分子流行病学-南京医科大学公共卫生学院流行病学课件

1、分子流行病学分子流行病学Molecular Epidemiology 南京医科大学流行病与卫生统计学系南京医科大学流行病与卫生统计学系 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 分子流行病学的研究内容分子流行病学的研究内容 第三节第三节 分子流行病学的研究方法分子流行病学的研究方法分子流行病学产生的背景分子流行病学产生的背景 疾病防治使流行病学遇到了一些新的挑战疾病防治使流行病学遇到了一些新的挑战 传染病防治传染病防治发现病原体耐药性发现病原体耐药性病原生物的多样性和多变性病原生物的多样性和多变性 慢性非传染病慢性非传染病暴露对疾病的微观生物学效应的研究暴露对疾病的微观生物学效应的研究 其他方面（

2、如疾病易感性）其他方面（如疾病易感性） 分子生物学理论和技术的飞速发展分子生物学理论和技术的飞速发展1953 - Discovery of DNA double helix (Crick & Watson)1960s - DNA transcription mechanism1972 - Recombinant DNA technology1985 - PCR （Kary Mullis)1990s - Human genome project 分子流行病学的发展历程分子流行病学的发展历程 国外：国外：1972年年-提出提出“流感分子流行病学流感分子流行病学”1993年：年：美国美国Sc

3、hulte出版了世界上第一本分子流行病学专出版了世界上第一本分子流行病学专著著 分 子 流 行 病 学分 子 流 行 病 学 - 原 理 和 实 践原 理 和 实 践 （ M o l e c u l a r Epidemiology: Principles and Practice）。）。1996年国际流行病学学术会议：年国际流行病学学术会议：狭义分子流行病学是测量狭义分子流行病学是测量作为暴露或效应的生物标志作为暴露或效应的生物标志信息大分子：信息大分子：DNA、RNA和蛋白质。从广义上包括任何实验的、生化的测量。和蛋白质。从广义上包括任何实验的、生化的测量。 国内：国内：1985年开始年开

4、始, 将分子生物学研究中一些技术应用于流行病中将分子生物学研究中一些技术应用于流行病中疾病诊断以及追踪传染源的调查研究。疾病诊断以及追踪传染源的调查研究。1990 年后年后在流行病学教材中正式列入分子流行病学一章。在流行病学教材中正式列入分子流行病学一章。从从1992 年第年第4 期起期起,中华流行病学杂志中华流行病学杂志连续连续7 期发表文期发表文章，介绍分子流行病学的产生、定义、研究内容、研究手章，介绍分子流行病学的产生、定义、研究内容、研究手段及其应用。段及其应用。Numbers of Papers with Subject Words “Molecular Epidemiology”

5、on Medline2006,more than 1000 on PubMed!分子流行病学定义分子流行病学定义n分子流行病学是应用先进分子流行病学是应用先进的的实验技术实验技术测量测量生物学标生物学标志志，结合流行病学现场研，结合流行病学现场研究方法，从究方法，从分子水平分子水平阐明阐明疾病的疾病的病因病因及其相关的及其相关的致致病过程病过程，并提出与评价相，并提出与评价相应应防制措施防制措施的科学。的科学。 （徐德忠，（徐德忠，1998年）年）n分子流行病学是阐明疾病分子流行病学是阐明疾病和健康状态相关和健康状态相关生物标志生物标志（或分子事件）在人群和（或分子事件）在人群和生物群体中的生

6、物群体中的分布及其影分布及其影响因素响因素，并研究防制疾病、，并研究防制疾病、促进健康的促进健康的策略与措施的策略与措施的科学科学。 （段广才，（段广才，1999年）年） 几个要点：几个要点： 分子流行病学是流行病学的一个分支分子流行病学是流行病学的一个分支分子流行病学的主要研究内容是各种生物标志物分子流行病学的主要研究内容是各种生物标志物分子流行病学还研究暴露因子引起疾病的相关过程，分子流行病学还研究暴露因子引起疾病的相关过程， 测定各种生物标志，并提出针对性预防措施测定各种生物标志，并提出针对性预防措施 特点特点与传统流行病学不同与传统流行病学不同研究的水平不同研究的水平不同所解决的问题不

7、同所解决的问题不同 与分子生物学的区别与分子生物学的区别研究对象不同（人群）研究对象不同（人群）研究内容、方法不同研究内容、方法不同 宏观与微观相结合！宏观与微观相结合！传统流行病学和分子流行病学传统流行病学和分子流行病学？分子流行病学分子流行病学ExposureCancer“冰山冰山” 现象现象传统流行病学传统流行病学暴露暴露疾病疾病 ？ 前瞻性研究前瞻性研究回顾性研究回顾性研究分子流行病学分子流行病学传统流行病学与分子流行病学的关系（传统流行病学与分子流行病学的关系（EDC模型）模型）（Schulte,1993）暴露暴露疾病疾病分子流行病学现况分子流行病学现况研究内容更加丰富研究内容更加丰

8、富研究手段越来越多研究手段越来越多应用范围不断扩大应用范围不断扩大 研究内容研究内容生物标志探讨生物标志探讨暴露测量暴露测量效应测量效应测量易感性测量易感性测量生物标志的概念生物标志的概念 广义的生物标志物广义的生物标志物(biological markers , biomarkers) 是指生物材料中与有害因素接触有关的机体的各种变化是指生物材料中与有害因素接触有关的机体的各种变化, , 包括生理、生化、免疫、细胞和遗传等方面的改变。包括生理、生化、免疫、细胞和遗传等方面的改变。 分子生物标志物分子生物标志物(molecular biomarkers) 直接反映直接反映外来理化因素与细胞靶分

9、子外来理化因素与细胞靶分子, , 特别是生物大分子如核酸特别是生物大分子如核酸和蛋白质的相互作用及其后果和蛋白质的相互作用及其后果, , 因而具有较高的敏感性。因而具有较高的敏感性。 生物标志生物标志生物标志物的种类生物标志物的种类 暴露标志（暴露标志（exposure marker, ME）与疾病或健康状态有与疾病或健康状态有关的暴露因素的生物标志，称为暴露标志。关的暴露因素的生物标志，称为暴露标志。外暴露标志外暴露标志:暴露因素进入机体之前的标志和剂量，如暴露因素进入机体之前的标志和剂量，如病毒、细菌、吸烟烟雾等。病毒、细菌、吸烟烟雾等。内暴露标志：内暴露标志：暴露因素进入机体之后的标志。

10、暴露因素进入机体之后的标志。 1.体内剂量标志（体内剂量标志（ID）：）：外源性物质于暴露后在体内可测外源性物质于暴露后在体内可测量到的剂量标志，表示被人体吸收的外源性物质（性质量到的剂量标志，表示被人体吸收的外源性物质（性质未改变的或其代谢产物）的数量。未改变的或其代谢产物）的数量。q吸烟吸烟 - 血或尿中的烟草代谢产物可丁宁浓度血或尿中的烟草代谢产物可丁宁浓度q多环芳烃多环芳烃 - 尿中的尿中的1- 羟基芘水平羟基芘水平q饮食暴露饮食暴露- 黄曲霉毒素黄曲霉毒素B1(AFB1)和尿中和尿中N-亚硝基化合物（亚硝基化合物（ N - nitroso compounds）的浓度、血液中营养素水平

11、）的浓度、血液中营养素水平q工作暴露和环境污染工作暴露和环境污染 - 血清或脂肪组织中的杀虫剂血清或脂肪组织中的杀虫剂DDT（dichloro-diphenyl-trichloroethane）、多氯联苯）、多氯联苯PCBs（polychlorinated biphenyl）、二氧杂芑（）、二氧杂芑（Dioxins）环氧化物含）环氧化物含量量 2.生物有效剂量标志（生物有效剂量标志（BED）：）：能表示已与靶组织细胞内能表示已与靶组织细胞内DNA或蛋白质相互作用的外源性物质或其反应产物的含量。或蛋白质相互作用的外源性物质或其反应产物的含量。它是反映靶细胞分子内接触剂量的生物标志物它是反映靶细胞

12、分子内接触剂量的生物标志物, 主要包括主要包括蛋白质加合物蛋白质加合物(Protein adduct) 、DNA 加合物加合物(DNA adduct) 、DNA 蛋白交联物蛋白交联物(DNA-protein crosslink , DPC) 。生物有效剂量标志生物有效剂量标志DNA加合物加合物 苯并（苯并（a）芘、）芘、亚硝胺亚硝胺 白细胞白细胞生物学标志生物学标志环境暴露物质环境暴露物质生物材料生物材料蛋白质加合物蛋白质加合物（血红蛋白）（血红蛋白） 环氧乙烯环氧乙烯红细胞红细胞 效应标志（效应标志（effect marker, MEF）机体暴露后产生功能性或机体暴露后产生功能性或结构性的生

13、物标志，称为效应标志。结构性的生物标志，称为效应标志。疾病标志（疾病标志（MD） 健康状态标志（健康状态标志（MH） 生物学反应标志（生物学反应标志（BR）: 反映了由于结合到靶细胞的外源性物反映了由于结合到靶细胞的外源性物质的持续作用，进一步引起细胞与组织的生物学或生化学的变化。这质的持续作用，进一步引起细胞与组织的生物学或生化学的变化。这些变化主要发生在细胞特定部位，尤其在基因的某些特定序列；这些些变化主要发生在细胞特定部位，尤其在基因的某些特定序列；这些变化可引起机体某些不可逆转的生物学效应。变化可引起机体某些不可逆转的生物学效应。亚临床（早期）疾病的生物学标志亚临床（早期）疾病的生物学

14、标志 血清甲胎蛋白血清甲胎蛋白肝癌、肠道疾病、胎儿神经管缺失肝癌、肠道疾病、胎儿神经管缺失癌胚抗原癌胚抗原胃肠道癌、其它胃肠道疾病胃肠道癌、其它胃肠道疾病肿瘤特异性抗原肿瘤特异性抗原 各种癌症各种癌症生物学标志生物学标志疾病疾病血清谷草转氨酶血清谷草转氨酶心肌梗塞心肌梗塞生物学反应标志生物学反应标志生物学标志生物学标志环境暴露物质环境暴露物质生物材料生物材料染色体染色体诱变化学物诱变化学物畸变畸变白细胞白细胞姊妹染色体单体交换姊妹染色体单体交换白细胞白细胞微核微核（micronuci）上皮上皮癌基因激活癌基因激活化学致癌原化学致癌原 苯并苯并（a a）芘）芘 组织组织原嘌呤比例升高原嘌呤比例升

15、高铅铅红细胞红细胞乙酰胆碱脂酶降低乙酰胆碱脂酶降低有机磷杀虫剂有机磷杀虫剂血浆血浆MUTAGEN SENSITIVITY ASSAY 易感性标志（易感性标志（susceptibility markers, MS）个体对疾病发个体对疾病发生、发展易感程度的生物标志。生、发展易感程度的生物标志。 易感性主要与宿主的遗传特征易感性主要与宿主的遗传特征, ,以及生长发育、营养、以及生长发育、营养、免疫、机体活动状态等有关。免疫、机体活动状态等有关。不同疾病的不同阶段，都不同疾病的不同阶段，都有可能具有不同的易感性标志。有可能具有不同的易感性标志。 易感性影响着其它生物学标志在机体内的水平易感性影响着其

16、它生物学标志在机体内的水平；不；不同个体的易感性不同，与之相关的其它生物学标志的水同个体的易感性不同，与之相关的其它生物学标志的水平也可以不同。平也可以不同。1抗胰蛋白酶抗胰蛋白酶 吸烟吸烟肺气肿肺气肿N-乙酰基转移酶乙酰基转移酶 芳香胺芳香胺膀胱癌膀胱癌易感性标志易感性标志暴露暴露 疾病疾病芳香烃羟化酶芳香烃羟化酶吸烟吸烟 肺癌肺癌宿主易感性标志宿主易感性标志 易感基因标志物：易感基因标志物： 人类基因组多态性人类基因组多态性 遗传易感性标志遗传易感性标志99.9% of one individual DNA sequences will be identical to that of an

17、other person. Of the 0.1% difference, over 80% will be single nucleotide polymorphisms (SNPs).10 million SNPs生物标志的选定生物标志的选定 生物标志的筛选生物标志的筛选具有较好的特异性和稳定性具有较好的特异性和稳定性检测方法具有较高的灵敏度和特异度检测方法具有较高的灵敏度和特异度检测方法快速、简便检测方法快速、简便 生物标志特性生物标志特性分子特性分子特性 个体间变异个体间变异时相特性时相特性 群体间变异群体间变异个体内变异个体内变异 储存变异储存变异 检测方法实用性和可信性检测方法实用

18、性和可信性 检测方法的有效性检测方法的有效性暴露测量暴露测量外暴露研究外暴露研究 1. 生物性病原因子检测鉴定生物性病原因子检测鉴定2. 研究病原生物进化变异规律研究病原生物进化变异规律3. 确定传播途径确定传播途径4. 非生物性因素的暴露测量非生物性因素的暴露测量内暴露研究内暴露研究1. 传染性疾病传染性疾病 感染状况感染状况 传染源追踪传染源追踪2. 慢性非传染性疾病慢性非传染性疾病 内暴露水平内暴露水平 生物作用水平生物作用水平暴露标志的局限性暴露标志的局限性标志的测量必须先寻找合适的生物材料；标志的测量必须先寻找合适的生物材料； 大多数标志物如血红蛋白加合物和血浆可的宁水平只能大多数标

19、志物如血红蛋白加合物和血浆可的宁水平只能反映目前的暴露水平；反映目前的暴露水平；暴露标志物测量的费用通常要高于调查表暴露标志物测量的费用通常要高于调查表效应测量效应测量传染病传染病 免疫效应免疫效应 病理性效应病理性效应慢性非传染性疾病慢性非传染性疾病 基因表达异常和代谢异常基因表达异常和代谢异常 基因突变或染色体畸变基因突变或染色体畸变健康状态健康状态易感性测量易感性测量遗传性疾病遗传性疾病慢性非传染性疾病慢性非传染性疾病传染病：血清学生物标志、基因标志传染病：血清学生物标志、基因标志分子流行病学的应用分子流行病学的应用1 1、疾病病因的探讨、疾病病因的探讨 遗传因素起重要作用的疾病往往与基

20、因有关，这不言而喻；而遗传因素起重要作用的疾病往往与基因有关，这不言而喻；而很多与环境因素有关的疾病，也常常需从基因方面去研究，因为环很多与环境因素有关的疾病，也常常需从基因方面去研究，因为环境因素可以通过宿主的基因突变或异常表达引起疾病。境因素可以通过宿主的基因突变或异常表达引起疾病。 慢性非传染性疾病慢性非传染性疾病 肝癌肝癌 黄曲霉毒素黄曲霉毒素 （体内外检测）（体内外检测） 传染病传染病 AIDS、SARS （分子生物学技术）（分子生物学技术） 2、疾病分布规律以及危险因素致病机理的研究、疾病分布规律以及危险因素致病机理的研究 分子流行病学不仅研究环境与宿主体内的致病因子，分子流行病学

21、不仅研究环境与宿主体内的致病因子，而且着重研究这些致病的危险因素，特别是化学物质与生物而且着重研究这些致病的危险因素，特别是化学物质与生物活性物质从暴露开始至疾病发生全过程的各个环节。活性物质从暴露开始至疾病发生全过程的各个环节。 慢性非传染性疾病慢性非传染性疾病鉴定各种恶性肿瘤的危险因素鉴定各种恶性肿瘤的危险因素, 并并根据个体暴露与遗传等易感因素的相互作用根据个体暴露与遗传等易感因素的相互作用, 确定危险度确定危险度, 筛筛选对特定致癌因子敏感的个体和亚群。选对特定致癌因子敏感的个体和亚群。 传染病传染病如确定风疹病毒（如确定风疹病毒（RV）和巨细胞病毒（）和巨细胞病毒（CMV）等在人群中

22、母婴传播的危害程度有多大，诱发畸形或死产、等在人群中母婴传播的危害程度有多大，诱发畸形或死产、流产的危险度如何等。流产的危险度如何等。3 、疾病易感性的测定、疾病易感性的测定 在相同的致病因素作用下，只有一部分人发生某种疾病。在相同的致病因素作用下，只有一部分人发生某种疾病。这是因为人群对致病因子的反应存在个体差异，只有一部分人这是因为人群对致病因子的反应存在个体差异，只有一部分人对其易感。对其易感。 慢性非传染性疾病慢性非传染性疾病肿瘤的遗传易感性在暴露到疾病发生的肿瘤的遗传易感性在暴露到疾病发生的每一步都起作用，包括人群中较常见、低危险度的遗传多态性每一步都起作用，包括人群中较常见、低危险

23、度的遗传多态性和高外显率、人群中罕见的抑癌基因突变。和高外显率、人群中罕见的抑癌基因突变。 传染病传染病测定机体内是否存在某种特异性保护（中和）抗体测定机体内是否存在某种特异性保护（中和）抗体的方法了解其对某种传染病是否具有易感性或免疫力的方法了解其对某种传染病是否具有易感性或免疫力 。4、传染病流行规律的研究、传染病流行规律的研究 （1）传播范围的确定）传播范围的确定 （2）传播途径的判定）传播途径的判定 分子进化诊断（分子进化诊断（molecular evolutionary diagnosis），判断），判断HCV在在配偶之间的传播。（配偶之间的传播。（HCV-RNA的基因型别，毒株的分

24、株时间的基因型别，毒株的分株时间（divergence time） （3）传染源的追索）传染源的追索 美国美国19901991年报道佛罗里达一个口腔诊所有年报道佛罗里达一个口腔诊所有1名患有艾滋病的名患有艾滋病的牙医，被他看过病的患者中有牙医，被他看过病的患者中有7名后来感染了名后来感染了HIV，然而经过分子流，然而经过分子流行病学研究发现，其中行病学研究发现，其中5名患者的名患者的HIV与牙医的与牙医的HIV有共同的氨基酸有共同的氨基酸特异模式（特异模式（signature pattern），而且序列的差异率），而且序列的差异率 60 336 47.3 344 48.5 性别性别 0.720

25、7 男性男性 520 73.2 513 72.3 女性女性 190 26.8 197 27.8 吸烟情况吸烟情况 0.0001 非吸烟者非吸烟者 231 32.5 370 52.1 吸烟者吸烟者 479 67.5 340 47.9 XRCC1 T-77C 0.0003 T 等位基因等位基因 1198 84.4 1264 89.0 C 等位基因等位基因 222 15.6 156 11.0 XRCC1 C194T 0.8389 C等位基因等位基因 981 69.1 986 69.4 T等位基因等位基因 439 30.9 434 30.6 XRCC1 G399A 0.4488 G等位基因等位基因 1

26、040 73.2 1022 72.0 A等位基因等位基因 380 26.8 398 28.0 1双侧双侧 2 检验；检验；2包括包括大细胞癌、混合细胞癌以及未分化癌大细胞癌、混合细胞癌以及未分化癌。2、XRCC1多态性位点的各基因型在病例组和对照组中的分布多态性位点的各基因型在病例组和对照组中的分布基因型基因型 病例病例 (n=710) 对照对照 (n =710) OR (95%CI) 校正校正OR (95%CI) 1 No. %No. %T-77C TT500 70.455878.61.001.00CT19827.914820.91.49 (1.17-1.91)1.51(1.17-1.94)CC121.740.63.35 (1.07-10.45) 2.98 (0.93-9.59) CT/CC 21029.615221.41.54 (1.21-1.96) 1.55 (1.21-1.98) C194T(Arg194Trp) CC33547.233947.81.001.00CT31143.830843.41.02 (0.82-1.27) 1.01 (0.