基于大家系設計的靜息心率與常見慢性病雙表型遺傳度估計

鄭鴻塵，薛恩慈，王雪珩，陳 曦，王斯悅，黃 輝，江 錦，葉 鶯，黃春蘭，周 筠，高文靜，余燦清，呂 筠，吳小玲，黃小明，曹衛(wèi)華，嚴延生，吳 濤，李立明

(1. 北京大學公共衛(wèi)生學院流行病與衛(wèi)生統(tǒng)計學系，北京 100191； 2. 福建省疾病預防控制中心地方病防治科，福州 350001； 3.福建省漳州市南靖縣疾病預防控制中心衛(wèi)生科，福建南靖 363600； 4. 首都醫(yī)科大學附屬天壇醫(yī)院國家神經系統(tǒng)疾病臨床醫(yī)學研究中心，北京 100070)

靜息心率是指個體在安靜、無活動狀態(tài)下心臟每分鐘搏動的次數(shù)。靜息心率不僅是心臟生理功能的重要指標，既往研究發(fā)現(xiàn)靜息心率也是多種慢性非傳染性疾病(如高血壓、糖尿病、冠心病)的獨立預測因素[1-3]。既往雙生子研究與家系研究提示，靜息心率與血壓、血脂、血糖、體重指數(shù)(body mass index, BMI)等多種表型的關聯(lián)基礎可能受到相同的遺傳因素作用[4-5]。一項歐洲人群的全基因組關聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，17個與靜息心率相關的單核苷酸多態(tài)性位點與心血管疾病、代謝性疾病和腎疾病有關[6]。以上研究結果提示，靜息心率與多種慢性病可能存在共同的遺傳基礎。

遺傳度是評價遺傳因素對性狀變異影響的指標，能夠反映總體遺傳效應決定性狀的比例，雙生子設計和家系設計則是估計遺傳度的常用方法。由于家系設計基于人群抽樣，其得到的遺傳度估計往往更為保守。大家系設計則能夠得到較為豐富的家系關系，使得遺傳度估計更加穩(wěn)健[7]。既往雙生子研究發(fā)現(xiàn)，靜息心率的遺傳度為0.61[4]，而家系設計得到的靜息心率遺傳度為0.11～0.31[8]。目前，我國人群中靜息心率單表型、雙表型遺傳度相關研究較少見。因此，本研究基于福建省南靖縣募集的大家系，利用基線調查橫斷面數(shù)據(jù)，探索了靜息心率與常見慢性病的遺傳相關性。

1 資料與方法

1.1 研究對象

本研究資料來源于“中國環(huán)境流行病學特殊人群隊列研究”項目[9]，研究現(xiàn)場為福建省漳州市南靖縣土樓地區(qū)，包括2015年8月至2017年12月塔下村、曲江村、南歐村募集的張姓居民，草坂村、圖美村、背嶺村募集的陳姓居民。研究對象的納入標準為：(1)所有張姓、陳姓氏族成員及其有血緣關系的親屬和配偶；(2)自愿參與并完成問卷調查、家系信息收集、生化檢查、體格檢查；(3)無重大軀體性、精神性疾病(如殘疾、重度癡呆等)， 可以配合調查。

研究開始前獲得北京大學生物醫(yī)學倫理委員會審查批準(IRB00001052-14021)， 所有研究對象包括患者和健康人均簽署了知情同意書。

1.2 家系構建

家系構建的依據(jù)為研究對象提供的家系信息，搜尋其親屬中被調查的研究對象，同時依據(jù)南靖縣張姓、陳姓族譜進行家系信息補充并排除僅有1名調查對象的家系。

1.3 結局定義

基線調查包括問卷調查、體格檢查和血生化檢測。采用電子血壓計測量血壓和靜息心率，采用皮尺測量身高、腰圍、臀圍，以上變量每名調查對象測量2次，若兩次測量結果之差大于5個單位，則測量第3次并取后兩次測量值的均值進入統(tǒng)計分析。

研究涉及結局的定義：(1)高血壓：自報二級以上醫(yī)院診斷高血壓病史或兩周內服用降血壓藥物或體檢中收縮壓≥140 mmHg和(或)舒張壓≥90 mmHg[10]；(2)糖尿?。鹤詧蠖壱陨厢t(yī)院診斷的糖尿病史或空腹血糖≥7.0 mmol/L[11]；(3)血脂異常：自報二級以上醫(yī)院診斷的高脂血癥史或血生化檢測總膽固醇≥6.2 mmol/L或甘油三酯≥2.3 mmol/L或高密度脂蛋白<1.0 mmol/L或低密度脂蛋白≥4.1 mmol/L[12]。

1.4 統(tǒng)計學分析

對連續(xù)性變量采用Kolmogorov-Smirnov檢驗其正態(tài)性，若符合正態(tài)分布，以均數(shù)±標準差描述集中趨勢和離散趨勢。對不符合正態(tài)分布的變量，經逆正態(tài)變換后納入分析。對分類變量采用頻率描述變量的水平，描述性分析采用Stata 軟件13.1版本。連續(xù)型變量的單表型、雙表型遺傳度分析采用最大似然估計的方差組分模型進行，分類變量的單表型、雙表型遺傳度分析采用易患性-閾值模型進行[13-14]。為避免年齡、性別及其交互作用可能對結果造成的偏倚，根據(jù)既往研究經驗，所有分析中均調整性別、年齡、性別×年齡、年齡2、性別×年齡2作為協(xié)變量，遺傳度估計會在扣除協(xié)變量效應之后進行。單表型遺傳度定義為加性遺傳組分占表型變異的比例，雙表型遺傳度定義為兩表型加性遺傳組分相關系數(shù)。數(shù)據(jù)分析使用SOLAR軟件(版本 8.1.1)，P<0.05認為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 基本人口學特征

本研究共納入研究對象1 563人(表1)，平均年齡57.2歲，男性占39.4%，全部為漢族。研究對象的高血壓患病率為 49.2%， 糖尿病患病率為10.0%，血脂異常的患病率為45.2%。男性各種慢性病患病率均高于女性。本研究構建的家系包括1個七代家系，2個五代家系，23個四代家系，186個三代家系，240個兩代家系(表2)。

表1 研究對象基本人口學特征

BMI, body mass index; SBP, systolic blood pressure; DBP, diastolic blood pressure.

表2 家系構建基本信息

2.2 單變量遺傳度估計

基于本研究構建的大家系，估計得到靜息心率遺傳度為0.263(P<0.001)，且協(xié)變量對其貢獻較小。高血壓遺傳度為0.404(P=0.001)，血脂異常遺傳度為0.799(P<0.001)，其余表型遺傳度見表3。

表3 靜息心率及常見慢性病單表型遺傳度

a, covariates include gender, age, age×gender, age2, gender×age2; b, inverse normal transformation was applied for the variables not following normal distribution. SBP, systolic blood pressure; DBP, diastolic blood pressure; HDL-C, high-density lipoprotein cholesterol; LDL-C, low-density lipoprotein cholesterol;CI, confidence interval.

2.3 雙變量遺傳度估計

基于本研究構建的大家系，雙表型遺傳度分析顯示，靜息心率與高血壓、糖尿病、舒張壓、血糖、甘油三酯均存在表型相關性，其中靜息心率與血糖的表型相關性最高，為0.203(P<0.05)。靜息心率與血糖和糖尿病具有較強的遺傳相關性，分別為0.485(P<0.05)和0.795(P<0.05)。

3 討論

慢性非傳染性疾病是造成我國居民健康壽命年損失的主要因素。2002年至2017年，中國高血壓患病率增長約2.5倍[15-16]，達到44.7%，糖尿病的患病率也持續(xù)增長達到了 9.1%[17]。為深入探索常見慢性病的病因，本研究基于福建南靖縣土樓地區(qū)大家系，分析發(fā)現(xiàn)靜息心率與高血壓、糖尿病、血脂相關指標均存在表型相關性，其中糖尿病患病狀態(tài)和血糖值與靜息心率存在較強的遺傳相關性，提示血糖水平和靜息心率可能受到共同的遺傳因素影響，這為后續(xù)遺傳致病因素的深入探索提供了重要依據(jù)，靜息心率相關的遺傳危險因素可能同時影響糖尿病的發(fā)病風險。

本研究單表型遺傳度分析顯示，靜息心率的遺傳度為0.263，接近既往家系研究的結果[8]，但低于雙生子研究得出的遺傳度[4]。結果提示靜息心率為可遺傳性狀，受到加性遺傳變異的影響，但遺傳因素對靜息心率的決定程度較低。本研究結果顯示高血壓、收縮壓、舒張壓的遺傳度分別為0.404、0.379和0.306，其中高血壓和收縮壓除受遺傳因素決定外，受年齡性別影響也較大。既往雙生子研究和家系研究顯示，高血壓遺傳度為0.3～0.5[18]，收縮壓遺傳度為0.34[19]，舒張壓遺傳度為0.368[20]，與本研究結果相近。本研究發(fā)現(xiàn)，血糖水平受到遺傳因素的影響，而本分析中糖尿病的患者及家系樣本有限，通過采用易患性-閾值模型，未發(fā)現(xiàn)糖尿病具有統(tǒng)計學意義的遺傳度，需進一步擴大家系樣本后驗證和評估糖尿病的遺傳度。本研究還發(fā)現(xiàn)血脂異常、總膽固醇、甘油三酯、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白受遺傳因素影響較大，其遺傳度分別為0.799、0.451、0.568、0.852、0.387，與既往遺傳度研究結果一致[5]。本研究發(fā)現(xiàn)，血脂異常作為綜合多項血脂水平的指標具有較高的遺傳度，但具體血脂相關指標受到遺傳因素影響的程度不一，推測影響不同血脂指標的遺傳危險因素可能存在一定差異。

表4 靜息心率及常見慢性病雙表型遺傳度

a, testing the difference between the environmental correlation and 0; b, testing the difference between the genetic correlation and 0； c, testing the difference between the genetic correlation and 1 or -1; d, testing the difference between the phenotypic correlation and 0; e, inverse normal transformation was applied for the variables not following normal distribution. All variables were adjusted for gender, age, age×gender, age2, gender×age2. SBP, systolic blood pressure; DBP, diastolic blood pressure; HDL-C, high-density lipoprotein cholesterol; LDL-C, low-density lipoprotein cholesterol; CI, confidence interval.

雙表型遺傳度是共同遺傳因素導致的相關性占兩個表型總相關性的比例。雙表型遺傳度的估計是將兩個性狀的表型相關系數(shù)分解為遺傳相關系數(shù)和環(huán)境相關系數(shù)，其中，表型相關系數(shù)即表型相關性，表示性狀的總體相關性；遺傳相關系數(shù)即遺傳相關性，表示影響兩個表型的遺傳物質的相似程度；環(huán)境相關系數(shù)即環(huán)境相關性，表示影響兩個表型的環(huán)境因素的相似程度。既往雙表型遺傳度研究顯示，靜息心率與舒張壓和人體壓力感受器敏感性具有相關性，但主要受到共同的環(huán)境因素影響[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，靜息心率與高血壓、糖尿病、血脂水平存在表型相關性，其中靜息心率與血糖水平相關性最高，并且，靜息心率與糖尿病和血糖水平具有較強的遺傳相關性，提示其可能受共同的遺傳物質控制。既往多個國家和地區(qū)的前瞻性隊列研究顯示，高靜息心率顯著增加糖尿病的發(fā)生風險，即靜息心率與糖尿病存在關聯(lián)[21-22]。而全基因組關聯(lián)研究和轉錄組學研究發(fā)現(xiàn)，靜息心率與糖尿病存在共同的遺傳位點，由多基因評分得到其遺傳相關性為0.22[23-24]，該結果小于本研究得到的遺傳相關性，提示可能尚存在未被發(fā)現(xiàn)的同時影響靜息心率和糖尿病的遺傳危險因素。而靜息心率與糖尿病相關的機制可能是：高靜息心率時交感神經活性增加,胰島素抵抗，從而增加2型糖尿病的發(fā)病風險[25]。同時，2型糖尿病會引發(fā)一系列代謝系統(tǒng)紊亂，如肥胖、血壓變化等，導致靜息心率升高[26]。

福建土樓家系隊列研究是我國僅有的幾項家系隊列研究之一,由于該地區(qū)居民以氏族聚集性生活，極適宜于收集家系資料和開展遺傳流行病學研究。本研究利用該大家系資料進行遺傳度估計，親屬關系豐富，因此遺傳度估計結果更為可靠。同時本研究納入1 563名研究對象，是我國目前規(guī)模較大的多代大家系研究，使得本研究得到的遺傳度估計較為穩(wěn)健。

本研究同時存在一定的局限性，本研究已構建的家系包含2 818名研究對象，后續(xù)工作尚需納入未參與研究的家系對象，擴充得到更完整的家系信息。

綜上所述，本研究提示靜息心率與常見慢性疾病存在相關性，并且靜息心率與糖尿病具有遺傳相關性，提示二者可能存在共同的遺傳基礎，后續(xù)可繼續(xù)深入探索影響靜息心率和糖尿病的遺傳危險因素。