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1、中文摘要中国成年双生子肥胖与中国成年双生子肥胖与 DNA 甲基化的相关性研究甲基化的相关性研究一、研究背景：肥胖是全球和中国面临的日趋严重的健康问题，它不但是一种严重危害人们健康的疾病，而且是高血压、2 型糖尿病、心脑血管疾病等慢性病的重要危险因素，从而导致巨大的疾病负担。WHO 估计目前全球及中国成人肥胖率分别为 13.0%和 7.3%，每年至少280 万成年人死于由超重或肥胖导致的疾病。深入了解探讨肥胖的病因及发病机制对开展有针对性的预防与控制有着十分重要的意义。大量研究发现，肥胖是由环境因素、遗传因素以及二者交互作用决定的复杂性疾病。与肥胖相关的环境因素包括膳食、体力活动、吸烟、饮酒等生
2、活方式以及社会经济状况等。截至 2015 年，全基因组关联研究（GWAS）及其 Meta 分析研究发现，与肥胖相关单核苷酸多态性位点（SNPs）有 97 个。所有这些基因多态性累计对肥胖变异的解释程度约为 2.7%。研究表明，遗传对肥胖的作用不局限于基因结构变异，而是表现在基因-环境的交互作用或基因功能变异。已有队列研究及临床试验发现，膳食和或体力活动与肥胖相关基因存在交互作用。然而这些基因-环境交互作用背后的原因或机制尚不明确。表观遗传现象可能是解释基因-环境交互作用背后原因的重要因素，也有可能是独立于基因-环境交互作用对肥胖产生影响的基因功能变异。表观遗传学是研究基因核苷酸序列不发生改变的
3、情况下，基因表达发生可遗传的变化。表观遗传变异包括 DNA 甲基化、基因组印记、染色质重塑等方面，其中 DNA 甲基化是目前研究最多的一种表观遗传现象。近年来，有关肥胖的表观遗传学研究受到广泛关注，探讨相关基因 DNA 甲基化水平与肥胖的相关性及其规律与特点已成为本领域热中文摘要点。本研究采用全基因组 DNA 甲基化关联研究策略，以中国双生子人群作为发现人群，以 4 个中国一般人群为验证人群，以期发现在中国人群中与肥胖相关的 DNA 甲基化位点及其作用机制。二、研究目的：1. 探索特异 DNA 甲基化位点与肥胖及其相关指标的相关性，环境因素对肥胖与DNA 甲基化位点关系的影响；2. 探索多个
4、DNA 甲基化位点所在基因构成的生物学途径与肥胖的关系；3. 探索肥胖相关 DNA 甲基化位点与基因结构及基因表达的关系。三、研究内容与方法：本研究以中国双生子登记系统的双生子为发现人群，以另外 4 个中国一般人群队列为验证人群，在全基因组范围分析与肥胖相关的特异 DNA 甲基化位点、涉及生物学途径及其与基因结构和基因表达之间的作用规律。1. 研究对象采用双生子人群作为全基因组 DNA 甲基化位点发现人群，一般人群作为全基因组DNA 甲基化位点验证人群：（1） 双生子人群中国双生子登记系统是目前中国最大的双生子登记平台，有超过 3 万对有效登记的双生子。本研究纳入符合以下所有标准的双生子：20
5、13 年居住在山东、江苏、浙江和四川地区，年龄18 岁，在系统中自报 BMI 或腰围满足一定条件（双生子中一人BMI27kg/m2，另一人 BMI 27kg/m2 and another person BMI 1%或 5%）与肥胖研究的热点。2010 年在欧洲人群超过 24 万人的 GWAS 的 Meta 研究发现36 个与 BMI 相关的 SNPs 位点，但这些位点累计可解释 BMI 在人群中的变异仅有1.5%26。2013 年同样是在欧洲人群的 GWAS 的 Meta 研究发现新的 7 个与肥胖及 BMI相关的 SNPs 位点，但这些新位点累计可解释 BMI 在人群中的变异仅 0.7%27
6、。2015 年在超过 33 万欧洲人群的 GWAS 和代谢芯片（metabochip）的 Meta 研究发现 97 个与BMI 相关位点，其中 56 个是新发现的位点，97 个位点累计可解释 BMI 的变异为 2.7%28。亚洲人群 GWAS 的 Meta 分析结果认为与 BMI 相关的 SNPs 中，既有之前在欧洲人群中发现的 7 个基因（分别是 FTO、SEC16B、MC4R、GIPR-QPCTL、ADCY3-DNAJC27、BDNF、MAP2K5） ；又有新发现的三个基因，分别为 CDKAL1、PCSK1 和GP2 基因。这 10 个与 BMI 相关的 SNPs 累计可解释人群中的变异为
7、 0.87%29。2013 年亚洲人群 GWAS 的 Meta 分析发现 4 个新的与 BMI 相关的位点（KCNQ1、ALDH2/MYL2、ITIH4、NT5C2） ，新位点累计可解释 BMI 在人群中的变异为0.22%30。虽然 GWAS 研究在发现肥胖或肥胖评价指标相关位点上产出 SNPs 较多，但累计解释肥胖变异的百分比并不高。GWAS 研究发现基因结构对肥胖变异解释程度较小，提示遗传对肥胖的作用可能并不局限于基因结构变异，而是表现在基因功能变异（例如表观遗传）或基因-环境的交互作用。故本研究中并不将基因结构与肥胖的关联分析作为研究重点，而是转向基因功能（例如表观遗传）与肥胖相关性的研
8、究。肥胖相关基因作用机制可分为以下两类代谢通路：脂代谢通路。按照脂类种类不同，可进一步分为脂肪酸、磷脂、胆固醇和血浆脂蛋白代谢，每种脂类物质代谢过程又可分为合成和分解两个过程。只要在上述过程中对脂类合成、分解以及物质转运过程中北京大学博士研究生论文5涉及的酶或转录因子表达有影响的基因都可能影响脂代谢通路而引起肥胖。例如高脂饮食可增加肝糖原相关的糖原 PTG / R5 蛋白表达。PTG 启动子活性增加，糖原水平增加会激活细胞雷帕霉素复合物 1（mTORC1）和其下游的转录因子胆固醇调节元件结合蛋白（SREBP） ，升高血浆细胞内胆固醇水平31。中枢神经系统对能量摄入和能量消耗的调节通路。中枢神经
9、系统对能量代谢调节呈现双向方式：外周调节因素（例如脂肪细胞分泌的瘦素（leptin） 、胃分泌的生长素（ghrelin） 、胰腺分泌的胰岛素（insulin） 、小肠分泌的 YY 多肽（PYY）等）可根据能量代谢平衡直接向中枢神经系统反馈信号；中枢神经系统可通过下丘脑进一步调整能量代谢活动（例如饮食等）32。最上游神经元位于下丘脑弓状核 POMC 神经元，POMC 神经元作用下游黑皮素受体 4 表达神经元从而抑制食物摄入和/或增加能量消耗。另外，下丘脑 NPY/AgRP 神经元、下丘脑室旁核 VMH 神经元、后脑 DVC 神经元、臂旁核（PBN）及脊髓中间外侧细胞（IML）神经元也参与调节（图
10、 2）33。图图 2 中枢神经系统对能量平衡代谢的调节中枢神经系统对能量平衡代谢的调节33（a.外周调节因素向中枢神经系统反馈信号；b.下丘脑弓状核神经元与其他相关神经元对能量平衡调节通路）2.环境因素环境因素肥胖和超重的根本原因是能量摄入和能量消耗的不平衡，当摄入能量远高于消耗能量时，肥胖发生。WHO 认为膳食和体力活动是影响肥胖的主要环境因素。全球范围内存北京大学博士研究生论文2在有高能量、高脂膳食摄入量增加趋势；同时由于城市化进程加快，交通方式或工作方式越来越趋于久坐不动的性质，体力活动减少成为肥胖率增加的可能原因9。吸烟、饮酒等其他因素都有可能对成年肥胖有影响，具体例举可见图 3。北京
11、大学博士研究生论文6图图 3 主要环境因素（膳食主要环境因素（膳食34-43、体力活动、体力活动44-46、吸烟、吸烟47-50、饮酒、饮酒51-53、疾病和用药、疾病和用药54-56、其他环境因素、其他环境因素57-60）对成人肥胖影响例举）对成人肥胖影响例举北京大学博士研究生论文73.基因基因-环境交互作用环境交互作用遗传因素易感性并不一定导致肥胖，很多人可能拥有所谓的“肥胖危险基因”但却不会成为超重或肥胖。相反，健康饮食和充足体力活动可能会抵消一些基因相关的肥胖风险。这些现象很可能是基因-环境交互作用（gene-environment interactions，GEI）的结果。在遗传流行
12、病学中通常认为基因-环境交互作用是指在环境暴露影响下，某种基因型的携带者比非携带者患病易感性增加（或降低） ；或对于非暴露个体而言，暴露个体的基因表达增加（或降低）61。肥胖相关 GEI 概念提出是一个不断发现探索的过程。全球超重率和肥胖率呈现逐年上升趋势背后的原因到底是什么？为什么当代人更容易患有超重和肥胖？一种解释假说是人类进化过程中产生了某些遗传变异进而改变肥胖相关遗传倾向（例如 PPARG、FTO和 MC4R 基因的变异） 。另一种解释假说是从移民流行病学中获得的线索，移民至新国家个体及其后代超重率和肥胖率明显比原国家非移民个体及其后代要高。环境因素可能对遗传因素易感性产生影响，肥胖可
13、能是“先天-后天相互作用（nature-nurture interaction） ”的结果62, 63。肥胖相关 GEI 现象在许多研究中都得到验证（详见表 2） 。表表 2 基因基因-环境交互作用环境交互作用 GEI 在肥胖相关研究中的例举在肥胖相关研究中的例举表型表型基因基因环境环境研究设计研究设计主要结果主要结果体重体重IRS1 (rs2943641)减重膳食738 人两年临床干预高碳水化合物和低脂肪的饮食中 CC 基因型减重更有效64BMI、总脂肪、总脂肪含量、大腿脂含量、大腿脂肪含量肪含量TCF7L2 (rs7903146)脂肪摄入（脂肪提供能量占总能量摄入 20%）591 人两年临
14、床干预6 个月低脂饮食可减弱 TT 基因型对肥胖表型的风险65血清脂联素血清脂联素ADIPOQ (rs2241766)脂肪酸摄入367 人 1 年临床干预增加 58 岁以上 TT 基因型个体 N3 多不饱和脂肪酸摄入量可增加 22%血清脂联素水平66BMIFAAH (rs324420)平衡膳食（碳水化合物占总能量55%，脂肪30%，蛋白质15%）453 人 1 年临床干预平衡膳食对青少年 BMI 降低有效，但与 FAAH 基因型未发现交互作用67体重、脂肪含体重、脂肪含量、腰围、胰量、腰围、胰岛素、血脂指岛素、血脂指FTO (rs9939609)减重膳食305 人 3 个月临床干预低脂膳食在
15、AA 基因型个体中对减重及胰岛素、血脂指标改善更显著68北京大学博士研究生论文8续表 2表型表型基因基因环境环境研究设计研究设计主要结果主要结果标标体重、脂肪含体重、脂肪含量、腰围、胰量、腰围、胰岛素、血脂指岛素、血脂指标标Visfatin (rs4730153)体力活动88 人 4 周临床干预体力活动在 GG 基因型个体降低甘油三酯和提高胰岛素敏感性更显著69BMI、腰围、腰围、臀围、皮褶厚臀围、皮褶厚度度PPAR (Pro12Ala rs1801282)脂肪摄入、体力活动2896 人队列研究脂肪摄入量越高，Pro 等位基因纯合子的肥胖风险越高70BMIFTO (rs9939609)体力活动
16、45 个成人研究和 9 个未成年人研究的 Meta 分析充足体力活动成年人即便含有FTO 风险等位基因，其肥胖风险下降 27%71体重体重16 个 GWAS 研究找到的肥胖相关 SNPs减重综合干预3234 人随机对照试验2 年长期干预与 NEGR1、FTO基因存在交互作用；6 个月短期与LYPLAL1、GNPDA2、MTCH2 基因存在交互作用72BMIGWAS 研究构建的遗传风险评分（genetic risk score，GRS）含糖饮料11357 人发现队列，21740 人验证队列含糖饮料摄入会增加肥胖相关危险基因增加 BMI 的作用73BMIGRS体力活动12304 人队列研究增加休闲时间的体力活动可降低肥胖相关危险基因的作用，相反久坐生活方式会增加肥胖危险基因作用74BMIGRS油炸食品16002 人发现队列；21421 人验证队列油炸食品会增加肥胖相关危险基因的作用75尽管很多 GEI 现象被各类研究所发现，但 GEI 现象背后的原因或
