王久存、金力团队研发预测我国平原地区居民高原习服能力的复合表型分析方法

来源:上海国际人类表型组研究院 发布时间:2021-02-22

2021222,《表型组学》(Phenomics)期刊以首期封面文章形式在线刊发了复旦大学生命科学学院、人类表型组研究院王久存教授和金力院士团队的最新研究成果:《应用复合表型分析方法揭示高原习服纵向研究队列中汉族人群的生理异质性》(“Using composite phenotypes to reveal hidden physiological heterogeneity in high-altitude acclimatization in a Chinese Han longitudinal cohort”)。该团队自主研发了应用复合表型策略的分析方法,通过对人体复合生理表型指标的分析,可有效预测我国平原人群在高原习服慢性期的血氧饱和度变化,进而发现个体的高原习服能力与习服慢性期血氧饱和度呈显著相关。此外,研究团队指出,该复合表型分析方法可以作为一种通用的研究手段与策略对生命健康领域的复杂问题开展研究。

高原习服表型研究具有重要科研意义与应用前景

高原习服,是指平原世居者进入高原或高原世居者进入更高海拔地区的过程中,在高原低氧等因素刺激下,人体发生的一系列复杂生理性状的变化。我们都熟知的“高原反应”就是人体高原习服过程中可以感知的方面。对于进入高原的平原常住人员或进入更高海拔地区的高原世居者而言,高原习服具有重要的意义。

个体进入高原后,如果不能有效习服低氧环境,则会发生各种急慢性高原病,如急性高原病、高原脑水肿、高原肺水肿、高原肺动脉高压、高原红细胞增多症、高原心脏病等,严重者甚至危及生命。高原习服包括两个阶段,即急性期(高原暴露3天内)和慢性期(高原暴露1个月以上)。 随着我国社会经济的发展以及高原地区的对外交往增多与对外开放扩大,高原地区的资源开发、对口支援、边疆振兴、人文旅游以及国际交往需求均持续增强。越来越多的平原人群需要短时间内进入高原地区工作、旅行与生活,高原习服成为必须面临的重要问题。

大量研究表明,个体的高原习服能力差异性大,在以同样速度上升至相同海拔高度的过程中,部分人群会出现明显的不适症状,而部分人群则完全不受影响。为什么会出现这种情况?科学家们发现其主要原因在于人体对氧的利用和调节。通过跨尺度、高维度、多时点的表型组学研究策略,复旦团队对人体高原习服过程中的低氧生理调控、组织细胞水平低氧适应、分子水平改变等进行了深入研究,发现相关表型不仅能够识别个体的高原习服能力强弱,还将有助于确定高原疾病病因、寻找预防高原疾病药物及干预策略,从而服务于高原旅行、高原医学、运动医学等领域,也会为多种重大疾病的研究提供重要思路。

复合表型策略攻克复杂性状研究难题

基于883例中国汉族人群高原习服纵向研究队列在平原期慢性期两个时间点共33个生理学表型数据,王久存教授-金力院士团队自主开发了一种组合了谱分解聚类算法和偏最小二乘路径模型的复合表型提取策略。团队成员进一步将该复合表型研究策略应用于高原习服复合表型的提取,并从33个高原习服相关生理表型中提取出14个复合表型。基于这些复合表型,团队应用K-均值算法揭示了高原习服纵向研究队列中汉族人群的生理异质性。团队进一步比较了基于复合表型和原始单一表型的模型分别对慢性期血氧饱和度变化的预测效果,发现基于复合表型的模型在各类预测效果的指标上均显著优于基于单一表型的模型。

谱分解算法的特征值分布图

更重要的是,该团队开发的这种研究高原习服表型组学的复合表型分析方法(Composite Phenotype Analysis, CPA)可以推广为对生命健康复杂性状研究的通用分析策略和方法,如大规模人群队列复杂疾病的表型组学研究等。

王久存教授和金力院士团队长期从事人类复杂疾病和复杂性状的遗传学研究,尤其在复杂性状遗传学研究的方法和策略上具备较强的研究基础。他们对高原习服和高原适应的遗传学研究及其他缺氧相关研究已开展了十余年,积累了丰富扎实的工作经验。

近年来,人类表型组研究已成为继基因组研究之后生命科学领域的又一“原始创新源”,是事关生物医学技术长远和全局发展的战略竞争高地。表型组研究旨在通过全尺度、多维度的人体精密测量并对所有产生的数据开展整合与系统性研究,发现基因-环境-表型之间以及宏观表型-微观表型之间的关联机制与相互作用,继而为破解健康原因与疾病机理绘制新一代“导航图”。因此,应用表型组学的研究方法,从多维度、深层次、全周期对高原习服过程进行深入研究,将有助于精准评估个体的高原习服能力,寻找有效预防和干预策略,发现预防高原疾病药物靶标,为进入高原地区旅行、工作、生活的人群提供更好地健康评价与保障。

复旦大学李轶博士和马彦云博士为本文的共同第一作者,王久存教授和金力院士为本文共同通讯作者。“人类高原习服表型组学研究” 获得了上海市市级科技重大专项“国际人类表型组计划(一期)”资助。此前,该项目还获得了国家自然科学基金重点项目“人群高原习服相关复杂性状的基因组变异解析”的资助以及中国博士后科学基金一等面上资助等。此外,李轶博士和马彦云博士还获得了复旦大学人类表型组研究院和复旦大学六次产业研究院的博士后相关资助。

论文DOI链接:

https://link.springer.com/article/10.1007/s43657-020-00005-8

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