高級(jí)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)

1、高級(jí)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)研究設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析方法介紹流行病學(xué)與衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)學(xué)系陳大方 教授 1種瓜得瓜種豆得豆2內(nèi) 容 概述研究設(shè)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)分析方法 3概述4 按遺傳與環(huán)境因素的相對(duì)作用由遺傳因素決定的疾?。ㄑ巡、白化病）基本上由遺傳因素決定的疾?。ㄐQ豆病 ）多因子遺傳病 （高血壓、冠心病 ）基本上由環(huán)境因素決定的疾病 （中毒 ）疾病的分類(lèi)5疾病的分類(lèi) 隨著人類(lèi)基因組計(jì)劃的完成和后基因組計(jì)劃的開(kāi)展，人們對(duì)于疾病的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越深入。已有的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)人類(lèi)疾病都與基因受損有關(guān)，因此提出了基因病-人類(lèi)疾病的新概念。由此提出將人類(lèi)疾病分為三種類(lèi)型。 第一類(lèi)是單基因病。僅由單個(gè)基因DNA序列某個(gè)堿基對(duì)的改變就造成疾

2、病，并且可以把這樣的改變傳遞給后代。如血友病A、白化病等。6 第二類(lèi)是多基因?。◤?fù)雜性疾?。＿@類(lèi)疾病的發(fā)生涉及兩個(gè)以上基因的結(jié)構(gòu)或表達(dá)調(diào)控的改變，主要指慢性非傳染性疾病，如腫瘤、高血壓、冠心病、糖尿病、哮喘病、骨質(zhì)疏松癥、神經(jīng)性疾病、原發(fā)性癲癇等。 第三類(lèi)為獲得性基因病。主要是傳染病由病原微生物通過(guò)感染將其基因入侵到宿主基因引起。如HIV。7復(fù)雜性疾病的特征Genetic Heterogeneity（遺傳異質(zhì)性）Gene-Gene and Gene-Environment Interaction（基因基因，基因環(huán)境的交互作用)Incomplete Penetrance（不完全外顯性）Phen

3、ocopy（表型拷貝）Pleiotropy（多效性）8研究設(shè)計(jì)方法9患病家系成員設(shè)計(jì)10優(yōu)點(diǎn):具有明顯的孟德?tīng)栠z傳特點(diǎn)。遺傳方式確定（常顯、常隱或X連鎖）。缺點(diǎn):如果指定的遺傳方式不正確，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。難以收集到家系全部人員?；疾〖蚁党蓡T設(shè)計(jì)11患病同胞對(duì)設(shè)計(jì)患病同胞對(duì)表型不一致同胞對(duì)12患病同胞對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn):可以進(jìn)行非參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析。研究對(duì)象相對(duì)容易收集。缺點(diǎn):檢驗(yàn)效能相對(duì)較低樣本量要求較大13患病先證者核心家系設(shè)計(jì)14優(yōu)點(diǎn):可以進(jìn)行非參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析。研究對(duì)象相對(duì)容易收集。缺點(diǎn):統(tǒng)計(jì)分析時(shí)僅僅雜合子的雙親可以有效利用。對(duì)于遲發(fā)性疾病難以收集到雙親資料?；疾∠茸C者核心家系設(shè)計(jì)15雙生子研究設(shè)計(jì)

4、 通過(guò)比較在相似或不同環(huán)境中成長(zhǎng)起來(lái)的同卵雙生子及異卵雙生子某一疾病或性狀發(fā)生的一致性，來(lái)判斷遺傳與環(huán)境因素的作用。養(yǎng)子研究設(shè)計(jì) 通過(guò)比較、分析養(yǎng)子與其同胞及生身父母某疾病或性狀的相似性和與其寄養(yǎng)同胞或養(yǎng)父母的相似性，研究在某種疾病或性狀發(fā)生中遺傳因素與環(huán)境因素相對(duì)作用的大小。家系研究中其它研究設(shè)計(jì)方法16半同胞研究設(shè)計(jì) 是指同父異母或同母異父的兄弟姐妹。根據(jù)半同胞中所研究疾病的患病情況，可分析疾病或遺傳性狀來(lái)自父方或母方。17病例對(duì)照研究設(shè)計(jì)18優(yōu)點(diǎn):相對(duì)容易收集到資料。 投入少，產(chǎn)出高。缺點(diǎn):由于存在連鎖不平衡和種群分層， 容易導(dǎo)致假陽(yáng)性或假陰性。病例對(duì)照研究設(shè)計(jì)19衍生的研究類(lèi)型 巢式病

5、例對(duì)照研究 單純病例研究 病例時(shí)間對(duì)照設(shè)計(jì) 病例對(duì)照與隊(duì)列研究作為病因研究的主要方法，有其各自的優(yōu)勢(shì)與不足，而且這些優(yōu)勢(shì)與不足可以相互補(bǔ)充，因此，在實(shí)踐過(guò)程中產(chǎn)生了一些新的研究類(lèi)型，結(jié)合使用這兩種方法，可以揚(yáng)長(zhǎng)避短。病例-隊(duì)列研究病例交叉研究20timeExposureStudy startsDiseaseoccurrenceExposureDiseaseoccurrencetimeStudy startsExposuretimeDiseaseoccurrenceStudy starts歷史性隊(duì)列雙向性隊(duì)列前瞻性隊(duì)列21 巢式病例對(duì)照研究（nested case control study）

6、基本原理 按隊(duì)列研究方式進(jìn)行 選擇一隊(duì)列，收集基線資料，采集所研究的生物學(xué)標(biāo)志的組織或體液標(biāo)本儲(chǔ)存?zhèn)溆?隨 訪 隨訪到出現(xiàn)能滿足病例對(duì)照研究樣本量的病例數(shù)為止22匹配 按病例進(jìn)入隊(duì)列的時(shí)間、疾病出現(xiàn)時(shí)間與性別、年齡等匹配條件，從同一隊(duì)列選擇1個(gè)或數(shù)個(gè)非病例作對(duì)照，抽取病例與對(duì)照的基線資料并檢測(cè)收集的標(biāo)本資料處理 按匹配病例對(duì)照研究方法處理資料23 1992年Ross用巢式病例對(duì)照研究: 上海地區(qū)肝癌與尿中黃曲霉素生物學(xué)標(biāo)志關(guān)系 18244名中年男性隊(duì)列中發(fā)現(xiàn)22例肝癌 每例配5或10個(gè)對(duì)照 檢測(cè)研究開(kāi)始時(shí)的尿樣： 發(fā)現(xiàn)黃曲霉素B1及其代謝產(chǎn)物和DNA加合物的OR值經(jīng) 調(diào)整混雜因素后，為3.8(

7、1.212.2)。 黃曲霉素作為肝癌致病因素最直接的證據(jù)24 病例-隊(duì)列研究（case-cohort study）基本原理 研究開(kāi)始時(shí)，在隊(duì)列中隨機(jī)選取一組樣本作為對(duì)照組觀察結(jié)束時(shí)，隊(duì)列中出現(xiàn)被研究疾病所有病例作病例組與隨機(jī)對(duì)照組進(jìn)行比較 這種研究模式，可同時(shí)研究幾種疾病，不同疾病有不同病例組，但對(duì)照組都是同一組隨機(jī)樣本25病例-隊(duì)列與巢式病例對(duì)照研究的區(qū)別對(duì)照是隨機(jī)選取，不與病例進(jìn)行匹配隨機(jī)對(duì)照組中成員如發(fā)生被研究疾病，既為對(duì)照，又同時(shí)為病例1個(gè)隨機(jī)對(duì)照組可以同時(shí)和幾個(gè)病例組比較分析26病例-隊(duì)列與巢式病例對(duì)照研究的優(yōu)點(diǎn) 因果關(guān)系清楚 資料可靠 論證強(qiáng)度高 省時(shí)省力省錢(qián) 適合于分子流行病學(xué)研

8、究27背 景1994年P(guān)iegorseh、Begs等提出 遺傳與環(huán)境的關(guān)系 交互作用 病例對(duì)照研究和隊(duì)列研究的效率費(fèi)用 病例病例研究（case case study） 應(yīng)用前提條件 在正常人群中基因型與環(huán)境暴露各自獨(dú)立發(fā)生 所研究疾病為罕見(jiàn)病(此時(shí)可用OR來(lái)估計(jì)RR值)28基本原理29研究示意圖單純病例研究環(huán)境暴露基因型病人+-+-+-30解決問(wèn)題 1991年美國(guó)Maclure提出病例交叉設(shè)計(jì) 日常生活中一些突發(fā)事件之后,常會(huì)伴隨某些結(jié)果的發(fā)生。究竟是這些突發(fā)事件導(dǎo)致了結(jié)果的發(fā)生,還是僅僅由于機(jī)會(huì)所致? 病例交叉研究(case-crossover design)31暴露與某急性事件有關(guān) 比較相

9、同研究對(duì)象暴露情況 在急性事件發(fā)生前一段時(shí)間與未發(fā)生事件的某段時(shí)間基本原理 如果暴露與少見(jiàn)的事件(或疾病)有關(guān),那么剛好在事件發(fā)生前一段時(shí)間內(nèi)的暴露頻率應(yīng)該高于更早時(shí)間內(nèi)的暴露頻率。32 研究對(duì)象 病例和對(duì)照,兩部分的信息均來(lái)自于同一個(gè)體， “病例部分“ 危險(xiǎn)期,疾病或事件發(fā)生前的一段時(shí)間。 “對(duì)照部分” 對(duì)照期,危險(xiǎn)期外特定的一段時(shí)間。 研究是對(duì)個(gè)體危險(xiǎn)期和對(duì)照期內(nèi)的暴露信息進(jìn)行比較33 例如 據(jù)報(bào)道某種藥物可以引發(fā)猝死，如果該報(bào)道正確，則應(yīng)該可以觀察到服用此藥物后一段時(shí)間內(nèi)猝死增多，或者說(shuō)在猝死前幾天或幾周內(nèi)應(yīng)有服藥增多的報(bào)道。34統(tǒng)計(jì)分析方法 35家族聚集性分析 比較患病率或發(fā)病率 患者

10、親屬一般人群 患者親屬對(duì)照親屬 隨親緣系數(shù)的降低而降低 比較某些數(shù)量性狀（血壓水平等） 親屬對(duì)之間的相關(guān)非親屬對(duì)36同病率 雙生子中某疾病（或性狀）的一致性稱(chēng)為同病率。 C共同罹患所研究疾病或表現(xiàn)所研究性狀的雙生子對(duì)子數(shù) D雙方表現(xiàn)不一致的雙生子對(duì)子數(shù) 37表1 幾種疾病雙生子的同病率38系譜分析 目的 通過(guò)系譜分析初步判斷某病為單基因遺傳病還是多基因遺傳病。 分析方法 將家系調(diào)查所獲得的資料按一定方式繪成系譜圖（pedigree chart），根據(jù)發(fā)病情況，按遺傳規(guī)律分析其表型及基因型。 結(jié)果 符合孟德?tīng)栠z傳方式，提示屬單基因遺傳??；不符合孟德?tīng)栠z傳方式，但與遺傳因素密切相關(guān)，可能為多基因遺

11、傳病。39系譜分析中僅包括父母及其子代的小家系，稱(chēng)為核心家系。所謂指示者，是指在一個(gè)家系中表現(xiàn)型極端者，大多為患者或某性狀的表現(xiàn)者。一個(gè)核心家系加上三位指示者，即組成一個(gè)系譜分析單位。附有指示者的核心家系是對(duì)多基因遺傳病進(jìn)行系譜分析的理想單位。 40易患性與發(fā)病閾值在多因子遺傳病中，遺傳基礎(chǔ)和環(huán)境因素的共同作用決定了一個(gè)個(gè)體是否易于患某種疾病，這種易于或不易于患病的屬性變量稱(chēng)為易患性（liability）?；颊哂H屬中的現(xiàn)患率大于一般人群，患者親屬的易患性平均值比一般人群的易患性平均值更接近閾值。此即所謂的閾值模型（threshold model）。 41圖1 一般人群和患者親屬易患性分布圖 G

12、：一般人群；R：患者親屬；T：閾值；Xg：一般人群易患性均值至閾值的正態(tài)離差；Xra：患者親屬易患性均值至閾值的正態(tài)離差；A：患者易患性平均值；ag：一般人群易患性均值與患者易患性均值的正態(tài)離差；qg：一般人群患病率；qra：患者親屬患病率。 42遺傳度及其估計(jì) 在多因子遺傳病中，遺傳對(duì)易患性所起作用的大小程度稱(chēng)為遺傳度（heritability，h2）。43表3 一些常見(jiàn)多因子遺傳病的發(fā)病率和遺傳度 疾病或畸形群體發(fā)病率(%)患者一級(jí)親屬發(fā)病率(%)遺傳度(%)哮喘4.02080精神分裂癥1.01080原發(fā)性高血壓4-820-3062消化性潰瘍4.0837冠心病 2.5765脊柱裂 0.17

13、476唇裂腭裂 0.0427644 在研究中若通過(guò)匹配等方法給先證者選取可比的對(duì)照組,進(jìn)行病例對(duì)照研究時(shí)，可用以下方法估計(jì)遺傳度： 式中PC為對(duì)照組親屬的不發(fā)病概率，PC=1-qc；qc為對(duì)照組親屬的發(fā)病率；XC為對(duì)照親屬易患性均值至閾值的正態(tài)離差；ac為對(duì)照親屬中患者的易患性均值至對(duì)照親屬易患性均值的正態(tài)離差；A為病例數(shù)；其余同前。病例對(duì)照研究45 實(shí) 例 謝宗孟等（1983）調(diào)查克汀病時(shí)發(fā)現(xiàn)患者一級(jí)親屬1217人中有49人發(fā)病，qra=0.0400，對(duì)照組一級(jí)親屬45076人中有263人發(fā)病qc=0.0058，由qra得Xra=1.751 ,ara=2.154 , pra=1-qra=0.

14、9600；由qc得 XC=2.524 ,ac=2.845 ,pc=1-qc=0.9942；本例 r=1/2,代入以上公式得： 因此，地方性克汀病的遺傳度為544.54%。46 對(duì)質(zhì)量性狀的多因子遺傳病可用以下方法估計(jì)。 CMZ和CDZ分別為同卵雙生子和異卵雙生子的同病率；n1和n2分別為同卵雙生子對(duì)子數(shù)和異卵雙生子對(duì)子數(shù)。雙生子法47實(shí)例 303對(duì)雙生子中，同卵雙生子201對(duì)中近視一致者156對(duì)；異卵雙生子102對(duì)中近視一致者47對(duì)。 本例近視的遺傳度為596.57% 。=0.0657 48單基因疾病的分析方法49分離分析檢驗(yàn)實(shí)際觀察的子代同胞分離比與某特定遺傳方式?jīng)Q定的理論分離比差異是否有顯

15、著性，判斷所研究疾病是否符合假定的遺傳方式。分離比是指患者在同胞總數(shù)中的比值。此種分析的基礎(chǔ)是假設(shè)患者均為雜合體，若群體中患者是純合體發(fā)病，以上方法可造成較大偏差。 50實(shí)例一 疑為軟骨發(fā)育不全的100個(gè)家庭 父母一方患病的家庭共有子女235人， 其中127人患病（觀察值）。 試求證本病是否為常染色體顯性遺傳。51表1 分離分析2檢驗(yàn)整理表2=1.536 df=1 P0.0552 遺傳平衡定律在一個(gè)大的、隨機(jī)婚配的群體中，如果沒(méi)有遷移、選擇的影響，突變率保持不變，各種基因型的頻率也將代代保持不變，成為遺傳平衡的群體，此即遺傳平衡定律，亦稱(chēng)Hardy-Weinberg定律。在以群體為研究對(duì)象進(jìn)行

16、單基因遺傳病分析時(shí)可以用遺傳平衡定律來(lái)估計(jì)群體中所研究疾病的基因頻率和基因型頻率。 53 設(shè)一對(duì)等位基因A和a（A為顯性基因，a為隱性基因），群體中的頻率各為p與q，p+q=1，隨機(jī)婚配時(shí)子代基因型及其頻率為： 精 子 A (p) a (q) 卵 A (p) AA Aa (pp) (pq) 子 a (q) Aa aa (pq) (qq) 基因型頻率的分布為： (p(A)+q(a)254實(shí)例二 黑酸尿癥發(fā)病率為1/100萬(wàn) 該病為常染色體隱性遺傳病，因此基因型均為純合子aa(q2)。根據(jù)Hardy-Weinberg定律： 因?yàn)閤=q2=0.000001，q= 正常顯性基因頻率p=1-q=1-0.

17、001=0.9991 雜合子頻率2pq=210.001=0.002 該病發(fā)病率雖然僅為1/100萬(wàn)，但在群體中雜合子即隱性基因攜帶者的頻率達(dá)1/500。55多基因疾病的分析方法56表型與基因型一般統(tǒng)計(jì)分析病例-父母三結(jié)構(gòu)資料的TDT分析病例-父母三結(jié)構(gòu)資料對(duì)數(shù)線性模型分析同胞數(shù)據(jù)SDT分析以家系為基礎(chǔ)的關(guān)聯(lián)分析 (FBAT)基因環(huán)境(基因)交互作用分析連鎖分析多位點(diǎn)基因的單倍體型構(gòu)建分析 全基因組關(guān)聯(lián)分析 統(tǒng)計(jì)分析方法57 分析基因型與表型的關(guān)系，也就是比較不同基因型的研究對(duì)象的表型是否存在差異，如基因型不同，表型也顯著不同，則表示兩者有關(guān)。 表型為連續(xù)型變量的基因型之間比較可用t-檢驗(yàn)、方差

18、分析、線性回歸等統(tǒng)計(jì)方法。表型為分類(lèi)型變量的基因型之間比較可用卡方檢驗(yàn)、LOGISTIC回歸等統(tǒng)計(jì)方法。 表型與基因型一般統(tǒng)計(jì)分析58 原理：理論上，父母親的兩個(gè)等位基因傳遞子女的概率均各為50%，如某一等位基因從父母?jìng)鬟f給患病的子女的概率大于50%，表示傳遞不平衡。傳遞不平衡檢驗(yàn)(TDT)能發(fā)現(xiàn)與疾病直接有關(guān)的基因，或與疾病基因相連鎖的基因。特點(diǎn)：它主要用于分析定性性狀（如是否患?。?，不適用于定量性狀（如血糖、胰島素等表型資料）的分析。 病例-父母三結(jié)構(gòu)資料的TDT分析59原理：它比較患病的同胞與非患病的同胞某等位基因出現(xiàn)的平均數(shù)。理論上，這兩種家系數(shù)相等，如兩種家系數(shù)顯著不等，表示該基因與

19、患病與否有關(guān)，該基因可能是與疾病直接有關(guān)的基因，也可能是與疾病基因相連鎖的基因。特點(diǎn)：主要用于分析定性性狀（如是否患?。?，不適用于定量性狀（如血糖、胰島素等表型資料）的分析。同胞數(shù)據(jù)SDT分析60原理：FBAT以核心家系為單位計(jì)算每個(gè)核心家系數(shù)的基因型（X）的分布概率與統(tǒng)計(jì)量“S”（統(tǒng)計(jì)量S是表型T與基因型X的乘積），然后累加各核心家系的統(tǒng)計(jì)量S及S的方差與協(xié)方差，進(jìn)行卡方檢驗(yàn)。特點(diǎn)：FBAT既適應(yīng)于定性資料又適應(yīng)于定量資料，并且可以先對(duì)表型變量經(jīng)有關(guān)混雜因素進(jìn)行調(diào)整，將調(diào)整后的殘差值或校正值放入FBAT程序中進(jìn)行分析，這樣得到的結(jié)果就是經(jīng)過(guò)混雜因素調(diào)整后的關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果。FBAT適用于各種類(lèi)

20、型的家系結(jié)構(gòu)。有父母雙親、只有單親、雙親均無(wú)、一個(gè)同胞、多個(gè)同胞的家系都可混合在一起應(yīng)用。FBAT 分析61原理：?jiǎn)伪扼w型分析通常采用置換法，通過(guò)對(duì)病例與對(duì)照兩組分別構(gòu)建單倍體型并計(jì)算各型頻率進(jìn)行的卡方檢驗(yàn)，得出P值；隨機(jī)分配每個(gè)研究對(duì)象是病例還是對(duì)照，用假定的病例對(duì)照數(shù)據(jù)重復(fù)上述的單倍體型構(gòu)建及兩組單倍體型頻率，重復(fù)置換1000次，得出1000個(gè)P值，觀察從假定的病例對(duì)照數(shù)據(jù)得來(lái)的P值小于從實(shí)際的病例對(duì)照分組樣本得來(lái)的P值的比例（百分率），該比例即為兩組比較的P值。特點(diǎn)：?jiǎn)伪扼w型（Haplotype）是指同一條染色體上緊密相連的一些位點(diǎn)(或基因)的組合。不同位點(diǎn)間排列距離越近，在減數(shù)分裂時(shí)發(fā)生重組的可能性就越小，以同一單倍體型整體傳遞給子代的可能性也就越大。單倍體型分析的可以幫助研究者進(jìn)一步驗(yàn)證在連鎖分析中所取得的數(shù)據(jù)，排除假陽(yáng)性；通過(guò)多個(gè)位點(diǎn)的單倍體型排列，還可以使某些多態(tài)性不夠充分的單個(gè)位點(diǎn)的信息得以