扩增子测序揭示PEH变异
研究人员发现了随表型而变化的运动强度依赖性PEH相关变异。
扩增子测序揭示了运动后低血压（PEH）变异
简介
众所周知，人在运动过程中血压会升高；科学家和研究人员还观察到了运动停止后血压的变化。对于某些人来说，在进行剧烈运动或短期运动后的血压要比不进行运动的时候低，这种现象称为运动后低血压（PEH）。1有时这些血压降低的幅度大到足以使一个人的高血压在一天的剩余时间内都处于正常血压范围内。Linda S. Pescatello博士是康涅狄格大学的研究人员，也是该大学的运动机能学杰出教授，她开始着手研究为什么有些人会发生PEH，而有些人则不会。
Pescatello博士和她的团队于2001年开始研究运动基因组学。肾脏系统是主要的血压调节器官，因此他们专注于鉴定与受试者对单次运动的不同血压反应相关的肾脏变异。他们进行了候选基因关联研究来鉴定变异并记录了每个多态性与PEH的关系。她的团队从这一早期工作中鉴定出了多个目标肾脏基因，包括ACE、AGT、AGTR1、CYP11B2和ADD1。
2011年，Pescatello博士开始与杰克森实验室的科学服务、基因组技术团队（Jackson Laboratory Scientific Services, Genome Technologies Group）合作，它是一个位于康涅狄格州的基因组学研究中心。他们利用新一代测序（NGS）对受试者样本进行了深度扩增子测序，查看结果是否可以告知谁会对运动有反应，能以运动作为抗高血压的生活方式疗法。2该方法在非裔美国人（而非白人）受试者中发现了运动强度依赖性PEH相关的变异。
iCommunity采访了Pescatello博士，了解了扩增子测序如何提供相关遗传变异的深度信息，这些遗传变异是身体对运动的心肾反应的基础。
Linda S. Pescatello博士是康涅狄格大学的研究人员，也是该大学的运动机能学杰出教授。
Q：您对运动基因组学领域的兴趣因何而起？
Linda S. Pescatello（LSP）：我一直对生物学和运动感兴趣，我的生活恰好反映了二者的幸福结合。当我还是个孩子的时候，我的父亲在职业棒球小联盟打球，我母亲是一名护士。在康涅狄格大学上学时，我主修生物化学，同时还喜欢打垒球、篮球和网球。
我进入研究生院时，运动科学领域还很新。我意识到这个领域完美结合了我对科学和体育的热爱。我进行的运动研究能对人们的健康和生活质量产生积极的影响。这就是我的动力。
Q：您什么时候开始了候选基因关联研究？
LSP：1998年，人们越来越关注遗传学对健康相关表型的运动反应的影响。21世纪初，我参与了载脂蛋白（APO）E多态性对训练反应的影响的研究，3也参与了一项与人类肌肉大小和力量相关的功能单核苷酸多态性（FAMuSS）多中心研究。4此外，我还是美国心脏协会关于运动强度对PEH影响的研究的首席研究员。5,6所有这些都是候选基因关联研究，它们研究了可能与健康相关表型的运动反应有关的单个变异，这些表型包括心肺健康、肌肉大小和力量以及血压。
"……很明显，通过鉴定变异来开展基因关联研究存在随机性。这就像钓鱼一样。"
Q：您最初认为与PEH有关的变异有多少？
LSP：我们最初开展PEH候选基因关联研究时，我们中的许多人认为我们会找到一些能解释大部分健康相关表型的运动反应的单核苷酸多态性（SNP）。但结果并非如此。
Q：您的PEH研究使用了哪些运动研究设计？
LSP：我们让受试者在一天内剧烈运动，在另一天内休息，并在受试者中随机分配天数。受试者都每天带着动态血压监测仪回家，并面对工作、家庭生活等方面的日常压力。我们发现，在受试者运动的那几天，他们的血压明显低于没有运动的那几天。
我们利用基因关联研究分析了是否存在能解释血压的运动反应差异的基因变异差异。我们发现PEH与多个肾脏变异相关。
Q：你们在基因关联研究中采用了哪些技术？
LSP：我们利用qPCR等位基因鉴别检测进行了基因分型。针对每个SNP开展一个等位基因特异性PCR。我们利用这一方法鉴定了许多多态性，解释了一小部分变异。但是很明显，通过鉴定变异来开展基因关联研究存在随机性。这就像钓鱼一样。我们意识到，NGS能使我们同时对基因组中更多的区域进行研究。
Q：您什么时候开始在研究中使用NGS？
LSP：我们在2011年开始与杰克森实验室合作，从那时开始使用NGS。7我们对文献进行了系统地回顾，找到了41个基因。这包括我们在之前的基因关联研究中鉴定出的肾脏变异，以及其他人鉴定的与血压的运动反应、高血压或肥胖相关的变异。
我们为这41个基因设计了靶向测序panel。杰克森实验室对23个来自肥胖成年人（14个非裔美国人，9个白人）的样本进行了扩增子测序，他们进行了我们在之前的基因关联研究中使用的运动方案。非裔美国人的高血压发病率异常高，并且其预后通常较差。
"靶向方法可以让我们缩小基因组的搜索范围，找到重要信息并推动该领域的发展。"
Q：你们为什么选择扩增子测序而不是全外显子组测序？
LSP：我们选择靶向扩增子测序是因为我们不希望这次研究也像钓鱼一样。另外我们还需要考虑成本问题。这个项目在资金上无法承受外显子组测序的费用。靶向方法可以让我们缩小基因组的搜索范围，找到重要信息并推动该领域的发展。
Q：你们的NGS PEH研究结果是什么？
LSP：NGS PEH研究具有惊人的命中率。我们的panel中有25%的基因与PEH相关。其中有75%的基因与PEH的关联在白人和非裔美国人之间存在差异。我们发现的关联比我们最初以为的要多。
我们鉴定了ACE、AGTR1、CYP11B2和ADD1中的变异，他们与非裔美国人群（而非白人）中的PEH相关。我们观察到的关联与剧烈或高强度运动有关。次要等位基因通常是携带风险的等位基因，随着其数量的增加，血压在运动后与对照相比下降了20–30 mmHg。我们还发现了两个肾脏变异，它们与非裔美国人在中等强度运动后的血压升高有关。
Q：您如何分析数据？
LSP：杰克森实验室为我们提供了变异检出文件来分析数据。由于这是只有23个受试者的初步研究，我们使用了方法学策略来增加研究检测关联的统计有效性。我们与康涅狄格大学的统计学家Elizabeth D. Schifano博士进行了合作。具体来说，我们检测了受试者佩戴动态血压监测仪的19小时内的PEH关联。我们用线性模型分析了变异检出中出现的多态性关联，该模型包括时间、加性模型中的多态性以及针对多重检测进行调整的多态性相互作用。
Q：这些结果能为可以使用运动来对抗高血压的某些受试者提供什么信息？
LSP：对于某些基因型来说，这些发现表明高强度的运动可以使运动的抗高血压作用最大化。虽然个性化医疗也许还要数年才能实现，但这项研究让我们离建立预测程式来精确调整PEH受试者的运动处方更近了一步。
"我们已经开始了多个水平的组学通路研究，正在检测某些样本中的RNA表达。"
Q：您研究的下一步计划是怎样的？
LSP：我们在PEH研究中发现了一些重要的非肾脏基因变异，现在正在分析这些数据。我们从这一初步研究中获得的数据也可以作为更大规模项目的基线。我们正在为一项运动研究进行规划和筹集资金，该研究会使用相同的方法和200多个基因的优先化panel，对大约300名受试者（一半为非裔美国人，一半为白种人）进行研究。
Q：在未来的研究中，采用多个水平的组学方法有什么好处？
LSP：整合在多个水平（DNA、mRNA和蛋白）上研究PEH的基因组学，可以确定会影响血压的运动反应的大量变异所在的调控通路，这是很有价值的。我认为这还将包括甲基化和表观遗传学研究。我们已经开始了多个水平的组学通路研究，正在检测某些样本中的RNA表达。
Q：您对考虑使用扩增子测序进行研究的研究人员有何建议？
LSP：我会建议他们多与熟悉如何建立靶向外显子panel以及如何进行扩增子测序的人讨论。考虑到科学的复杂性，使用扩增子测序进行这一运动研究比较容易。
另外，我认为对于研究人员而言，牢记最终目标非常重要。大家都知道，获得资金越来越难。原因之一是对大型研究和大数据的关注。我们不应忽视能对相关领域作出重大贡献的、由研究者发起的优秀研究的价值。
深入了解本研究提及的Illumina系统和产品：
MiSeq系统，www.illumina.com/systems/sequencing-platforms/miseq.html
DesignStudio软件，www.illumina.com/informatics/research/experimental-design/designstudio.html
参考文献
- MacDonald JR.Potential causes, mechanisms, and implications of post-exercise hypotension.J Hum Hypertens.2002;16:225–236.
- Pescatello LS, Schifano ED, Ash GI, et al.Deep-targeted exon sequencing reveals renal polymorphisms associate with postexercise hypotension among African Americans.Physiol Rep.2016;4(19). pii: e12992.Epub 2016 October 10.
- Seip RL, Otvos J, Bilbie C, et al.The effect of apoplipoprotein E genotype on serum lipoprotein particle response to exercise.Atherosclerosis.2006;88:126–133.
- Thompson PD, Moyna N, Seip R, et al.Functional polymorphisms associated with human muscle size and strength.Med Sci Sports Exerc.2004;36:1132–1139.
- Pescatello LS, Blanchard BE, Tsongalis GJ, et al.The alpha-adducin Gly460Trp polymorphism and the antihypertensive effects of exercise among men with high blood pressure.Clin Sci (Lond).2007;113:251–258.
- Blanchard BE, Tsongalis GJ, Guidry MA, et al.RAAS polymorphisms alter the acute blood pressure response to aerobic exercise among men with hypertension.Eur J Appl Physiol.2006; 97:26–33.
- The Jackson Laboratory.Scientific Research Services for JAX Faculty, Genome Technologies. www.jax.org/research-and-faculty/tools/scientific-research-services/genome-tech-single-cell-biology/genome-technologies#.Accessed on April 28, 2017.