从基因组学系统生物学到转化医学高血压发病机制研究趋向(课堂PPT)

1、从基因组学、系统生物学到转化医学- 高血压发病机制研究趋向,朱鼎良 上海市高血压研究所,近代生命科学研究的发展趋势,大科学时代 在传统生物学基础之上集数学、统计、工程学、计算机信息科学的交叉综合、理论和实验相结合，在研究视角、思路、组织架构上大变革 跨团队、跨学科、跨国界合作 科学前沿技术 基因组学、干细胞、再生医学、分子影象、纳米技术等 转化医学 3P时代（预测、预防、个体化医疗）,复杂性状疾病近十多年研究策略,疾病基因组学研究 国家973项目、国家863、科技部重大专项 （1997- 2004年） 系统生物学研究 国家973项目 （2005-2009年） 转化医学研究,基因组学研究 - 一

2、种崭新的研究视角,从单基因到全基因组 人类基因组计划（HGP) 基因组单倍体图谱计划（HapMap project）,- ODonnell C J , Nabel E G. Circ Cardiovasc Genet 2008;1:51,2 successful GWAS studies on BP （P5 x 10-8）,CHARGE,BPgen,CYP17A1,CSK,11 SNPs,8 SNPs,SH2B3 ATXN2,高血压基因研究 现状与未来,现状 1.关联研究和连锁分析未能发现高血压易感基因及其变异； 2. GWAS研究发现的血压相关位点,其对人群血压的影响及其微弱(1mmHg),

3、 只能解释人群血压变异的不到0.2%； 3. 对GWAS能否揭示高血压遗传基础,存在不同见解,高血压基因研究 现状与未来,对高血压GWAS的评介(正方) 1.在现有GWAS研究结果基础上, 寻找致病基因变异,开展基因功能研究； 2. 进行更大规模的meta 分析,发现更多作用微弱的常见基因变异； “International Consortium for BP-GWAS”(70000例) 3. 不同人种、人群的血压GWAS研究 “AGEN BP-GWAS”。 - Dominiczak AF, et al. Hypertens 2010;56:1017,高血压基因研究 现状与未来,对高血压GWA

4、S的评介(反方) 1. GWAS研究未能揭示高血压的遗传结构、未发现 致病基因变异、未发现新的发病机制、未发现新的治疗靶点、未发现临床有用的遗传标记； 2. 需要开发新一代研究技术和策略; 3. 重视少见基因变异(rare genetic variants)对血压的作用。 - Kurtz. Hypertens 2010;56:1021,- ODonnell C J , Nabel E G. Circ Cardiovasc Genet 2008;1:51,系统生物学 - 一种崭新的研究思维方式,从单一组分到系统网络调控 系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质和代谢物小

5、分子等）的构成以及在特定条件下相互作用的学科。其核心是整体性研究和系统性研究，“整合”是系统生物学的灵魂。这是有别于迄今为止所有其他生物学分支学科的思维和研究方式，是一种崭新的思想。它既关心对一个系统中所有组分及组分之间相互关系的发现，又致力于将组分相互作用网络调控系统行为有机地整合在一起，体现出系统的新特征。,系统生物学研究思路,在阐明全部参与生物系统作用的生物分子组分的基础上，进而搞清参与功能表现的模体（motif）、代谢途径（pathways）和信号通路（signaling）, 然后选择某些与复杂性状疾病相关的系统，搞清系统中模体参与代谢途径（pathways）和/或信号通路（signa

6、ling）调节的网络结构（模件，modules），最后由不同网络结构构建完整的网络组织（organization）。,系统生物学研究方法,建立关键的系统分析和整合分析的设计和技术平台。主要包括实验分子生物学（湿实验）和计算机生物学(干实验)技术平台。前者以发展微量、精确和大规模分离、鉴定、监测和系统扰乱及其功能评价系统为主要目标，后者以生物模拟，提出假设及进行系统功能预测为主要任务。通过“干”、“湿”结合，建立具有统一标准和语言的系统形态。,Guyton数学模型人体长期血压调控的定量分析,循环系统调节模型(多变量、非线性的大系统） 400多个生理变量 354个功能块 18个子系统 系统内输入-

7、输出关系、反馈关系用框图表示 数字模拟、计算机分析：接点、常数、变量上下限，时间常数，变量间关系 压力置定点的调控：肾脏,Physiology and genomics: toward systems biology The last ten years have seen an unprecedented merge of physiology and genomics. While the field of physiological genomics is still very young, the introduction of the concept of systems biolo

8、gy promises to propel physiological genomics to a whole new level. In this brief article, we outlined some of the great opportunities and challenges for physiologists at this exciting time of physiological sciences, and used our own experience from the last ten years as an example to discuss how we

9、could expand and go beyond the combination of physiology and genomics to achieve a systems understanding of biology.,- Cowley A. Acta Physiologica Sinica, 2006, 58 : 1-4,生理学与基因组学-走向系统生物学,国内高血压机制系列性研究举例,genetic study (association study, GWAS) RAS (Ang II receptor, ACE2) vascular remodeling Capsaicin/

10、TRPV1 Channel renal dopamine receptor- GRK4 EETs TRP/KYN pathway H2S,From Bench to Bedside, From Bedside to Community,T1, is “the transfer of new understandings of disease mechanisms gained in the laboratory into the development of new methods for diagnosis, therapy, and prevention and their first t

11、esting in humans.” T2, is “the translation of results from clinical studies into everyday clinical practice and health decision making.” Some authorities divide T2 into T2 includes guideline development, meta-analyses, and systematic reviews, whereas T3 includes dissemination and implementation rese

12、arch. Lauer MS, et al. Circulation 2010;121:929-933,NIH 资助转化医学的目标,1. building a national clinical and translational research capacity, 2. providing opportunities for training and career development, 3. enhancing consortium-wide collaborations, 4. Improving community health through research, 5. advan

13、cing T1 to accelerate the translation of basic science discoveries to clinical testing. - Lauer MS, et al. Circulation 2010;121:929-933,T1: Connecting Basic and Clinical Research,基础：“Omics” 产生的大量资料, 对疾病的分子、基因和细胞基础的认识取得 巨大进步 挑战：对大量复杂的基因型和表型数据进行整合、 分析和分享，使之发挥最大作用,T2: Bridging Research and Practice,Imp

14、lementation research takes interventions that are generally accepted as beneficial and addresses their extension or adaptation to specific populations or settings, testing a variety of educational approaches, behavioral techniques, and environmental or organizational strategies. The study population

15、s can come from a variety of settings and other community settings - Lauer MS, et al. Circulation 2010;121:929-933,转化研究: 一种崭新的研究理念和实施体系,打破基础与临床的隔阂 从”小作坊式”研究走向大规模联合研究 “consortium” 全面规划、资源共享,转化医学：我们准备好了吗？,研究资料（基因型和表型）和转化靶标 临床和社区研究队列 Consortium和network 科学规划、共享机制,高血压新定义,Giles TD, et al. J Clin Hypertens

16、 . 2009;11:611-614.,高血压是一个由多种复杂和相关因素导致的、逐渐进展的心血管综合征。这一综合征的早期标志常出现在血压持续升高以前，所以不能仅依据个别血压值进行高血压分类。疾病进展与心血管功能和结构异常密切相关，进而引起心脏、肾脏、大脑、血管和其它靶器官损害，导致过早发生心血管事件和死亡。,Intermediate Lesion,Early Vascular Ageing (EVA) Atherosclerosis and arterial stiffening,Foam Cells,Fatty Streak,Atheroma,Fibrous Plaque,Complicat

17、ed Lesion/Rupture,From First Decade,From Third Decade,From Fourth Decade,Growth of the Lipid Core,SmoothMuscle and Collagen,Thrombosis,Endothelial Dysfunction,- Nilsson PM, Laurent S, et al. Hypertension 2009;54:3-10,血管老化 (vascular aging),生理性血管老化 随年龄增长, 动脉壁弹性蛋白断裂、胶原蛋白增加，动脉壁病变，动脉僵硬度增加, 病理性血管老化 在心血管危险

18、因素的作用下，血管壁氧化应激、慢性炎症、脂质沉积、加速血管老化 - Nilsson PM, Laurent S, et al. Hypertension 2009;54:3-10,筛查EVA、CVD早期防治,对有早发CVD家族史的成员应进行EVA, RF筛查 ADAM (aggressive decrease of atherosclerosis modifiers) - Nilsson PM, Laurent S, et al. Hypertension 2009;54:3-10,Start of intervention with ADAM in patients at increased

19、 cardiovascular risk,- Nilsson PM, Laurent S, et al. Hypertension 2009;54:3-10,血管老化的防治 - 生活方式改善和药物治疗,生活方式改善: 减轻体重、低盐摄入、限酒等 药物：降压药、调脂药、治疗糖尿病药 使动脉僵硬度降低 - Nilsson PM, Laurent S, et al. Hypertension 2009;54:3-10,血管老化的防治 - 研制中的药物,AGE breaker Alagebrium (ALT711) 端粒酶激活剂 farnesyl transferase inhibitors 上调 l

20、amin A生成 - Nilsson PM, Laurent S, et al. Hypertension 2009;54:3-10,谢谢,中国人群高血压全基因组关联研究（GWAS）,第一阶段方 法 （小样本，严格入组标准） 病例 1）原发性高血压患者：SBP140mmHg 和/ DBP90mmHg， （447例） 或正在服用降压药物； 2）具有明确的高血压家族史，家族中至少两人患有高血压病； 3）发病年龄30岁； 4）体质量指数 （BMI）40岁； 3） BMI 27kg/m2,空腹血糖7.0mmol/L; 4） 排除糖尿病，心脏疾病，肾脏疾病，恶性肿瘤。,中国人群高血压全基因组关联研究 （

21、GWAS）,第一阶段方 法 芯片：Ilumina Human 610-Quad, 620,901 SNPs 筛选位点的质量控制标准: 最小等位基因频率 MAF 1% ; 基因型检出率 = 97% (MAF= 99% ) 对照组的Hardy-Weinberg 平衡检验 p 1e5 符合质量控制标准的SNP共有590,761个。 人群结构评估：主成分分析显示研究所用高血压患者及对照来自同一人群。,中国人群高血压全基因组关联研究（GWAS）,第一阶段结果（与高血压，血压升高相关的位点）,共发现26个与高血压发生或血压升高相关的P值在10-5以下的基因内SNP,系统生物学研究方法,中国人群高血压全基因

22、组关联研究（GWAS）,第二阶段（验证） 方法,The 96.96 Dynamic Array,FLUIDIGM EP1 Software,中国人群高血压全基因组关联研究（GWAS）,第二阶段（验证） 样 本,7039例样本（高血压患者3680例，对照3259例）,2001-2004年已经完成的研究内容 中国人群高血压定位区域2q14-q23内26个候选基因SNP检测和小样本关联分析提示，KYNU基因2个cSNP与高血压有关 家系基因型不一致同胞对研究发现，Arg188Gln与血压水平相关 病例对照关联研究发现，Lys412Glu与高血压发生相关,KYNU,从基因到整体研究: TRP-KYNU

23、 Pathway,KYNU基因低频变异与高血压发生相关遗传标志识别及功能研究,汉族高血压家系全基因组扫描，将EH易感基因定位在2q14一q23区域内,对该区域内的犬尿氨酸酶基因（KYNU, 2q22.2)内49个常见SNP(MAF5%)进行筛查，未发现与高血压相关的位点。,KYNU基因低频变异与高血压发生相关遗传标志识别及功能研究,对犬尿氨酸酶基因进行全基因测序，发现一个低频非同义变异(Arg188Gln),KYNU基因低频变异与高血压发生相关遗传标志识别及功能研究,病例对照研究,基因型不一致同胞对研究,KYNU基因低频变异与高血压发生相关遗传标志识别及功能研究,体内功能试验,体外功能试验,高

24、效液相色谱法测定基因型不一致同胞对外周血淋巴细胞KYNU酶活性,HEK293 细胞稳定表达野生型及突变型KYNU，比较酶活性及催化效率,KYNU基因Arg188Gln变异参与酶活性改变,KYNU基因低频变异与高血压发生相关遗传标志识别及功能研究,KYNU转基因小鼠脑组织KYNU酶活性与血压的关系,转基因阳性小鼠脑皮质KYNU酶活性为阴性小鼠的7.73倍（0.0380.023 vs 0.005 0.001 nmol/min/mg)； 转基因阳性小鼠延髓KYNU酶活性为阴性小鼠的5.05倍（0.0320.020 vs 0.006 0.001 nmol/min/mg)。 转基因阳性小鼠延髓KYNU酶活性与血压呈正相关（P=0.017），未发现转基因阴性小鼠KYNU酶活性与血压相关。,应用实时定量RT-PCR测量转基因小鼠及其同窝对照脑干组织中Kynu mRNA水平。,KYNU基因对高血压发生产生影响,Metabolic syndrome, age-associated neuroendocrinedisorders, and dysregulation of tryptopha