单基因与多基因疾病

单基因与多基因疾病

背景

人类自身疾病都或多或少的与基因有关，基因决定了什么人，会在什么时候患什么样的病以及患病的严重程度。我们通常把与遗传物质有关的疾病定义为遗传病，包括单基因病、多基因病和染色体病（如21三体综合症等）。其中，单基因病又可分为常染色体显性遗传病、常染色体隐性遗传病和性染色体遗传病。多基因病是由两对或两对以上致病基因的累积所致的遗传病，其遗传效应多受环境因素的影响。目前，全球已发现的单基因遗传病大约有6600多种，并且每年还在以10-50种的速度增加。通过识别疾病相关基因并探明其致病的分子机制，有针对性地开发相应的药物或者治疗手段，以最终实现疾病的早期诊断和防治。

单基因疾病

单基因疾病是指由于单个基因的缺陷所引发的人体疾病，这种缺陷变异包括单个核苷酸的替换、缺失、插入、移码突变以及基因的剪接突变。这些缺陷基因通常来自父母的生殖细胞，并且都可以遗传给下一代，所以又称为单基因遗传病。单基因疾病种类繁多，据不完全统计，目前已经发现6600多种单基因疾病，且随着研究的不断进展，平均每年都有数十种新发现的单基因疾病。在这些已发现的单基因疾病中，已经有1000多种疾病的发病机制比较清楚，能应用于临床检测。如血友病、苯丙酮尿症、进行性肌营养不良、地中海贫血等。单基因疾病可分为以下五种类型：常染色体显性遗传病（AD，如短指症等)、常染色体隐性遗传病（AR，如白化病等)、X伴性显性遗传病(XD，如抗维生素D缺乏病等)、X伴性隐性遗传病(XR，如色盲等)、Y伴性遗传病(YL，如耳廓长毛症等)。

单基因疾病的判定与研究策略

单基因遗传病的定位研究相对来说比较简单，有时一个足够大的家系就有可能发现基因缺陷。系谱分析常用于判定单基因遗传病的遗传方式。所谓系谱，就是从先证者入手，就某种性状或疾病追溯调查其家系中所有成员的发生情况后绘制的图谱。根据绘制成的系谱图，应用遗传学的理论进行分析以便确定所发现的疾病或特定性状是否有遗传因素。如为遗传病，则应确定其可能的遗传方式，预测各基因型频率，并估计再发风险，这一分析过程即为系谱分析。通过系谱分析，可以明确某一疾病是否为遗传病，并且有助于区分单基因病、多基因病和染色体病，进而确定家系中每个成员的基因型，预测后代中该病的发病风险。

单基因疾病的检测

虽然单基因疾病只要一个基因发生变异就会导致疾病的发生，但一种单基因疾病并非只有一个对应的相关基因，可能有多个相关基因，只要它们的其中一个发生突变就会导致疾病的发生，如全色盲就有三个已知基因CNGB3、CNGA3和GNAT2，并且这三个基因也只是

覆盖了已知患者的80％左右，这说明还有其它的基因突变也能导致全色盲的发生。另外，对于同一个致病基因，不同的患者突变的位置和突变的方向也各不相同，如苯丙酮尿症已经报道有上百种的突变会导致该病的发生。目前，对单基因疾病的研究主要集中于新的疾病的发现、新的致病基因的确定和致病基因突变位点的确定。通过对致病基因的相关信息进行整合、汇总成一个数据库，再开发出一个准确、可行的单基因疾病检测方法是目前基因检测的通用办法。单基因疾病检测主要依赖于高通量的测序技术来测定出各种致病基因的序列，与数据库进行比对或通过文献查阅找出被测基因是否存在致病或疑似致病位点，进而做出诊断或疾病预测。

多基因疾病

多基因遗传病指某种疾病的发生受两对或两对以上的等位基因引起的，它们的基本遗传规律也遵循孟德尔遗传定律，但多基因遗传病除了与遗传因素有关外，还受着环境等多种复杂因素的影响。其中，遗传因素所占的比重称为遗传度，遗传度越高表示遗传因素起的作用越大，反之，环境因素所起作用大，完全由遗传因素决定的非常罕见。与单基因病不同的是这些基因之间没有显性和隐性的区别，而是共显性。每个基因的作用都是微效的，但多个基因的累加效应可对表型产生明显的影响。因此，同样的病不同的人由于可能涉及的致病基因数目上的不同，其病情严重程度、复发风险都有明显的不同。常见的多基因疾病有：消化性溃疡、原发性高血压、先天性心脏病、哮喘、精神分裂症、无脑儿、糖尿病等。

多基因病的确认与易感基因

研究发现，多基因疾病通常具有以下特点1：（1）这类病有家族聚集现象，但患者同胞中的发病率远低于1/2～1/4，且患者的双亲和子代的发病率与同胞相同。因此，不符合常染色体显、隐性遗传；（2）遗传度在60％以上的多基因病中，病人的第一级亲属（指有1/2的基因相同的亲属，如双亲与子女以及兄弟姐妹之间，即为一级亲属）的发病率接近于群体发病率的平方根。例如唇裂，人群发病率为1.7/1000，其遗传度76％，患者一级亲属发病率4％，近于0.0017的平方根；（3）随着亲属级别的降低，患者亲属发病风险率明显下降。又如唇裂在一级亲属中发病率为4％，二级亲属（叔、伯、舅、姨）中约0.7％，三级亲属（堂兄弟姐妹、姑、姨表兄弟姐妹等）仅为0.3％；（4）亲属发病率与家族中已有的患者人数和患者病变的程度有关，家族病例数越多，病变越严重，亲属发病率就越高；（5）近亲结婚所生子女的发病率比非近亲结婚所生子女的发病率高50～100％；（6）有些多基因病有性别的差异和种族的差异。如先天性幽门狭窄，男子为女子的5倍；先天性髋脱臼，日本人发病率是美国人的10倍。某一遗传病如基本符合上述特征，而且其实际调查的患病先证者各级亲属发病率与上述预期的发病率间无显著性差异, 就可确认该病遗传性质可能为多基因遗传

病。

由于大多数的多基因疾病是由多个微效基因协同作用并与环境因素共同导致，而这些微效基因又赋予患者易感性，故称为疾病易感基因。显然，多基因疾病是由多个易感基因共同作用的数量性状，具有微效累加效应或者主效基因。除此之外，再对多基因遗传病的易感基因识别、定位时，应考虑到环境对基因作用的影响以及基因与基因之间的相互作用。例如，苯丙酮尿症是一种隐性遗传病，是由于苯丙氨酸羟化酶缺乏导致的。纯合体的婴儿体内的苯丙氨酸不能转变为酪氨酸，而食物中的或正常组织分解产生的苯丙氨酸会在患儿脑内积累，影响大脑发育。但如果给患儿喂食含低苯丙氨酸的食物，就能减轻疾病的临床症状，他们通常可以发育成熟，智力也没有严重影响。这说明环境因素对基因作用的影响。基因与基因之间的相互作用包括等位基因的相互作用和非等位基因的相互作用，尤其是非等位基因之间的上位效应。

多基因遗传病的研究策略和分析方法

目前多基因病基因识别、定位的总体思路是沿用单基因遗传病的研究模式。首先，选定研究样本（如家系、同胞对或人群），用遗传标志物对样本成员针对全基因组、某染色体区段或某候选基因进行扫描，最后将所得数据用相应统计方法分析，确定哪些区段或基因与所研究的疾病间存在连锁或相关关系。常用的遗传标志物有限制性片段长度多态性(restrictionfragment length polymorphism，RFLP)、微卫星多态标记( short tande mrepeats，ST R )、单核苷酸多态性( single nucleotide polymorphisms，S N P )等，其中，SNP为目前最常用的遗传标志物。

连锁分析根据基因的重组率来计算两基因位点之间的遗传图距称为连锁分析。其基本原理是: 在家系中，位于同一条染色体上的两个位点( 致病基因与遗传标记) 在减数分裂过程中会发生交换与重组。两个位点之间相距越远，则发生重组的机率就越高，它们一起传给后代的机会就越小。因此由家系中标记位点与疾病位点间的重组率可估算出二者间的遗传距离及连锁程度。通过对覆盖密度适当的遗传图中的遗传标志在家系中进行基因分型，以此找到与致病基因紧密连锁的某一遗传标志，从而粗略地定位该基因。根据疾病有无合适的遗传模式，可分别进行参数分析与非参数分析[2]。参数分析法2，亦称模式依赖的连锁分析法，即一般所指的连锁分析法。主要检测在两基因以某一重组率相连锁时，出现这种情况的似然性有多大。该分析方法主要适用于已知遗传方式的单基因遗传病的基因定位。非参数分析法不依赖于疾病的遗传模式，其研究对象限于家系中成对的患病成员，被认为是多基因疾病的理想分析法。常用的非参数分析法有患病同胞对法受累同胞对( affected sib- pai r，A S P ) 和患病家系成员法( affected pedigree member，A P M )3,4。

关联研究和连锁不平衡关联研究是指在某一群体中设病人组和对照组，确定遗传位标频率在两组中是否存在差别，即分析遗传位标基因型与性状基因间是否存在连锁不平衡（linkage disequilibrium, LD），进而在该遗传位标附近寻找目标基因。所谓连锁不平衡，就是指同一条染色体上，两个等位基因间的非随机相关。即当位于同一条染色体的两个等位基因同时存在的概率，大于人群中因随机分布而同时出现的概率时，就称这两个位点处于LD 状态。通常选用隔离人群进行连锁不平衡分析更为理想。常用的连锁不平衡分析方法有：传递- 连锁不平衡检验( transmission disequilibrium test，T D T)、单倍型相对风险率分析（haplotype relative risk，HRR) 、双位点方法（two-locus methods）等5。

动物模型的多基因分析人类作为多基因遗传病研究的材料有着一些很难克服的弊端，但建立动物模型，通过动物模型的分析6，找出与人类相近的病理生理变化以及控制这些变化的遗传基础是解决问题的较好办法。近年来，动物模型或实验杂交( experimental crosses) 在人类多基因遗传病的研究中起着越来越大的作用。动物模型或实验杂交用于基因定位常采用数量性状位点( quanti tativetrait locus, Q T L )法。利用Q T L 定位法已在小鼠中基本构建了精细的遗传连锁图。实验证明，Q T L 定位在实验杂交中要比人类家系中更有效，但由于生物物种间的生理差异以及动物缺乏人类所特有的某些性状，故对某些人类疾病如精神分裂症、诵读困难等而言，动物模型是没有多大意义的。

展望

目前，单基因疾病研究相关技术和方法日趋成熟，但多基因病的研究进展较为缓慢。主要原因在于：1.多基因病的遗传模式尚未确定；2.性状的变异往往受众多基因与环境的共同调控，相互间又存在一定程度的互作；3.基因与基因间、基因与环境因素间的相互作用到目前为止还无法检测。但随着，S N P 和高通量测序技术的应用，为多基因遗传病易感基因的识别、定位展示了广阔的前景。我国是一个遗传资源丰富的国家，由于民族众多和传统的生活方式，是我国目前仍保存着许多相对隔离的群体。这是我们开发人类疾病相关基因研究一项极其珍贵的的资源优势。政府和科研机构应充分利用我国丰富的家系资源，迅速开展遗传病的研究工作，提高我国人类遗传学科的整体科研水平，占领未来遗传病治疗的战略制高点。

1 张奎星, 朱., 黄薇等. 多基因遗传病基因研究的策略和方法. 生理科学进展32, 215-219

(2001).

2 汪云, 朱. .全基因组扫描定位易感基因的策略和方法. 中国生育健康杂志19, 374-376

(2008).

3 Weeks, D. E. & Lathrop, G. M. Polygenic disease: methods for mapping complex disease

traits. Trends in genetics : TIG11, 513-519 (1995).

4 Thway, T. M. et al. Impact of Anti-Drug Antibodies in Preclinical Pharmacokinetic

Assessment. The AAPS journal, doi:10.1208/s12248-013-9484-4 (2013).

5 Jorde, L. B. Linkage disequilibrium and the search for complex disease genes. Genome

research10, 1435-1444 (2000).

6 顾鸣敏. 多基因遗传病遗传分析的研究进展. 国外医学遗传学分册21, 60-65 (1998).