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第四军医大学口腔医院口腔遗传病门诊
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口腔遗传性疾病系列讲座(五)
(2016/8/26) 浏览人数: 706
                                                                            口腔多基因遗传病的特征及其研究策略
                                                          Oral polygenic disorders and their research strategies
                                                                                                   段小红
       多基因病具有以下一些特征:家族聚集发病、没有孟德尔遗传疾病中常见的系谱特征、遗传和环境等多因素共同参与,也有人将其称为多因素疾病或复杂疾病。口腔常见的多基因遗传病包括非综合征型腭裂、牙周病和口腔黏膜疾病、口腔肿瘤等。很多口腔医师在临床中已经关注到口腔疾病与多基因遗传的关系,开展了许多研究。利用中国学术期刊全文数据库 (CNKI),笔者检索了近二十年发表的关于口腔多基因遗传疾病的学术论文(图1),合计三百余篇,包括论著和综述,其中论著的数量逐年增加,而且越来越多的研究展示了口腔疾病与多基因遗传的关系,明确了遗传因素在口腔复杂疾病中的重要性。本讲主要分析口腔多基因遗传疾病的特征、以往关于这些疾病遗传研究的主要方法和存在的问题、口腔多基因遗传病的主要研究策略等。
一、口腔多基因遗传疾病的特征
        口腔多基因遗传疾病的遗传特征符合全身多基因遗传性疾病的特征,主要包括以下特点:
1. 家族聚集倾向:唇腭裂是一种常见的先天性畸形,其发病率约为1‰~2‰,多数人认为唇腭裂属于多基因遗传病。通过对1320例唇腭裂患者的回顾性分析,发现4.47%的患者有明确家族史,而且有家族史的患者比例随唇腭裂的类型而有所变化,如单纯腭裂患者具有家族史的患者占10.16%,而唇裂伴或不伴腭裂患者具有家族史的占其总数的3.86%[1]。
       通常患者亲属的患病率高于群体患病率,约1%~10%,但仍远低于符合孟德尔遗传家系的同胞患病率(1/2~1/4)。当群体发病率为 0.1%~1% 、遗传度为70%~80%时,患者一级亲属的发病率接近于群体发病率的平方根。
2.不遵循明显的孟德尔遗传方式:通常患者一级亲属有相同的发病率,二级亲属患病的危险性明显下降,但其后远亲患病的危险性下降得较慢。例如,唇裂患者一级亲属发病率为4%,二级亲属为0.7%,三级亲属为0.3%。这一遗传特性有别于常染色体遗传病,常染色体显性遗传表现为每一代的危险性都较前一代降低1/2,危险性固定且容易推测。常染色体隐性遗传病中只有同胞患病,无其他亲属患病。
3.再发风险受多种因素影响:当家族中病例数增加时,家族成员患病再发风险增高;单基因疾病不论多少个患病子女出生,再发风险对下一个孩子总是相对固定的。
        一个家庭中出现患病严重的个体表明其家庭具有更多的易感基因,该家庭再发风险更大;如单纯性唇裂患儿的同胞再发风险为 4.0%,若患者为双侧唇裂和腭裂,其同胞再发风险增加到5.6%。这一点也与单基因遗传病不同,在单基因遗传病中,不论疾病严重程度如何,一般都不影响其再发风险。
       近亲婚配子女再发风险率高,因为近亲婚配的双方带有更多相同的从共同祖先遗传来的致病基因。
       某个疾病在同一性别的发病率高于另一性别时,后一性别的后代再发风险升高,发病率高的性别之后代再发风险则较低,因为发病率低的性别发病阈值高,一旦发病,则意味着其带有较多的致病基因。
4.遗传度与多基因遗传:遗传度是指遗传因素在多基因发病中所占的比重,遗传度愈高,提示遗传因素的作用愈大,遗传度在60%以上者其遗传因素有较重要的作用。唇裂(可伴腭裂)的遗传度,Ⅰ级亲属为78%,Ⅱ级亲属为78.8%,Ⅲ级亲属为80%。唇裂患者一级亲属的发病率为4%,二级亲属则为0.7%。对 195 个安氏Ⅲ类错牙合先证家系和 208 个对照家系进行调查发现,先证组一级亲属患病率为 27.83 %,对照组为 8.09 %。以二项分布 p + q 的数学模型及Falconer 回归法计算,结果发现一级亲属遗传度为 80.85 %,其中男性遗传度为 90.79 %,高于女性遗传度 71.08 %[2]。
二、口腔多基因遗传疾病的研究策略
1. 明确研究基因的范围:口腔多基因遗传病的核心研究目的是希望发现与疾病相关的基因并能最终阐明其致病机制,在选择目的基因前应查阅大量文献,明确该基因是否属于主效基因或宏效基因(major gene)。通常参与多基因疾病发生的基因的作用是微小的,故有人称之为微效基因(minor gene),微效基因相互之间无显隐性之分,均为共显,可以形成累加效应;同时微效基因所发挥的作用并不是等同的,只有主效基因发挥主要作用[3]。例如常见的非综合征型唇腭裂候选基因有干扰素调节因子6、亚甲基四氢叶酸还原酶、转化生长因子、肌节同源盒基因1、视黄酸受体a、8-羟基鸟嘌呤DNA糖苷酶、脊髓灰质炎病毒受体相关基因1等[4- 5],如何选择相关基因进行研究,需要研究者深入了解这些基因的生物学作用以及与具体疾病的关系。
2. 收集样本:单基因遗传病的研究多是基于家系样本的收集,一般数量较少,而多基因遗传病则需收集大量的病例样本和对照。此类样本的采集较为困难,采集时由于样本数量多,应注意样本的标注和记录,包括一般资料、样本编号、样本类型、样本采集量、个体数、采样和检测时间等,相关资料需有明确的记录并保留备份。
       关于具体采集的病例数量应该依照具体的研究目的而确定。张玉等[6]采用Meta方法分析了11篇研究中国人群TGF-a基因与非综合征型唇腭裂相关性的中英文文章,发现其中选择的病例样本最少的18例,最多的199例,而对照组样本数最少的27例,最多的376例,累计病例样本1177例,对照1293例。其中1篇文章的研究对象包括了汉族和回族,而其他10篇研究对象均为汉族人群。11篇中,1篇为病例亲本研究,其余为病例对照研究。在邓嘉姝等[7]和李晓霞等[8]关于牙周炎和IL-1基因多态性研究的Meta分析中,作者比较了多篇国内外的研究结果,发现这些研究涉及的病例样本从32~224不等。
       病例对照研究一般要求对照样本数与病例数基本接近,同时对照在种族、民族、性别、年龄、居住环境等方面尽量匹配。
3.选择合适的基因多态性的研究方法:很多多基因遗传病研究是基于对人群基因多态性的分析。多态性指在一个生物群体中,同时和经常存在两种或多种不连续的变异型或基因型或等位基因。基因多态性现象十分普遍,通常分为3大类:DNA片段长度多态性、DNA重复序列多态性、单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)。
       SNP是指DNA序列上发生的单个核苷酸碱基之间的变异,在人群中这种变异的发生频率至少>1%,否则被认为是点突变。人类遗传基因的各种差异,有90%可归因于SNP所致的基因变异。据估计,在人基因组中平均500~1000个碱基对中就有1个SNP,估计其总数可达300万个甚至更多。SNP既有可能在编码基因序列内,也有可能在基因以外的非编码序列上。
       SNP在多基因遗传病的研究中的重要性体现在:某些SNP可使人类特别容易或不容易患上某些疾病,很多研究也是期望发现哪些SNP增加疾病的易感性。需要明确的是,并非所有的SNP都有临床意义,真正有临床意义的SNP只占数以百万计SNP很小一部分。关于如何判定这些SNP具有真正的致病性或有害性,请参照第四讲的内容。
       SNP检测方法包括很多。传统的SNP检测方法包括直接的DNA测序、限制性酶切片段长度多态性、单链构象多态性、等位基因特异的寡聚核苷酸杂交等。目前常用的SNP检测方法包括:变性高压液相色谱法、时间飞行质谱熔解曲线法、熔解温度曲线法、等位基因特异扩增结合熔解曲线法、分子信标技术、Taqman技术、焦磷酸测序法等;还有提供大数据的各种SNP芯片、全基因组测序等[9- 10]。以上方法各有优缺点,采取何种方法需要依据研究者的经费情况、样本多少、实验目的等而决定。DNA测序法准确、价格较高,对于少量的样本是非常好的选择;SNP芯片技术的优势在于一次可对多个SNP进行规模性筛选,易发现新的SNP位点;操作步骤相对简单;缺点是芯片设计成本高,由于DNA样品的复杂性,有些SNP不能被检测到,同时SNP大数据的分析需要具有一定生物信息学知识背景的专业人员的帮助。焦磷酸测序法的优点在于其分析系统自动化程度高、通量大、速度快、易于建立标准化操作,适合大规模SNP研究及基因分型;不足之处在于只针对特定SNP的分析,因而不利于发现新的SNP位点。Taqman技术适合于大样本、检测位点较少;质谱法适合于大样本、多位点(图2)。
4.基因多态性的致病性分析:上一讲介绍了如何判断一些基因变异或SNP位点是否真的具有致病性或有害性,因此针对已经报道过的一些SNP开展研究之前,应该仔细对其致病性进行分析,确定该SNP是否在文献中存在病例组和对照组的显著差别,是否有相关的体外实验或模式生物模型验证过其致病性或有害性,这一点对目前我国口腔多基因遗传性疾病的研究十分重要。同时,还要认识到,一些有意义的SNP位点不会单独致病,存在多个基因之间的协同作用,以及一定的剂量效应关系。
5. 存在问题:
(1)存在低水平重复研究:笔者通过对近二十年CNKI收录的三百余篇口腔多基因遗传性疾病的文章粗略分析,发现其中SNP相关研究良莠不齐,存在关于某些SNP位点的低水平重复研究,个别研究盲目或从众,如涉及白细胞介素1(interleukin,IL)基因多态性和牙周炎相关性的论著和综述四十余篇,有7篇研究涉及IL-1a-889 基因多态性与慢性牙周炎[7];还有10篇文章针对中国人群转化生长因子a(transforming growth factor a,TGF-a)基因的TaqI位点与非综合征型唇腭裂相关性[6]。
(2)高水平的原创性研究极少:一些研究选择的SNP位点在国际期刊已经发表或者已经被国内同行报道过,没有创新性。
(3)研究手段落后:在SNP的早期研究之中,很多人采取的是对SNP局部区域进行PCR扩增,然后针对该位点选择特定限制性内切酶切割,基因型的不同会导致不同大小的酶切产物,这种方法的优点在于对特定SNP位点基因型的确定,缺点在于工作量较大,短期内只能对少量样本进行检测。
(4)样本和对照的选择不严谨:基因多态性的复杂性或其中一个特点就是不同的种族、民族、甚至环境均会导致基因型的差别。多基因遗传病的研究中通常会提到易感性(susceptibility)和易患性(liability),易感性是指遗传基础决定的一个个体患病的风险,易患性特指遗传因素和环境因素共同作用决定一个个体患某种遗传病的可能性,因此在相同环境下不同个体产生的差异,可以认为是由不同的易感性造成的,基因型在很大程度上决定了个体患病的风险,因此对于一些环境和遗传因素共同参与的多基因遗传性疾病进行研究时,一定要在相同的环境条件下选择病例组和对照组。
三、口腔多基因遗传性疾病的研究展望
       由于我国人口基数多,病例种类繁多,因此存在大量而丰富的遗传病学研究资源,这是我国学者研究的优势;同时,由于近几年各口腔医学院或口腔系对科学研究的重视程度日益增高,一些研究平台的硬件建设甚至走在了国际前列,在一些国际学术期刊上屡有我国学者的研究成果发表。同时应认识到口腔多基因遗传疾病未来研究需要更多的经费和人力支持。口腔多基因疾病研究的一个特点是对大数据的解读和分析,目前此类专业人士匮乏,很多口腔研究者在多基因遗传性疾病的研究过程中止步于此,或者依赖于一些公司的数据分析,因而限制了对口腔多基因遗传疾病的深入分析,可能会造成一些重要研究信息的遗漏。此外,对于利用全基因组测序、SNP芯片等技术获得的有用信息,如何有选择性地展开研究,验证相关基因或者某些基因多态性的致病性或有害性,深入机制研究,也是未来研究面临的一个挑战,否则花费大量人力和物力发现的一些基因变异信息也只能是数据摆放在学术论文里。

 
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