中国多个民族药物基因组学遗传差异及群体结构解析

论文摘要

药物基因组学的研究发现参与药物在体内吸收、分布、代谢、排泄(ADME)过程中的各种编码基因的遗传差异是引起药物临床效应多样性的关键因素,该差异在分子水平上的表现形式为单核苷酸多样性(SNP),包括个体差异和群体差异,是不同个体或群体间个体化用药的依据。中国是一个多民族聚居的国家,不同民族之间遗传背景差异很大。目前对中国主要民族药物基因组学相关基因的研究局限于少数基因和位点,至今尚未系统地开展针对不同民族间药物基因组学的遗传差异研究,尤其是关于柯尔克孜、苗等民族更是鲜有报道。昂飞公司药物代谢酶和转运体芯片(DMET)共包含234个药物代谢相关基因的1936个位点,所有位点均为参与ADME过程的已被明确证实跟药物代谢相关的位点,该芯片是一款专门用于药物基因组研究的芯片,为不同群体药物基因组学的差异研究提供了理想的工具。本研究在DMET芯片水平上从位点、基因、单体型构成、群体遗传结构、遗传距离、进化关系、聚类分析等方面解析中国汉族、藏族、维吾尔族、哈萨克族、柯尔克孜族、苗族和蒙古族这七个民族药物基因组学遗传差异,为七个民族的临床用药提供建议,同时本研究将七个民族的群体结构与Hapmap数据库中来自亚洲、欧洲和非洲的十一大人群的群体结构进行比较,可为不同民族种族的起源、迁徙和进化的研究提供理论依据。结果表明:1.利用DMET芯片测序平台对七个民族434例样本1930个DMET位点进行基因分型,使用Plink、R语言等生物信息学方法计算最小等位基因频率,筛选多态性位点、共有多态性位点、两两民族中的差异位点,解析七个民族药物基因组学位点、基因方面的差异。结果表明七个民族共检测出多态性位点918个,其中共有多态性位点568个。决策树和随机森林两种模型均不能根据SNP位点特征良好区分这七个民族。两两民族比较中共检测出差异性位点118个,集中在69个基因上,其中CHST3、CYP2D6和VKORC1的差异性位点超过5个。七个民族DMET芯片整体水平上的差异较小,但随机森林模型能100%地将苗族与其他六个民族区分开,反映出苗族和其他几个人群的差异较大,与差异位点个数的统计结果相一致,苗族与维吾尔族人群的差异性位点最多,达到46个,蒙古族和其他几个人群的差异性位点相对较少,最多只有17个,维吾尔族、哈萨克族和柯尔克孜族三个人群内部差异位点较少,最多只有2个。2.使用Haploview软件分析差异位点较多的基因在七个民族中的单体型构成及频率分布,参照CYP等位基因命名数据库汇总七个民族中CYP基因的代谢表型及频率分布,解析七个民族药物基因组学差异基因单体型构成、代谢表型方面的差异。结果表明七个民族的单体型构成和频率分布均有不同程度的差异。汉族和藏族人群,维吾尔族、哈萨克族、柯尔克孜族和蒙古族人群单体型构成和频率分布差异较小,苗族人群单体型构成和频率分布与其他六个民族差异较大。汉族、藏族、苗族CYP2C19中间代谢型携带者较多,均超过50%,维吾尔族、哈萨克族有超过30%的CYP2C19超快代谢型携带者。使用CYP2C19参与代谢的药物如氯吡格雷、伏立康唑、舍曲林、阿米替林、南索拉唑、氯巴占时,建议维吾尔族和哈萨克族人群减少剂量,汉族、藏族和苗族人群加大剂量。3.使用Structure、Arlequin、Mega、Poptree2和Eigensoft软件对七个民族进行群体遗传学研究,七个民族在群体遗传结构、遗传距离、进化关系和聚类分析方面的结果相一致。汉族和藏族人群,维吾尔族、哈萨克族、柯尔克孜族和蒙古族人群的群体遗传结构相似、遗传距离较近、进化关系同源。苗族人群与这两类人群的群体遗传结构差异较大、遗传距离较远、进化关系不同源。七个民族人群可聚为三大类,汉族和藏族人群聚为第一大类,维吾尔族、哈萨族人、柯尔克孜族和蒙古族人群聚为第二大类,苗族人群成为独立的第三类,该聚类结果恰好与七大人群三大语系的划分相一致。4.使用Structure、Arlequin、Mega、Poptree2和Eigensoft软件对全球范围内十八个人群进行群体遗传学研究,十八个人群在群体遗传结构、遗传距离、进化关系和聚类分析方面的结果相一致。汉族、藏族、苗族、CHB、CHD和JPT人群,CEU、TSI、MEX和GIH人群,ASW、MKK、LWK和YRI人群的群体遗传结构相似、遗传距离较近、进化关系同源。全球范围内十八个人群可聚为三大类,汉族、藏族、苗族、CHB、CHD和JPT人群聚为第一大类,CEU、TSI、MEX和GIH人群聚为第二大类,ASW、MKK、LWK和YRI人群聚为第三大类,该聚类结果恰好与十四个人群的三大人种相一致(黄种人、白种人、黑种人)。维吾尔族、哈萨克族、柯尔克孜族和蒙古族人群的群体遗传结构和遗传距离与黄种人和白种人均有一定程度相关性,但在进化关系上与黄种人距离更近。5.揭示了不同民族药物基因组学遗传背景的差异,为不同民族的个体化用药提供了依据。利用药物基因组学数据库PharmGKB临床注释版块对差异较大的位点和基因进行注释,发现临床上用来治疗开角型青光眼的药物噻吗洛尔的药物效应与CYP2D6上的位点rs16947的多态性有关。该位点等位基因“T”的携带者相对于“C”在使用噻吗洛尔进行治疗后发生药物不良反应心动过缓的风险更高,“T”在汉族、藏族、维吾尔族、哈萨克族、柯尔克孜族、苗族、蒙古族的中的频率分别为0.2128,0.4583,0.3438,0.4271,0.4043,0.0778,0.3488,在藏族、哈萨克族、柯尔克孜族人群中的频率较高,在苗族人群中频率较低,建议苗族人群可以广泛使用该种药物进行开角型青光眼的治疗,而藏族、哈萨克族和柯尔克孜族人群则需进行基因检测,根据基因检测结果合理选择用药,防止药物不良反应的发生。6.将DMET芯片对人群的区分范围扩大至遗传背景差异更小的中国七个民族中,证明DMET芯片对人群的区分程度不再局限于不同人种中,足以代替全基因组芯片用于不同人群群体遗传结构和背景的分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 药物基因组学的研究内容
•   1.2 药物基因组学研究的相关概念及数据库
•     1.2.1 药物基因组学研究的相关概念
•     1.2.2 药物基因组学研究的相关数据库
•   1.3 参与药物代谢的三大酶类
•     1.3.1 参与一相反应的代谢酶
•     1.3.2 参与二相反应的代谢酶
•     1.3.3 转运蛋白、受体等其他酶类
•   1.4 药物代谢酶的群体差异
•     1.4.1 CYP2D6 代谢表型的群体差异
•     1.4.2 CYP2C19 代谢表型的群体差异
•   1.5 药物代谢酶和转运体芯片
•   1.6 药物基因组学的研究进展
•     1.6.1 药物基因组学在通量方面的研究进展
•     1.6.2 药物基因组学在临床转化方面的研究进展
•     1.6.3 中国药物基因组学研究成果临床转化进展
•   1.7 药物基因组学在新药研发中的应用
•   1.8 本研究的选题依据和研究意义
• 第二章 七个民族样本选择及DMET芯片位点分类
•   2.1 七个民族样本选择基础
•     2.1.1 汉族
•     2.1.2 维吾尔族
•     2.1.3 苗族
•     2.1.4 藏族
•     2.1.5 蒙古族
•     2.1.6 哈萨克族
•     2.1.7 柯尔克孜族
•   2.2 DMET芯片位点分类
•     2.2.1 分类对象
•     2.2.2 分类方法
•     2.2.3 分类结果
•   2.3 讨论
•   2.4 本章小结
• 第三章 七个民族药物基因组学DMET位点遗传差异研究
•   3.1 实验材料
•     3.1.1 研究对象
•     3.1.2 主要实验试剂
•     3.1.3 主要实验仪器
•   3.2 实验方法
•     3.2.1 血样的采集
•     3.2.2 样本DNA的提取和DNA纯度的测定：
•     3.2.3 mPCR
•     3.2.4 Anneal
•     3.2.5 GapFillMix的加入和扩增
•     3.2.6 PCRClean-up及第一次质控
•     3.2.7 Fragmentation及第二次质控
•     3.2.8 标记
•     3.2.9 杂交
•     3.2.10 清洗和扫描
•   3.3 数据分析方法
•     3.3.1 数据预处理
•     3.3.2 哈迪温伯格平衡p与最小等位基因频率的计算
•     3.3.3 筛选在七个民族中有显著性差异的位点
•     3.3.4 筛选与每个民族因素相关的回归显著性位点
•     3.3.5 两两民族DMET位点差异比较
•     3.3.6 差异较大基因在七个民族中的连锁不平衡分析
•     3.3.7 计算七个民族中不同CYP基因不同代谢表型的频率
•   3.4 实验结果
•     3.4.1 七个民族中不符合HWE的位点
•     3.4.2 七个民族918 个多态性位点MAF及每个民族多态性位点占总位点数的比例
•     3.4.3 在七个民族中有显著性差异的位点的筛选
•     3.4.4 与民族因素相关的回归显著性位点
•     3.4.5 七个民族中两两民族间有显著性差异的位点
•     3.4.6 CHST3、CYP2D6、VKORC1 在七个民族中的单体型分布情况
•     3.4.7 CYP2C19、CYP2D6 强代谢型、中间代谢型和超强代谢型在七个民族中的频率
•   3.5 讨论
•     3.5.1 未能找到区分七个民族位点的原因分析
•     3.5.2 与ADH1B相关的乙醇类药物在七个民族中的临床用药建议
•     3.5.3 与CYP3A4 相关的药物芬太尼、氟哌啶醇、华法林、他莫克司在七个民族中的临床用药建议
•     3.5.4 与CHST3 相关的药物多西他赛、萨力多胺在七个民族中的临床用药建议
•     3.5.5 与CYP2D6 相关的药物噻吗洛尔、伊潘立酮.、依他普仑、甲硫哒嗪、异哇胍在七个民族中的临床用药建议
•     3.5.6 与VKORC1 相关的药物华法林在七个民族中的临床用药建议
•     3.5.7 与CYP2C19 相关的药物氯吡格雷、伏立康唑、舍曲林、阿米替林、南索拉唑、氯巴占的临床用药建议
•   3.6 本章小结
• 第四章 基于DMET位点的七个民族群体结构解析
•   4.1 研究对象
•   4.2 研究方法
•     4.2.1 遗传结构分层
•     4.2.2 相关遗传参数的计算
•     4.2.3 系统进化树的构建
•     4.2.4 主成分分析
•   4.3 研究结果
•     4.3.1 七个民族遗传结构分层结果
•     4.3.2 七个民族群体遗传学参数计算结果
•     4.3.3 七个民族系统进化树构建结果
•     4.3.4 七个民族主成分分析结果
•   4.4 讨论
•     4.4.1 汉族、藏族群体遗传结构分析
•     4.4.2 苗族群体遗传结构分析
•     4.4.3 维吾尔族、哈萨克族、柯尔克孜族、蒙古族群体遗传结构分析
•     4.4.4 三大类人群及其语系关系
•   4.5 本章小结
• 第五章 基于DMET位点的十八个人群群体结构解析
•   5.1 研究对象
•   5.2 研究方法
•     5.2.1 Hapmap相关数据的下载和汇总
•     5.2.2 遗传结构分层
•     5.2.3 相关遗传参数的计算
•     5.2.4 系统进化树的构建
•     5.2.5 主成分分析
•   5.3 研究结果
•     5.3.1 十八个人群全球分布情况
•     5.3.2 十八个人群遗传结构分层结果
•     5.3.3 十八个人群群体遗传学参数计算结果
•     5.3.4 十八个人群系统进化树构建结果
•     5.3.5 十八个人群主成分分析结果
•   5.4 讨论
•     5.4.1 亚裔人群群体遗传结构分析
•     5.4.2 欧裔人群群体遗传结构分析
•     5.4.3 非裔人群群体遗传结构分析
•     5.4.4 DMET芯片在群体遗传学研究中的应用
•   5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间取得的科研成果
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张珈祎

导师: 陈超

关键词: 民族,药物基因组学,临床用药,群体遗传

来源: 西北大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 生物学,中医学

单位: 西北大学

分类号: R29;Q78

总页数: 210

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