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关键词： 埃塞俄比亚芥   种间杂交   异源多倍化   育性   细胞遗传学   转录组学  

摘要： 种间杂交及多倍化是植物育种和物种多样性的主要推动力。花粉发育是植物发育的关键步骤,也是成功育种的重要环节。植物有性繁殖的先决条件是形成可育花粉粒,然而调控花粉育性的潜在机制尚不清楚。因此,研究异源二倍体和异源四倍体花粉发育的遗传变化,有助于我们进一步认识异源多倍化在植物雄配子体发育过程中对花粉育性的调控作用。芸薹属作物与模式植物拟南芥的亲缘关系最近,是研究植物多倍化的模式系统。本研究对人工合成异源二倍体埃塞俄比亚芥和染色体加倍后遗传背景相同的异源四倍体埃塞俄比亚芥的花粉发育过程进行细胞学和转录组学分析,以揭示异源多倍化调控育性的分子和细胞遗传学机制。主要研究结果如下:1.首先以黑芥(Brassica nigra)为父本、芥蓝(Brassica oleracea)为母本进行杂交和胚挽救获得异源二倍体埃塞俄比亚芥,再用秋水仙素处理使其染色体加倍获得异源四倍体埃塞俄比亚芥(Brassica carinata)。异源二倍体埃塞俄比亚芥花的大小,叶片厚度与颜色均为亲本的中间型。与异源二倍体埃塞俄比亚芥相比,异源四倍体埃塞俄比亚芥的花和叶片以及叶片上的气孔密度都比较大,花朵颜色相似,为淡黄色,更偏向于母本芥蓝。虽然两个倍性植株的花药都开裂并散出丰富的花粉粒,但异源二倍体埃塞俄比亚芥花粉大多体积小,活力极低,而异源四倍体埃塞俄比亚芥花粉粒形态正常,可染率升高。2.花药石蜡切片的结果显示,异源二倍体和异源四倍体埃塞俄比亚芥的绒毡层均正常的发育和降解,可为花粉发育正常提供营养物质。异源二倍体埃塞俄比亚芥在四分体时期出现可变孢子,大多数花粉发育停滞在小孢子时期,遗传物质丢失且体积不再增大。而异源四倍体埃塞俄比亚芥在四分体时期形成四个对称的小孢子,小孢子经过两次有丝分裂形成成熟的三细胞花粉。3.减数分裂时期染色体行为观察发现,异源二倍体埃塞俄比亚芥染色体的部分联会引发低频二价体形成,进一步导致染色体分离紊乱。而异源四倍体埃塞俄比亚芥中同源染色体稳定配对并完全联会,有助于进行经典的减数分裂。减数分裂过程的细胞骨架动态变化表明,异源二倍体埃塞俄比亚芥中出现了线状微管,或微管严重缺失,而异源四倍体埃塞俄比亚芥中可形成稳定的纺锤体结构,确保染色体的正常分离。4.对雄配子体的形成和发育两个阶段进行转录组分析表明,异源四倍体埃塞俄比亚芥中与DNA重组修复基因RAD51、DMC1、SPO11-2和泛素介导蛋白水解基因UBC9、CDC53上调推进减数分裂细胞周期顺利进行。花粉发育基因PIRL1、PIRL9、DUO1以及苯丙烷生物合成基因CCo AOMT、COMT、CAD可促进成熟花粉粒的形成。特别是细胞周期基因CDKA1、CDKB1;1、CDKB2;1和细胞骨架相关基因TUA2、ACT1、ACT3在两个阶段均上调表达,这对花粉育性有正向调控作用。综上所述,本研究为异源多倍化调控雄配子育性升高的分子细胞遗传学机制提供了理论基础,对作物改良和物种多样性研究具有重要意义。

关键词： 臭椿沟眶象   沟眶象   微卫星分子标记   种群遗传  

摘要： 臭椿沟眶象Eucryptorrhynchus brandti（Harold）和沟眶象Eucryptorrhynchus scrobiculatus（Motschulsky）为混合发生于乡土树种臭椿Ailanthus altissima（Mill.）及其变种千头椿***（Mill.）swingle ***上的同属近缘种昆虫。臭椿沟眶象和沟眶象目前已成为我国臭椿树上的重要钻蛀性害虫。研究表明,人类的频繁活动可促进有害生物的传播与扩散,解释害虫的起源与扩散问题可以为了解害虫爆发的影响因素以及制定有效控制方法提供重要信息。本文首次开发了臭椿沟眶象和沟眶象的通用微卫星分子标记,同时对两种象甲进行种群遗传学分析,探究两种象甲不同种群间的遗传多样性、遗传结构和基因流动,研究地理隔离、气候因素对两种象甲种群遗传分化的影响,用种群遗传学理论解释两种象甲的扩散与混合现状。主要研究结果如下:1.通用微卫星标记开发利用两种象甲基因组信息,共在臭椿沟眶象和沟眶象基因组中分别扫描到12,524个、11030个潜在的微卫星位点,AT重复单元均为两种象甲中含量最丰富的重复单元。筛选出10对多态性较高的通用微卫星引物。2.两种象甲不同地理种群遗传多样性利用微卫星分子标记分别对13和11个臭椿沟眶象、沟眶象种群进行遗传多样性分析。在臭椿沟眶象各种群中种群间分化系数(F)较高,其范围为0.0197至0.6650,在山东日照种群中有4个位点处出现了HWE的偏离。在沟眶象种群中,除北京顺义-辽宁大连和山东日照-辽宁大连,种群间分化系数(F)较高,在山东日照种群中也存在4个位点的HWE偏离。3.两种象甲不同地理种群遗传结构利用微卫星分子标记分别对13和11个臭椿沟眶象、沟眶象种群进行遗传结构分析。结果发现臭椿沟眶象和沟眶象的种群遗传结构呈现出明显的混合现象,相隔较远的地理种群可以被分为同一个遗传簇。4.两种象甲不同地理种群间基因流两种象甲均表现出了低水平的基因流,但是对于臭椿沟眶象,地理距离相距较远的种群间检测出了相对较高的基因流动,且呈现出从中国中南部向东北方向种群扩散,且中国东北部逐渐向中国西北部扩散的现象。对于沟眶象,与臭椿沟眶象相似地理距离相距较远的种群间检测出了相对较高的基因流动。总体来说两种象甲呈现出东西交叉扩散的现象。5.两种象甲种群遗传分化的影响因素Mental分析结果表明,臭椿沟眶象和沟眶象的遗传分化与地理距离或气候因素无关。然而,RDA分析表明,臭椿沟眶象和沟眶象的遗传分化可以受到温度和降水的影响,温度和降水可能会影响两种的遗传变异模式,其中温度的影响尤为重要。

关键词： 原发性免疫缺陷病   产前诊断   全外显子组测序   实时荧光定量PCR   跨跃断裂点PCR  

摘要： 背景原发性免疫缺陷病(Primary immunodeficiency disease,PID)是一组影响免疫系统不同组成部分的遗传性疾病。患者出现频繁且易危及生命的感染,以及免疫失调相关症状。根据2019版PID表型分类,406种免疫缺陷疾病与430种基因缺陷相关联,发病率为1/1000-1/5000,且部分亚类死亡率极高。近几年随着高通量测序技术广泛应用,不断有新PID以及扩展的新表型被报道,PID新基因和新病因的挖掘极具探索价值。目的收集罹患PID的先证者及家系成员或有免疫缺陷患儿生育史的核心家系样本进行全外显子组测序(Whole Exome Sequencing,WES)及相关技术检测,探索可能存在的新病因,初步探讨患者基因型-表型关系。并为受检家庭明确遗传学病因,为PID的诊断、遗传咨询及干预提供分子依据。方法收集28个PID先证者家系或者不良妊娠史核心家系临床资料,采集患者及家系成员血液或羊水样本进行WES检测。筛选可疑变异并通过Sanger测序验证,分析变异致病性。构建minigene载体验证可疑剪接变异;通过蛋白质免疫印迹(Western Blot,WB)、实时荧光定量PCR(Quantitative Real-time PCR,q PCR)、细胞免疫荧光实验验证候选变异对基因表达的影响;利用q PCR和跨跃断裂点PCR(Gap-PCR)确定大片段缺失突变的精确断裂位点。结果(1)为24个PID先证者家系或者不良妊娠史核心家系明确了诊断,检测到7个基因的23个候选致病变异。8个变异为本研究首次报道,其中2个依据现有证据判读为意义不明变异。(2)通过构建BTK基因野生型和c.1900T>G、c.897del G突变型及NFKBIA野生型及c.106T>C突变型真核表达载体,发现BTK突变型m RNA转录和蛋白质表达水平较野生型显著降低;而NFKBIA突变型m RNA转录和蛋白质表达水平明显上升,与该基因功能获得性(gain of function,GOF)突变致病的文献报道相符合。(3)体外构建minigene载体,证实了BTK c.1751-6＿1755delttctag GGGTT变异可产生异常剪接转录本,造成18号外显子跳过35 bp碱基。(4)通过q PCR和Gap-PCR将家系15 BTK新报道大片段缺失突变长度精确到8992bp。结论(1)本研究最终为24个家系提供了具有临床指导意义的诊断结果,总体诊断率为85.71%(24/28),拓宽了PID疾病遗传变异谱。(2)初步明确了BTK一个可疑剪接位点变异的异常转录本;(3)验证了BTK及NFKBIA两个意义不明变异的对m RNA转录和蛋白质表达的影响,为致病等级升级提供了新证据;(4)确定了一个BTK大片段缺失的精确断裂位点。图8幅,表8个,参考文献102篇

关键词： 扶桑绵粉蚧   生活史特征   免疫水平   种群遗传学   生态适应性  

摘要： 扶桑绵粉蚧Phenacoccus solenopsis Tinsley(半翅目:粉蚧科)为我国农业和林业检疫性有害生物,是棉花Gossypium spp.、番茄Solanum lycopersicum、马铃薯Solanum tuberosum、扶桑Hibiscus rosa-sinensis和木芙蓉Hibiscus mutabilis等多种作物及观赏植物的重要害虫。近十多年来,人们已广泛开展有关该粉蚧生活史性状及种群增长潜力的研究,但其中较少以入侵生物学的视角探讨。鉴于此,本研究以三个不同入侵地点即巴基斯坦旁遮普省、中国浙江省和广西壮族自治区的扶桑绵粉蚧种群为材料,于实验室条件下观察了在棉花和番茄上生活史性状及其世代间变化,以及部分世代的免疫水平与种群遗传多样性,以探究该粉蚧入侵过程中生活史特征的变化情况及相关影响因素,为入侵机制分析提供科学依据。结果如下:1.通过观察和比较扶桑绵粉蚧3个地理种群(巴基斯坦旁遮普省费萨拉巴德、中国浙江省兰溪市和广西壮族自治区防城港市)在棉花和番茄上多个世代(F、F、F、F)的生活史参数,发现其生殖力、产蚧历期、产蚧后期在不同地理种群之间存在显著差异,且因寄主种类和代别而异。巴基斯坦种群在番茄上、浙江种群在棉花上经历15个世代后每雌产后代数接近240头,表明该粉蚧在入侵过程中有些种群保持着较强的生殖力。但并非都如此,有些种群转换寄主后经历3个世代生殖力即显著下降。各世代性比(雄性后代占总体后代的比例)为0.36-0.60,初羽化雌成虫体长和体宽分别为1.44-1.87 mm和0.87-1.02mm,存在地理种群间或世代间差异,但总体而言差异不甚明显。2.对扶桑绵粉蚧7日龄雌成虫注射脂多糖诱导其产生免疫响应,并进行转录组测序与免疫相关基因相对转录水平的实时荧光定量PCR验证,发现共有17个此类基因出现差异表达,其中巴基斯坦和浙江种群的部分基因差异表达达到显著水平。未发现免疫水平在寄主种类和世代间有明显差异。3.基于扶桑绵粉蚧的9个微卫星标记,发现其不同地理种群的遗传多样性、遗传分化程度和遗传结构并不相同,在室内饲养条件下还受到寄主种类影响,且因世代而异。各地理种群的平均等位基因数为1.77-3.56,浙江种群>巴基斯坦种群>广西种群;期望杂合度为0.29-0.60,广西种群>巴基斯坦种群>浙江种群。巴基斯坦和浙江种群在棉花上经多代饲养后遗传多样性明显下降,这两个种群在番茄上、广西种群在棉花和番茄上饲养多代遗传多样性无明显变化。同时,随着饲养世代数增加,各地理种群的遗传分化增大,尤其是巴基斯坦种群在两种寄主上经历多个世代后,遗传结构出现明显变化。遗传变异主要来源于种群内的个体间差异(81.0%)。4.对不同世代的生活史特征、种群遗传学和免疫响应进行综合分析,发现巴基斯坦种群在番茄上饲养多代后生殖力和遗传多样性均保持较高水平,且保持一定的免疫响应水平;该种群在棉花上饲养多代后也仍具较高的生殖力,尽管遗传多样性出现下降趋势。浙江种群这些方面的变化趋势总体上与巴基斯坦种群相似,但其在番茄上的高生殖力与遗传多样性只出现于前三个世代。广西种群前三个世代的生殖力水平始终较低,但遗传多样性未明显下降。综上所述,入侵过程中该粉蚧的部分生活史特征已出现显著变化,尤其是生殖力方面,但部分入侵种群(如巴基斯坦种群)依然保持着较强的生殖力。其遗传多样性、免疫水平也因地理种群及在某种寄主上所经历的年限而异,但并不与生殖力之间存在明显的制约关系,即入侵过程中的遗传瓶颈效应对该粉蚧生殖的影响较为有限,且部分地理种群兼有高生殖力与强免疫水平的特点。

关键词： 群体遗传学   适应性进化   自然选择信号   群体基因组数据检测  

摘要： 群体遗传学研究自然选择、遗传漂变等因素作用下生物群体的遗传结构和遗传结构变化规律，探讨生物进化机制等问题。随着DNA测序技术的发展，群体基因组数据迅速积累，为从分子层面上检测自然选择信号奠定了基础。然而从方法学角度，自然选择检测手段仍需要完善和补充:一方面需要在控制假阳性率的基础上提高选择信号的检出效率;另一方面需要针对软性选择、平衡选择等特殊形式的选择以及发生在非编码区的自然选择、发生在混合群体的自然选择等特殊场景下的选择构建高效的检测方法。针对上述问题，我们开发了一系列使用群体基因组数据检测自然选择信号的新的统计学方法。　　针对编码区定向选择信号检测，我们开发了一种能同时利用多物种种间分化数据和种内多态数据检测自然选择，并确定自然选择所发生的进化谱系的方法HDMKPRF。HDMKPRF是一个基于泊松随机场框架构建的贝叶斯模型，该模型量化了选择系数、有效群体大小以及分化时间等参数对基因组多态性造成的影响，能够有效区分群体历史效应和选择效应，提高了选择信号的检测效率。利用该方法，我们分析了现代人、黑猩猩、大猩猩和猩猩四个灵长类物种基因组数据，构建了物种特异性的自然选择图谱。　　针对非编码区正向选择和平衡选择信号检测，我们提出了一种利用两个物种种间分化数据和种内多态性数据检测选择信号的最大似然模型CEGA-InSel。CEGA-InSel基于Hudson-Kreitman-Aquadér(HKA)检验框架，通过群体遗传学理论量化有效群体大小、分化时间、突变率等参数对观测数据的影响，并根据基因组局部多态性水平检测自然选择信号。CEGA-InSel不假设突变模型，因此可用于检测非编码区的自然选择。我们使用CEGA-InSel分析现代人和黑猩猩两个灵长类物种基因组数据，发现非编码区自然选择在人类特殊表型形成过程中可能起到非常关键的作用。　　针对软性选择信号检测，我们提出了一种基于聚类和单倍型纯合度延展性的统计量iHSL及RiHS。iHSL与RiHS通过相似性聚类区分软性选择下不同原始优势单倍型扩张所形成的簇，可降低大量簇间突变对检测选择造成的干扰。iHSL计算簇内单倍型纯合度平均延展性，通过与全基因组比较，检测近期的选择扫荡信号。RiHS通过将簇内单倍型纯合度平均延展性与全部单倍型纯合度延展性比较，区分软性选择与硬性选择。我们使用iHSL与RiHS分析汉族人群数据，发现软性选择扫荡可能在汉族人群近期环境适应中发挥着重要作用。　　针对混合群体局部祖源片段推断及选择分析，我们首先构建了一个以多群体单倍型频率为观测数据的隐马尔可夫模型MMIX。MMIX首次将数据噪声比例作为独立变量加入模型，并通过观测数据对其进行估计。MMIX可有效推断多群体混合模式下局部祖源构成，并对数据噪声有很强的稳健性。然后，我们提出“纯化片段”概念，用于检测家养动植物在杂交培育过程中受到的人工选择。我们以迷你雪瑞纳犬的杂交培育为研究案例，检测了迷你雪纳瑞犬基因组中的祖源纯化片段，并在纯化片段上发现了可能促使标准雪纳瑞犬体型变小的基因。

关键词： 葡萄糖磷酸异构酶缺乏症   GPI基因   溶血性贫血   地中海贫血   α-珠蛋白基因   拷贝数变异  

摘要： 遗传性溶血性贫血(HHA,hereditary hemolytic anemia)是一组由于编码红细胞膜蛋白、红细胞酶或血红蛋白的基因发生变异导致的遗传性疾病,以红细胞寿命缩短为特征,临床表现以溶血和溶血性贫血为主,严重程度不一。在遗传性溶血性贫血中,地中海贫血是一种较常见的血红蛋白病,葡萄糖磷酸异构酶(GPI,glucosephosphate isomerase)缺乏症是较罕见的糖酵解代谢途径中的红细胞酶缺陷。本研究分为两部分,分别对一例罕见的葡萄糖磷酸异构酶缺乏症家系和两例地中海贫血家系进行了致病基因的鉴定和遗传学研究,完善了这两种遗传性溶血性贫血的基因突变谱,为遗传性溶血性贫血的诊断提供了新的经验和思路。第一部分一例葡萄糖磷酸异构酶缺乏症家系致病基因的鉴定背景:葡萄糖磷酸异构酶(GPI)缺乏症是一种罕见的红细胞酶缺陷病,由编码葡萄糖磷酸异构酶的GPI基因突变导致,以常染色体隐性模式遗传。临床表现主要为慢性非球形溶血性贫血,少数患者伴有神经肌肉症状。本病因其罕见和症状的非典型而难以确诊。本研究纠正了一例误诊为地中海贫血的GPI缺乏症患者,并进行了进一步的基因分析和诊断。方法:采集家系成员外周血,通过血液学表型分析、地中海贫血相关突变分析、全外显子测序和致病位点筛选、Sanger测序验证等对家系进行遗传分析。随后结合突变位点生物信息预测、家系成员病史及临床表型分析和相关实验进行确诊。此外,对GPI缺乏症相关文献进行了汇总。结果:先证者携带两个未被报道过的GPI基因突变,c.1207C>T和c.1255G>C,分别遗传自父亲和母亲,另携带一个地中海贫血突变HBB:c.12629delCTTT,遗传自其父亲。先证者和母亲的红细胞GPI酶活性均有不同程度降低,结合临床表型和基因型等,确定先证者为GPI缺乏症。随后,通过文献查找汇总了被报道的已经过基因型验证的GPI缺乏症患者,并绘制了 GPI基因突变谱。结论:本研究描述了一名罕见的GPI缺乏症患者的临床特征和诊断过程,纠正了其“地中海贫血的误诊”。发现了两个GPI基因的新突变,丰富了 GPI基因的突变谱。在地中海流行区域发生的罕见HHA因临床表型的相似性更易被考虑为地贫而发生误诊,准确的诊断有赖于更全面的病因认知和考虑。第二部分 两个α-珠蛋白基因拷贝数变异导致地中海贫血的家系鉴定背景:地中海贫血是一种常见的遗传性血液疾病,由调节球蛋白合成的基因突变或丢失引起。遗传原因之一是α-珠蛋白基因簇的拷贝数变异(CNVs,copy-number variations)。然而,对这些CNVs的详细信息和机制还没有统一的总结和讨论。本研究在两个诊断为地中海贫血的中国家庭中发现了两个新的CNVs。方法:采集家系成员外周血,通过血液学分析、地中海贫血常规基因检测、多重连接依赖探针扩增(MLPA,multiplex ligation dependent probe amplification)、下一代测序(NGS,next-generation sequencing)等方法对这两个家系进行分析。此外,对所有已知涉及α-珠蛋白基因的CNVs进行了总结,并对这些CNVs的产生机制进行了分析和预测。结果:在2例β-地中海贫血和Hb Bart’s胎儿水肿综合征患者中分别发现了两个α-珠蛋白基因簇的新CNVs,一个重复(αααα159)和一个缺失(--259)。通过文献复习,筛选出了 42个α-珠蛋白基因的CNVs进行分析。基于突变断点区域不同的分子特征,我们认为这些CNVs的发生可能归因于几种机制。结论:本研究描述了两个涉及α-珠蛋白基因的新CNVs,为珠蛋白基因的变异谱增加了新内容。此外,对这些CNVs产生机制的探索为地中海贫血的分子病因学提供了一个机制视角。

关键词： 线虫   ROS   角质层   TSP-15   mma-1   eat-3   线粒体形态  

摘要： 背景氧化应激反应是指机体氧化自由基异常升高所引发的系统性应答,会使细胞激活一系列分子过程来快速高效地清除氧化自由基(ROS),并修复过量ROS对生物大分子的损伤。氧化应激反应的调控机制在物种间非常保守,目前许多机制问题还不清楚。实验室前期利用线虫研究碘的生物效应,发现过量碘可导致线虫体内ROS急剧升高并引起氧化应激。为寻找与ROS稳态调控相关的基因,我们通过遗传筛选得到了多个导致线虫在过量碘里存活的突变,分别影响3个与ROS合成相关的基因(bli-3、tsp-15和doxa-1)以及2个与ROS清除相关的基因(wdr-23和skn-1)。研究表明BLI-3、TSP-15和DOXA-1会形成一个位于细胞膜的双氧化酶复合体,催化ROS的产生和调节线虫角质层的形成。TSP-15作为双氧化酶复合体的关键组成部分,与线虫角质层形成有着密切联系。tsp-15(mac33)功能缺失突变线虫具有严重的角质层缺陷表型。为了寻找与tsp-15互作的基因,实验室前期对tsp-15(mac33)进行EMS诱变,通过遗传筛选分离到了12个可抑制tsp-15(mac33)角质层缺陷且表型与野生型相似的新突变。目前已克隆的一个突变为mac439,影响线虫mma-1基因。随后克隆的突变为mac427,影响线虫eat-3基因。mma-1和eat-3分别编码人类线粒体蛋白LRPPRC和OPA-1的同源蛋白。目的研究mma-1/eat-3如何与双氧化酶复合体基因相互作用影响线虫的角质层的形成和线粒体形态。方法(1)利用细胞核荧光染料Hoechst 33258检测相关线虫品系的染色率,作为评判角质层完整性的指标;(2)利用RNA干扰和转基因挽救实验鉴定候选基因;(3)构建线粒体相关基因与双氧化酶复合体基因的双突变品系,并检测不同双突变品系的角质层缺陷情况;(4)构建双氧化酶复合体基因与线虫线粒体报告基因hpy-7p-Mito::GFP的双突变品系,分析双氧化酶复合体突变对线粒体形态的影响。结果(1)12个tsp-15(mac33)抑制子的角质层缺陷得到修复;(2)表皮特异性表达mma-1转基因可在一定程度上挽救mac439抑制tsp-15(mac33)角质层缺陷的表型,泛表达eat-3转基因可挽救mac427抑制tsp-15(mac33)角质层缺陷的表型;(3)eat-3(mac427)和mma-1(mac439)突变可以抑制bli-3、tsp-15、doxa-1突变品系的角质层缺陷表型;(4)双氧化酶复合体基因突变导致线粒体形态发生碎片化。结论(1)12个tsp-15(mac33)抑制子可稳定抑制tsp-15(mac33)的角质层缺陷表型;(2)初步验证mma-1为mac439的候选基因,确认mac427为eat-3的点突变;(3)线粒体基因eat-3、mma-1与双氧化酶复合体基因bli-3、tsp-15、doxa-1存在相互作用关系,可以影响线虫角质层完整性;(4)双氧化酶复合体基因突变可能会影响线粒体形态。图18幅,表4个,参考文献83篇

关键词： 阿尔茨海默症   影像遗传学   机器学习   特征选择   正则化   关联分析  

摘要： 阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）俗称老年痴呆症,是一种常见的神经退行性疾病,导致老年人的认知能力下降。AD还具有高致残率和高死亡率等特点,因此,早发现、早预防、早治疗是AD防治的关键。全基因组高维数据的“维度诅咒”、影像遗传学数据的多样性为AD研究带来了挑战。近年来,计算机性能的大幅提升以及机器学习等相关技术的兴起推动了相关研究的发展,为进一步挖掘AD基因与影像之间的结构信息,分析二者之间的相关性,揭示疾病的致病机理指明了方向。针对以往研究关联程度弱、生物意义不足以及模型过于复杂计算效率低等不足,本文基于机器学习等数据驱动的方法,辅以正则化技术,主要围绕着影像遗传学的三个方面开展研究工作:多基因位点变异对候选脑区的影响;多基因位点变异对表型的影响;疾病分类诊断。本文的主要工作以及创新点如下:（1）介绍了影像遗传学的基本概念,概述了当前国内外影像遗传学的研究现状,并总结了目前主流的影像遗传学分析技术。（2）提出了一种基于L0的正则化模型用于遗传变异与表型的全基因组关联分析。该模型由三部分构成:第一部分是回归模型的经验风险,用于保证预测值尽可能地接近真实值;第二部分L0正则化,用于控制非零系数的特征SNP数量,起到特征筛选的作用;第三部分是L2正则化,起到防止过拟合的作用。实验结果表明,提出的方法在回归精度上显著优于组稀疏多任务回归模型,接着在ADNI全基因组分析中,在通过VEP注释所有变异的影响后,方法确定了33个可以解释40.1%表型变异的变异位点。然后,将每个变异位点映射到最近的基因并进行通路富集分析。发现了已被报道与阿尔茨海默病的形成有关的Notch信号通路和细胞凋亡通路。（3）提出了一种基于多目标优化的阿尔茨海默症诊断方法用于探索易感基因与表型的关系及AD的诊断分类。该模型由三部分构成:首先是基于VEP的变异注释,注释了有害变异位点并将它们映射到最近的蛋白质编码基因以增强生物学意义;其次应用基于熵理论的多目标评估策略对所有候选基因进行排序;最后,应用XGBoost对由46个AD样本、483个MCI样本和279个CN样本组成的不平衡数据实施分类。实验结果表明,与传统的分类模型相比,提出的方法不仅具有令人满意的分类性能,还发现了AD与已知的AD易感基因RIN3之间的显著相关性。此外,利用前20个特征基因进行通路富集分析,证实3条通路与AD的形成显著相关。

关键词： 银屑病关节炎   家族史   临床特征   影响   单核苷酸多态性芯片   全外显子组测序   致病基因  

摘要： 背景与目的:银屑病关节炎(psoriatic arthritis,PsA)是一种与银屑病或银屑病家族史密切相关的慢性炎性关节病,虽然在世界范围内该疾病患病率较低,但由于临床表现异质性大,可造成包括关节功能障碍、畸形以及可视性银屑病皮损在内的多种危害,从而导致生活质量下降、心理压力增加。目前为止,多项研究报道了不同国家及地区的PsA队列疾病特征,且较多的证据证实了 PsA的家族聚集倾向。然而,尚缺乏中国PsA大型队列的研究数据。本研究旨在介绍中国PsA患者的概况,且根据家族史亚组分析,探索家族史对PsA临床特征的影响。研究方法:作为一个全国性、多中心的平台,中国PsA注册研究系统(Chinese REgistry of Psoriatic ARthritis,CREPAR)依托中国风湿病数据中心(Chinese Rheumatism Data Center,CRDC)这一临床研究和转化医学平台于2018年12月搭建成立。本研究收集CREPAR平台从2018年12月至2021年6月招募的PsA患者的人口统计学信息、PsA临床数据、实验室检查、疾病评估及治疗等资料。根据有无家族史(定义为三代亲属中有银屑病或PsA)将患者分为两组并比较其疾病特征。采用Logistic回归分析与家族史相关的变量。研究结果:本研究共纳入1074名PsA患者。研究显示,多关节受累是最常见的关节受累模式,银屑病与关节炎发生先后次序上,银屑病先于关节炎出现更多见。除皮肤及关节症状外,余关节外表现中,指趾甲受累最常见,中轴受累、肌腱端附着点炎以及指趾炎比例相近,葡萄膜炎及炎症性肠病相对少见。治疗用药上,传统合成改善病情抗风湿药为最常见选择,肿瘤坏死因子拮抗剂为应用最多的生物制剂。家族史方面,313名(29.1%)患者有银屑病和/或PsA家族史。与无银屑病和/或PsA家族史患者相比,有家族史患者银屑病及关节炎更早发病,且有更多的附着点炎和指甲受累。调整混杂因素后发现,阳性家族史与女性更多(OR 1.514,95%CI 1.088-2.108,P=0.014),银屑病发病年龄更小(OR 0.971,95%CI 0.955-0.988,P=0.001),HLA-B27 阳性比例更高(OR 1.625,95%CI 1.089-2.426,P=0.018),附着点炎更多见(OR 1.393,95%CI 1.005-1.930,P=0.046),指甲受累更多(OR 1.424,95%CI 1.007-2.013,P=0.046),合并高脂血症比例更高(OR 2.550,95%CI 1.506-4.317,P=0.000)等相关。结论:首次基于全国性大队列概述了中国PsA患者的特征,且证实了 PsA的疾病异质性与复杂性。此外,研究发现,家族史对PsA患者的临床表型和疾病活动度都具有重要影响。背景与目的:银屑病关节炎(psoriatic arthritis,PsA)是一种慢性关节疾病,临床可表现为包括银屑病皮疹、关节炎在内的多种特征。由于治疗不及时可能造成患者关节肿痛、功能障碍,另外还有皮损的可视性,上述症状均易反复发作,给患者带来巨大影响和沉重负担。但目前该病的发病机制尚不十分明确。因此,开展针对PsA的遗传学研究对加深PsA疾病认识及制定更好的治疗策略具有重要意义。目前已有一些研究报道多个基因与PsA相关,这些基因能部分解释PsA的发生及临床表现异质性,但是PsA作为一个具有家族聚集倾向特质的疾病,基于家系的遗传学研究有限。因此,本研究通过对PsA的家系进行单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism,SNP)芯片和全外显子组测序(Whole-exome sequencing,WES)检测分析,旨在探寻这一疾病的致病基因。材料与方法:基于前期的CREPAR队列,对其中的4个PsA家系样本采集外周血并提取DNA。SNP芯片分析包括数据质控并采用连锁分析。同时对样本采用WES分析,包括数据过滤、比对到参考基因组、SNP检测、Indel分析、数据库注释,然后进一步采用孟德尔显性及隐形遗传模式,筛选潜在的致病基因。根据筛选出的潜在突变有害基因进行富集分析。实验结果:连锁分析显示,以LOD>2为显著连锁阈值,在孟德尔显性遗传模型中,Multipoint家系连锁分析表明,F1家系中10号染色体中rs1536337-kgp8081307为显著连锁位点。WES分析中,根据突变等位基因频率(mutant allele frequency,MAF)<0.01,发现55个潜在的致病性突变基因,其中C2orf80、TRPM6基因的位点突变可导致功能丧失性突变,其他突变基因的突变类型均为错义突变。进一步应用富集分析,GO功能富集分析显示一些与PsA相关的生物学途径存在