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随着人口寿命的延长以及人口的老龄化,骨质疏松已经成为一个日益严重的全球健康问题。骨质疏松的主要风险因子骨密度,已被广泛地使用作为替代表型来研究骨质疏松的遗传机制。大量的家系和同胞对研究证据表明60-90％的骨密度变异由遗传因素决定。但是大部分的骨密度遗传决定仍然未知。
作为对单个位点分析的全基因组关联分析的一种补充分析,基于生物学通路的全基因组关联研究能够有效地检测到相关的生物学通路与目的表型的关联程度,并可以发现更多与疾病相关的易感基因或者生物学通路,从而对揭示疾病的发病机制和疾病的预防治疗具有重要的意义。
本研究使用Hologic QDR4500双能X射线吸收仪(DXA)测定了1627个中国汉族人髋部,腰椎和股骨颈三个部位的骨密度。作为第一个开展中国人群骨密度的基于生物学通路的全基因组关联研究,本研究采用Affymetrix GeneChip Human Mapping SNP6.0的芯片对这1627个样本进行基因分型。从BioCarta,KEGG,Ambion GeneAssist和Gene Ontology四个数据库中抽取1007条通路。基于通路的全基因组关联分析是由基因富集分析算法改进而来。研究结果发现嘧啶代谢途径与髋部骨密度的关联程度在经过多重校正后仍极其显著(p=0.001,qfdr=0.007,pfwer=0.007)。为了进一步探讨嘧啶代谢途径对骨密度的影响,本研究使用基因表达实验来检测该途径中49个基因在单核细胞(破骨细胞前体)的差异表达情况,从而在mRNA水平上探索这些基因与骨密度的关系。结果发现其中9个基因显著地差异表达。与低骨密度组比较,基因POLS,POLR2H,POLB,CTPS,DCTD和ENTPD1在高骨密度组中是下调基因,而TK2,UNG和CANT1这3个基因是上调基因。因为在通路中基因通常是相互作用的,因此对已鉴定的通路包含的基因中所有通过质量控制的SNP使用配对交互作用检验,来检测SNP—SNP的交互效应对髋部BMD的作用。发现这49个基因构建了一个复杂的交互作用网络。其中三磷酸胞苷合成酶基因(CTPS)中rs4364871与腺苷酸激酶3象1基因(AK3L1)中6个SNP的交互作用显著程度排在前10。最显著的交互作用发生在CTPS基因的rs4364871和腺苷酸激酶3象1基因的rs4916029之间,p值达到2.92×10-5。
不断有证据表明活体细胞外嘧啶,如尿苷二磷酸(UDP)和尿啶三磷酸(UTP),作为重要的信号分子,通过细胞表面P2受体,对抑制成骨细胞的骨形成,破骨细胞的形成和活动,以及软骨代谢起刺激作用。另外一个研究也支持嘧啶代谢对骨质疏松症的作用。它是基于表达芯片的数据,采用基因富集分析方法发现嘧啶代谢途径在来自人类非骨质疏松骨组织的成骨细胞中显著富集。本研究第一次在中国人群中使用基于通路的全基因组关联研究鉴定了与髋部BMD显著关联的嘧啶代谢通路。结合基因表达和基因交互作用的分析以及关于该通路的功能报道,可以肯定嘧啶代谢途径在骨代谢中的重要作用。以后关于该通路进一步的功能研究将会更加深入的揭示其在骨代谢和骨质疏松症中的重要作用。