青少年骨密度的罕见变异和Hi-C研究及其在骨质疏松和骨折中的效应

Osteoporosis is characterized by a decrease in bone mineral density and an increased risk of fracture. Peak bone density determines bone strength and fracture risk in adulthood. To date, there have been only two original GWAS in osteoporosis in Han Chinese, and no "rare variant" research has been conducted. In addition, the three-dimensional structure of osteoblast chromosomes has not been studied. The applicant have long been engaged in the genetics study of osteoporosis and identified common and rare variants of WNT6, MEF2C and EN1 gene for bone mineral density and fracture. The applicant was also invited to contribute several review papers on the genetic study of osteoporosis. At present, the applicant is organizing the establishment of Westlake Adolescent Cohort. Based on the previous research experiences, the research objectives of this project are: ①To estimate the heritability of bone mineral density among adolescents in Han Chinese. ② To identify the rare variants for bone mineral density in susceptible areas, which have a large effect on BMD in adolescents in Chinese Han population. ③ By Hi-C sequencing, the three-dimensional structure of the osteoblast chromosome is to be investigated to reveal the regulatory network in the susceptible region in order to determine the "true" pathogenic genes.

骨质疏松症的特点是骨密度降低和骨折风险增加。青少年生长突增所达到骨量峰值是决定成年后骨骼强度和脆性骨折风险的主要因素。迄今为止，在汉族人中，骨质疏松症的基因组遗传变异原始研究只有两个，并没有“罕见变异”研究的开展。另外，成骨细胞染色体上的三维结构研究亦未开展。申请人一直从事骨质疏松遗传变异研究，先后发现了 WNT6，MEF2C， EN1基因的“常见变异”和“罕见变异”对骨密度和骨折的作用。目前，申请人作为负责人正在组建中国青少年研究队列。基于申请人前期的研究基础，本项目的研究目标是：①估计中国汉族人青少年骨密度的遗传度。②在骨密度的易感区域中，鉴定对中国汉族人青少年骨密度影响效应较大的编码“罕见变异”，并在骨质疏松和骨折中加以验证。 ③通过Hi-C测序，研究成骨细胞染色体上的三维结构，揭示易感基因区域远程调控元件介导的分子网络，以期确定骨质疏松症遗传易感区域内“真正”致病基因。

在本项研究中，我们利用本课题组构建的西湖（中国）生物样本数据库（Westlake BioBank for Chinese，WBBC），主要关注青春期晚期研究对象的生长发育和骨健康。我们共招募到14,726名年龄在14-25岁的志愿者，其中4,751名男性和9,975名女性。在该研究中，青年男性的平均身高是172.9cm，女性是160.1cm；男性平均体重65.81kg，女性52.9kg。我们发现女性体重不足的患病率远高于男性，但超重和肥胖的患病率低于男性。14,726名年轻参与者的血清25(OH)D水平平均值为22.4±5.3 ng/ml，男性的血清25(OH)D水平高于女性。总体而言，33.5%的参与者患有维生素D缺乏，其中女性的缺乏比例远高于男性（41.8% vs. 16.4%），参与者患有维生素D不足的更多（58.2%）。研究发现性别和骨密度（Bone mineral density, BMD）显著相关，男性的BMD均大于女性，且女性发生骨质减少的风险高于男性。此外，生活习惯与BMD也有显著相关性，尤其是运动和牛奶摄入，显著提高骨密度，但没有发现吸烟和饮酒对BMD的影响；睡眠质量与BMD呈正相关性，而睡眠障碍和BMD呈负相关性，另外，我们发现起床时间与BMD有负性相关，且是骨质减少的保护作用。在本文中，整体上，维生素D水平与骨密度之间呈正相关性；和维生素D充足的人相比，维生素D缺乏和不足都是骨密度和骨质减少的危险因素。但在性别亚组分析中，上述结果只在男性中显著。此外，本研究获得6,004例全基因组芯片数据和1,200例全基因组测序数据，对中国青少年人群中进行4个常见易骨折部位的骨密度进行全基因组关联分析研究，寻找到一些候选基因和拷贝数变异（CNV）等遗传因素，其中，大部分经典的骨密度相关基因CPED1、WNT16、FAM3C、CCDC170、DKK2等在我们研究中同样得到验证。另外，我们还提供了一些候选CNVs，其中发现的UGT2B17基因拷贝数，已被文献报道跟中国人群骨密度显著相关，其它发现的CNVs也都是跟身体发育性状相关，可以作为候选遗传因素。