疾病相关遗传位点的识别 PPT课件.ppt

2014级 生命科学综合 核心课程疾病相关遗传位点的识别DissectionTheGeneticLociOfDiseases 1 11个让你与众不同的 标签 DNA 指纹 脸部 步态 耳朵 眼睛 声音 气味 心跳 脑波 微生物组 2 Nowthisisnottheend Itisnoteventhebeginningoftheend Butitis perhaps theendofthebeginning WinstonChurchill 3 遗传变异 大爆炸初始的量子涟漪 4 疾病遗传学的范畴Germlinevariation inheritedordenovoCausalvariantsAssociatedorrelatedvariants risk Somaticmutation tumor TCR IgrepertoireEpigeneticregulation 5 一 如何识别疾病相关的遗传变异 6 完全由遗传决定的疾病基本由遗传决定 但需要环境诱因遗传和环境因素都起作用完全由环境因素决定 染色体病 单基因病复杂疾病 多基因病 三种类型遗传疾病的人群患病率 7 疾病相关遗传变异识别的要素 疾病表型的界定 定义 类型 机制样本类型及数量家系病例和对照研究策略遗传标记及分型方法分析和解读功能解释 8 一张肝功报告单引发的 不和谐 检验出错 肝炎后淤胆 肝硬化失代偿 抗病毒药物不良反应 治疗 Vs 不治疗 9 高间接胆红素血症的表型 新生儿核黄疸罕见病青少年或成年苯巴比妥治疗自限性表现常见病 10 UGT1A1基因变异类型决定遗传性高间接胆红素血症的表型 罕见 常见 11 疾病遗传学研究策略取决于变异遗传效应强度和变异的频率 ManolioTA etal Nature2009 461 747 753 基于候选基因的遗传关联研究基于全基因组范围的遗传关联研究 基于家系的连锁定位研究外显子组 全基因组直接测序 12 人类遗传变异染色体变化 数目 转位 重排 大片断插入 缺失多碱基变异微卫星 重复序列多等位HLA超过1100个等位单碱基变异 SNV SNP 双等位颠换transversion转换transition单碱基插入 缺失 indel 拷贝数变异 CNV 线粒体遗传变异 13 遗传标记的迅猛发展 从少到多 从稀到密 14 宇宙微波背景辐射 疾病遗传学的研究思维 从现在推测过去 从存在推测起源 15 基于疾病家系的连锁分析 16 基于散在人群的遗传关联研究人类基因组的连锁不平衡结构影响疾病的位点显示关联信号 17 二 经典文献导读 18 RemeoS KozlitinaJ XingC etal GeneticvariationinPNPLA3conferssusceptibilitytononalcoholicfattyliverdisease NatGenet2008 40 12 1461 1465非酒精性脂肪性肝病Molho PessachV RiosJJ XingC etal Homozygositymappingidentifiesabileacidbiosyntheticdefectinanadultwithcirrhosisofunkownetiology Hepatology 2012 55 4 1139 1145胆酸合成缺陷性肝硬化 19 1 常见复杂疾病的GWAS研究范例 常见复杂疾病高血压 糖尿病 痛风 神经精神系统疾病 肿瘤 感染 RemeoS KozlitinaJ XingC etal GeneticvariationinPNPLA3conferssusceptibilitytononalcoholicfattyliverdisease NatGenet2008 40 12 1461 1465非酒精性脂肪性肝病 20 常见复杂疾病慢性病多基因病复杂性状多基因性状定量性状定性性状基因 基因相互作用基因 环境相互作用年龄 性别修饰生活 行为方式饮食 营养 21 过去 大海捞针 局部信息现在 一网打尽 整体认识 科学思维 GPS全球卫星定位 22 科学假说 人类基因组的连锁不平衡结构大样本人群全基因组范围捕获疾病的位点的关联信号 23 MaterialsandMethodsUniversityofTexasSouthwesternMedicalCenter发现队列 TheDallasHeartStudy 3551名研究对象 欧裔 非裔 西班牙裔 临床资料 血压 BMI 饮酒量 空腹血糖 血生化指标专项检测 2240人还检测了肝脏甘油三酯含量 1H MRS 遗传标记及分型 全基因组范围12138个非同义SNPs PerlegenSNP芯片分型验证队列 AtherosclerosisRiskinCommunitiesStudy ARIC n 14821 验证队列rs738409分型 MGB TaqMan方法关联基因PNPLA3的人群变异负载观察 PCR 毛细管测序 24 PNPLA3变异影响肝细胞脂肪量和脂肪性肝炎 rs738409CGI148M PNPLA3编码蛋白为481个氨基酸 属于patatin like磷脂酶家族 具体功能不清楚Patatin是土豆的富含蛋白 表现出非特异脂酰基水解酶活性 25 26 rs738409CG I148M PNPLA3rs738409 G 等位与肝脏脂肪含量相关 与糖 脂代谢异常无关 27 rs6006460GTS453I 三个无效变异个体均在高脂肪含量组 表明PNPLA3失功能变异导致脂肪含量升高 在非裔中找到另一个PNPLA3基因的获功能变异rs6006460 S453I 与肝脂肪量相关 28 PNPLA3功能变异的频率可以解释不同人群脂肪肝发病率AfricanAmericans24 EuropeanAmericans33 Hispanics45 Loss Gain 不同祖先人群肝脂肪量差异的72 可归因于I148M和S453I变异 29 本研究的亮点创新性 肝细胞脂肪量GWAS PNPLA3决定性位点重要性 发现决定肝细胞脂肪量的因素独立于血脂 BMI 糖尿病发现了新的脂肪肝机制和靶点 PNPLA3途径 两个独立的遗传变异 Gain和Loss人群变异频率反映了人群发病率的高低与脂肪性肝损伤的关联艰巨性 大样本人群 n 3383 独立样本验证 ARIC 氢谱核磁共振方法测定了肝细胞脂肪量 n 2240 30 本研究的不足SNP标记覆盖度不高12138nsSNPs分型 最终9229个参与分析漏掉了调控区SNPs CNVs 潜在的新基因 miRNA区域关联区域的连锁不平衡结构没有分析未进行第二轮独立验证ARIC人群为验证人群 仅验证了其他指标如BMI 血脂等ARIC人群缺肝细胞脂肪量数据 阳性性状缺独立样本验证功能证据未检测不同基因型PNPLA3的酶活性 组织或细胞水平 31 Diabetes2009 58 11 2616 23肝脂肪含量 德国 JBiolChem2010 285 9 6706 15I148M变异阻碍甘油三酯水解 作者团队 PNAS2010 107 17 7892 7PNPLA3的SREBP 1c正反馈转录调节 作者团队 Hepatology2010 52 3 904 12成人NFLD肝组织损伤程度 麻省总医院 Hepatology2010 52 3 894 903儿童NAFLD肝组织损伤程度 NIH Hepatology2010 52 4 1281 90肥胖儿童 青少年肝脂肪变性 耶鲁大学 PLoSGenet2011 7 3 e1001324肝脂肪变性 密歇根大学 PLoSGenet2011 7 4 e1001374血清可溶性ICAM 1水平 哈佛医学院 JBiolChem2011 286 43 37085 93 作者团队 蛋白功能研究证实PNPLA3特异水解甘油酯 I148M导致此水解活性受损Hepatology2012 55 3 781 9青少年NAFLD 耶鲁大学 HumGenet2012 131 7 1145 52NAFLD发生 马来西亚 JClinInvest2012 122 11 4130 44I148M转基因鼠证实PNPLA3对肝细胞TG的重塑作用 作者团队 PLoSOne2012 7 11 e50256NAFLD发生 中国 PLoSOne2013 8 3 e58734PSC患者的生存预后 德国 后续研究 32 脂肪肝的新机制 新靶点 33 2 罕见单基因疾病遗传学研究范例 罕见单基因疾病杜氏肌营养不良 地中海贫血 Wilson病 先天性免疫缺陷 Molho PessachV RiosJJ XingC etal Homozygositymappingidentifiesabileacidbiosyntheticdefectinanadultwithcirrhosisofunkownetiology Hepatology2012 55 4 1139 1145遗传代谢性疾病 胆酸合成障碍 34 基于疾病家系的连锁分析 35 纯合子作图一种特殊的连锁分析 适用于近亲结婚引起的隐性遗传病较小的家系 较少的病患数实验量小 定位迅速 Hypothesis致病基因区域一定是纯合子区域 36 首发病例 proband A24 year oldArabwoman III 14 来自伊朗西南部Khuzestan不明原因的肝硬化 伴有门脉高压 腹水 静脉曲张黄疸 皮下瘀斑 脾大 轻度的足部水肿肝功能指标 AST67 ALT50IU L ALP153IU L andanormalGGTlevel 14IU L 总胆红素1 8mg dL normal0 2 1 3mg dL 直接胆红素1 3mg dL normal0 0 0 3mg dL INR2 0 normalrange 0 8 1 2 白蛋白3g dL normalrange 3 4 5 4g dL 腹部CT 结节性肝脏 胃食管静脉曲张 脾脏24cm肝活检 桥接样纤维化 肝小叶周围胆管异常实验室检查排除了Wilson s病 血色病 a1抗胰蛋白酶缺陷以及病毒性 自身免疫性肝病否认饮酒史 37 家族史调查Hersisteranda rstcousindiedofcirrhosis ages19and6years andanother32 year old rstcousinhadaself limitedliverdisorderinchildhoodthatresolvedatage9yearsThefamilyhistorysuggestedthattheaffectedfamilymemberswerehomozygousforamutantalleleinheritedidentical by descent 38 全基因组纯合子作图 两个患者 一个健康堂妹全基因组范围240万个SNP分型Human Omni2 5BeadChipmicroarray Illumina 候选区域筛选标准 Regionsofhomozygosity 3MbareshownTheregionsthatwerepresentinbothaffectedfamilymembersthatwerenothomozygousinanunaffectedfamilymemberareshowninboxes总共5个符合条件的纯合子区域 39 16号染色体一个6 3Mb纯合子区域 25 073063 31 378235 符合筛选条件此区域有一个可疑后续基因HSD3B7测序发现两个患者的HSD3B7基因外显子1都有2bp缺失变异 c 45 46delAG p T15Tfsx27 而健康堂妹没有此变异对其他家系成员进行测序验证 候选基因HSD3B7测序 40 负离子FAB MS检测确认3 HSD缺陷 胆酸合成缺陷的生化学确认 Thetripletsofionsatm z453 469 and485 sulfateconjugates andm z510 526 and542 glyco sulfateconjugates arecharacteristicofmonohydroxy dihydroxy andtrihydroxybileacids respectively withastructuralfeatureofa3b hydroxy D5structure 41 本研究的亮点先症者胆酸合成缺陷 但存活了20余岁没有治疗先症者堂姐 家族成员III 5 9岁时出现过严重的肝病表现 但其后23年一直没有症状 这是迄今报道的唯一的无临床表现的成年3 HSD缺陷者 也是年纪最大的3 HSD酶缺陷患者 患者也没有脂肪吸收障碍或软骨病的表现有报道的唯一1名成年3 HSD酶缺陷者在出生后有新生儿淤胆和软骨病 26岁再次出现淤胆症状临床重要性 疑难诊断的范例 诊断出来即可特异性治疗 诊断清楚后预后良好 42 本研究的局限不是新的疾病不是新的致病基因不是新的致病变异无法解释同样的纯合变异 同样的生化缺陷变异外显度和患者表型的差异后续需要做的研究建立人类3 HSD缺陷遗传变异数据库功能变异的外显度因素 denovo变异的异位显性 补偿 产前诊断 慢性肝病鉴别诊断筛查 43 三 疾病相关遗传位点识别的前沿与展望 44 全基因组关联研究 GWAS 高通量平行测序 NGS 针对常见复杂疾病 2006年 针对单基因病和低频变异 2008年 整体解析时代 标志性 引领性前沿技术 45 Rarevariations rarediseases exomeresequencing Commonvariations commondiseases GWAS Intermediate Functionalrelationship Penetrance Interactions 46 我们关于一个不明原因肝硬化家系的外显子组序列分析 建立足够数量和质量的疾病遗传资源库鉴定疾病特异性 人群特异性的致病变异 47 鉴定散发病例的致病变异存在挑战 组合模式 变异负载 Cell2011 145 1036 1048 建立变异 表型数据库 48 Nature2014 NEJM2014 49 绘制常见复杂疾病的全基因组遗传关联图谱 全基因组范围有多少个位点影响疾病的发生 发展每个位点贡献了多大的比例关键的功能变异集中在哪些通路 潜在干预靶点 50 SNPsassociatedwithautoimmunedisordersthatfallwithinDHSs 24 4 localizeinrecognitionsequencesofTFsthatinteractwithIRF9 Science2012 Science2014 51 eSNPssharedbetweencelltypesmayleadtoopposingdirectionaleffectsongeneexpressioninacelltype specificmanner NatGenet2012 Science2014 52 AGenomicRoadMapforComplexHumanDisease Science2014 343 1087 1088 53 AhumanCLP1mutationcausesbrainandmotorneurondegenerationMutationimpairskinaseactivity nuclearlocalization andTSENcomplexassembly Cell2014 157 3 636 650 Cell2014 157 3 651 663 定义新的疾病亚型及其病因 脑桥小脑发育不全亚型10 CLP1基因负责调控细胞中的tRNA代谢 其罕见突变引起一种以头围减小 感知和运动能力受损为特征的疾病 是一种新型的PCH亚型如果完全以患者症状或临床表现来定义疾病 是很难将这种新遗传病区分出来的 明确了致病基因之后 就看到了患者之间的共同特征 这与传统的疾病定义模式完全相反 代表了医学领域的一个转变 54 EoE过敏症是一种可引起食道僵硬进而导致胃灼热和固体食物摄入困难的疾病 先前研究显示 EoE病人的一种未知过敏会导致嗜酸粒细胞这种可诱发炎症产生的白细胞在食道处聚集 新发现的易感基因CAPN14在食道中有特别的高水平表达 但在具有风险相关突变的个体中却是低水平表达NatGenet2014 46 895 900 疾病机制 嗜酸性粒细胞性食管炎为什么局限于食道 55 解码基因组smORF假基因 重复基因lncRNA表观alleleSuper enhancer远端调控元件Duons密码子多倍体 56 利用CRISPR Cas9饱和基因编辑和深度测序技术研究大量突变的功能影响 Nature2014 513 120 123 57 Hepatology2011 53 708 711 ModelingandTherapyofHumanLiverDiseasesUsingiPScells 58 Targetedgenecorrectionofa1 antitrypsindeficiencyiniPScells Nature2011 478 391 394 59 疾病遗传变异研究的意义疾病机制 干预靶点 个体化医疗筛查 预测遗传纠正 临床表型定量性状 常见或者罕见 致病变异及其基因 功能分子通路 药物靶点 药物基因组 毒理基因组 发病机制 诊断 分型 新型疫苗 个体化医疗 60 传染病 轻微 重症进展 非进展结核脑型疟登革休克综合征Ebola病Prion病 感染同样的病原体只有一部分人表现症状 Why 感染的发生 发展和结局在人群中表现出巨大差异 病原携带状态急性感染慢性感染隐性感染潜伏感染显性感染 61 2000年全军传染病研究所2007年传染病学国家重点学科2011年全军研究所复评为优秀2012年医院首批研究型学科 研究型团队2012年全军新发与重症传染病研究重点实验室2013年国家临床重点专科 临床检验 感染病专科医院 专科实验室 门诊