全基因组关联分析对银屑病遗传学研究的启示

　　[摘　要 ]　

银屑病是一种常见的免疫异常性增殖性皮肤病。 临床特征为皮肤表面履盖大量厚实的鳞屑性斑片。虽然已有大量家族性研究资料表明银屑病的发病存在着遗传因素 ,但是该病的遗传模式至今尚不清楚。大量研究表明: 复杂性疾病的遗传学研究除了 MHC的一些位点的相关结果比较恒定外 ,绝大多数的研究结果变异较大。 全基因组关联分析 ( genome-wide association study,GWAS)是一种对全基因组范围内的常见遗传变异 (单核苷酸多态性和拷贝数变异 )进行总体关联分析的方法 ,在全基因组范围内进行整体研究 ,能够一次性对疾病进行轮廓性概览 ,适用于包括银屑病在内的复杂疾病的研究。运用全基因组关联分析对银屑病进行的三个研究 ,刊登在今年 2月的《自然 -遗传学》杂志 ,结果发现了几个银屑病的遗传学易感位点 ,提示在免疫学和其它领域的几个信号通路可能参与了该病的发病机制。无论是以往的关联研究还是现在的全基因组关联分析研究 ,均提示银屑病与涉及人类免疫性疾病的免疫反应的 M HC位点 (如 HLA-Cw6和其他 MHC变异位点 )紧密相关。 还有两个与银屑病高度相关的与炎症反应密切关联的非 M HC基因 ( IL-12B 和IL23R) ,也在银屑病的发病机制中起着重要作用。 最近运用抗 IL-12p40的生物制剂有效治疗银屑病的临床试验 ,进一步证实了 IL-12/23在银屑病病理生理过程中关键作用。 在中国人群中进行了银屑病易感基因的 GWAS研究发现: 位于 1q21上的晚期角质化包膜 ( late cornified envelope, LCE)基因簇中 LCE3A和 LCE3D的区域异常与银屑病显著性相关。与此同时 ,国际上另一个研究小组对西 班牙、荷兰、意大利和美国人群中进行的银屑病易感基因的 GW AS研究发现 , LCE基因簇中LCE3B和 LCE3C区域的缺失与银屑病显著性相关。这些相互独立的研究有力地证实 LCE基因参与银屑病的发病。 到目前为止 ,虽然已经有了一些针对某些基因的有效靶向治疗手段 ,但是将诸如LCE等基因用于未来的靶向性治疗 ,可能更有意义。对 LCE基因认识的不断深化 ,不仅有利于对新的药物靶位的确定 ,而且对治疗的个体化也有着十分重要的意义。 为了阐明银屑病的内在发病机制 ,未来我们亟需对更大样本的研究 ,以及其他易感基因位点的鉴定及其下游的功能研究;同时可以预见 ,利用全基因组关联分析发现的银屑病的易感基因以及其后续的深入研究 ,将对阐明银屑病发病机制、疾病预警、临床诊断及新药开发起到决定性的作用。[关键词 ]　关联分析; 全基因组; 银屑病 /遗传学; 银屑病 / 病理学; 基因组 /遗传学; 疾病遗传易感性 / 遗传学; 易感基因[中图分类号 ]　R 758. 63　　[文献标识码 ]　A　　[文章编号 ]　1008-9292( 2009) 04-0333-05Enlightenment from genome-wide association study to genetics of

　　银屑病是一种临床常见的以红斑鳞屑为基本表现的慢性炎症性皮肤疾病 ,可分为 4种临床类型: 寻常型、关节病型、红皮病型和脓疱型 ,其中寻常型银屑病占 99% 以上。该病发病原因不清 ,可能和遗传、免疫以及各种环境因素共同作用有关。目前普遍认为 ,银屑病是在环境因素刺激下由遗传背景控制的免疫失衡性疾病。 遗传流行病学和遗传学研究均证实 ,银屑病是一种多因子遗传模式的复杂疾病 ,它涉及到多个基因间的相互作用及基因与环境的交互作用[1-2] 。迄今为止 ,国内外的研究小组应用连锁分析的方法 ,在全基因组范围内发现 10个银屑病易 感基因位点 ,分别命名为 PSORS1 ( 6p) ,PSORS2( 17q) , PSORS3( 4q) , PSORS4( 1q) ,PSORS5( 3q) , PSORS6( 19p) , PSORS7( 1p) ,PSORS8( 16q)和 PSORS9 ( 4q) 及 PSORS10( 18p)。除了 M HC区域的 PSORS1能被多数研究证实外 ,其他位点很少得到重复。其原因可能在于银屑病的遗传度不高、选择的人群存在构性偏倚、应用的微卫星标记密度太低和对表型的判断不够准确 ,以及单个研究的把握度不够等。 这使得利用连锁分析在复杂疾病家系中发现的易感位点或基因 ,很难在占复杂疾病大多数的散发例中得以重复或验证 ,以至于连锁分析在寻找复杂疾病易感基因上面临困境。随着人类基因组单体型图计划 ( HapMap)数据的完善和商业化全基因组 SNP分型芯片成本的不断降低 ,以及新的统计方法和软件的出现 , 将全基因 组关联 分析 ( Genome-WideAssociation Study, GWAS)应用于复杂疾病研究的时机成熟了。 GWAS是一种对全基因组范围内的常见遗传变异: 单核苷酸多态性 ( Singlenucleotide polymorphism, SNP)和拷贝数变异( Copy number variation, CNV)进行总体关联分析的方法 ,即在全基因组范围内选择遗传变异进行基因分型 ,比较病例和对照间每个变异频率的差异 ,计算变异与疾病的关联强度 ,选出最相关的变异进行验证并最终确认与疾病相关。在全基因组范围内进行整体研究 ,能够一次性对疾病进行轮廓性概览 ,克服了既往的知识和理论造成先入为主的影响 ,避免了区域研究造成的偏倚和局限。 2005年 ,《科学》杂志首次报道了 Klein等利用 Affymetrix100K的基因芯片对年龄相关性视网膜黄斑变性 ( Age-relatedMacular Degeneration)进行 GWAS的结果[3] 。此后一系列有关复杂疾病的 GWAS报道不断出现 ,特别是 2006年后一系列复杂疾病的GW AS的报道相继刊登在《科学》、《自然》、《自然遗传》和《新英格兰医学杂志》等世界顶级学术杂志上。 我们对人类基因组和疾病的研究进入了一个新的阶段。据美国 NIH全基因组关联分析权威数据库收录 ( http: / /www. genome.gov /26525384)统计显示 ,目前已有肿瘤、自身免疫病、心血管疾病、神经精神系统疾病、胃肠道疾病及肥胖、身高、肤色、骨密度、血脂等 100多种 ,与人类生命密切相关的重要复杂疾病和 /或性状的易感基因被陆续揭示。 这些研究成果将会为复杂疾病的机制研究明确方向 ,为疾病预防、诊断和治疗提供新的契机 ,为优化个体化诊断、治疗奠定坚实的基础。最近 ,利用 GWAS策略发现了令人感兴趣的银屑病易感基因 ,其结果和方法学均为银屑病将来的研究起到重要的指导作用。 人类白细胞抗原 ( HLA)区域是参与人类免疫疾病中免疫反应的主要遗传位点 ,无论是以往的连锁分析还是现在的全基因组关联分析研究 ,都一致认为该区域与银屑病的发病密切相关[ 4-7] 。全基因组关联分析的结果提示 , HLA-C区域与银屑病相关的信号非常高 ( P < 1. 9× 10- 208)[4-7],而且 HLA-C与其他几个银屑病易感区域存在基因与基因之间的交互作用。 该结果确证了人类白细胞抗原的免疫学机制在银屑病发病过程的重要地位。IL-12于 1989年被首次发现 ,在细胞介的免疫反应中发挥重要作用。 而最近提到较多的 IL-23在分子结构上与 IL-12接近 ,结构上两者有较大的同源性 ,且共用一个亚单位 IL-12p40,该亚单位通过 IL12B基因编码。国外遗传学研究发现 IL12B基因与银屑病的易感性相关[ 8],而最近的一项选择性覆盖全基因组 SNP的关联研究在高加索人群中证实了该结果 ,同时也发现 IL23R基因也与银屑病发病相关[9] 。在中国人群中 ,我们通过 GWAS研究 ,在 IL12B· 335 · 第 4期 张学军.全基因组关联分析对银屑病遗传学研究的启示 　基因的区域也发现了两个与银屑病显著相关的SNP点 ,并证实了 IL12B基因与银屑病的易感性相关[7] 。 此外 ,目前的研究还表明 , IL12B基因还与哮[10] 、特应性皮炎 [8] 和克隆病 [11] 等免疫相关性疾病相关。 Nail等[ 6] 人对高加索人群进行 GWAS,还发现更多的与免疫相关的基因和银屑病的易感性相关 ,包括涉及 IL-23信号通路的三个基因 ( IL23A、 IL23R和 IL12B) ,TNF-α下游 调 节 NF-κβ 表 达 的 两 个基 因( TNIP1和 TNFAIP3)以及调节 Th2免疫反应的两个基因 ( IL4和 IL13)。 一些研究者使用IL12p40抗体用于银屑病的临床治疗并获得100%的疗效 ,进一步说明 IL12/23相关基因在银屑病发病中的重要作用 ,同时也为银屑病的治疗提供新的研究方向[12-13] 。 上述基因都涉及银屑病免疫应答和调节的过程 ,进一步提示免疫机制在银屑病的发病中发挥重要作用。银屑病的一个重要病理生理特点是表皮角质形成细胞在基底层的增殖分裂较正常明显加速 ,有丝分裂周期从正常的 311 h缩短至 37. 5h,从而也造成表皮通过时间 (细胞由基底层移行至角质层的时间 )由正常的 28 d缩短为 3～ 4d,角质细胞增殖过快会导致银屑病角质层的角化不全 ,从而引起银屑病特征性的鳞屑样皮的发生[14-15] 。 我们在中国人群中进行了银屑病易感基因的 GWAS研究发现 ,位于 1q21上的晚期角质化包膜 ( late cornified envelope, LCE)基因簇中 LCE3A和 LCE3D区域与银屑病显著性相关[7] 。LCE基因簇包括了 18种不同的 LCE基因 ,它们在结构上具有极强的同源性 ,编码蛋白的功能也类似。 LCE基因簇编码的角质化包膜蛋白在表皮分化晚期开始表达 ,在表皮基底细胞的分化中发挥重要作用 ,而银屑病正是由于角质细胞功能异常所致。 因此 ,我们推测 , LCE基因簇中的变异会导致表达异常的角质层蛋白 ,形成异常的角质化包膜 ,从而干扰角质细胞终末分化 ,导致银屑病的发生。该研究同时还有力地证实了银屑病的易感基因 M HC和 IL12B,但却排除了银屑病的易感基因 IL23R(与欧美人群的银屑病具有密切的关联性 )与中国人群的易感性 ,进而说明了复杂疾病的发病机制不同人群中 ,确实存在种族差异性和遗传异质性 ,从而突出了在不同种族中实施复杂疾病GW AS研究的重要性。该研究是国内首个完成的重大疾病 GWAS研究 , LCE基因作为中国重点发现的复杂疾病易感基因 ,被美国 NIH全基因组关联分析权威数据库收录 ( http: / /www.genome. gov /26525384) ,标志着我国 GW AS研究已跻身国际先进水平 ,同时也为国内今后开展其他重大疾病的 GWAS研究提供了典范和成功的经验。DNA序列中的 CNV是遗传变异的重要组成部分且意义重大 ,但是至今还未被完全阐述清楚。在 2006年的《自然》杂志上 ,来自英国、美国等多国研究人员组成的研究小组公布了重点张 人 类 基 因 组 第 一 代 CNV 图 谱 ( first-generation CNV map) ,共包括了 1 447个拷贝数变异区域 ( copy number variable regions,CNVRs)。 其中令人兴奋的是编号为 505的CNV 可 能 与 银屑 病 的 易感 性 相 关 , 而 且CNV505位于 6P21. 3,该区域正好包括了银屑病多个研究验证得到的易感区域 PSORS1 [16] 新近的《自然遗传》杂志也公布了银屑病 CNV的研究结果 ,位于 LCE基因簇中的 LCE3B和LCE3C 的缺 失可能 与银 屑病 的易 感性 相关[ 17] 。该结果也与我们在中国人群中得到的结果一致。同其他的方法一样 , GWAS不可避免有其局限性。复杂疾病研究的一个理论基础是“常见疾病 ,常见变异”学说 即常见的复杂疾病是由于大量常见变异共同作用所致。目前 GW AS主要检测人群中高于 5%的相对频率较高的变异 ,但是人类基因组中还有许多罕见与疾病相关的遗传变异有待于发现[18] 。鉴定出这些变异需要巨大的样本量支持。 另外实验中容易出现假性 ,利用多个人群进行结果验证来减小假阳性的发生 ,因而需要充足的经费和更大的样本量。

　　因此多机 构多中 心合作 成为 2009年以 后GW AS的趋势。此外随着新的统计学方法和理论不断被提出 ,如单体型分析、以基因为单位的分析方法、基因 -基因交互作用的分析等 ,数据的利用效率也会不断提高。未来银屑病的研究方向是什么? 最近银屑病 GWAS的发现为我们提供了研究的绝佳路。既往研究一直关注的银屑病免疫学机制 ,涉及内容广泛 ,真正的效应机制仍然不清楚。GWAS发现的几个免疫相关基因及可能涉及的通路为银屑病免疫学研究拨开了迷雾。 而此次发现并得到 2个研究小组共同验证的 LCE基因簇尤为引人注目 ,这是重点个得到证实的涉及银屑病非免疫机制的易感位点 ,而且对于该基因簇的功能研究结果也与银屑病表皮增殖加速的发病机制相吻合。我们相信 ,未来对于 LCE基因簇中一系列基因的功能研究将大大丰富我们对银屑病发病机制的理解。同时可以预见 ,利用 GWAS发 现的银 屑病的 易感基 因以及GWAS后续的研究 ,将对阐明银屑病发病机制、疾病预警、临床诊断及新药开发起到决定性的作用。

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