分子流行病学 分子流行病学 （ Molecular Epidemiology ）

第 一节 概述 第 一节 概述  分子流行病学是在流行病学研究中应用生 物标志（或生物学测定），检测人群样本 的生物化学和分子变化，评价个体暴露水 平和剂量、疾病早期或癌前期对暴露的效 应以及个体对致癌物的易感性差异，分析 环境暴露因素与宿主易感性（包括先天遗 传和后天获得性）的交互作用，是流行病 学的一门新的分支学科。

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 狭义的分子流行病学定义  分子流行病学的广义定义  以流行病学现场研究为基础，结 合相关的生物标志检测，把宏观 研究与微观研究相结合，揭示和 解析暴露与疾病之间的 “ 黑匣子 ” 之迷。

传统流行病学 传统流行病学 暴露 疾病 分子流行病学 暴露 内剂量 生物有 效剂量 早期生 物效应 结构功 能改变 临床 疾病 疾病 预后 暴露标志疾病标志 易感标志

肿瘤分子流行病学的概念框架 （ Conceptual framework ）  把分子生物学和流行病学结 合 (merge) 起来，探索肿瘤 的病因及其预防策略。

Interactions between smoking and GST M1 (odds ratios* and 95% confidence intervals) *Adjusted for age, sex, race, and level of education (0.32, 3.95) 2.79 (0.97, 7.99) 5.29 (1.81, 15.4)

第 二节 生物标志

生物标志 暴露到疾病这个连续过程中可测量的、能反映功 能或结构变化的细胞、亚细胞、分子水平的物质。 生物标志 暴露到疾病这个连续过程中可测量的、能反映功 能或结构变化的细胞、亚细胞、分子水平的物质。 （ 1 ）暴露标志（ exposure marker ）：包括内剂 量 (internal dose) 和生物学效应剂量 量 (internal dose) 和生物学效应剂量 （ Biological effective dose ）标志。 （ Biological effective dose ）标志。 (2) 效应标志（ effective marker ）： 包括早期生 (2) 效应标志（ effective marker ）： 包括早期生 物学效应（ early biological effects ）等疾病 物学效应（ early biological effects ）等疾病 标志。 标志。 (3) 易感性标志（ susceptibility marker ）：宿主 (3) 易感性标志（ susceptibility marker ）：宿主 对疾病发生、发展的易感程度的生物学标志。 对疾病发生、发展的易感程度的生物学标志。

生物性外暴露标志 非生物性外暴露标志 主要有细菌、病毒、寄生虫和毒素等 主要有空气、水、土壤、农药、电离辐射等 理化因子。 一、暴露标志 一、暴露标志

1 、内暴露剂量 1 、内暴露剂量  内暴露标志的剂量是指被宿主吸收的外源 性暴露物质的量，这是外源性物质进入人 体的可靠依据。  内剂量的测定（ internal dose meters ） 已被广泛地应用于测定人体对外源性致癌 物和有毒物的暴露水平。

 高敏感度的分析方法和免疫测定使对不同细 胞、组织和体液中的低浓度的化学致癌物及 其代谢产物的测定成为可能。  内暴露剂量生物标志可反映机体在吸收、代 谢的生物转运过程中的个体差异，并可定量 地显示体内组织和器官的实际暴露水平和分 布。  在进行研究设计时，要充分考虑暴露物在体 内的半衰期。

内暴露剂量包括对化学毒物、饮食中的 营养素和可能致癌剂以及微生物感染的测定。 例如： 内暴露剂量包括对化学毒物、饮食中的 营养素和可能致癌剂以及微生物感染的测定。 例如：  吸烟 - 血或尿中的烟草代谢产物可丁宁浓度  多环芳烃 - 尿中的 1- 羟基芘水平  饮食暴露 - 黄曲霉毒素 B1(AFB1) 和尿中 N- 亚硝基化合物 （ N - nitroso compounds ）的浓度、血液中营养素水平  工作暴露和环境污染 - 血清或脂肪组织中的杀虫剂 DDT （ dichloro-diphenyl-trichloroethane ）、多氯联苯 PCBs （ polychlorinated biphenyl ）、二氧杂芑（ Dioxins ）环 氧化物含量  吸烟和环境污染 - 尿中的致突变因子（ mutagenicity ）的 测定。

2 、生物有效暴露剂量 2 、生物有效暴露剂量  测定致癌物的生物有效暴露剂量，即 检测与靶组织细胞内 DNA 或蛋白质相 互作用的致癌物或其反应产物的含量， 或测定能代表靶器官和组织的生物有 效剂量的血液蛋白质加合物的浓度。

PHIP DNA Adducts

DNA Adducts Measured by P32 postlabeling

DNA Adducts Measured by Immunohistochemistry

 生物有效暴露剂量是比外暴露标志和内暴 露标志更具证明力的生物标志。  在肿瘤分子流行病学研究中，由于常常不 易取得所有研究对象靶组织的 DNA ，需要 采用替代性的生物标志。  局限性 ：靶细胞的 DNA 加合物和替代生 物标志的关系还有待确定 ；检测结果一般 仅能反映过去数月内对该致癌物的暴露， 而不代表过去数十年的暴露水平。

二、效应标志 二、效应标志  1 、 早期生物效应 （ early biological response ）：反映疾病 谱中多阶段致癌的结果。由于结合到 靶组织上的外源性物质的持续作用， 引起组织细胞的生物改变，从而产生 疾病前期的生物标志。

 早期生物效应包括体细胞的改变 如：染色体畸变（ aberrations ） 如：染色体畸变（ aberrations ） 小片段缺失（ small deletion or less of 小片段缺失（ small deletion or less of heterozygosity ） heterozygosity ） 点突变（ point mutation ） 点突变（ point mutation ）  体细胞基因突变的形式和特征的研究可提 示特异性突变点与特异性环境暴露的关系， 因此特异性的基因突变有可能作为特异性 环境暴露的指征。

2. 癌基因和抑癌基因  癌基因（ oncogen ）  原癌基因（ proto-oncogenes ）  抑癌基因 ( Tumor Suppressor Genes)  对癌基因和抑癌基因的研究可加深我们对 肿瘤生物学和致癌过程的认识。  肿瘤癌基因（如 Ras 基因）和抑制基因 ( 如 P53 基因 ) 的点突变可能是不同类型的肿瘤 及特异性环境暴露的指征。

Macmahon 致癌假设：  环境因素可能通过基因突变的机 制来影响肿瘤的发生，而遗传因 素在环境因素对肿瘤的作用中可 能起修饰作用。

一些促癌剂、体外生物、自然和人工合成 的雌、雄激素主要是通过引起基因表达和 细胞生长、死亡、分化的紊乱导致癌。对 这些物质生物效应的测定方法正在研究之 中。 机体组织结构或功能的改变引起疾病亚临 床阶段和疾病发生过程中的效应标志和对 进行筛检、诊断、治疗和预后判断有重要 价值的疾病标志（ Markers of disease ） 都是目前医学研究的热点。

三、易感性标志 三、易感性标志 易感性标志是指能够直接增加肿瘤危险性 或者通过修饰环境因素暴露来增加肿瘤危 险性的遗传多态性（ polymorphism ）基 因及其基因产物，是机体在暴露前就已存 在的遗传性或获得性的可测量指标。 易感性标志是指能够直接增加肿瘤危险性 或者通过修饰环境因素暴露来增加肿瘤危 险性的遗传多态性（ polymorphism ）基 因及其基因产物，是机体在暴露前就已存 在的遗传性或获得性的可测量指标。 虽然这一类基因能够增加发病风险，是决 定从暴露到发病整个进程的重要因素，但 并非所有携带突变或多态性基因的人都会 发生癌症。

高危险易感基因 高危险易感基因  高危险基因具有高度的外显性，即有突 变基因的人其患肿瘤的危险很高，但此 类基因的人群频率很低，环境暴露和此 类基因产生交互作用的可能性比较小， 所以人群的归因危险度低。  对高危险基因突变的检测可用来评估个 体发生肿瘤的危险性，有利于采取有针 对性的预防措施，也可用于遗传咨询。

低危险易感基因 低危险易感基因  低危险性易感基因一般都具有基因多 态性，致癌危险性较小，主要通过与 环境因素的协同作用使癌症的危险性 增高，相对危险度一般小于 2 ，外显 率较低，但人群的基因多态的频率较 高，一般大于 2% ，故人群归因危险 性较高。

高危险易感基因和低危险易感基因的比较 高危险易感基因低危险易感基因 外显性高低 相对危险度高低 归因危险度高低 人群归因危险度低高 基因频率 ≤1% ＞ 1% ~ 90% 研究类型联接（ Linkage ）联系（ Association ） 环境影响小非常重要

代谢酶基因 代谢酶基因 这类基因在人群中具有不同的基因型，有 些基因型可通过影响代谢过程，通过活化 或解毒来增加或减少对致癌物暴露的效应。 因为代谢酶基因多态在人群中的频率相对 较高，而且一些肿瘤的危险因素（例如吸 烟）在人群中也普遍存在，所以代谢酶基 因 - 环境交互作用对人群归因危险性的影响 较大。

I 相代谢酶 I 相代谢酶  生物转化的 I 相反应主要包括氧化 （ oxidation ）、 还原 (reduction) 和水解 （ hydrolysis ）。通过 I 相反应，使化学毒物的 分子暴露、增加其功能基团或增高其水溶性， 成为适合于 II 相反应的底物。  细胞色素 P-450 酶系，又称为单加氧酶 (monooxygenase), 属 I 相代谢酶，是一组能够 代谢活化致癌物和细胞毒素的代谢酶。

II 相代谢酶 II 相代谢酶  通过 II 相反应，大部分化学毒物生成 易于从机体内排泄的水溶性结合产物。  个体间 II 相代谢酶活性的差异可反映 机体对肿瘤易感性的差异。

Figure. GSTM1 and GSTT1 genotyping from buccal cell DNA. Case 5 is null for the GSTT1 genotype. Case 2 is null for the GSTM1 genotype GST T1 GST M1 beta-globin Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5

第三节 主要的研究方法

一、研究设计和分析 （一） 病例 - 对照研究  可用于研究基因多态性与肿瘤危险性的关系，也 可用于测定可能的基因 - 环境交互作用。  在人群中抽取病例和相应的对照，通过比较病例 组与对照组中基因多态频率的差异来判断对肿瘤 危险的作用。  计算调整的相对比值比（ odds ratio, OR ）

表 17.2 病例对照研究模式表 基因暴露因素病例对照 OR --abOR 00 = cdOR 01 =cb/a d +-efOR 10 =eb/a f ++ghOR 11 =gb/a h

（二） 病例 - 病例研究（ case - case study ） （二） 病例 - 病例研究（ case - case study ）  病例 - 病例研究的基本特征是仅用病例作为 研究对象，是一种测定交互作用的高效率 的设计。  应用病例 - 病例设计来估计交互作用，所 需样本量小，精确度也相应提高，同时也 避免了由于选择对照而可能产生的选择偏 倚。其缺点是不能估计主效应因素（基因、 环境）与疾病的关系。

病例 - 对照研究与病例 - 病例研究所需样本量 样本量（ n ） 研究类型 研究类型 主效应 OR=2.0 时 交互效应 OR=2.0 时 病例 - 对照研究 病例 150 例 病例 600 例 对照 150 例 对照 600 例 （ n = 300 ） （ n =1200 ） 病例 - 病例研究 病例 300 例

在评估交互作用时，常规的病例对照研究一般用 2 X 4 表来估计联合效应和两个主效应（环境，基因）。 ORint = OR11 / OR01 OR10 ORint = OR11 / OR01 OR10 = （ gb/ah ） / [ （ cb/ad ） × （ eb/af ） ] = （ gb/ah ） / [ （ cb/ad ） × （ eb/af ） ] = （ ag/ce ） / （ bh/df ）。 = （ ag/ce ） / （ bh/df ）。 因为（ ag/ce ） =ORcase ， 因为（ ag/ce ） =ORcase ， （ bh/df ） =ORcontrol ， （ bh/df ） =ORcontrol ， 所以 ORint = ORcase / ORcontrol 。 所以 ORint = ORcase / ORcontrol 。 假设 基因和环境相互独立，则 ORcontrol =1 ， 假设 基因和环境相互独立，则 ORcontrol =1 ， 所以 ORint = ORcase 。 所以 ORint = ORcase 。 由此可见，病例 - 病例研究可以有效地代替病例 - 对 照研究用于交互作用的评估。 由此可见，病例 - 病例研究可以有效地代替病例 - 对 照研究用于交互作用的评估。

（三） 病例 - 系列研究 (case-series study) （三） 病例 - 系列研究 (case-series study)  病例 - 系列研究主要用于测定病因的异质性 (etiological heterogeneity) 和评估机体对 环境暴露的生物效应。肿瘤分子流行病学 研究的生物标志检测方法相对比较复杂， 组织标本采集受到某些限制。在很多情况 下，仅能从病例中获得组织标本，而不能 从对照中获得，采用病例 - 系列研究可以解 决这一难题。

吸烟、 P53 突变与对膀胱癌 病例组 n 吸烟状态 P53 突变 （ P53+ ） P53 未突变 （ P53- ） 对照组 吸 34 （ a+ ） 43 （ a- ） 81 b 不吸 10 （ c+ ） 21 （ c- ） 64 d OR （ P53+ ） = （ a+ ） d/ （ c+ ） b = （ 34×64 ） / （ 10×81 ） =2.69 OR （ P53- ） = （ a- ） d/ （ c- ） b = （ 43×64 ） / （ 21×81 ） =1.62 传统的病例 - 对照研究 OR （ P53+ ） / OR （ P53- ） =2.69/1.62=1.66 OR （ P53+ ） / OR （ P53- ） = （ a+ ）（ c- ） / （ c+ ）（ a- ） … 病例 - 系列研究

应用 logistic 回归分析，结果亦相同 吸烟、 P53 突变对膀胱癌的影响 （ logistic 回归分析） 比数比 OR (95% 可信限 ) 研究类型参数粗 OR 调整 OR* 病例 - 对照 OR9 （ P53+ ） 2.69 （ ） 3.61 ( ) OR （ P53- ） 1.62 ( )2.11 ( ) OR （ P53+ ） / OR （ P53- ） 1.66 ( )1.71 ( ) 病例系列 OR1.66 ( )1.71 ( )

（二）生物标志的选择与测定  首先要注意的是该指标在人群分布中的差异。  选择和致癌过程密切相关的生物学标志。  注意基因的多态性、基因 - 基因交互作用、动物 模型、人类的研究、基因型和表型的关系、基因 和疾病的关系以及基因分布的种族区别以及相应 的环境危险因素等。  选择的生物标志还必须是稳定的、有代表性的， 并且易被检测。

生物标志的测定方法主要取决于生物 标志的性质。   PCR 技术、   自动化测序技术（ automated sequencing techniques ）、   比较性的基因杂交技术（ comparative genomic hybridizcition,CGH ）   分子进化分析（ molecular volutionary ）   基因芯片 (gene chip)

第四节 研究进展与前景

 注重多种生物标志的研究，寻找与间接基因 毒性有关的生物学标志和进一步探讨靶组织 及其替代生物标志关系是当前分子流行病学 研究的主要任务。  随着人类基因组计划（ human genome project ）的完成，分子流行病学研究将从对 个别生物标志的研究发展到系统性的、对有 假设性的多个生物标志的研究。  对病毒、细菌等病原体在致癌过程中作用的 研究是肿瘤流行病学重要的进展之一。

 系统化的分子生物学标志体系和自动化检 测技术的发展促进发现新的易感基因。  从简单的基因型到 RNA 基因蛋白及其表达 的测定，对致癌过程中基因表达的变化及 其相应产物的直接检测并进行有效的量化 分析，应用芯片技术同时测定完成基因表 达等多水平的检测 …… 。  发展新的分子流行病学研究方法。  对基因 - 环境交互作用的深入研究 。

DNA Genechip

Case 607 Exon Case 644 Exon 7 G A T C G A T CG A T C A C/G A A G A Thr Arg Gly Ser C G A/G G G C MutantWild Type MutantWild Type A C/G A A/G G C Codon 280Codon 244 PCR-SSCP Sequencing Gene Chip

分子流行病学把传统的流行病学与分子生 物学理论技术结合起来，深入阐明疾病的 病因、发病机制和流行规律，为人类制定 疾病的防制措施与对策提供了科学依据。 分子流行病学有着强大的生命力，具有广 阔的发展前景，在 21 世纪人类战胜疾病、 促进健康中必将发挥重大的作用。