综述：利用人群隔离群鉴定代谢综合征的遗传病因

《Molecular Genetics & Genomic Medicine》：The Use of Population Isolates to Identify Metabolic Syndrome's Genetic Aetiology

　　

背景：全基因组关联研究（Genome-wide association studies, GWAS）持续扩大样本规模、提升分辨率并完善统计基础，但其设计常局限于大型远交群体，可能排除遗传特征独特的群体，导致所获遗传见解无法外推，同时也错失了隔离群体在生物医学研究中的优势。代谢综合征（Metabolic Syndrome, MetS）是一组高度相关的危险因素集合，可诱导个体发生2型糖尿病（Type 2 diabetes, T2D）、心血管疾病（Cardiovascular disease, CVD）及慢性肾脏病（Chronic kidney disease, CKD）。MetS的环境诱因已较为明确，但个体对这些影响的应答受遗传因素调控。 方法：本小型综述探讨人群隔离群在疾病基因定位中的特征，简要梳理MetS的临床要点，并对比近期人群隔离群与大型开放群体研究在解析MetS遗传病因方面的贡献。 结果：隔离群体研究揭示了包括因果变异在内的新型遗传关联，同时验证并细化了大型开放群体中发现的关联位点。 结论：尽管在揭示MetS及相关疾病的遗传基础方面已取得显著进展，但该综合征的定义仍存在争议，对其遗传机制的全面理解仍待深入。

1 引言

代谢综合征（MetS）整合了五种相互关联的代谢性有害特征，常进展为2型糖尿病（T2D）、心血管疾病（CVD）及慢性肾脏病（CKD）。其外源性影响因素已被充分表征，包括现代社会的营养过剩、久坐习惯、吸烟及饮酒等，但这些因素如何诱发MetS，以及个体在相似环境下应答差异的遗传调控机制尚未完全阐明。全基因组关联研究（GWAS）已成为遗传研究的常用工具，其优势在于能够以无假设方式检测变异与表型间的关联，通过对数百万个常见变异进行全基因组分型并结合大样本量获得统计效力，目前已发现数百个与MetS或其组分性状相关的遗传位点，但仍有大量可遗传的表型变异来源未知。单纯扩大样本量与提升覆盖密度仅能有限推进该领域发展，若疾病受罕见变异影响，策略性样本选择与利用人群隔离群的假设驱动分析则是更高效实用的发现手段，同时可通过在不同背景遗传多样性模式的群体中复现结果，辅助定位并验证GWAS位点以识别驱动关联的因果变异。

2 复杂健康性状受遗传学调控

2.1 遗传力

复杂表型（包括健康性状）受多个遗传与环境因子及其交互作用共同影响，遗传力分析旨在将表型变异的归因划分为遗传与环境组分。广义遗传力（H²）指群体中表型总变异中归因于遗传因子的比例，包含孟德尔效应、上位效应及加性遗传效应，其中加性遗传效应被称为狭义遗传力（h²），文献中讨论的遗传力通常指狭义加性h²。20世纪主要依赖家系法（尤其是双生子研究）估算遗传力，21世纪以来随着基因分型芯片与二代测序技术的发展，出现了基于单核苷酸多态性（Single nucleotide polymorphism, SNP）或序列的h²估算方法，可同步定位与表型变异相关的序列变异。现代基因组学时代早期，基于SNP的遗传力估算值低于家系与双生子估算值，这一差异被称为“缺失遗传力”。随着SNP芯片密度提升与样本量扩大，GWAS设计的效力增强且成本降低，大型可及生物样本库的建立进一步推动了这一趋势，许多复杂性状的SNP与家系估算遗传力差距逐渐缩小，尤其当这些队列可开展罕见变异研究时。然而即便拥有数十万至数百万受试者及可捕获罕见变异的高质量全基因组测序（Whole genome sequence, WGS）数据，许多性状在开放群体队列中仍存在缺失遗传力问题。若缺失遗传力由罕见变异驱动，人群隔离群因罕见等位基因频率更高且背景遗传与环境噪声更低，可提供有效的检测途径。

2.2 人群隔离群在健康遗传学研究中的价值

当前大型开放群体生物样本库（如英国生物样本库、All of Us）已广泛应用，但小规模人群样本仍受健康遗传学研究者关注。尽管大型开放群体生物样本库具有极高科学价值，人群隔离群则具备互补的独特优势：其研究发现不仅适用于目标群体，还可外推至相关开放群体并获验证。人群隔离群的核心优势包括针对罕见变异与罕见疾病的研究效力更高，且环境混杂因素更少。典型研究包括针对北不列颠群岛后裔的VIKING II研究、阿尔卑斯地区与撒丁岛的意大利隔离群、希腊克里特岛与罗多彼山脉的HELIC队列、科斯雷等太平洋岛屿群体、萨摩亚群体，以及介于隔离与开放群体之间的芬兰FinnGen队列（含50万参与者）。需注意的是，“开放群体”缺乏绝对定义，基因组分析显示隔离与开放群体的遗传隔离程度存在重叠，主成分分析可将二者区分，开放群体内部同质性高，隔离群组间分化更明显且样本相似性与地理距离相关，这种连续性更多由群体规模而非隔离代数决定。尽管如此，这些群体仍存在遗传漂变与近亲祖先的特征，研究人员可利用这些基因组特征提升关联研究的统计效力，以检测开放群体中罕见的变异。小奠基者群体仅保留祖先群体总遗传多样性的一小部分，部分祖先罕见等位基因可能在子代群体中因遗传漂变频率升高——这是小群体中 allele 频率因随机遗传波动发生显著世代变化的进化机制，同时也有部分等位基因在子代群体中完全缺失或因漂变频率降低。这种整体遗传多样性降低但部分罕见等位基因富集的特征可用于研究罕见变异对复杂疾病的贡献，此外隔离群体中不同的连锁不平衡模式有助于从关联的常见变异定位至因果突变。除遗传因素外，隔离群体通常环境同质性更高，若生殖隔离由地理因素（如山区或岛屿社区）导致，这些因素也会同步影响表型，减少开放群体中气候、财富、饮食及社会文化因素带来的混杂。语言、宗教等文化因素也可在无地理屏障时维持生殖隔离，例如阿什肯纳兹犹太人在欧洲群体中生活数千年仍保持生殖隔离与奠基者效应特征。

2.3 人群隔离群研究的局限性

与开放群体相比，隔离群体研究面临独特挑战。最基础的差异是可获得的样本量：开放大陆群体规模更大，例如英国生物样本库包含50万受试者，超过冰岛全国人口（2025年不足40万），即便隔离群体参与率较高，统计效力仍可能受限。另一挑战是研究结果可能无法推广至更广泛群体，这也是研究遗传独特隔离群体的动机之一——开放群体的发现可能不适用于此类群体，反之亦然。此外，最初为定位性状或疾病关联位点提供效力的基因组特征，后续可能阻碍因果位点的精细定位：近期奠基者效应导致的长程连锁不平衡景观虽能检测到异质性队列中被掩盖的GWAS信号，但会降低定位精度，这一问题可通过参考远交群体或其他隔离群解决。受试者间高度亲缘关系需通过基因组亲缘矩阵或已知家系结构的线性/逻辑混合模型回归方法谨慎校正，以在不缩减样本量的前提下控制混杂。

3 代谢综合征

作为综合征，MetS被定义为一组高度相关的症状集合，其组分包括肥胖、血脂异常、胰岛素抵抗与高血压等相互关联但独立的代谢危险因素，具体定义在3.1节详述。Noubiap等的荟萃分析显示，根据定义不同，全球MetS患病率为12%~31%，也可通过T2D患病率的三倍估算，2018年全球范围为20%~25%，但患病率在地区与种族间差异显著，且与国家收入（非个体收入）相关。MetS组分的 environmental 诱因已明确，包括不良饮食、烟酒使用及缺乏体力活动，随着工业与后工业社会特征的扩散，MetS发病率持续上升，这些环境因素也是MetS预防的主要靶点，已有大量成功的公共卫生干预案例报道。Neeland等对MetS的临床与政策视角进行了全面综述。

3.1 MetS定义

2009年多个竞争性MetS定义被整合为统一的诊断标准，但后续研究仍常使用多种旧版标准，包括世界卫生组织（World Health Organisation, WHO）、国际糖尿病联盟（International Diabetes Federation, IDF）、美国国家胆固醇教育计划成人治疗 panel III（National Cholesterol Education Program Adult Treatment Panel III, ATPIII）及欧洲胰岛素抵抗研究组（European Group for the Study of Insulin Resistance, EGIR）的定义。各定义在定量性状的二元阈值上存在细微差异，核心区别在于是否将某一特定因素设为诊断必需项，可能导致诊断不一致。统一定义中无单一必需组分，成人患者满足以下五项中的三项即可确诊：腰围增大（阈值因性别与种族而异）；高密度脂蛋白胆固醇（High-density lipoprotein cholesterol, HDL-C）降低（女性<1.3 mmol/L，男性<1.0 mmol/L）；甘油三酯（Triglycerides, TG）升高（≥1.7 mmol/L）；血压（Blood pressure, BP）升高（收缩压≥130 mmHg和/或舒张压≥85 mmHg）；空腹血糖（Fasting blood glucose）升高（≥5.5 mmol/L）。儿童诊断标准基于改良成人标准，根据 ancestry、年龄、性别及青春期阶段设定百分位数阈值，例如De Ferranti等建议腰围采用75百分位、血压采用90百分位，IDF儿科定义则为10~16岁儿童所有性状设定具体数值阈值，仅腰围推荐90百分位截断值，这与统一诊断标准中按 ancestry 与性别设定腰围阈值的思路一致。确诊MetS的患者发生CVD、T2D与CKD的风险显著升高：2010年基于ATPIII定义的荟萃分析显示MetS患者CVD相对风险为2.35；2008年荟萃分析显示T2D相对风险为2.99；2024年FinnGen数据分析显示MetS患者肾衰竭优势比为1.48。

3.2 MetS定义的相关考量

需强调MetS是“综合征”，即基于共现症状而非明确共同病因定义的疾病实体，学界对其临床价值仍存在争议。Reaven（1988年提出“X综合征”，即MetS的前身）指出存在代谢健康肥胖个体，且腰围作为肥胖指标并无特殊优势；其2011年的综述进一步认为MetS作为CVD与T2D风险预测因子冗余，因为各组分本身已是独立危险因素，且将连续变量二分类化会损失信息，这些观点代表了质疑MetS价值的学者立场。然而，定义MetS（及X综合征）的核心动机正是其组分间的强相关性，但官方症状并非唯一聚类特征，现有临床阈值也并非唯一合理选择。2017年美国心脏病学会与美国心脏协会（American Heart Association, AHA）将“血压升高”阈值下调至120/80 mmHg，低于2009年统一MetS诊断标准的130/85 mmHg，该阈值于2024年被欧洲心脏病学会采纳，若纳入此标准将显著增加MetS诊断人数。部分学者主张引入甘油三酯与HDL-C比值（TG/HDL）作为衍生“代谢指数”：Azarpazhooh等发现TG/HDL可预测北美与伊朗三个队列的MetS、胰岛素抵抗与动脉粥样硬化，最优阈值在女性中为0.99~2.65，男性中为1.40~3.05；Kim等在韩国两个队列中计算的阈值为女性3.18、男性3.97；ELSA-Brasil多族裔队列2021年推荐阈值为女性1.7、男性2.6（涵盖白人、黑人与混血巴西人）。中国糖尿病学会与2024年中国高血压管理指南编写组对MetS的定义存在差异，后者将TG与HDL合并为单一性状（非比值形式）。此外，鉴于睡眠与进餐时间在MetS发生中的作用日益受关注，Zimmet等提议将MetS与脂肪肝、抑郁、睡眠障碍等其他共现风险性状整合，定义为“昼夜节律综合征”，在原有五项MetS组分基础上扩展。2023年AHA进一步将MetS纳入更广泛的“心-肾-代谢（Cardio-Kidney-Metabolic, CKM）综合征”，该临床实体凸显了各器官系统的内在关联性，采用严重程度梯度评估而非二元诊断，认为内脏脂肪过多或皮下脂肪功能障碍是病理驱动核心，同时指出目前对CKM综合征的遗传决定因素认知不足。

3.3 MetS性状聚类的异质性

各类MetS诊断标准主要为临床便捷性设计，但多名研究者已开发更精细的MetS风险与严重度评估方法，CKM综合征研究也正利用现有队列数据细化其特征与病因解析。一种方法是将MetS建模为数量性状而非二元诊断：Graziano等为撒丁岛隔离队列开发了基于探索性与验证性因子分析的连续MetS评分，后续利用该性别特异性MetS性状线性组合估算了基于连续标准的诊断阈值，该定量评分已被用于估算不同群体的MetS遗传力。另一种方法是基于性状聚类谱将MetS分为亚类：Yang等对比中国使用的两种MetS诊断体系，将两种诊断均细分为亚类，由于无单一必需组分，五项二元性状的理论组合数为2⁵=32，其中半数符合MetS诊断，作者认为需比“符合MetS诊断项数”更细致的分类，但16种亚型又过于繁琐。该研究结果显示两个脂质组分（低HDL与高TG）可能存在冗余，前述TG/HDL代谢指数可作为保留信息且避免过度分类的有效指标。Ding等采用多性状有限混合回归对MetS性状进行“反向GWAS”，该方法由Dahl等开发并在芬兰METSIM队列中验证，可在控制常规GWAS协变量与群体结构的同时，基于独特遗传关联模式定义性状亚型。应用于中国FISSIC数据时，识别出四种MetS亚型，分别以肥胖、高血压、高血糖及TG与HDL合并的血脂异常为核心特征，与2024年中国高血压管理指南的MetS定义定性吻合。Donker等将最初为自然语言处理开发的贝叶斯机器学习方法——主题分析适配于荷兰Lifelines队列的CKM综合征研究，识别出五种稳健的血液与尿液生物标志物谱及五种保护性谱，对各谱进行GWAS后发现亚型间共享的位点极少，提示MetS与CKM的表型异质性可能由潜在遗传异质性驱动。

4 代谢综合征的遗传学

MetS整体的狭义遗传力（h²）估算为10%~40%，存在群体差异；各组分性状的遗传力也不同，Lin等估算为16%（收缩压）至60%（HDL-C），Vattikuti等估算为30%（收缩压）至48%（HDL-C）。尽管MetS的大部分遗传基础仍未知，但通过大型GWAS与假设驱动方法，已在解析MetS、其组分及相关疾病的遗传决定因素方面取得进展。

4.1 开放群体大样本GWAS

Povel等2011年的荟萃分析发现MetS与FTO、TCF7L2、IL6、APOA5、APOC3及CETP基因相关，分别影响 fat 质量与肥胖（FTO）、胰岛素（TCF7L2）及甘油三酯（APOA5、APOC3、CETP），其中IL6对整体表型的影响存在矛盾。Lind2019年利用英国生物样本库数据的GWAS发现93个达到全基因组显著水平的MetS二元性状关联位点，其中80个为MetS新型关联，多数此前已与单个组分相关；5个位点（WDR48、KLF14、NAADL1、GADD45G、OR5R1）在该研究中首次与MetS关联，此前未与任何组分相关；2个位点（SNX10、C5orf67）此前与全部五项MetS组分相关但未与MetS本身关联。近年来关联分析方法不断演进，Grotzinger等2019年将基因组结构方程模型（Genomic structural equation modeling, SEM）引入基因组研究，该方法可在具备详细GWAS汇总统计时推断影响观测因变量的未观测自变量效应。van Walree等利用此方法建模“MetS因子”（回归至各组分性状）并进行二次GWAS，后续基因集、组织与细胞类型富集分析显示MetS的主要遗传影响作用于大脑。Park等采用类似多变量分析方法，合并样本量超490万，建模显示MetS与组分间存在三个额外潜因子，分别聚类于肥胖、胰岛素抵抗与高血压、血脂异常；后续分析进一步强化了MetS与大脑的关联，并通过孟德尔随机化识别出11个可治疗靶点基因。尽管取得上述进展，仍有大量表型变异归因于未知遗传因素，部分源于不同种族的基因组背景差异，部分源于罕见变异的贡献——罕见变异定义为次要等位基因频率（Minor allele frequency, MAF）<1%，小样本常采用5%阈值。GWAS设计依赖常见变异获得统计效力，因此排除了罕见变异的分析；此外检测的SNP可能并非直接影响其标记的基因，仅作为后续研究的标志；基因组SEM等新方法虽可推断因果关系，但需参考连锁不平衡数据，限制了结果在 homogeneous 祖先群体中的应用，而这些群体多为欧洲或东亚队列。

4.2 隔离群体对MetS遗传学的启示

研究人员可利用人群隔离群的基因组特征开展多种研究，主要包括无假设的GWAS与假设驱动的靶向基因分型两类。隔离群体的GWAS依赖原本罕见变异的频率升高而非超大样本量获得统计效力；靶向方法同样受益于罕见等位基因频率升高及基因组与环境混杂因素减少。但此类研究结论需谨慎限定，多用于验证与复现而非新发现。多项研究展示了隔离群体的独特贡献：格陵兰因纽特人的T2D GWAS发现TBC1D4基因内含子11的SNP rs7330796与T2D关联，后续外显子测序鉴定出因果变异为rs61736969（无义多态性，影响骨骼肌葡萄糖代谢相关的TBC1D4长亚型）；同一群体的后续研究在外显子测序数据中鉴定出ADCY3基因的剪接受体位点变异c.2433–1G>A，与T2D及体重指数（Body mass index, BMI）相关，参考数据库中其他ADCY3功能缺失变异也显示类似关联。芬兰群体的多祖先 consortium 队列与芬兰队列荟萃分析及复现研究发现AKT2基因的rs184042322与空腹胰岛素相关，该信号的驱动力在于其在芬兰人中MAF>1%，而非芬兰欧洲人中MAF仅0.02%，其他群体更低，细胞功能研究显示该变异损害磷酸化但不影响整体表达。科斯雷岛的研究验证了混合模型GWAS在隔离群体中校正高度亲缘关系的有效性，识别出多个已知与新型位点中与MetS相关性状的新型SNP关联，并将尿酸水平关联的候选位点范围缩小了四分之三。萨摩亚人群的GWAS定位并实验验证了CREBRF基因的错义因果变异rs373863828，该变异在萨摩亚人中MAF达0.259，其他群体极罕见或未观察到，与高BMI强相关但不影响胰岛素抵抗等其他代谢异常，细胞模型显示其促进脂质与甘油三酯蓄积并降低能量消耗（通过线粒体呼吸、ATP生成及基础糖酵解测量）。诺福克岛健康研究通过两步法全基因组表达数量性状位点（Expression quantitative trait loci, eQTL）扫描，鉴定出NAAA、PAPSS1、NME1、PRDX1及FN3KRP五个此前未报道与CVD相关的基因；后续多表型GWAS方法将慢性肾脏病（CKD）性状按主成分分组，发现KCNIP4基因中的SNP与包含估算肾小球滤过率（eGFR）、血清尿素、脂质及肥胖指标的多个主成分显著相关。希腊克里特岛HELIC MANOLIS队列的外显子-wide关联研究（Exome-wide association study, ExWAS）发现APOC3基因的罕见变异与HDL-C及TG相关，该变异曾被认为仅存在于宾夕法尼亚州阿米什人群中，其在克里特岛人群中的重要性及频率表明隔离群体的发现可转化为广泛适用的知识。南达科他州胡特尔群体的“欧洲罕见变异”GWAS调查了约66万个罕见变异，发现LDLR基因的罕见变异与低密度脂蛋白胆固醇（Low-density lipoprotein cholesterol, LDL-C）的新型关联、GOT2与APOOP5之间的基因间罕见变异与HDL-C的关联，并复现了APOC3变异与HDL-C及TG的关联，但与克里特岛及阿米什群体的突变不同。巴西门诺群体的靶向外显子测序与SNP基因分型研究聚焦糖皮质激素受体基因NR3C1，发现SNP rs10482605及仅在该样本中出现的十SNP单倍型与MetS相关。墨西哥玛雅儿童的靶向基因分型研究发现ABCA1基因的rs9282541与MetS及组分（高血糖、低HDL-C）相关，与2015年玛雅成人研究结果部分复现，后者还发现该位点与T2D、TG相关，同时发现CDKN2A/2B与T2D相关。亚利桑那皮马人群的WGS数据驱动靶向扫描发现ABCC8基因的新错义变异与T2D相关，细胞模型显示其降低K_ATP通道功能，提示高胰岛素血症的病因机制。波兰卡舒比人群的家族性高胆固醇血症研究显示，LDLR基因c.662A>G变异在波美拉尼亚地区的MAF为6.7%，而波兰东南部接近零，体现了隔离群体的等位基因频率特异性。云南哈尼族与彝族人群的AGT基因多态性研究发现，rs5046、rs5049、rs2478544三个变异与哈尼族高血压相关，且影响转录因子结合位点或外显子剪接增强子位点，彝族群体呈现一致效应趋势但未达显著性。其他针对墨西哥、冈比亚、伊朗群体的靶向复现研究验证了ADIPOQ、CDH13、DDAH2基因与血压相关性状的关联，但这些群体更接近开放群体端。

4.3 讨论

上述基因发现研究中，有三个基因在多个隔离群体中被识别或复现了开放群体结果，另有两个候选基因研究在隔离群体间或与其他大型研究结果一致，这五个复现基因均与脂质指标相关，其中ABCA1还与血糖相关。隔离群体基因发现还识别出其他脂质相关基因：科斯雷群体中TG关联的LNC-RHL是11号染色体载脂蛋白基因簇的非编码RNA，调控肝细胞分化；胡特尔群体中HDL关联的rs189679427靠近假基因APOOP5，该位点也是诺福克岛健康研究中与体脂性状相关的显著差异甲基化位置，但物理上更接近参与有氧呼吸与氨基酸代谢并与T2D及肾癌相关的GOT2基因。Lara-Riegos等靶向的HHEX、PPARγ、CDC123、CAMK1D、SLC30A8基因在欧洲与亚洲队列中已证实与T2D相关，但在玛雅群体中未复现与LDL的关联；而此前仅在西班牙裔墨西哥队列中识别的ABCA1与SLC16A11易感基因则在玛雅队列中复现，且与血糖、HDL-C、TG三个MetS组分相关，后续ABCA1与MetS的关联也在玛雅儿童中得到复现，此时英国生物样本库的大样本量也足以检测到其在欧洲人群中的关联（尽管频率较低）。Minster等在萨摩亚研究中发现的CREBRF与BMI的关联现已被确认为泛波利尼西亚的“节俭基因”，影响体型和T2D易感性，已有研究在非波利尼西亚队列中尝试复现。格陵兰因纽特群体中发现的T2D基因TBC1D4、ADCY3及芬兰群体的AKT2均有明确的生物学意义：AKT2与TBC1D4直接相互作用于同一葡萄糖转运通路，ADCY3是质膜相关信号转导蛋白，参与胰高血糖素信号、嗅觉及其他神经元通路，与van Walree等及Park等提出的MetS与大脑关联的结论一致。诺福克岛识别的多个体脂与CKD基因也与神经或精神疾病相关：体脂相关的NAAA参与认知功能与帕金森病，体脂相关的NME1与CKD相关的KCNIP4均与阿尔茨海默病相关。巴西门诺群体靶向NR3C1研究MetS的动机之一是下丘脑-垂体-肾上腺轴介导的精神健康与代谢紊乱的关联，这与意大利家族研究中靶向NR3C1探索T2D与抑郁关联的动机一致。

5 结论

上述研究涉及的多个系统凸显了代谢综合征的复杂性与异质性。MetS遗传基础研究在GWAS领域已取得显著进展，包括样本量扩大、基因组覆盖密度提升及分析方法的 sophistication 与效力增强。然而随着更多人进入发达国家暴露于新型健康风险，且对MetS、其组分及相关疾病（如CKM综合征）的理解不断演进，必须确保研究发现在不同基因组背景下的有效性。研究人员应利用遗传独特群体的特征拓展并细化知识体系，保障基因组医学收益的公平分配。尽管大型生物样本库队列仍是MetS遗传研究的基石，但人群隔离群所提供的独特见解同样值得重视与深入挖掘。