GALT1 的YATIG，YAGDA和 YATDG的单倍型与IgA 肾病的易感性相关 Li GS, et al. Kidney International 2007, 71:448-453 ST6GALNAC2 和C1GALT1 基因间的单倍型-单倍型交互作用 增加了IgA肾病患者的发病风险 Illustration for potential mechanism of the interactive effect of variants in C1GALT1 and ST6GALNAC2 on IgAN IgANIgAN