抗阻运动改善绝经后女性骨密度效果个体差异的基因组学研究

【摘要】：研究目的:骨质疏松(osteoporosis,OP)是严重影响绝经后女性生存质量的主要疾病之一,OP的金标准骨密度是由遗传和环境因素决定。抗阻运动可有效改善骨密度,但干预效果存在较大的个体差异。本研究选取与OP关联的基因组合(panel)分析与骨密度关联的单核苷酸多态性(SNPs)和甲基化位点,构建骨密度抗阻运动干预个体效果的预测模型,通过生物信息学分析,探讨SNPs和甲基化在抗阻运动改善骨密度中的潜在功能。为绝经后女性选择个性化、精准化的运动健身指导方案提供理论依据。研究方法:研究1:本研究共招募441名绝经后女性(年龄:62±5岁,BMI:25.2±3.3kg/m~2)。双能X射线骨密度仪进行股骨颈和腰椎骨密度(GE-Lunar Prodigy)测试。采集静脉血2ml,全血DNA提取采用中量全血基因组DNA提取试剂盒(Bio Te Ke)。质谱Massarray技术对90个候选基因位点进行SNP分型。利用阳性关联SNPs位点进行遗传易感分数(GPS)的计算。GTEx数据库分析阳性位点在人体各个组织中的表达情况。Massarray质谱DNA甲基化技术检测与骨密度相关基因的DNA甲基化。研究2:65名绝经后女性自愿参与抗阻运动干预(年龄:65±5岁,BMI:24.8±2.9kg/m~2)。抗阻运动方案为每周2次,每次60分钟(热身5-10分钟,训练40-45分钟,收整5-10分钟),训练周期16周。基因组合和生物信息学分析方法同研究1。PLINK和SPSS23.0软件对数据进行处理分析。研究结果:研究1:1)初始值时,6个SNPs位点(OPG rs3102735、rs3134069;RANK rs884205;DKK1 rs11001553;RSPO3 rs13209747;ESR1 rs2228480)与股骨颈骨密度存在显著关联(均p0.05),2个SNPs位点(ESR1 rs1801132;SOST rs851054)与腰椎骨密度存在显著关联(均p0.05)。2)初始值时,GPS与股骨颈和腰椎骨密度呈显著正相关(均p0.01),GPS每增加一个“有利”等位基因,股骨颈和腰椎骨密度分别增加0.011g/cm~2和0.024g/cm~2。GPS可以解释4.7%和2.2%股骨颈和腰椎骨密度初始值个体间差异(R~2=0.047,0.022,均p0.01)。3)e QTL结果显示rs851054的次等位基因(T)与SOST在动脉中的低表达水平显著相关(p0.05)。4)初始值时,DNA甲基化水平与股骨颈和腰椎骨密度均不存在显著关联(均p0.05)。5)仅有GPS模型可解释0.5%和0.3%股骨颈和腰椎骨密度个体差异。仅有MS模型可解释2.4%和4.6%股骨颈和腰椎骨密度个体差异。联合GPS和MS模型可解释4.1%和7.7%股骨颈和腰椎骨密度个体差异,但没有达到统计学水平。研究2:1)16周干预后,6个SNPs位点(OPG rs1023968、rs2073618;DKK1rs1896367;SFRP4 rs1052981;RSPO3 rs13209747;MEF2C rs34316)与△股骨颈骨密度(%)存在显著关联(均p0.05),8个SNPs位点(ESR1 rs1062577、rs3798577、rs3798758;OPG rs2073617;SOST rs865429;Wnt5B rs2010851、rs3803164;SFRP4 rs1802074)与△腰椎骨密度(%)存在显著关联(均p0.05)。2)16周干预后,GPS与△股骨颈和腰椎骨密度(%)呈显著正相关(均p0.01)。GPS每增加一个“有利”等位基因,△股骨颈和腰椎骨密度(%)分别增加0.8%和0.786%。GPS可以解释36.5%和21.8%股骨颈和腰椎骨密度训练效果个体差异(R~2=0.365,0.218,均p0.01)。3)与GPS6(n=31)组相比,GPS≥6(n=34)组16周干预后△股骨颈和腰椎骨密度(%)有显著提高(-1.37%vs.0.88%,-3.56%vs.0.05%,均p0.05)。4)e QTL结果显示rs1896367的次等位基因(T)与DKK1在肾上腺中的低表达水平显著相关(p0.05);rs34316的次等位基因(C)与MEF2C在骨骼-肌肉中的低表达水平显著相关(p0.05);rs1802074的次等位基因(T)与SFRP4在动脉中的低表达水平显著相关(p0.05)。5)运动干预前后ESR1和SOST基因DNA甲基化水平存在显著差异(91.03±2.01%vs.90.07±2.51%;81.95±3.85%vs.83.29±2.91%,均p0.05)。6)16周干预后,△DKK1甲基化(%)与△股骨颈骨密度(%)呈显著正相关(均p0.05),△DKK1甲基化(%)每增加一个百分比,△股骨颈骨密度(%)增加0.025%。△DKK1甲基化(%)可以解释6.1%△股骨颈骨密度(%)的个体差异(R~2=0.061,p0.05)。7)仅有GPS模型可解释3.4%和6.9%的股骨颈和腰椎骨密度训练效果差异;仅有MS模型可解释2.5%和4.8%的股骨颈和腰椎骨密度训练效果差异;联合GPS和MS模型可解释4.8%和7.4%的股骨颈和腰椎骨密度训练效果个体差异,但没有达到统计学水平。研究结论:研究1:GPS可预测股骨颈和腰椎骨密度初始值的个体间差异,绝经后女性的GPS越高,股骨颈和腰椎骨密度初始值越高。研究2:1)GPS对运动后股骨颈和腰椎骨密度变化值的增加具有显著预测价值,GPS≥6的受试者可通过抗阻运动方式来提高骨密度,表明抗阻运动对骨密度的改善效果可能与基因型相关。2)DKK1基因甲基化可作为预测股骨颈骨密度训练效果差异的表观遗传标记。