一、基因組學(xué)

基因組（Genome）是1924年提出用于描述生物的全部基因和染色體組成的概念。1986年由美國(guó)科學(xué)家ThomasRoderick提出的基因組學(xué)（Genomics）是指對(duì)所有基因進(jìn)行基因組作圖（包括遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄本圖譜），核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一門科學(xué)。1980年，噬菌體Φ-X174（5，368堿基對(duì)）完全測(cè)序，成為第一個(gè)測(cè)定的基因組。1995年，嗜血流感菌（Haemophilus influenzae，1.8Mb）測(cè)序完成，是第一個(gè)測(cè)定的自由生活物種。從這時(shí)起，基因組測(cè)序工作迅速展開。2001年，人類基因組計(jì)劃公布了人類基因組草圖，為基因組學(xué)研究揭開新的一頁。自從1990年人類基因組計(jì)劃實(shí)施以來，基因組學(xué)發(fā)生了翻天覆地的變化，已發(fā)展成了一門生命科學(xué)的前沿和熱點(diǎn)領(lǐng)域。

從Griffith和Avery證明了基因的本質(zhì)是DNA，基因是DNA分子上的功能單位，Watson和克里克Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型開始，將特定的基因定位于染色體的特定部位，并把組成基因的全部核苷酸序列測(cè)定出來（DNA全序測(cè)定）就成為最誘人的研究?jī)?nèi)容。染色體不能直接用來測(cè)序，故第一步必須將基因組這一巨大的研究對(duì)象進(jìn)行分解，使之成為較易操作的小的結(jié)構(gòu)區(qū)域，這個(gè)過程就是基因作圖。

基因組研究包括兩方面的內(nèi)容：以全基因組測(cè)序?yàn)槟繕?biāo)的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structural genom-ics）和以基因功能鑒定為目標(biāo)的功能基因組學(xué)（functional genomics），又被稱為后基因組（postge-nome）研究，成為系統(tǒng)生物學(xué)的重要方法。根據(jù)使用的標(biāo)志和手段不同，作圖有3張，即構(gòu)建生物體基因組高分辨率的遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)錄本圖，一個(gè)生物體基因組的最終圖就是它的全部DNA序列。

1.基因組單核苷酸多態(tài)性及其應(yīng)用

在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)50周年之際，人類基因組計(jì)劃（human genome project，HGP）順利完成。但基因組序列圖側(cè)重于人類基因的共性。只是反映了基因組穩(wěn)定的一面，并未反映其變異或多態(tài)的一面，而正是這種基因組的多態(tài)性，即基因組序列的差異構(gòu)成了不同個(gè)體與群體對(duì)疾病的易感性、對(duì)藥物與環(huán)境因子不同反應(yīng)的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。因此，隨著基因組序列圖譜的繪制成功，研究人類基因組的多態(tài)性也就成為必然。人類基因組中的多態(tài)性，最簡(jiǎn)單、最多見的形式就是發(fā)生在基因組中的單個(gè)核苷酸變異，即單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphisms， SNPs），是人類基因組DNA序列變異的主要形式。

SNPs是一種可遺傳的變異，是指基因組內(nèi)特定核苷酸位置上存在兩種不同的堿基，其中最少一種在群體中的出現(xiàn)頻率不小于1%。組成DNA的堿基雖然有4種，但SNPs通常是一種二等位基因的，即二態(tài)的遺傳變異。SNPs作為一種堿基的置換，大多數(shù)為轉(zhuǎn)換，即一種嘌呤堿基換為另一種嘌呤堿基或一種嘧啶堿基換為另一種嘧啶堿基，而顛換較少，轉(zhuǎn)換：顛換之比約為2∶1。廣義的SNsP還包括堿基的插入缺失等形式。研究發(fā)現(xiàn)，SNPs在CG序列上出現(xiàn)最為頻繁，約占全部SNPs的25%，而且多是C—T，其原因是CG序列是人類基因組中最易發(fā)生突變的位點(diǎn)，其中的C常為甲基化的、可自發(fā)地脫氨后生成T。SNsP在人類基因組中廣泛存在。據(jù)估計(jì)，在人類基因組中（約3.2×109bp）每千個(gè)堿基就有1個(gè)SNP，因此其總數(shù)將超過300萬。SNPs可分為基因編碼區(qū)SNPs（c SNPs）、基因調(diào)控區(qū)SNPs（p SNPs）和存在于連接兩個(gè)基因之間的DNA中的隨機(jī)非編碼區(qū)的SNPs（r SNPs）三類。研究表明，c SNPs的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于非編碼區(qū)的SNPs，這可能與編碼區(qū)表達(dá)序列承受較大的選擇壓力有關(guān)。據(jù)報(bào)道，人類基因組有25萬～40萬個(gè)c SNPs，其中20%～30%的非同義c SNPs會(huì)引起編碼蛋白質(zhì)功能的改變，而位于基因調(diào)控序列中的SNPs則會(huì)影響基因表達(dá)量的多少，故這兩類SNPs在功能或致病方面具有更重要的意義。雖然SNPs只有兩種等位基因型，在個(gè)體中的多態(tài)信息量比目前常用的微衛(wèi)星標(biāo)記等多等位型少，但就整體而論，SNP的高密度分布使其多態(tài)性要高得多。由于SNPs的二態(tài)性，非此即彼，在基因組篩選中SNPs往往只需+/-的分析，無需象檢測(cè)限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性及微衛(wèi)星多態(tài)性標(biāo)記那樣進(jìn)行片段長(zhǎng)度的測(cè)量，這就易于進(jìn)行自動(dòng)化批量檢測(cè)。另外，SNPs還具有更高的遺傳穩(wěn)定性。因此，SNPs被普遍認(rèn)為是繼第一代限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性標(biāo)記、第二代微衛(wèi)星即簡(jiǎn)短串聯(lián)重復(fù)標(biāo)記之后的第三代基因遺傳標(biāo)記。

心血管疾病、癌癥、肥胖、糖尿病、精神病等常見病都是由多個(gè)基因與環(huán)境共同作用的結(jié)果。運(yùn)用人類基因組的SNPs與單體型信息來挖掘這些常見病的遺傳因素將使人們對(duì)人類疾病的發(fā)病機(jī)理，診斷和治療產(chǎn)生全新的認(rèn)識(shí)。連鎖分析已經(jīng)成功定位了許多單基因疾病的遺傳變異，然而在定位影響常見復(fù)雜疾病的遺傳變異時(shí)連鎖分析往往是失敗的，這些遺傳變異影響著個(gè)體的疾病風(fēng)險(xiǎn)。尋找遺傳疾病風(fēng)險(xiǎn)因子的一個(gè)補(bǔ)充方法就是通過比較患病組與未患病的對(duì)照組來尋找遺傳變異與疾病之間的相關(guān)。SNPs是人體DNA序列變異最普遍的形式，單體型與單體域的構(gòu)建使我們可以用很少的標(biāo)簽SNPs來代表全部的SNPs或整個(gè)基因或染色體的單體型來進(jìn)行相關(guān)的研究應(yīng)用。通過基因組的標(biāo)簽SNPs與復(fù)雜性疾病或藥物反應(yīng)的相關(guān)分析，可以揭示復(fù)雜性疾病的致病機(jī)理與疾病的不同臨床表型，也可作為實(shí)行個(gè)體化治療的根據(jù)。通過對(duì)候選基因或相關(guān)區(qū)域的單個(gè)或多個(gè)SNPs或單體型與復(fù)雜性狀的關(guān)聯(lián)分析尋找復(fù)雜疾病風(fēng)險(xiǎn)的遺傳因素已經(jīng)有很多報(bào)道。已有的研究表明：編碼蛋白激酶AKT2/PKB β中一個(gè)單核苷酸的變化導(dǎo)致酶的活性變化，從而引起糖尿病。對(duì)于更多的復(fù)雜疾病，往往是由多個(gè)突變位點(diǎn)共同影響和決定的。

除了用于常見復(fù)雜疾病及患病風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)聯(lián)分析，SNPs與單體型還可以應(yīng)用到藥物基因組的研究中。藥物基因?qū)W（Pharmacogenom ics）就是研究遺傳變異如何影響個(gè)人對(duì)藥物反應(yīng)的不同的科學(xué)。β2腎上腺素受體基因上13個(gè)SNPs所形成的不同單體型間，哮喘病治療藥物的藥物反應(yīng)顯著相關(guān)，這個(gè)研究就是SNPs在藥物基因組學(xué)中應(yīng)用的典型例子。通過SNPs與藥物反應(yīng)的相關(guān)分析能夠顯示出在不同個(gè)體的藥物作用目標(biāo)或藥物代謝途徑中的某個(gè)酶的差異，揭示個(gè)體的基因組多態(tài)與疾病治療藥物反應(yīng)之間的關(guān)系。這就讓我們可以預(yù)測(cè)出哪種藥或疫苗對(duì)那些攜帶特殊基因型的個(gè)人最有效，讓醫(yī)師做到對(duì)人下藥，增加臨床試驗(yàn)的成功率。此外，對(duì)基因組多態(tài)與藥物反應(yīng)研究將促進(jìn)個(gè)人化藥物的開發(fā)。

2.基因組學(xué)與心力衰竭

（1）神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)

目前相關(guān)研究表明，腎上腺素和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)通路的功能基因變異可能對(duì)該病的進(jìn)展和治療反應(yīng)起重要的調(diào)節(jié)作用。β-AR屬于G蛋白耦聯(lián)受體超家族，是β受體拮抗劑最主要的心肌靶點(diǎn)，人類β-AR有β1、β2和β33種亞型，在心臟中的分布以β1-AR和β2-AR為主。目前已發(fā)現(xiàn)18個(gè)β1-AR多態(tài)性位點(diǎn)和9個(gè)β2-AR多態(tài)性位點(diǎn)，其中研究較多的分別為β1-AR的Ser49 Gly和Gly389 Arg，β2-AR的Arg16 Gly和Gln27 Glu。β1腎上腺素受體是心肌中主要的β腎上腺素受體亞型，它調(diào)節(jié)兒茶酚胺對(duì)心肌的變時(shí)、變力和變舒效應(yīng)，許多候選基因研究表明，該受體基因多態(tài)性可影響心力衰竭的患病風(fēng)險(xiǎn)和疾病進(jìn)展。β1-AR基因第145位堿基A突變?yōu)镚導(dǎo)致受體蛋白第49位氨基酸Ser突變?yōu)镚ly，該突變的發(fā)生率較低，G等位基因的突變頻率在高加索人中為12%～16%，亞洲人中為15%，非洲裔美國(guó)人中為13%～15%，拉丁美洲裔西班牙人中為20%～21%。細(xì)胞研究顯示，G1y49型受體是一種固有激活型受體，其基礎(chǔ)及激活后的腺苷酸環(huán)化酶活性均高于Ser49型。人體持續(xù)給予β受體激動(dòng)劑可引起β受體的數(shù)目、活性下調(diào)，導(dǎo)致對(duì)類似藥物的敏感性降低。對(duì)β1-AR用異丙腎上腺素刺激20min后， G1y49型較Ser49型更易脫敏。同時(shí)Gly49型受體對(duì)具有反向激活能力的拮抗劑如美托洛爾，也更為敏感。Gly49攜帶者服藥后，左室舒張末容積減小較Ser49攜帶者顯著。Magnusson的研究顯示，Gly49基因型的慢性心力衰竭患者采用低劑量的β受體拮抗劑治療時(shí)，5年病死率更低，但這一差異在采用高劑量的β受體拮抗劑治療時(shí)并不顯著，提示臨床上，對(duì)Gly49基因型擴(kuò)張性心肌病患者可減少β受體拮抗劑的給藥量。β1-AR基因第1165位堿基G突變?yōu)镃導(dǎo)致受體蛋白第389位氨基酸Gly突變?yōu)锳rg，C等位基因的突變頻率在高加索人中為24%～34%，亞洲人中為20%～30%，非洲裔美國(guó)人中為39%～46%，拉丁美洲裔西班牙人中為31%～33%。病理生理學(xué)研究表明，β1受體Arg389等位基因會(huì)使腺苷酸環(huán)化酶活性增強(qiáng)、心肌變力效應(yīng)加強(qiáng)及對(duì)β受體阻滯劑敏感性增高，相反β1受體Arg389等位基因會(huì)降低變力效應(yīng)及對(duì)β受體阻滯劑的敏感性。有研究顯示，患嚴(yán)重心力衰竭的Arg389純合子患者較Gly389純合子患者峰值耗氧量高。同時(shí)，Arg389等位基因患者對(duì)β受體阻滯劑美托洛爾的敏感性更高，且用美托洛爾治療3個(gè)月后左心室重構(gòu)改善明顯。但也有研究并未觀察到心力衰竭時(shí)β1受體基因多態(tài)性的基因-藥物相互作用。

β2腎上腺素受體主要存在于血管平滑肌中，目前大多數(shù)研究并未發(fā)現(xiàn)該基因多態(tài)性對(duì)心力衰竭患病風(fēng)險(xiǎn)有影響。但Liggett等研究發(fā)現(xiàn)，β2腎上腺素受體基因多態(tài)性Ile164/Thr164與心力衰竭患者生存率有關(guān)，Ile164/Thr164基因型心力衰竭患者1年生存率遠(yuǎn)低于Thr164/Thr164基因型患者。最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在使用卡維地洛治療的心力衰竭患者中，與存在其他聯(lián)合基因多態(tài)性相比，有聯(lián)合β1腎上腺素受體Arg389 Gly基因多態(tài)性和β2腎上腺素受體Gln27Glu基因多態(tài)性的患者病死率會(huì)升高2倍。

G蛋白耦聯(lián)受體激酶（G protein-coupled receptor kinases，GRK）作用可以使心肌β腎上腺素受體表達(dá)下調(diào)和退敏感化，而存在GRK5a-Leu41多態(tài)性時(shí)可加速β腎上腺素受體的去敏感化，類似β受體阻滯劑的藥理作用。一項(xiàng)涉及2000例的大型雙中心研究發(fā)現(xiàn)，GRK5-Leu41多態(tài)性可能對(duì)心力衰竭的進(jìn)展有保護(hù)作用，攜帶GRK5-Leu41等位基因的心力衰竭患者較GRK5-Gln41純合子患者的生存率高。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，GRK5-Leu41多態(tài)性與左心室心尖球形綜合征有關(guān)，該病被認(rèn)為與慢性兒茶酚胺過量相關(guān)。

α2腎上腺素受體可以抑制交感神經(jīng)突觸前釋放去甲腎上腺素，它的激活會(huì)引發(fā)負(fù)反饋機(jī)制阻斷交感神經(jīng)活動(dòng)，這樣兒茶酚胺的刺激就隨之增強(qiáng)。這一機(jī)制會(huì)被α2腎上腺素受體基因缺失多態(tài)性阻斷，因此聯(lián)合β1腎上腺素受體Arg389基因多態(tài)性和α2腎上腺素受體基因缺失多態(tài)性可能會(huì)進(jìn)一步增加腎上腺素的作用而引起心臟毒性。Small等描述了聯(lián)合這兩種受體基因多態(tài)性會(huì)顯著增加心力衰竭的患病風(fēng)險(xiǎn)，但MERIT-心力衰竭的研究報(bào)道并沒有發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。另外，一項(xiàng)小樣本回顧性研究觀察了在使用美托洛爾治療心力衰竭患者這兩種受體基因多態(tài)性對(duì)心功能的影響，結(jié)果顯示，存在α2腎上腺素受體基因缺失多態(tài)性的Arg389純合子患者LVEF改善最明顯。ACE可催化血管緊張素Ⅰ（AngⅠ）轉(zhuǎn)化為血管緊張素Ⅱ（AngⅡ），為ACEI的主要作用靶點(diǎn)。目前人類ACE基因最常見的突變?yōu)?6內(nèi)含子一段長(zhǎng)287bp的Alu序列的插入（Insertion，Ⅰ）和缺失（Deletion，D）多態(tài)性，包括純合型（DD型）、雜合子（ID型）和插入純合型（Ⅱ型）3種基因型。2個(gè)缺失等位基因純合子攜帶者血漿ACE水平最高，而兩個(gè)插入等位基因純合子攜帶者血漿ACE水平最低，雜合子血漿酶水平介于二者之間。目前被研究證實(shí)最多的是缺失等位基因純合子基因型與心力衰竭的相關(guān)性，攜帶該純合子基因型的患者不良事件風(fēng)險(xiǎn)增高。一些研究也證實(shí)，與其他基因型攜帶者比較，該純合子基因型患者對(duì)ACE抑制劑和β受體阻滯劑的敏感性更高。此外還有研究發(fā)現(xiàn)，該純合子基因型與左心室肥厚有關(guān)。但也有研究對(duì)以上結(jié)論提出了質(zhì)疑。

（2）全基因組關(guān)聯(lián)相關(guān)

全基因組關(guān)聯(lián)研究（genome-wide association studies，GWAS）是使用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)大規(guī)模的群體DNA樣本進(jìn)行單核苷酸多態(tài)性等的遺傳標(biāo)記并分型，然后將它們與疾病尤其是復(fù)雜疾病和可測(cè)量指標(biāo)相關(guān)聯(lián)的研究方法，由于其最初并沒有定位假設(shè)影響疾病的基因變異，所以可以發(fā)現(xiàn)新的基因變異位點(diǎn)。GWAS已經(jīng)成功鑒定了許多復(fù)雜疾病的風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)，但在心力衰竭上的發(fā)現(xiàn)卻十分有限。心力衰竭最早的GWAS使用序列分辨率較低的基因芯片發(fā)現(xiàn)了一個(gè)相關(guān)SNPs位點(diǎn)，但它沒有被獨(dú)立證實(shí)且不是功能基因變異。2010年的兩項(xiàng)心力衰竭GWAS在＞20000個(gè)研究對(duì)象中對(duì)＞2400000個(gè)SNPs進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)SNPs與心力衰竭疾病進(jìn)展相關(guān)，分別涉及USP3和LRIG3基因，另一個(gè)與心力衰竭死亡率相關(guān)的SNPs位于CMTM7基因上，這些SNPs的OR值都在1.5左右。亞基因組關(guān)聯(lián)研究是將候選基因研究方法和GWAS結(jié)合，可以同時(shí)對(duì)眾多感興趣的基因位點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，且避免了傳統(tǒng)GWAS方法忽視疾病已建立的病理生理學(xué)基礎(chǔ)缺陷。Cappola等在4700例研究對(duì)象中對(duì)2000個(gè)優(yōu)選的心血管疾病相關(guān)基因進(jìn)行了SNPs檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)變異位點(diǎn)在HSPB7和FRMD4B基因上。由于重測(cè)序后并沒有在HSPB7基因上發(fā)現(xiàn)功能SNPs，且該基因與CLCNKA基因存在連鎖不平衡關(guān)系，Cappola等又對(duì)CLCNKA基因進(jìn)行了重測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)義變異Arg83 Gly與心力衰竭顯著相關(guān)。以上研究針對(duì)所有心力衰竭患者，而現(xiàn)在卻越來越多的研究?jī)H關(guān)注該病的某種類型。如歐洲一項(xiàng)擴(kuò)張型心肌病的研究發(fā)現(xiàn)了3個(gè)擴(kuò)張型心肌病相關(guān)SNPs，其中rs10927875被定位到包含許多基因（包括HSPB7基因）的染色體1p36.13區(qū)域，非同義SNPrs2234962被定位到含有BAG3基因的染色體10q26區(qū)域。該研究還在BAG3基因上發(fā)現(xiàn)了與家族性擴(kuò)張型心肌病相關(guān)的罕見變異位點(diǎn)。另外，許多研究為了解心力衰竭病理生理學(xué)特點(diǎn)的某個(gè)方面，還將關(guān)注點(diǎn)放在一項(xiàng)或幾項(xiàng)臨床指標(biāo)上。如有些研究?jī)H觀察超聲心動(dòng)圖指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)3個(gè)有差異的位點(diǎn)與室間隔厚度相關(guān)，5個(gè)位點(diǎn)與主動(dòng)脈根部?jī)?nèi)徑相關(guān)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了16個(gè)可疑位點(diǎn)。

（3）其他因素

盡管大多數(shù)基因變異不致病，但那些可以改變編碼蛋白的氨基酸序列、mRNA前體剪接或mRNA表達(dá)水平的變異都有致病的風(fēng)險(xiǎn)。目前已發(fā)現(xiàn)可以改變轉(zhuǎn)錄后mRNA前體加工過程的SNPs與心臟疾病有相關(guān)關(guān)系。心臟鈉通道基因SCN5A、肌聯(lián)蛋白基因、基質(zhì)網(wǎng)鈣ATP酶基因SERCA，腦利鈉肽基因和肌鈣蛋白T及其他肌小節(jié)基因變異對(duì)RNA剪接的調(diào)節(jié)都已在人類心力衰竭中被發(fā)現(xiàn)。另外值得注意的是，治療心力衰竭的藥物地高辛的藥理作用也是改變了RNA的剪接過程，這就說明一些病理性剪接過程可能成為藥物治療的靶點(diǎn)。DNA拷貝數(shù)變異可以通過對(duì)基因的重排改變一個(gè)或多個(gè)基因的表達(dá)水平，但目前研究發(fā)現(xiàn)，DNA拷貝數(shù)變異只調(diào)節(jié)一小部分基因表達(dá)水平的變化，這可能與人們對(duì)基因-劑量機(jī)制的理解有限有關(guān)。到目前為止，還沒有GWAS證實(shí)DNA拷貝數(shù)變異與心力衰竭有關(guān)，但已有候選基因研究發(fā)現(xiàn)，MYB-PC3基因缺失多態(tài)性與該病相關(guān)。表觀遺傳變異是指基因表達(dá)發(fā)生改變，但不涉及DNA序列的變化，它也能在代與代之間傳遞，包括DNA的甲基化、組蛋白的修飾和非編碼RNA，如mi R-NA的調(diào)節(jié)等。DNA甲基化已在人類心力衰竭中被發(fā)現(xiàn)，未來在全基因組水平鑒定DNA甲基化可以使人們進(jìn)一步了解它對(duì)心力衰竭的影響。組蛋白的修飾包括乙酰化、甲基化和其他能通過釋放DNA-組蛋白結(jié)合體來松解壓縮的DNA的過程，目前已有研究發(fā)現(xiàn)，可逆的組蛋白乙?；?去乙酰化作用可以調(diào)節(jié)心肌肥厚。最后miRNA可調(diào)節(jié)mRNA的穩(wěn)定性和翻譯過程，從而對(duì)心力衰竭等心血管疾病中的表達(dá)變化出現(xiàn)影響。