高級醫(yī)學遺傳學20091208課件

高級醫(yī)學遺傳學

——研究設(shè)計與統(tǒng)計分析方法介紹流行病學與衛(wèi)生統(tǒng)計學系陳大方教授

種瓜得瓜種豆得豆內(nèi)容

概述研究設(shè)計方法統(tǒng)計分析方法

按遺傳與環(huán)境因素的相對作用由遺傳因素決定的疾?。ㄑ巡、白化?。┗旧嫌蛇z傳因素決定的疾?。ㄐQ豆?。┒嘁蜃舆z傳?。ǜ哐獕?、冠心病）基本上由環(huán)境因素決定的疾?。ㄖ卸荆┘膊〉姆诸惣膊〉姆诸愲S著人類基因組計劃的完成和后基因組計劃的開展，人們對于疾病的認識也越來越深入。已有的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)人類疾病都與基因受損有關(guān)，因此提出了基因病-人類疾病的新概念。由此提出將人類疾病分為三種類型。

第一類是單基因病。僅由單個基因DNA序列某個堿基對的改變就造成疾病，并且可以把這樣的改變傳遞給后代。如血友病A、白化病等。

第二類是多基因病（復雜性疾?。?。這類疾病的發(fā)生涉及兩個以上基因的結(jié)構(gòu)或表達調(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。

第三類為獲得性基因病。主要是傳染病由病原微生物通過感染將其基因入侵到宿主基因引起。如HIV。研究設(shè)計方法患病家系成員設(shè)計優(yōu)點:具有明顯的孟德爾遺傳特點。遺傳方式確定（常顯、常隱或X連鎖）。缺點:如果指定的遺傳方式不正確，可能導致錯誤的結(jié)論。難以收集到家系全部人員?；疾〖蚁党蓡T設(shè)計患病同胞對設(shè)計優(yōu)點:可以進行非參數(shù)統(tǒng)計分析。研究對象相對容易收集。缺點:檢驗效能相對較低樣本量要求較大患病先證者核心家系設(shè)計優(yōu)點:可以進行非參數(shù)統(tǒng)計分析。研究對象相對容易收集。缺點:統(tǒng)計分析時僅僅雜合子的雙親可以有效利用。對于遲發(fā)性疾病難以收集到雙親資料?；疾∠茸C者核心家系設(shè)計半同胞研究設(shè)計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自父方或母方。病例對照研究設(shè)計優(yōu)點:相對容易收集到資料。投入少，產(chǎn)出高。缺點:由于存在連鎖不平衡和種群分層，容易導致假陽性或假陰性。病例對照研究設(shè)計timeExposureStudystartsDiseaseoccurrenceExposureDiseaseoccurrencetimeStudystartsExposuretimeDiseaseoccurrenceStudystarts歷史性隊列雙向性隊列前瞻性隊列巢式病例對照研究（nestedcasecontrolstudy）

基本原理

按隊列研究方式進行選擇一隊列，收集基線資料，采集所研究的生物學標志的組織或體液標本儲存?zhèn)溆秒S訪隨訪到出現(xiàn)能滿足病例對照研究樣本量的病例數(shù)為止匹配

按病例進入隊列的時間、疾病出現(xiàn)時間與性別、年齡等匹配條件，從同一隊列選擇1個或數(shù)個非病例作對照，抽取病例與對照的基線資料并檢測收集的標本資料處理

按匹配病例對照研究方法處理資料病例-隊列研究（case-cohortstudy）基本原理

研究開始時，在隊列中隨機選取一組樣本作為對照組觀察結(jié)束時，隊列中出現(xiàn)被研究疾病所有病例作病例組與隨機對照組進行比較

這種研究模式，可同時研究幾種疾病，不同疾病有不同病例組，但對照組都是同一組隨機樣本病例--隊列與巢式病例對照研究的區(qū)別對照是隨機選取，不與病例進行匹配隨機對照組中成員如發(fā)生被研究疾病，既為對照，又同時為病例1個隨機對照組可以同時和幾個病例組比較分析基本原理研究示意圖單純病例研究環(huán)境暴露基因型病人+-+-+-解決問題1991年美國Maclure提出病例交叉設(shè)計日常生活中一些突發(fā)事件之后,常會伴隨某些結(jié)果的發(fā)生。究竟是這些突發(fā)事件導致了結(jié)果的發(fā)生,還是僅僅由于機會所致?

病例交叉研究(case-crossoverdesign)暴露與某急性事件有關(guān)

比較相同研究對象暴露情況在急性事件發(fā)生前一段時間與未發(fā)生事件的某段時間基本原理

如果暴露與少見的事件(或疾病)有關(guān),那么剛好在事件發(fā)生前一段時間內(nèi)的暴露頻率應該高于更早時間內(nèi)的暴露頻率。

研究對象

病例和對照,兩部分的信息均來自于同一個體，“病例部分“危險期,疾病或事件發(fā)生前的一段時間?！皩φ詹糠帧睂φ掌?危險期外特定的一段時間。研究是對個體危險期和對照期內(nèi)的暴露信息進行比較

例如

據(jù)報道某種藥物可以引發(fā)猝死，如果該報道正確，則應該可以觀察到服用此藥物后一段時間內(nèi)猝死增多，或者說在猝死前幾天或幾周內(nèi)應有服藥增多的報道。統(tǒng)計分析方法

家族聚集性分析

比較患病率或發(fā)病率患者親屬>一般人群患者親屬>對照親屬隨親緣系數(shù)的降低而降低比較某些數(shù)量性狀（血壓水平等）親屬對之間的相關(guān)>非親屬對同病率雙生子中某疾?。ɑ蛐誀睿┑囊恢滦苑Q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子數(shù)D－雙方表現(xiàn)不一致的雙生子對子數(shù)同卵雙生子

異卵雙生子

腭裂33.3%4.5%先心病7.2%3.3%多指（趾）48.2%5.3%表1

幾種疾病雙生子的同病率系譜分析

目的通過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（pedigreechart），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

符合孟德爾遺傳方式，提示屬單基因遺傳病；不符合孟德爾遺傳方式，但與遺傳因素密切相關(guān)，可能為多基因遺傳病。系譜分析中僅包括父母及其子代的小家系，稱為核心家系。所謂指示者，是指在一個家系中表現(xiàn)型極端者，大多為患者或某性狀的表現(xiàn)者。一個核心家系加上三位指示者，即組成一個系譜分析單位。附有指示者的核心家系是對多基因遺傳病進行系譜分析的理想單位。

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個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（thresholdmodel）。

圖1一般人群和患者親屬易患性分布圖

G：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。

遺傳度及其估計

在多因子遺傳病中，遺傳對易患性所起作用的大小程度稱為遺傳度（heritability，h2）。表3一些常見多因子遺傳病的發(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0.17476唇裂±腭裂0.04276在研究中若通過匹配等方法給先證者選取可比的對照組,進行病例對照研究時，可用以下方法估計遺傳度：

式中PC為對照組親屬的不發(fā)病概率，PC=1-qc；qc為對照組親屬的發(fā)病率；XC為對照親屬易患性均值至閾值的正態(tài)離差；ac為對照親屬中患者的易患性均值至對照親屬易患性均值的正態(tài)離差；A為病例數(shù)；其余同前。病例對照研究

實例

謝宗孟等（1983）調(diào)查克汀病時發(fā)現(xiàn)患者一級親屬1217人中有49人發(fā)病，qra=0.0400，對照組一級親屬45076人中有263人發(fā)病qc=0.0058，由qra得Xra=1.751,ara=2.154,pra=1-qra=0.9600；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54±4.54%。對質(zhì)量性狀的多因子遺傳病可用以下方法估計。

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子數(shù)和異卵雙生子對子數(shù)。雙生子法實例303對雙生子中，同卵雙生子201對中近視一致者156對；異卵雙生子102對中近視一致者47對。

本例近視的遺傳度為59±6.57%。=0.0657

單基因疾病的分析方法分離分析檢驗實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。實例一疑為軟骨發(fā)育不全的100個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。表1分離分析χ2檢驗整理表χ2=1.536df=1P>0.05遺傳平衡定律在一個大的、隨機婚配的群體中，如果沒有遷移、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Hardy-Weinberg定律。在以群體為研究對象進行單基因遺傳病分析時可以用遺傳平衡定律來估計群體中所研究疾病的基因頻率和基因型頻率。設(shè)一對等位基因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，隨機婚配時子代基因型及其頻率為：

精子

A(p)a(q)

卵A(p)AAAa(pp)(pq)

子a(q)Aaaa(pq)(qq)

基因型頻率的分布為：(p(A)+q(a))2實例二

黑酸尿癥發(fā)病率為1/100萬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：因為x=q2=0.000001，q= 正常顯性基因頻率p=1-q=1-0.001=0.999≈1雜合子頻率2pq=2×1×0.001=0.002該病發(fā)病率雖然僅為1/100萬，但在群體中雜合子即隱性基因攜帶者的頻率達1/500。多基因疾病的分析方法表型與基因型一般統(tǒng)計分析病例-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)計分析方法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、方差分析、線性回歸等統(tǒng)計方法。表型為分類型變量的基因型之間比較可用卡方檢驗、LOGISTIC回歸等統(tǒng)計方法。

表型與基因型一般統(tǒng)計分析

原理：理論上，父母親的兩個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傳遞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(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：它主要用于分析定性性狀（如是否患?。贿m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：主要用于分析定性性狀（如是否患?。贿m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分析原理：FBAT以核心家系為單位計算每個核心家系數(shù)的基因型（X）的分布概率與統(tǒng)計量“S”（統(tǒng)計量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)計量S及S的方差與協(xié)方差，進行卡方檢驗。特點：FBAT既適應于定性資料又適應于定量資料，并且可以先對表型變量經(jīng)有關(guān)混雜因素進行調(diào)整，將調(diào)整后的殘差值或校正值放入FBAT程序中進行分析，這樣得到的結(jié)果就是經(jīng)過混雜因素調(diào)整后的關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果。FBAT適用于各種類型的家系結(jié)構(gòu)。有父母雙親、只有單親、雙親均無、一個同胞、多個同胞的家系都可混合在一起應用。FBAT分析原理：單倍體型分析通常采用置換法，通過對病例與對照兩組分別構(gòu)建單倍體型并計算各型頻率進行的卡方檢驗，得出P值；隨機分配每個研究對象是病例還是對照，用假定的病例對照數(shù)據(jù)重復上述的單倍體型構(gòu)建及兩組單倍體型頻率，重復置換1000次，得出1000個P值，觀察從假定的病例對照數(shù)據(jù)得來的P值小于從實際的病例對照分組樣本得來的P值的比例（百分率），該比例即為兩組比較的P值。特點：單倍體型（Haplotype）是指同一條染色體上緊密相連的一些位點(或基因)的組合。不同位點間排列距離越近，在減數(shù)分裂時發(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一步驗證在連鎖分析中所取得的數(shù)據(jù)，排除假陽性；通過多個位點的單倍體型排列，還可以使某些多態(tài)性不夠充分的單個位點的信息得以應用。單倍體型構(gòu)建分析指兩個或多個因素相互依賴發(fā)生作用而產(chǎn)生的一種效應。若交互作用存在時，當兩個或兩個以上的因子共同作用于某一事件