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第三节
罕见遗传变异与乙型肝炎重症化

邓国宏 谭文婷

乙型肝炎的发生、发展和转归,是病毒(病毒载量、变异、进化等)和宿主(遗传异质性、年龄、性别等)通过免疫应答相互作用导致的。过去认为,常见复杂疾病的遗传因素主要是常见变异的贡献。近年来,随着全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)和新一代测序(next-generation sequencing,NGS)技术的发展及应用,大量与复杂疾病相关联的遗传变异位点被发现和鉴定出来,GWAS在揭示疾病易感位点和通路方面发挥了很大作用,使得复杂疾病遗传学超越了小规模、局部位点研究的限制,给复杂疾病遗传学领域带来了一场革命,也使得大量关联的罕见低频变异得以被重视和认识。本节结合我们的研究经验,重点探讨罕见低频变异在乙型肝炎重症化中的影响和作用。

一、复杂疾病的遗传因素

1.复杂疾病的遗传因素及理论假说

常见复杂疾病(common complex disease)通常由许多微效累加基因与环境因素共同作用而决定,如糖尿病、哮喘、高血压、动脉粥样硬化、精神分裂症、肿瘤等,存在多基因相互作用、遗传异质性、疾病异质性、性状变异呈现连续的数量级差、遗传模式不明确、不完全外显、异位显性等特点。乙型肝炎重症化,是病毒(病毒载量、变异、进化等)和宿主(遗传异质性、年龄、性别等)通过免疫应答相互作用导致的常见复杂疾病。对复杂疾病遗传因素的研究主要依据两种假说:其一是“常见疾病和常见变异(common disease & common variant,CDCV)”假说,此假说认为常见复杂疾病的遗传因素主要来自人群等位频率高但外显率相对较低的常见变异;其二是“常见疾病和罕见变异(common disease & rare variant,CDRV)”假说,此假说则认为复杂疾病的遗传因素主要由大量的人群等位频率低但外显率高的罕见低频变异所致,该假说基于人类进化角度,认为疾病有害健康,在人类进化过程中会被淘汰,因此疾病等位基因应该是罕见的。

2.研究模型

1)常见变异模型

在复杂疾病遗传易感性研究中,关联研究-连锁不平衡分析这类非参数分析方法最为常用,统计效能也远高于家系连锁分析。疾病的遗传关联研究有两种策略,一种是基于功能候选、预先假设的候选基因策略,一种是基于数据驱动、全局性观察的全基因组关联策略。鉴于候选基因策略在基因选择上的局限性和易于受到群体遗传结构的影响导致假阳性,早在20世纪末,人们就提出开展系统的、无选择偏倚的、全基因组范围的关联研究的设想,认为只要把基因组范围内的常见变异进行分型,就能对复杂疾病进行遗传易感位点的作图和鉴定,也就是全基因组关联研究。

候选基因策略研究以及GWAS都基于两个常见变异模型:CDCV模型和无限小模型(infinitesimal model)。CDCV模型认为少量的中等效应的常见位点在个体中起主要作用,多数复杂疾病如糖尿病、心血管疾病、肿瘤的GWAS结果切合这一模型。而无限小模型则认为是大量的微小效应的常见位点在个体中起主要作用,无限小模型在定量性状的GWAS中被得到证实,如身高、身体质量指数(BMI)、血清肝酶水平等定量性状。过去十年,通过GWAS发现了大量与复杂疾病相关联的变异,在揭示新的疾病易感位点和通路方面发挥了很大作用,复杂疾病遗传学超越了小规模、局部位点研究的限制,给复杂疾病遗传学领域带来了一场革命。GWAS策略不需要预先选择候选基因并做出假设,而是直接选取全基因组范围数以十万计的单核苷酸多态性(SNP)位点和数以十万计的拷贝数变异(CNV)探针,进行全基因组关联分析,以找出复杂疾病的易感变异,同时发掘其背后隐藏的生物学机制。这种策略使得人们可以从全基因组角度对复杂疾病的遗传特征产生全局性、系统性的认识。与传统的基于候选基因策略的关联研究相比,全基因组关联策略在统计效能上有着极大的提高,避免了群体分层偏倚和基因选择的偶然性。随着成本的降低,几乎所有的重大复杂疾病和定量性状都完成了全基因组关联分析,在肝病等研究方面,已经报道的GWAS包括药物性肝炎、丙型肝炎、乙型肝炎病毒(HBV)感染清除、HBV疫苗反应性、脂肪肝、HBV相关肝癌、HBV相关慢加急性肝衰竭等疾病表型。

2)罕见变异模型(rare-alleles model)

随着GWAS在各种疾病性状中的广泛开展,人们发现其结果并不能如最初预期的那样将所有致病位点一网打尽,事实上,GWAS发现的常见遗传变异仅能解释部分遗传性状,其原因在于GWAS选取的SNP和CNV标记多是人群常见的高频位点(等位频率≥5%),常见变异频率较高但外显率较低,导致大量的“遗传性丢失(missingheritability)”。越来越多的研究提示低频变异(等位频率<5%)对常见复杂疾病或性状具有同样重要的贡献,罕见变异模型认为低频变异往往具有较高的外显性,可解释部分的遗传性丢失。高通量测序是低频遗传变异关联研究最理想的策略,多项研究发现低频变异与冠心病、炎症性肠病、阿尔茨海默病、痛风、自闭症、抑郁症等复杂疾病相关。

3)广义遗传模型(broad-senseheritability model)

广义遗传模型认为普通变异的加性贡献以及罕见变异的强效应不足以解释遗传力的缺失,因此提出复杂疾病的遗传效应由非加性成分组成,包括基因-基因相互作用(即易位显性或上位效应)、基因-环境相互作用以及表观遗传修饰作用。由于方法本身的局限性,以及环境因素难于界定、测量,并且个体之间所处的环境变量差异巨大,GWAS无法检测基因-基因相互作用,也对基因-环境相互作用无能为力。

二、低频罕见变异在复杂疾病中的作用

有学者认为,在人类的自然进化过程中,常见变异出现较早并经受了负选择压力的净化,大部分倾向于中性效应而对疾病影响较小,即使某些常见变异具有很强的致病性,但同时也能进化出有利的功能来抵消其危害,如ApoL1基因常见变异在非裔美国人群中是慢性肾病的危险因素,但该变异可使该人群免于布氏锥虫罗德西亚亚种(Trypanosoma brucei rhodesiense)的感染;而低频变异出现较晚,尚未经历负选择压力的淘汰,因此在致病性上更具有危害性。事实上,遗传变异的频率与疾病风险程度通常成反比。常见遗传变异大多是低风险位点(相对风险度<1.5),而强效的高风险位点(相对风险度>2)往往罕见或是低频变异。在过去十年中,全世界的科学家开展了大量的针对罕见变异的研究,包括心血管疾病、神经精神疾病、肿瘤、炎症性肠病、痛风等疾病表型,得到了一系列很有意义的成果,不断阐述了罕见低频变异在复杂疾病和复杂性状中的作用,主要体现在以下几个方面。

罕见变异是复杂疾病遗传因素中重要的组成部分,罕见变异的纳入完善了复杂疾病和复杂性状的遗传机制,并进一步揭示了决定疾病表型或定量性状的遗传变异位点的数量及贡献比例(权重)。以抑郁症为例,重度抑郁症(major depression disorder,MDD)是一类常见的复杂性疾病,基于双胞胎和家系的研究显示其遗传度约为40%,然而常见变异仅能解释其中1/4的遗传度。抑郁症常见变异的鉴定并不容易,在2009—2013年超过10项的MDD大样本全基因组关联研究中,均没有发现明确的关联位点,2015年的一项中国人群超过1万人(CONVERGE队列)的基于低覆盖度全基因组测序的GWAS发现两个位点(SIRT1基因附近的rs12415800和LHPP基因上的rs35936514)与复发性抑郁症相关,但其关联性在欧洲7.5万人的两个队列中未得到验证。直到2016年一项基于130620例MDD患者和347620例对照的欧裔人群研究,才真正第一次鉴定出15个与MDD强相关的位点,可解释5%~6%的MDD遗传度。此后的一项135458例MDD患者和344901例对照的Meta研究,认为MDD患者中全基因组关联研究所用的常见SNP位点仅有8.7%的遗传度,不足1/4,该研究鉴定出的44个常见变异与MDD相关。由于基于常见变异的分析所需样本量巨大,而且并不能很好地鉴定抑郁症的遗传变异,因此越来越多的研究关注罕见变异。利用高通量测序技术,多项研究表明STXBP5、RIMS1、CTNNB1、NKPD1、LIPG、PHF21B、RCL1等基因的罕见变异与抑郁症显著相关,涉及钙通道受体、肌动蛋白聚合、树突棘形成、神经鞘磷脂合成等信号通路,研究还进一步发现罕见变异在不同种族的抑郁症患者中所起的作用可能不同,所有这些罕见变异的鉴定和信号通路的发现使得抑郁症的遗传机制得到完善和补充。

基于罕见变异的理论,人们鉴定出很多新的明确的强效致病基因位点。例如,既往研究鉴定出迟发性阿尔茨海默病(AD)的不少常见变异,这些变异虽然能被重复验证,但其遗传效应很弱,并且没有观察到明确的功能效应机制。Cruchaga等通过对14个迟发性阿尔茨海默病大家系进行全外显子组测序分析,在其中2个独立的家系里鉴定出磷脂酶D3(PLD3)基因上的一个罕见错义突变p.Val232Met与疾病共分离,在超过11000人的欧裔病例-对照人群中验证发现携带该突变的个体罹患迟发性阿尔茨海默病的风险是对照人群的2.1倍,把对照人群年龄控制在70岁以上,这种风险甚至提高到4.16倍。对PLD3基因的所有变异进行负荷检验,结果显示PLD3基因多个变异与阿尔茨海默病风险相关,功能实验证实PLD3蛋白参与细胞对β淀粉样前蛋白的处理过程。该研究也为如何利用大家系样本鉴定复杂疾病致病基因和低频强效变异提供了一个范例。另外,有研究对1795个冰岛人进行全基因组测序,在8号染色体(8q24)上鉴定出的一个新低频位点rs188140481A等位与前列腺癌相关(OR=2.9,p=6.2×10 -34 )。英国万人基因组计划(UK10K)通过对10000人进行低深度全基因组测序(测序深度7×)和高深度全外显子组测序(测序深度80×),鉴定出多个与疾病或健康状态关联的罕见变异,如APOB基因与血清甘油三酯水平,LDLR基因与血清低密度脂蛋白胆固醇水平,ADIPOQ基因变异与脂联素水平等,这些低频变异的人群结构和功能注释也进一步为疾病宿主遗传机制提供了新的视角。

对罕见变异的深入认识有助于精确理解疾病的不同亚型。以肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy,HCM)为例,HCM是一种比较常见的复杂的遗传心肌病,其绝大部分为常染色体显性遗传,外显率为40%~100%,既往研究认为MYBPC3、MYH7、TNNT2、TNNI3、TPM1、MYL3等基因的变异与HCM相关,这六个基因分别编码了心肌相关蛋白,包括心肌肌球蛋白结合蛋C3、β-肌球蛋白重链、心肌肌钙蛋白T、心肌肌钙蛋白I、α-原肌球蛋白以及肌球蛋白轻链3等肌小节结构蛋白,临床上70%的患者携带上述基因突变。而最近,一项对770例HCM患者的全外显子组测序研究发现,4例患者存在TTR基因的罕见突变c.424G>A(p.Val142Ile),该突变的全球人群发生频率为0.559%,同时存在心肌淀粉样变,是遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性心肌病亚型(ATTRv-CM)。TTR基因编码转甲状腺素蛋白,其致病突变可导致蛋白错误折叠、过量表达,使得不稳定的TTR淀粉样蛋白纤维在神经、心肌等部位沉积,是遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性(ATTRv)的致病基因;当然,随着年龄的增长,野生型TTR基因个体也可形成淀粉样蛋白纤维。研究者还发现,这一亚型的心肌病患者还可以合并经典的MYBPC3和MYL3基因突变。提示肥厚型心肌病患者需要精细鉴定病因、临床表现和致病基因位点。

对罕见变异的挖掘有助于针对功能通路发展靶向药物和促进个体化精准治疗。例如,针对TTR基因变异位点,科学家们开发出了一系列治疗遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性(ATTRv)的药物,包括TTR稳定剂氯苯唑酸和二氟尼柳(diflunisal)、siRNA干扰分子Patisiran、反义寡核苷酸分子Inotersen等。其中氯苯唑酸就是针对TTR蛋白p.Val30Met变异的小分子稳定剂,Ⅲ期临床试验结果显示其对早发性神经性ATTRv疗效显著,在欧洲以及部分南美洲和亚洲国家,其已获批用于早期症状性多发神经病的成年患者,以延缓周围神经损伤。最近的一项多中心、国际、双盲、安慰剂对照的Ⅲ期临床试验中,研究人员证实氯苯唑酸对转甲状腺素蛋白淀粉样变性心肌病(ATTRv-CM)患者同样有效,近期获得美国FDA批准,成为第一个且目前唯一获得FDA批准治疗转甲状腺素蛋白淀粉样变性心肌病(ATTRv-CM)的药物。另外,研究人员开发出一种针对TTR基因的小干扰RNA(siRNA),它可特异性阻碍和干扰细胞生成转甲状腺素蛋白,转甲状腺素蛋白淀粉样变性患者经siRNA治疗7天后转甲状腺素蛋白的水平降低38%;而其脂质纳米颗粒剂型可使转甲状腺素蛋白的水平降低87%。ATTRv特异性药物研发的成功也成为遗传性致死性复杂疾病基于基因罕见变异靶标开发治疗药物成功的典范。

总之,这些研究为人类更加深入地理解疾病的病理生理学过程和基础病因提供了更多的线索,同时也为评估预测罹患某疾病的风险提供了更多方法。这些结果对我们了解疾病的遗传易感性、探讨疾病的发病机制,以及有针对性地开展高危人群遗传筛查、制订干预措施,甚至指导疾病的治疗、预测患者预后等都具有重大意义。当然,受族群遗传背景、生活环境等因素的影响,不同人群中同一种疾病存在明显的异质性,提示我们在新药研发和临床诊疗过程中需要考虑人种的遗传背景差异。

三、低频罕见变异的检测方法及统计检验

与常见变异位点不同,低频变异和罕见变异位点人群频率低,通常低于5%,甚至低于0.5%,既往成熟的候选基因病例-对照研究、全基因组关联研究理论上并不适用于低频罕见变异位点的研究,相应地,传统的关联分析方法对低频和罕见变异的统计效能也极低。随着测序技术的发展,高通量测序在识别罕见变异、结构变异以及表观遗传学改变等方面,比芯片技术有更大的优势,常被用于低频变异关联研究,随后,科学家们也建立起了与之相应的统计检验方法来提高统计效能。

1.罕见及低频变异的检测方法

罕见变异的常用检测方法如下:①全基因组低深度测序(low-depth WGS),这是为控制成本常采用的一种方法,一个样本测序深度为30×的成本可以进行7~8个测序深度为4×的样本测序。有研究表明,在测序成本一定的情况下,相对于小样本的全基因组深度测序,大样本低深度测序在变异检测和疾病关联分析中都具有更强的效能。Li等研究证实,对于一个等位频率大于0.2%的位点,采用4×低深度测序3000个样本与30×深度测序超过2000个样本的效能是相似的。②全外显子组测序,该方法可以鉴定外显子上的所有变异,因外显子仅占人类基因组的1%~2%,故该方法较全基因组测序更为便宜,是目前最为常用的低频变异和罕见变异的鉴定方法,采用该方法,已鉴定出FOXP3与早发性胰岛素依赖的糖尿病、PLD3基因与迟发性阿尔茨海默病、APOB基因与血清甘油三酯水平、LDLR基因与血清低密度脂蛋白胆固醇水平、PNPLA5基因与血清低密度脂蛋白胆固醇水平等低频变异与疾病的关联,并鉴定出Kabuki综合征等单基因遗传病的致病基因。③靶基因区域测序,可以快速发现候选基因上的低频和罕见变异。④全基因组高深度测序(high-depth WGS)。⑤定制外显子区或者靶基因区的分型芯片。⑥极端表型抽样测序,在所需样本量巨大或者预算不足的情况下,可以考虑极端表型抽样测序,选取最具代表性和信息丰富的极端个体测序以提高分析效能,如家族性聚集的大家系患者。⑦GWAS芯片进行imputation分析得到低频变异,虽然GWAS芯片并不涵盖或极少涵盖频率低于5%的位点,但可以借助基因组数据库的连锁不平衡和单倍型数据,对已有的GWAS芯片分型结果进行imputation分析,也就是基因型插补,可以得到很多低频位点用于关联分析,这一方法只需要进行生物信息学计算,无需实验成本。

2.罕见及低频变异的关联分析统计检验方法

与罕见变异的特点相适应,科学家们开发出一系列罕见变异关联分析的统计方法,包括以下几种:①单变异检验(single-variant test),这是GWAS在加性遗传模型(additive genetic model)下的标准关联分析统计方法,该方法也同样适用于大样本的罕见及低频位点的关联分析,但在相同样本量的前提下,该方法对罕见变异的统计效能不如常见变异。②负荷检验(burden test),该方法将某一区域的多个变异进行遗传评分,然后对评分进行关联分析,该方法在某区域或基因大量低频变异均与疾病关联且方向一致的时候具有强大的检验效能。③适应性负荷检验(adaptive burden test),考虑到某区域或基因的不同变异对疾病的作用方向可能不完全相同,如有的位点是显著关联的风险因素,有的是保护因素,而有的则可能是中性的无关联位点,因此采用对变异进行加权或限定阈值的方式进行统计,可提高单纯的负荷检验的统计效能,这类改良的方法包括基于核函数的自适应聚类加权(kernel-based adaptive cluster,KBAC)检验、估计回归系数(estimated regression coefficient,EREC)检验、数据适应性加和检验(data adaptive sum test)、可变阈值(variable threshold,VT)检验等。④方差成分检验(variance-component test),对遗传效能的方差进行检验,在既有正向关联又有负向关联的情况下,或者致病变异较少的情况下具有强大的检验效能,常用的有序列核心关联检验(sequence kernel association test,SKAT)和C-alpha检验。⑤联合检验(combined test),是负荷检验与方差成分检验的联合应用。⑥其他,包括指数组合检验(exponential combination test,EC test)、效能计分合计检验(sum of powered score test,SPU test)以及基于泊松近似值的计分检验(Poisson approximation-based score test,PAST)等。后五类统计方法均是基于基因或者区域的多变异聚合检验,聚合检验可评估某基因或者某个区域多个位点的累加效应,进而提高检验效能。以各类方法为基础,科学家们开发了众多分析软件包,如EPACTS、MiST、SKAT、PLINK/SEQ、SCORE-Seq等,以及基于测序数据关联结果进行Meta分析的MetaSKAT、Meta-MultiSKAT,它们均可在网站上下载使用。

四、罕见变异与乙型肝炎重症化

与其他常见复杂疾病的遗传因素类似,乙型肝炎重症化的遗传特征具有疾病异质性、遗传异质性和变异位点作用效能差异等复杂性。根据疾病的临床特征、疾病进程特性以及对治疗的反应,可以将乙型肝炎患者区分为自限性清除、无症状携带、重症肝炎、肝硬化和肝细胞癌等不同的疾病表型,每一种表型患者可能具有不同的遗传变异特征。虽然乙型重型肝炎是存在于东亚、东南亚的一种常见的乙型肝炎疾病表型,但在西方国家少见。目前,对HBV感染与清除、慢性HBV感染相关肝硬化及肝癌等疾病表型的遗传因素研究较多,但对乙型重型肝炎遗传易感性研究较少。我们在973计划(2007CB512903)和传染病防治国家科技重大专项(2008ZX10002-007、2012ZX10002007)支持下,采用Affymetrix SNP 6.0芯片(包括全基因组范围内90万个SNP位点和90万个CNV位点),在1300例HBV相关慢加急性肝衰竭(ACLF)患者和2087例无症状HBV携带者中进行全基因组关联分析,结果显示,HLA-DR/DQ基因区域是全基因组范围中国人群HBV-ACLF的主要关联位点,位于HLA-DR区域的rs3129859位点和HLA-DRB1*1202是HBV-ACLF最显著的关联位点和基因型,rs3129859是HBV-ACLF的独立风险因素,独立于肝炎突发和HBV再活化,并且风险等位与HBV-ACLF的临床进程相关。对HLA-DR和DQ蛋白进行三维建模,结果显示与HBV-ACLF相关联的HLA-DR和DQ的氨基酸均位于HLA抗原结合区,尤其是关联的DR氨基酸,全部在HLA-DR蛋白的抗原结合沟槽内。提示HBV特异性的CD4 + T淋巴细胞途径在其发病过程中可能起重要作用。我们进一步动态观察了HBV特异性的CD4 + T淋巴细胞反应,发现HBV特异性TNF-α CD4 + T淋巴细胞亚群与患者重型肝炎发作相关,HBV 特异性IFN-γ CD4 + T淋巴细胞亚群与肝炎发作患者发生HBeAg或HBsAg 清除相关。因此,宿主遗传因素在乙型肝炎的发生和发展以及重症化过程中发挥了重要作用。

1.罕见变异与慢性乙型肝炎

既往的全基因组关联研究以及基于候选基因策略的病例-对照研究显示,HLA-DP、HLA-DQ、IL-10、IL-18、IFN-γ、TNF-α、TLR-3、CTLA-4等基因上的常见变异与慢性乙型肝炎相关,HLA-DP、HLA-DQ、IL-28B、CYP27B1、OAS3等基因的常见变异与慢性HBV感染患者IFN-α治疗应答相关,HLA-DP、HLA-DQ等基因常见变异还与慢性HBV感染患者核苷(酸)类似物抗病毒疗效相关,而Patatin样磷脂酶结构域蛋白3(PNPLA3)p.Ile148Met变异增加慢性乙型肝炎患者肝脏脂肪变性和腹部脂肪含量增多的风险。近年来,多项研究表明,除了常见变异外,多个罕见变异也与慢性乙型肝炎相关。

Zhao等采用极端表型,对50例无已知风险因素的慢性乙型肝炎患者和40例未接受过疫苗免疫的HBsAb阳性健康人进行全外显子组测序,并进一步在1728例慢性乙型肝炎患者和1636例健康对照者中对其中6个位点进行Sanger测序,发现4个罕见变异与慢性乙型肝炎相关,包括跨膜蛋白2(TMEM2)p.Ser1254Asn、干扰素-α2(IFN-α2)p.Ala120Thr及其调节剂NLR家族成员X1(NLRX1)p.Arg707Cys和补体成分2(C2)p.Glu318Asp四个变异,联合p值小于2.0×10-16,OR值分别为2.45、4.08、2.34和1.97。

Peng等在1899例慢性乙型肝炎患者和1828例健康对照者中研究了HBV受体蛋白NTCP的编码基因SLC10A1的c.800C>T变异(rs2296651,p.Ser267Phe)对慢性HBV感染临床转归的影响,结果显示p.Ser267Phe变异显著降低HBV的易感性,是一个保护性变异位点(OR=0.36,p=5.7×10-23),建模分析显示p.Ser267Phe变异可能通过干扰配体结合进而阻止HBV进入细胞。Zhang等对2550例持续HBV感染和2124例自发性清除病例进行分析,发现在中国南方人群中SLC10A1基因p.Ser267Phe变异与持续HBV感染并无关联性,进一步在244例患者中进行SLC10A1基因外显子测序,也没有发现该基因存在与HBV持续感染相关联的罕见位点,eQTL分析影响SLC10A1基因表达的SNP与HBV持续感染也不存在关联性,因此作者认为在中国南方人群中SLC10A1基因变异并不是HBV持续感染的主要风险因素。此外,有研究发现SLC10A1基因内含子1的一个低频变异rs4646287可增加汉族人群的HBV感染风险。

除此之外,有学者还对慢性乙型肝炎患者的其他性状进行了罕见低频变异的发掘,如HBsAg和HBsAb双阳性状态。Wang等对101例HBsAg和HBsAb双阳性的患者和102例HBsAb单阳性对照进行全外显子组测序,并进一步在48例患者和200例对照中对OAS3基因测序进行负荷分析,发现OAS3基因的16个罕见变异与HBsAg和HBsAb共存状态显著相关(OR=17.27,p=7.299×10-9)。

2.罕见变异与肝硬化

肝硬化是慢性HBV感染常见的重症化类型,但其致病机制尚未完全阐明。宿主遗传因素在肝硬化的发生过程中起着重要作用,有学者估算肝纤维化和肝硬化的遗传度约为50%,铁氧还蛋白1(ferredoxin 1,FDX1)基因间区rs2724432的T等位与肝硬化和肝癌显著相关,信号转导及转录激活蛋白4(signal transducer and activator of transcription 4,STAT4)基因rs7574865风险等位G与高加索人慢性HBV持续感染、肝脏炎症以及纤维化显著相关。甘露糖结合凝集素(mannose-binding lectin,MBL2)基因rs11003123和自噬相关16样蛋白1(autophagy related 16 like 1,ATG16L1)基因rs2241880位点(p.Thr300Ala)与HBV相关肝硬化基础上的肝癌相关。同时,学者还鉴定出一些保护性等位,例如,17-β羟基类固醇脱氢酶13(HSD17B13)基因rs72613567 dupA突变与慢性肝炎以及脂肪变性向脂肪性肝炎进展的风险降低相关,rs72613567 dupA突变发生在HSD17B13基因剪接供体的位置,突变发生后该基因功能丧失,并且与PNPLA3基因表达相协同,携带rs72613567 dupA基因的患者罹患肝硬化和肝癌的风险可分别降低15%和28%,脂肪肝的风险因素(如肥胖、酒精摄入、遗传易感位点等)可增强rs72613567 dupA基因型的保护效应,肿瘤坏死因子受体相关因子家族成员NF-κB的激活剂TANK的rs3820998位点G>T变异可能是肝硬化、肝癌以及HBV-ACLF发生和发展的保护因子。

最近,美国学者在两个大的样本队列——英国生物样本库队列(UK BioBank,UKBB,1088例肝硬化患者和407873例对照者)和密歇根基因组计划队列(Michigan Genomics Initiative,MGI,875例肝硬化患者和30346例对照者)中进行了分析,鉴定出PNPLA3、HFE、TM6SF2、MBOAT7、SERPINA1、HSD17B13、STAT4和IFNL4基因上或基因附近的8个遗传变异可重复影响肝硬化,这些变异与炎症、脂质合成以及蛋白复合物合成通路相关。在这些变异中,rs80215559(SLC17A2内含子上)、rs1800562(HFE基因外显子上,c.845G>A,p.Cys282Tyr)、rs28929474(SERPINA1基因外显子上,c.1096G>A,p.Glu366Lys)是低频变异。Hu等比较了SLC10A1基因p.Ser267Phe变异在3801例慢性HBV感染者(主要来自REVEAL-HBV队列)和3801例匹配的健康对照者中的分布,发现267Phe变异显著降低肝硬化(OR=0.65,p=0.002)和肝癌(OR=0.55,p<0.001)的发生风险,为肝硬化和肝癌的保护性突变。另外,研究者在HCV相关肝纤维化患者中发现TGF-β信号通路中内皮因子(ENG)基因的罕见变异富集,ENG基因p.Thr5Met变异与HCV相关纤维化显著相关(OR=3.04)。

3.罕见变异与肝衰竭

肝衰竭,尤其是HBV相关慢加急性肝衰竭(HBV-ACLF)是亚太地区肝病患者最主要的危急重症。欧洲基于酒精性肝硬化的ACLF以急性肝损伤和脓毒症所致的全身炎症反应及多器官功能衰竭为显著特点,主要激发天然免疫损伤;而我国ACLF与欧洲有所不同,以HBV感染为主,HBV介导的特异性免疫损伤在其发病过程中起重要作用。既往的研究表明,宿主CXCL10、IL-10、HLA-DR、AR、ER、CXCL16等基因上的遗传变异与慢性HBV感染相关肝衰竭显著相关,这些基因集中在宿主免疫应答通路上。

Ye等发现角蛋白K8基因的4个错义变异c.1022G>A(p.Arg341His)、c.1405C>T(p.Arg469Cys)、c.1406G>A(p.Arg469His)和c.1340C>T(p.Ala447Val)可增加慢性乙型肝炎(p=0.006)、HBV相关失代偿性肝硬化(p=0.076)和ACLF(p=0.017)的发生风险。Han等对10例暴发性HBV相关急性肝衰竭进行全外显子组测序,发现罕见变异高度富集于TLR信号通路(包括TLR-2,TIRAP,IRF7,IFNAR2,TRAF6,TLR-1,SPP1,MAPK12,IRF5,IRAK1,IKBKE和IFNAR1基因),10例患者中有9例患者检出上述基因的罕见变异,其中TLR-2基因的罕见杂合突变p.Phe679Ile在2例无亲缘关系患者中检出,进一步在312例非暴发性结局的HBV相关肝炎患者(124 无症状自限性HBV感染者、65例急性乙型肝炎患者、93例慢性乙型肝炎患者、30例HBV相关ACLF患者)中进行对照验证,结果显示暴发性HBV相关急性肝衰竭(ALF)患者679Ile变异频率显著高于非暴发性结局的HBV相关肝炎患者(p<0.001)以及1000G数据库人群(p<0.001)。结构和功能分析显示,p.Phe679Ile变异是一个功能丢失型变异,与野生型小鼠相比,给杂合型或者纯合型TLR-2基因敲除小鼠注射HBV质粒可引起更为显著的ALT水平升高和肝脏坏死性炎症。但Asgari等对21例既往健康发生暴发性HBV感染后需要肝移植的患者以及172例HBsAb/HBcAb阳性的无任何临床症状的对照者进行全外显子组测序,未找到任何基因或变异与成人HBV-ALF相关。

Peng等发现,SLC10A1基因p.Ser267Phe变异与健康状态相关,267Phe变异能显著降低慢性HBV感染者发生ACLF的概率(OR=0.48,p=0.007),其是ACLF的保护性等位。蛋白三维结构分析提示267Phe变异位于NTCP跨膜结构域9b区域,离HBV配体结合结构域(157~165)较近,可能影响HBV进入肝细胞的效率。

另外,罕见低频变异在HAV感染相关肝衰竭的发展中也起重要作用。Kim等发现HAV感染相关的肝衰竭与HAV受体HAVCR1(即TIM1)一个6氨基酸的插入变异(157insMTTTVP)显著相关。功能实验表明,157insMTTTVP插入型TIM1分子能更有效地结合HAV,可导致NKT 淋巴细胞针对HAV感染肝细胞的溶胞活性增强。HAV感染驱动了157delMTTTVP缺失型TIM1分子的自然选择,保护HAV引起的严重肝炎,但可能增加哮喘等变应性疾病的发生风险。一项针对10例HAV相关ALF患者的全外显子组测序结果也显示,多个基因的罕见变异在这一表型患者中富集,提示罕见变异在HAV感染重症化中起作用。

4.罕见变异与其他重症肝病

除病毒感染外,其他慢性肝病如遗传代谢性肝病、自身免疫性肝病、非酒精性脂肪性肝病等也可进展为肝纤维化和肝硬化,最终进展为肝癌和肝衰竭等重症肝病,这些疾病相关的遗传变异也在疾病的发生和发展中发挥重要作用。尤其是遗传代谢性肝病,本身就是单基因疾病,其相应致病基因的罕见变异导致其编码的酶缺陷进而引起肝脏代谢障碍,单个病种的遗传代谢性肝病发病率低,多为罕见疾病,如威尔逊病(Wilson disease)、α1-抗胰蛋白酶缺乏症(α1-antitrypsin deficiency)、糖原贮积病(glycogen storage disease)、遗传性血色素沉积症(hereditaryhemochromatosis)、酪氨酸血症(tyrosinemia)、先天性糖基化障碍(congenital disorders of glycosylation)、溶酶体酸性脂酶缺乏症(lysosomal acid lipase deficiency)等,均有导致肝硬化、肝癌或肝衰竭的报道。当这些疾病合并慢性HBV感染时,将给疾病的诊断、病因的鉴定和治疗带来更多困难和挑战。

卡塔尔学者回顾性分析了1997—2016年间收治的272例威尔逊病患者,其中有68例进展为ACLF(APASL标准)。68例患者中55例(80.9%)为未成年人,并且威尔逊病患者进展为ACLF后死亡率为73.1%,值得注意的是,在诱因明确的9例患者中,有6例是病毒性诱因导致的ACLF。ATP7B基因是威尔逊病的致病基因,在中国人群威尔逊病患者中检出频率较高的致病变异包括p.Arg778Leu、p.Pro992Leu和p.Ala874Val等位点,其人群频率极低,分别为0.000096、0.000032和0.000068。

我们也报道了一例患慢性乙型肝炎多年的17岁男性患者,其表现为肝大、脂肪肝、高尿酸血症、血糖偏低、肝脏多发腺瘤、青春期第二性征不发育、生长迟滞、身材矮小,多年来辗转多家医院未得到确诊,通过基因检测发现该患者G6PC基因外显子5上存在经典的致病纯合变异,结合患者肝细胞内大量糖原沉积,确诊为肝糖原贮积病Ⅰa型。通过口服“生玉米淀粉”这一唯一有效的治疗方式,患者病情在一年内得到极大改善,开始生长发育,一年内长高17 cm,第二性征开始显现。

SERPINA1基因是α1-抗胰蛋白酶缺乏症的致病基因,Pi*Z、Pi*S以及Pi*M是其主要的致病基因型。最近,欧裔人群一项大样本研究显示,低频变异位点Pi*Z rs28929474增加非酒精性脂肪性肝病患者(OR=7.31,p=0.001)以及慢性酒精使用者(OR=5.79,p<0.0001)罹患肝硬化的风险;而Pi*S rs17580位点则没有这样的相关性。但是一项立陶宛人群的研究显示了完全相反的结论,该研究共纳入302例肝硬化患者(病因以酒精性和HCV感染为主)、127例肝纤维化患者(HCV感染者占91%)和548例对照者,结果显示,Pi*Z rs28929474位点与肝纤维化或肝硬化无关,而低频变异位点Pi*S rs17580 是进展为肝纤维化(OR=3.42,p=0.001)和肝硬化(OR=2.59,p=0.02)的高风险位点。

酪氨酸血症Ⅰ型(tyrosinemia type Ⅰ,TYR Ⅰ)可导致肝硬化甚至进展为肝癌,酪氨酸血症Ⅰ型是由延胡索酰乙酰乙酸水解酶(FAH)缺乏引起的,有研究者报道了3例继发于特发性肝脾肿大和肝硬化的婴儿期肝细胞癌,全外显子组测序显示FAH基因上位于FAH酶催化口袋内的一个罕见纯合错义突变c.424A>G(p.Arg142Gly)是这些患者的致病基因。值得注意的是,这些患者并没有典型的琥珀酰丙酮和酪氨酸水平的提高,给疾病的诊断带来极大的难度,也提示临床实践中应重视罕见变异导致的重症肝病。

婴儿肝衰竭综合征是一组罕见的严重肝病症候群,可由一系列的罕见变异引起。例如,RINT1基因罕见变异可导致婴幼儿复发性急性肝衰竭和骨骼畸形,DLD、LARS、SCYL1基因变异也可导致婴幼儿复发性急性肝衰竭,NBAS基因变异可导致发热依赖的复发性急性肝衰竭(小儿肝功能衰竭综合征2型)。Cousin等报道了3例婴幼儿复发性急性肝衰竭患者均有RINT1基因剪接变异(c.1333+1G>A/T),同时携带错义突变p.Ala368Thr或 p.Leu370Pro或框移缺失p.Val618_Lys619del的复合杂合突变。而SCYL1基因的罕见变异可导致SCYL1缺乏症(即CALFAN综合征),这是一种先天性胞内运输障碍性肝病,临床表现为反复的低水平γ-谷氨酰转移酶、胆汁淤积、婴幼儿期早发急性肝衰竭和迟发性神经退行性病变。

另外,先天性糖基化障碍致病基因CCDC115变异,如c.92T>C(p.Leu31Ser)、c.31G>T(p.Asp11Tyr)以及c.19C>T(p.Arg7*)等变异,导致其编码的卷曲螺旋结构域蛋白115缺乏或异常,可使高尔基体内稳态异常,蛋白质糖基化先天性异常,进一步导致严重的早发性肝纤维化、肝硬化,甚至肝衰竭。另外,有文献报道,ACOX2基因终止突变c.207T>A(p.Tyr69*)导致一名8岁男孩间歇性转氨酶水平升高、肝纤维化、轻度共济失调和认知障碍,免疫组织化学证实该患者肝脏中酰基辅酶A氧化酶2表达缺乏。

总之,多个病种的遗传代谢性肝病都可进展为不同程度的重症肝病,包括肝硬化、肝癌以及肝衰竭,发病中相应致病基因的变异是其最根本的致病因素,而这些变异通常都是罕见变异,当这些患者合并HBV感染或者其他肝炎病毒感染时,给疾病的诊断和鉴别带来了更大的挑战,在临床实践中应重视这类罕见变异对疾病的影响。

五、小结与展望

随着技术的进步和深入的研究,越来越多的罕见低频变异被鉴定和解读,这些结果为人类更加深入地理解疾病的病理生理学过程和基础病因提供了更多的线索,为评估预测罹患某疾病的风险提供了更多方法,同时也为将来的基因诊断、分子分型和个体化治疗奠定了理论基础。但同时我们也应意识到,罕见变异与疾病的关联及其在临床实践中的指导作用仍然存在很多瓶颈和限制因素,解读罕见变异的作用时仍然需要考虑以下因素:①受族群遗传背景、生活环境等因素的影响,不同人群中同一种疾病的易感基因并不完全一致,这解释了复杂疾病的异质性,但也提示我们在新药研发和临床诊疗过程中需要考虑人种的遗传背景差异;②罕见低频变异的定义在不同人群中是相对的,某一个位点在一个人群中可能是高频的,在另一个人群中可能是低频的,因此其在不同种族人群的疾病关联性上可能存在差异,例如中国人群超过1万人的低覆盖度全基因组测序研究发现SIRT1基因附近的rs12415800和LHPP基因上的rs35936514与复发性抑郁症相关,但其关联性在欧洲7.5万人的两个队列中未得到验证,有学者分析其原因可能在于同一个位点在两个人群的频率差异巨大(rs12415800,0.45 vs. 0.02;rs35936514,0.28 vs. 0.06);③常见变异与罕见变异间可能存在协同作用,例如遗传性血色素沉积症是由HFE基因罕见变异导致的铁代谢异常,有学者发现,前蛋白转化酶枯草杆菌蛋白酶7(PCSK7)的常见变异位点可与HFE基因协同作用,是遗传性血色素沉积症进展为肝硬化的高危因素,携带PCSK7基因rs236918 C等位的HFE C282Y纯合患者,罹患肝硬化的风险提高5.38倍;④对罕见低频变异的解读仍需要考虑基因-基因交互作用和基因-环境交互作用的因素,常见复杂疾病是分子、细胞和器官等不同水平和环境以及饮食、文化、心理、行为等共同作用的结果,存在大量的基因-基因和基因-环境交互作用,简单地从变异-疾病单一纵向关联研究并不足以解释疾病的发生、发展,但是目前人们对基因-基因、基因-环境交互作用的认识尚不充分;⑤另外,由于疾病致病机制的复杂性以及异质性的广泛存在,其他类型的变异,如插入、缺失、拷贝数变异、结构变异、短的串联重复序列、单碱基的重复、基因融合等,目前也有发现和疾病具有重要的关联,尤其是以前被忽略的拷贝数变异在人类基因组中广泛存在,而且可能与人类复杂疾病有着密切的关系。

在乙型重型肝炎的发生、发展过程中,遗传作用是复杂的,所以不可能把乙型肝炎重症化的遗传因素归结于某一个单一的等位基因的变异。多位点、多基因相互作用使得识别和解析乙型重型肝炎的遗传基础存在挑战。利用我国病毒性肝炎优势疾病资源,我们在全基因组范围内鉴定出HBV相关慢加急性肝衰竭(ACLF)的宿主遗传易感基因,初步阐明了宿主遗传背景和HBV特异性CD4 + T淋巴细胞免疫应答在重型肝炎发展过程中以及肝炎患者发生HBeAg或HBsAg 清除中的作用,为临床治疗和疾病的遗传学干预和预防提供新的思路,但在多基因通路分析、Meta分析、低频功能变异发掘以及基因-基因和基因-环境交互作用解析等方面仍然需要深入探讨,以全面揭示乙型肝炎重症化过程中的关键环节。对于乙型肝炎重症化宿主遗传因素研究,今后在研究设计上应当注意:①对乙型重型肝炎进行精细的表型界定,例如,综合考虑慢性乙型肝炎重度、急性肝衰竭、慢加急性肝衰竭的纳入与排除问题;②选择合理的对照,我们认为应该选择年龄在40岁以上、HBeAg阴性的无症状携带者为对照;③必须有足够大的样本量,最好病例和对照都在1000例以上;④注重关联区域低频功能位点的鉴定,开展阳性关联变异位点在乙型重型肝炎中的生物学功能研究;⑤注重不同地域人群的重复验证,开展数据共享、交换及更大样本的Meta分析。

有人可能会质疑,发现这些在人群中较低风险系数的微效遗传效应到底有什么用处?实际上,遗传流行病学的贡献并不是为了简单地应用于校正这些微效遗传变异。相反,这些发现的真正价值在于认识致病机制。只有认识了环境因素对人群发挥作用的遗传本质特性,才能找到针对环境因素与遗传变异相互作用的有效干预策略。乙型重型肝炎的宿主遗传因素的研究范围和研究模式,今后将聚焦在整合遗传因素与其他因素之间的相互作用,包括遗传因素与病毒基因型/亚型、人群特征、基因-基因交互作用、基因-环境因素准确定量等。可以预见,乙型重型肝炎遗传易感性的研究使我们对乙型肝炎病毒和宿主遗传因素共同作用导致重症化的病因通路及发病机制产生新的理解,为乙型重型肝炎的预防提供新的思路。在此基础上,必将促进乙型重型肝炎防治从疾病晚期推移至早期乃至疾病发生之前,显著提升乙型重型肝炎临床诊疗的技术水平。

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