《遺傳流行病學原理》線上試閱

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誌謝

莊明哲

梁賡義 xvii

遺傳流行病學是一段驚奇之旅

孟德爾「重現江湖」

12

遺傳定律:分離定律

目 次 圖表目次 xi 推薦序一
xv 推薦序二
自序
xx
xxiv 第 1 章 遺傳流行病學的發展歷史 ........................ 1 一、起源:名稱的誕生 2 二、遺傳標誌的可得性 5 三、遺傳流行病學的研究類型 6 第 2 章 孟德爾遺傳及其擴充 .............................. 11 第一節
12 一、壹位牧師、兩顆豌豆
二、第
12 三、第二遺傳定律:獨立組合定律 15 四、對於孟德爾遺傳研究的質疑 17 第二節 孟德爾遺傳的延伸 22 一、顯性關係的變異 23 二、多效性對偶基因 24 三、多重對偶基因 25 四、對偶基因的不相容性 26 五、多重基因 28 結語 29

人口群中的基因頻率與基因型頻率 32

32

34

基因頻率的估算及其變異數 39

39 二、EM 演算法 41 三、基因頻率的變異數 43

影響哈溫平衡的因素 45

46

47 結語

費雪模型

iv 遺傳流行病學原理 第 3 章 哈定 溫伯格平衡 .................................. 31 第一節
、哈溫平衡
二、哈溫平衡的簡單應用
三、如何檢驗哈溫平衡 35 第二節
一、伯恩斯坦法
第三節
、適應性
二、近親繁殖
49 第 4 章 基因隨機漂流 .......................................... 51 第一節 有限人口群中的基因頻率 52 、基因的漂流、固著與流失 52 二、萊特
63 三、利用擴散模式逼近 65 第二節 帶有分群之人口群的基因漂流 69 一、次人口群中的基因漂流 69 二、親屬通婚係數與次人口群中的基因漂流 70 第三節 有效人口群大小 74 一、真實人口群與有效人口群大小 74 二、每代人口群大小不等時之有效人口群大小 75

目 次 三、性別人數不等時的有效人口群大小 76 四、性聯遺傳基因的有效人口群大小 77 五、母系遺傳與父系遺傳基因的有效人口群大小 78

第四節 歸宗法 79

84

第一節 連鎖不平衡的定義 88 一、平衡的概念 88 二、連鎖不平衡係數 D 92 三、相對連鎖不平衡係數 D' 95 四、關聯係數 r 2 99

第二節 單套體頻率的估算 100 一、EM 演算法 100 二、單套體頻率估計的實例 104

第三節 連鎖不平衡係數的擴充與應用 105 一、對偶基因數不只兩個時的 D 105 二、更多基因座時的 D 106 三、人口群混合(population admixture)與 D 107

第一節 遺傳機率的計算

一、貝氏定理 112 二、以列表方式計算事後機率 113

v
結語
第 5 章 連鎖不平衡 .............................................. 87
第 6 章 遺傳機率與血緣係數 ............................ 111
112

不同遺傳模式之遺傳風險的估算 116

116

122

126

親屬間的血緣係數 130

130

132

7 章 遺傳連鎖與遺傳地圖

遺傳連鎖的發現 136

136

137

遺傳地圖 139

143

144

定位函數 146

139

146

147

150

重組的分布 152

152

153

135

vi 遺傳流行病學原理 第二節
一、體染色體顯性遺傳
二、體染色體隱性遺傳
三、性聯遺傳
第三節
、親屬係數
二、親屬通婚係數
結語 133 第
............................
第一節
、偏離獨立組合的雜交實驗
二、遺傳連鎖
第二節
一、重組型分率與遺傳距離
二、互換受干擾
三、遺傳距離單位
第三節
一、完全干擾:摩根定位函數
二、完全無干擾:霍爾丹定位函數
三、邊際干擾:柯尚比定位函數
第四節
一、極短距離與基因轉換
二、重組機率的區域性變異
結語 154

第 8 章 量性遺傳

第一節 量性遺傳現象 158

第二節 型值與效應 162 、基因型值 162 二、線性與非線性遺傳效應 163

157

第三節 外表型值的成分及其變異數 168 一、型值之成分 168 二、變異數 169 三、量性基因模型的變異數 171 四、親屬間的共變數 171 第四節 類別性狀中的線性與非線性遺傳效應 172 結語 173

第 9 章 再現危險比與家族研究

第一節 家族研究與家族聚集性 178

178

179

179

再現風險 182

180

再現風險比 185

185

187

189

190

177

vii目 次
................................................
........................
一、病例對照/親屬選樣
二、家屬評估法與家屬病史法
三、家族聚集性
四、家族研究的應用
第二節
第三節
、單基因模型
二、雙基因模型
三、多基因模型
四、應用

191

202

201

201

205

211

雙胞胎研究的應用 212

212

204

viii 遺傳流行病學原理 第四節 基因型相對風險比
結語 195 第 10 章 雙胞胎研究與分離分析 ........................ 199 第一節 雙胞胎研究的基本原理
、雙胞胎的生物學與流行病學特徵
二、雙胞胎合子型的判定
三、雙胞胎研究的數量遺傳理論
四、結構方程式模型建構
五、迴歸式分析
第二節
、性狀遺傳率的估計
二、複雜性狀的致病因剖析 214 第三節 分離分析 220 結語 223 第 11 章 遺傳連鎖分析 ........................................ 233 第一節 兩點連鎖分析 234 一、LOD 分數的定義 234 二、LOD 分數的顯著閥值 237 三、家族之概率的寫法 239 四、異質性 LOD 分數 244 第二節 多點連鎖分析 245 第三節 無母數連鎖分析 247

247

248

251 第四節 數量性狀基因座的連鎖分析 252 第五節 全基因體掃描 254 結語 255

12 章 遺傳變異與基因表現量的檢測 與應用

遺傳變異的種類及其鑑定 263

264

265

266 第二節 基因表現量的測量 270 、聚合酶鏈反應產物的偵測 271 二、相對表現量(relative gene expression) 274 三、同步定量 PCR 的應用 282 第三節 次世代定序法 287 一、桑格定序法 288 二、次世代定序法的原理 288 三、次世代定序法的應用 290 結語 296

第 13 章 關聯分析

261

309 第一節 單套型相對風險分析 310

ix目 次 一、手足配對的同源全等分析
二、手足配對的型態全等
三、親屬配對或罹病家族成員分析
....................................................
第一節
一、限制性片段長度多型性
二、重複序列的變異
三、單核苷酸多型性標誌
................................................

第二節 傳遞/不平衡檢定 313

第三節 家族關聯檢定 314

第四節 全基因體關聯研究 317 、全基因體關聯研究的興起 318 二、全基因體關聯研究步驟 319 三、全基因體關聯研究之後 330 結語 332

第 14 章 遺傳流行病學的新發展 ........................ 343

第一節 多基因風險分數 344 、多基因風險分數的估算 345 二、多基因風險分數的應用與發展 347

第二節 孟德爾隨機分派 349

第三節 基因與環境的交互作用 352 一、基因 環境交互作用之分析方法 353 二、基因 環境交互作用的其他進展 360

第四節 藥物基因體學 363 第五節 基因表現與基因調控 366

366

367

368 四、加權基因共表現網絡分析 371

索引 389

x 遺傳流行病學原理
一、基因型與外表型的對應
二、路徑分析
三、受基因調控之表現量的預測
結語 372

本 書 的 內 容, 主 要 是 根 據 我 在 臺 大 公 衛 學 院 開 授 的 門 選 修 課, 課名就叫「遺傳流行病學原理」。1993 年我剛回國任教時,除了必修課, 公 衛 所 希 望 針 對 重 要 但 尚 未 有 人 開 授 的 領 域 新 開 選 修 課, 提 供 學 生 更 廣的學習。於是我自告奮勇開出這門課,想不到一教已經超過 25 年。 當時遺傳流行病學仍是一門相對年輕的領域,不要說教科書,連課 程 都 很 少。 我 自 己 於 1986 年 到 哈 佛 公 共 衛 生 學 院 進 修 時, 碰 上 連 鎖 分 析 在 尋 找 人 類 疾 病 基 因 標 誌 上 的 成 功 應 用, 心 裡 也 想 應 用 這 種 方 法 來 研 究 思 覺 失 調 症。 但 是 當 真 正 想 投 入 時, 發 現 相 關 的 知 識 背 景 是 散 布 在 不 同 的 課。 例 如, 我 開 始 先 在 莊 明 哲 教 授 所 開 的 精 神 流 行 病 學 的 課 中, 學 習 到 家 族 研 究、 雙 胞 胎 研 究 如 何 被 應 用 在 思 覺 失 調 症 的 病 因 探 討 上。 但 是 對 於 DNA 標 誌 與 連 鎖 分 析 的 相 關 知 識, 則 是 在 莊 教 授 的 引薦下,於 1988 年暑假到醫學院 Dr Xandra O Breakefield 的神經遺傳

自 序 遺傳流行病學是一段驚奇之旅 起心動念
學 實 驗 室 去 實 習, 學 習 DNA 萃 取、 南 方 墨 點 法(Southern blot)、 限 制性片段長度多型性(restriction fragment length polymorphism, RFLP) 等。 接 著 實 驗 室 同 仁 推 薦 我 去 MIT 修 David Botstein 與 Gerald Fink 合 授 的 遺 傳 學, 聽 到 Botstein 生 動 地 解 說 如 何 以 RFLP 建 構 遺 傳 圖 譜 來 進 行 全 基 因 體 的 連 鎖 掃 描。 有 了 這 些 基 礎,1989 年 暑 假 才 能 參 加 Cold Spring Harbor 由 Eric Lander 與 David Page 兩人帶領的基因定位工作坊。 1990 年 則 是 到 Colorado Boulder 參 加 由 Dr. David Fulker 主 辦 的 Twin Methodology Workshop, 學 習 如 何 利 用 Structural Equation Modeling 進 行雙胞胎分析。

名。 可 能 也 是 這 個 原 因, 雖 然 教 了 很 多 年, 教 材 逐年完備,但就是一直沒有動手寫成一本書。 我 自 己 完 整 寫 成 本 書 的 經 驗, 要 等 到 2007 年 暑 假。 從 那 時 起, 我 開 始 把 科 學 論 文 寫 作 的 些 要 領, 用 給 研 究 室 學 生 的 書 信 模 式 寫 出 來, 約 每 個 月 一 封。 累 積 一 年 後, 終 於 能 夠 集 結 了 十 二 封 信, 在 2009 年 1 月 出 版 了《 寫 給 初 學 者 的 信: 科 學 論 文 寫 作 入 門 》。 這 本 小 書 的 出版,重新燃起我把「遺傳流行病學原理」教材寫成書的動力。

著手行動

受到出版第一本書的經驗所鼓舞,我馬上從

年秋天的新學期,

頭 的 投 影 片, 按 主 題 逐

xxi自 序 因 此, 當 我 在 準 備「 遺 傳 流 行 病 學 原 理 」 的 主 題 與 教 材 時, 心 裡 其 實 是 想 藉 此 把 這 些 到 處 學 來 的 片 斷 概 念 與 知 識, 利 用 上 課 的 方 式 好 好整理一番,說予別人聽,這往往是很有效的學習方式。很幸運的是, 回 國 後 除 了 獲 得 國 家 衛 生 研 究 院 贊 助 有 關 思 覺 失 調 症 的 家 族 研 究 之 多 年 期 計 畫, 也 獲 得 國 科 會 贊 助 青 少 年 雙 胞 胎 的 研 究。 於 是 我 同 時 可 以 教學 研究相長。 當 時 在 臺 大 上 課 有 個 特 點, 就 是 投 影 片 上 寫 的 都 是 英 文, 解 說 時 則 是 中 英 夾 雜。 對 我 這 種 剛 從 國 外 回 來, 電 腦 中 文 輸 入 極 不 熟 悉 的 新 老 師, 短 期 可 減 輕 教 材 準 備 上 的 難 度。 但 是 長 久 下 來, 這 些 名 詞 就 一 直 沒 有 明 確 的 中 文 譯
2009
開 始 把 我 在「 遺 傳 流 行 病 學 原 理 」 課 程 裡
步 用 中 文 寫 成 文 章。 一 個 學 期 下 來, 寫 了 快 5 章。 但 是 學 術 專 書 的 撰 寫, 難 度 顯 然 高 很 多, 特 別 是 在 內 容 深 度 與 題 材 廣 度 的 安 排 上, 相 當 不 容 易。2011 年 起, 又 因 接 任 公 共 衛 生 學 院 院 長 職 務, 能 專 注 於 寫 書 的 時 間 更 少 了。 結 果 要 等 到 2017 年 卸 任 後, 才 又 重 新 提 筆, 把 未 完 成 的 部 分( 往 往 也 是 最 不 容 易 寫 的 部 分 ) 補 齊 後, 總 算 在 2019 年 得 以 有 初 稿 讓臺大出版中心送給匿名的同儕審查。 審查意見回來後,則是另一番考驗。審查者很快看出不同章節間,

遺傳流行病學原理 風 格 的 差 異 與 譯 名 的 不 一 致。 有 些 章 節 則 是 順 序 須 要 調 整。 此 外, 有 些 章 節 過 於 冗 長, 或 有 重 要 概 念 則 付 之 闕 如。 只 是 章 節 旦 異 動, 須 要 搭 配 調 整 的 幅 度 更 大, 所 花 時 間 也 更 長。 再 一 項 難 題, 則 是 原 文 中 引 用 期 刊 論 文 的 圖 表, 有 無 需 要 取 得 期 刊 的 授 權。 最 終, 為 了 避 免 版 權疑義,除了發表於 Open Access 的論文圖形,書中其餘的圖都只好重 新畫。

全書架構

由於我自己的學習經驗,本書各章節主題的安排以及內容的取捨, 主 要 是 用 種 比 較 廣 的 回 顧 方 式, 讓 未 具 遺 傳 學 或 流 行 病 學 相 關 基 礎 的 人 也 能 從 中 獲 益。 當 然 我 個 人 的 功 力 是 否 足 以 達 成 這 個 目 的, 就 只 能讓讀者來評斷。

本 書 基 本 上 可 看 成 由 兩 大 部 分 組 成:( 一 ) 遺 傳 流 行 病 學 的 核 心 概 念,包含第 1 章到第 8 章;與 ( 二 ) 遺傳流行病學的研究類型及分析方法, 包含第 9 章到第 14 章。

在 核 心 概 念 方 面, 第 1 章 先 從 遺 傳 流 行 病 學 的 發 展 歷 史 談 起, 讓 人 瞭 解 這 個 領 域 與 其 他 領 域, 例 如: 流 行 病 學、 人 口 群 遺 傳 學、 醫 學 遺 傳 學 的 相 互 關 係。 接 著 是 介 紹 各 種 常 用 之 遺 傳 流 行 病 學 概 念 的 來 龍

爾 遺 傳 及 其 擴 充, 第 3 章 是 哈 定 溫 伯 格 平 衡,

xxii
去 脈。 其 中, 第 2
是 孟 德
第 4 章 是 基 因 隨 機 漂 流, 第 5 章 是 連 鎖 不 平 衡, 第 6 章 是 遺 傳 機率與血緣係數。接著第 7 章則引進比較複雜的遺傳連鎖與遺傳地圖, 第 8 章則介紹量性遺傳的概念與符號。 在 研 究 類 型 部 分, 第 9 章 從 基 本 的 再 現 危 險 比 與 家 族 研 究 談 起, 第 10 章 介 紹 雙 胞 胎 研 究 與 分 離 分 析, 第 11 章 介 紹 遺 傳 連 鎖 分 析, 第 12 章 則 花 了 些 篇 幅 說 明 遺 傳 變 異 與 基 因 表 現 量 的 檢 測 與 應 用, 算 是 全 書 中 用 到 分 子 遺 傳 技 術 名 詞 較 多 的 章。 第 13 章 則 談 到 目 前 最 常 見 的 關 聯 分 析, 尤 其 是 全 基 因 體 關 聯 分 析 的 進 行 步 驟。 到 了 最 後 的 第 14

過 這 個 名 詞 若 用 到 動 植 物 的 遺 傳 學 研 究, 又 不 好 直 稱其為「有效人口群」,只好保留原來的「族群」譯名。 從 很 多 層 面 來 看, 本 書 也 算 是 自 己 對 無 意 中 踏 上 遺 傳 流 行 病 學 研 究 的 這 趟 驚 奇 之 旅, 留 下 見 證 的 筆 記, 也 希 望 對 想 要 入 門 的 人, 可 以 加快他們的速度。 歡迎上車!

xxiii自 序 章, 則 是 簡 短 介 紹 新 興 的 一 些 領 域, 包 含 多 基 因 風 險 分 數、 孟 德 爾 隨 機 分 派、 基 因 與 環 境 的 交 互 作 用、 藥 物 基 因 體 學, 及 基 因 表 現 與 基 因 調控等議題。 本 書 中 每 有 專 有 名 詞 出 現 時, 我 都 盡 可 能 用 括 號 附 上 原 始 的 英 文 名 詞。 由 於 部 分 英 文 名 詞 並 未 有 致 的 中 文 翻 譯, 我 大 都 參 考 國 家 教 育 研 究 院 的 譯 法, 只 是 有 些 仍 無 共 識。 愈 是 常 用 的 名 詞, 翻 譯 上 愈 是 困 難。 像 是 population genetics 或 effective population size 等 名 詞 中 的 “population”, 早 期 很 多 書 都 譯 成「 族 群 」, 但 是
在 則 譯 成 較 為 中
的「 人 口 群 」。 不
陳為堅 國家衛生研究院神經及精神醫學研究中心特聘研究員/主任 國立臺灣大學公共衛生系暨流行病學與預防醫學所特聘教授

多 有 用 的 協 助, 包 括 胡 海 國 教 授、 鄭 泰 安 教 授、 宋 維 村 教 授、 李 明 濱 教 授 和 陳 建 仁 教 授 等。 在 我 的 研 究 路 途 上, 有 許 多 同 伴 的 加 入, 包 括 研 究 合 作 者 與 研 究 生、 研 究 助 理, 諒 我 在 此 無 法 列 名 誌 謝。 我 要 特 別 感 謝 梁 賡 義 院 長 在 百 忙 之 中, 為 本 書 寫 推 薦 序。還有,本書的部分圖片是由蕭伯璋(圖 4 5、4 6、4 7、4 8、圖 5 1、 5 2、圖 6 1、6 2、6 3、6 4、6 5、6 6、6 7、6 8; 圖 7 1、7 2、7 3、7 5; 圖 8 2,以及圖 11 1、11 2)與任雅文(圖 4 1、圖 4 2、圖 4 3、圖 4 4, 以 及 補 充 4 1、 補 充 4 2、 補 充 4 3 和 補 充 4 4) 二 位 幫 忙 完 成, 在 此 要 特 別 感 謝 他 們。 此 外, 臺 大 出 版 中 心 的 嚴 嘉 雲 編 輯 多 年 來 不 厭 其 煩 的 叮 嚀 與 編 輯 協 助, 讓 本 書 最 後 得 以 問 世, 功 不 可 沒。 最 後, 還 要 感 謝 妻子素芳與兒子相文,在漫長寫作過程中,一直給我的大力支持。

誌 謝 本 書 得 以 完 成, 要 感 謝 的 人 實 在 很 多。 首 先, 當 然 是 我 的 學 術 啟 蒙 導 師 莊 明 哲 教 授 及 其 團 隊。 其 次, 在 我 考 上 教 育 部 公 費 留 學 後, 在 未 來 進 修 領 域 與 指 導 教 授 選 擇 上 給 予 及 時 協 助, 並 將 我 引 介 給 莊 明 哲 教授的林信男教授,以及爽快擔任我出國期間之保證人的徐澄清教授, 才 能 促 成 這 趟 學 術 旅 程。 再 來, 當 我 回 國 後, 不 管 是 教 學 或 研 究, 許 多 資 深 教 授 提 供 我 很
第 1 章 遺傳流行病學的發展歷史

倡 遺 傳 流 行 病 學 研 究 的 學 者 們 [4]

大 概

傳 流 行 病 學 的 興 起, 主 要 是 因 應 遺 傳 學 與 流 行 病學這兩門學問在發展過程中顯現的不足。早期的遺 傳 學 研 究, 偏 重 在 個 體 的 差 異, 而 忽 略 外 在 環 境 的 影 響。 而 流 行 病 學 則 是 相 反, 偏 重 外 在 環 境 因 子 而 忽 略 個 體 的 遺 傳 特 性。 因 此, 遺 傳 流 行 病 學 的 發 展 歷 史, 比 起 遺 傳 學 或 流 行 病 學, 自 然 相 對 年 輕 許 多。 以 遺 傳 學來說,不管是從孟德爾(Gregor Johann Mendel)發 表 經 典 豌 豆 實 驗 結 果 的 年 代(1866), 或 是 從 它 到 廿 世 紀 初 才 被 重 發 現 的 年 代(1900)[5] 算 起, 迄 今 已 超 過 100 年。 而 流 行 病 學 的 發 展, 般 公 認 是 從 約 翰. 史 諾(John Snow) 關 於 倫 敦 霍 亂 疫 病 的 研 究 而 奠 定 流 行 病

2 遺傳流行病學原理 、起源:名稱的誕生 遺 傳 流 行 病 學(genetic epidemiology) 的 研 究, 在全基因體基因變異(genome wide genetic variants) 的 定 型 變 得 簡 單、 可 靠、 又 低 價 後, 以 全 基 因 體 關 聯 研 究(genome wide association studies, GWAS) 進 行 的研究,如雨後春筍般大量冒出,令人目不暇給 [1, 2]。 一 些 傳 統 上 被 歸 為 社 會 人 口 學 的 特 性, 例 如 教 育 程 度, 現 在 也 有 研 究 將 其 視 為 性 狀(trait), 並 組 成 國 際研究聯盟藉由全基因體關聯分析來尋找它的遺傳因 子 [3]。 早 期 提
也沒料想到會有這麼篷勃的發展。 遺
學 研 究 策 略 的 原 型 的 年 代(1855)[6, 7] 算 起, 其後陸續結合生物統計方法的開發,發展歷史也已超 過 100 年。 由 於 傳 統 流 行 病 學 的 研 究, 主 要 是 探 討 外 在 環 境 因子對疾病發生的影響,於是從暴露到疾病產生的過

3第 1 章 遺傳流行病學的發展歷史 程, 真 正 是 經 由 何 種 機 制, 一 開 始 並 不 需 要 予 以 具 體 描 繪。 像 約 翰. 史 諾 雖 然 推 論 出 倫 敦 霍 亂 的 元 兇 是 經 由 飲 用 水 污 染, 而 非 當 時 主 流 學 界 所 主 張 的 瘴 氣 (miasma),但他直到過世時仍不知道有霍亂弧菌的 存 在。 這 原 本 被 視 為 是 流 行 病 學 研 究 的 項 優 勢。 但 是 到 了 二 次 大 戰 後, 美、 英 學 者 研 究 原 爆 受 害 者 的 健 康 效 應 時, 開 始 注 意 到 這 種「 黑 箱 」 策 略 的 限 制 [4]。 當時負責該項研究計畫的研究人員便指出,流行病學 研究對罕見基因的不感興趣,其實是一種缺失。 另 方 面, 遺 傳 學 在 廿 世 紀 前 半 葉 有 了 極 為 快 速 的 發 展, 像 詹 姆 斯. 華 生(James Watson) 與 弗 朗 西 斯.克里克(Francis Crick)的 DNA 雙螺旋結構,是 在 1953 年 提 出 [8]。 但 是 遺 傳 學 的 研 究, 向 偏 重 在 探討控制性狀或引發疾病的遺傳因素的機制,甚少把 環境因素真正納入其所建構的模型當中。

「 遺 傳 流 行 病 學 」(Genetic Epidemiology) 這 個 名 詞 的 第 一 次 出 現, 應 是 在 Newton E. Morton 和 C S Chung 在 1978 年 合 寫 的 本 同 名 的 書 [9]。 而 以 “Genetic Epidemiology” 為 名 的 學 術 期 刊, 要 到 1984 年才正式發行。在發刊當期的社論短評中,主編 D.C.

學 研

Rao[10] 特別強調: 遺傳流行病學異於流行病學之處,在於其具體明 確地考量遺傳因素與家族相似性;異於人口群遺 傳學之處,在於強調疾病;而異於醫學遺傳學之 處,則在於強調人口群的特色。 Morton
一 篇 回 顧 [4] 中 說,「 在 Genetic Epidemiology 雜 誌 發 行 時, 從 事 遺 傳
行 病

的 人 可 說 少 於 演 化 遺 傳 學 的 人, 而 且 相 關 的 研 究 學 會〔 註: 指 國 際 遺 傳 流 行 病 學 學 會(International Genetic Epidemiology Society)〕 要 到 1992 年 才 成 立。」 從 這 本 期 刊 的 內 容, 也 可 看 出 端 倪: 開 始 B5 的 尺 寸, 期 只 登 七 至 八 篇 論 文, 不 到 100 頁。 前 二 年, 一 年 只 有 四 期。 第 三 年(1986) 起, 才 增 至 年六期。1999 年才又略增為 年八期。 遺 傳 流 行 病 學 與 其 他 眾 多 的 遺 傳 或 流 行 病 學 相 關 之學科領域不同的特色,可歸納出三點 [11]。第一,遺 傳 流 行 病 學 強 調 以 人 口 群 為 基 礎 的 研 究(population based research)。 也 就 是 說 研 究 設 計 要 能 估 計 到 可 外 推至整個人口的參數,而非僅專注於某些人口次團體 ( 如 孤 立 人 口 群 或 高 度 遺 傳 負 荷 家 族 )。 第 二, 遺 傳 流行病學專注在研究基因與環境的聯合效應。為了要 探 討 這 種 聯 合 效 應, 需 要 仔 細 評 估 各 種 環 境 因 素, 而 非 簡 化 地 以 二 分 法 記 為 有 暴 露 與 否。 就 外 在 環 境 而 言, 可 能 需 要 考 慮 多 變 量(multivariate) 或 隨 時 間 變 化(time dependent)變項;而對於內在環境,則須瞭 解 可 能 的 代 謝 途 徑(metabolic pathway) 以 及 調 控 這 些 路 徑 的 基 因。 而 這 種 聯 合 效 應 也 意 味 研 究

4 遺傳流行病學原理
設 計 上, 要考量主效應、基因 環境交互作用(interaction), 以 及 基 因 環 境 相 關(correlation) 等。 第 三, 遺 傳 流行病學強調將構成疾病的生物學基礎,納入其概念 模 型 中。 換 句 話 說, 要 把 基 因 與 環 境 如 何 引 發 疾 病 的 因果路徑包含在外顯率(penetrance)的數學模型中。 這些看法,可說具體而深刻地勾繪出當今遺傳流行病 學的可能發展。

探 討 疾 病 風 險 與 這 些 少 數標誌的關聯性研究也逐漸普及。

異 構 成 的 標 誌 數 目 急 遽 增 加, 甚至對整個基因體予以定序的主張被提出後,帶動了 原 本 多 少 尚 停 留 在 概 念 層 次 的 遺 傳 連 鎖 分 析(genetic linkage analysis) 的 快 速 發 展 [4]。 特 別 是 在 80 年 代 末,幾種孟德爾式遺傳疾病的基因連鎖標誌相繼被發 現, 如 杭 丁 頓 症(Huntington disease)[12] 與 囊 狀 纖 維 化(cystic fibrosis)[13], 並 進 而 導 引 至 杭 丁 頓 症 致 病 基 因 [14] 與 囊 狀 纖 維 化 致 病 基 因 [15 17] 的 發 現。 這 些 進 展顯示,連鎖分析用在孟德爾式遺傳疾病的基因定位 上, 具 有 很 好 的 能 力。 但 是 同 樣 的 策 略 應 用 在 複 雜 性 疾病時,卻面臨許多困難。 為 了 克 服 複 雜 性 疾 病 基 因 定 位 上 的 難 題, 新 的 主 張 是 改 用 高 密 度 標 誌 來 進 行 關 聯

是 隨 著

5第 1 章 遺傳流行病學的發展歷史 二、遺傳標誌的可得性 早 期 遺 傳 流 行 病 學 的 研 究, 集 中 在 多 因 素 遺 傳 (multifactorial inheritance)的探討,強調透過家族研 究與雙胞胎分析來估計遺傳率(heritability)[4]。分離 分析(segregation analysis)則用來辨識有無主要基因 之 效 應 的 存 在。 另 外, 利 用 當 時 僅 有 的 少 數 具 多 型 性 的 遺 傳 標 誌, 如 HLA 系 統,
DNA 變
定 位(association mapping)[18], 而 這 個 主 張 也 預 告 了 新 一 代 基 因 定 位 的 面 貌。 隨 著 單 核 苷 酸 多 型 性(single nucleotide polymorphisms)標誌的快速增加,晶片技術的進步, 以及各種疾病聯盟的成立,全基因體關聯研究被廣泛 應用於各種複雜疾病或性狀 [19]。這些發展也連帶衝擊 公共衛生的研究與實務 [20]。
6 遺傳流行病學原理 三、遺傳流行病學的研究類型 整 體 而 言, 遺 傳 流 行 病 學 是 嘗 試 將 個 體 之 外 表 型 (phenotype) 特 徵 與 某 些 遺 傳 變 異 之 間 的 關 係, 加 以 推 論 的 一 門 學 問。 從 外 表 型 的 界 定 為 起 點, 透 過 一 系 列 的 評 估, 逐 步 釐 清 被 界 定 的 外 表 型, 是 否 具 有 客 觀 之 遺 傳 致 病 因, 以 及 這 些 基 因 對 人 口 群 的 效 應。 因 此, 遺 傳 流 行 病 學 的 研 究 策 略, 大 概 可 分 成 幾 個 循 序 漸進的步驟(表 1 1)。 首 先, 是 利 用 家 族 研 究 來 評 估 該 疾 病 是 否 有 家 族 聚集性(familial aggregation)的情形。家族研究是 種病例對照/親屬選樣的設計,可用來估計親屬間相 表 1 1 遺傳流行病學研究的中心議題與相關設計 議 題 研 究 設 計 關 鍵 概 念 1. 是否具有家族聚 集性? 家族研究 (病例對照/親屬選樣) 親 屬 間 相 關(familial correlation)、 再 現 風險比(recurrence risk ratio) 2 來自遺傳因素的 貢獻大小? 雙胞胎研究 遺傳率(heritability)、結構方程式模型建 構(structural equation modeling) 3. 遺傳模式為何? 家族研究 複 雜 式 分 離 分 析(complex segregation analysis) 4 致病基因何在? 家族研究 連 鎖 分 析, 有 母 數 或 無 母 數(linkage analysis, parametric or nonparametric) 家 族 關 聯 檢 定(family based association tests) 手足配對 無 母 數 連 鎖 分 析(nonparametric linkage analysis) 病例對照 關聯分析(association analysis) 5 致病基因在人口 群中的作用? 抽樣調查 基因檢測、基因篩檢 世代研究 基 因 型 罹 病 風 險、 基 因 基 因 交 互 作 用、 基因 環境交互作用 病例對照 多 基 因 風 險 分 數、 基 因 基 因 交 互 作 用、 基因 環境交互作用

第 1 章 遺傳流行病學的發展歷史

關(familial correlation),或是再現風險比(recurrence risk ratio)。 但 即 使 疾 病 有 家 族 聚 集 性 的 現 象, 也 可 能是共同環境因子的暴露所造成,而非必然是由於遺 傳因素。

因 此, 第 二 個 步 驟 是 透 過 雙 胞 胎 或 領 養 研 究, 來 釐 清 外 在 環 境 因 子 與 遺 傳 因 素 對 疾 病 發 生 的 影 響, 常 以 結 構 方 程 式 模 型 建 構(structural equation modeling)來估計某一性狀的遺傳率。

第 三 個 步 驟 是 透 過 分 離 分 析, 來 調 整 外 在 環 境 因 子 的 暴 露, 估 計 出 可 能 導 致 疾 病 發 生 的 遺 傳 模 式, 例 如: 該 疾 病 是 否 為 單 基 因 遺 傳 或 多 基 因 遺 傳、 顯 性 遺 傳抑或是隱性遺傳、導致此疾病的基因在人口群中的 頻 率 等。 這 種 模 式 被 稱 為 複 雜 式 分 離 分 析(complex segregation analysis)。由於參數很多,也使得複雜式 分離分析得到的模式,常非唯 或最佳。 在 辨 認 出 該 性 狀 可 能 的 遺 傳 模 式 後, 第 四 個 步 驟 是透過連鎖分析與關聯分析來進一步找出致病基因的 所 在 位 置。 若 是 蒐 集 的 資 料 是 家 族 研 究, 可 以 進 行 連 鎖 分 析( 不 管

7
是 有 母 數 或 無 母 數 ), 也 可 以 進 行 家 族 關 聯 檢 定(family based association tests)。 若 是 手 足 配 對, 則 只 能 進 行 無 母 數 連 鎖 分 析(nonparametric linkage analysis)。 若 是 病 例 對 照 的 資 料, 一 般 只 能 用來進行關聯分析。 一 旦 與 疾 病 發 生 有 關 的 基 因 被 確 認 了, 接 下 來 的 第五個步驟則可以利用人口群抽樣,探討這些基因變 異 在 人 口 群 中 的 分 布, 以 及 大 量 篩 檢 之 可 行 性 等。 若 有 世 代 研 究 的 資 料, 可 以 估 計 基 因 型 罹 病 風 險。 若 是 有 病 例 對 照 的 資 料, 則 可 以 估 計 多 基 因 風 險 分 數

polygenic risk score)。世代研究或病例對照的資料,

常 用 來 探 討 基 因 基 因 交 互 作 用, 或 基 因 環 境 交 互作用。

於 個 別 疾 病 的 遺 傳 流 行 病 學 研 究, 這 些 步 驟 並

定 是

論(

序, 有 時 是 並 行, 有 些 步 驟 的 必 要 性 也 有

分 離 分 析 )。 但 是, 這 個 概 念, 不 失

一介紹這些步驟及其背後的原理與思考。

1. Visscher PM, Wray NR, Zhang Q, Sklar P, McCarthy MI, Brown MA et al. “10 years of GWAS discovery: B i o l o g y, f u n c t i o n , a n d t r a n s l a t i o n . ” A m J H u m Genet 2017; 101(1): 5 22.

2 M i l l s M C , R a h a l C A s c i e n t o m e t r i c r e v i e w o f g e n o m e - w i d e a s s o c i a t i o n s t u d i e s . C o m m u n B i o l 2019; 2(1): 9.

3 L e e J J , We d o w R , O k b a y A , K o n g E , M a g h z i a n O, Zacher M et al. Gene discovery and polygenic prediction from a genome wide association study of educational attainment in 1.1 million individuals. Nat Genet 2018; 50(8): 1112 1121.

4 M o r t o n N E F i f t y y e a r s o f g e n e t i c e p i d e m i o l o g y, with special reference to Japan. J Hum Genet 2006; 51(4): 269 277.

5 Henig RM The Monk in the Garden: The Lost and F o u n d G e n i u s o f G r e g o r M e n d e l , t h e F a t h e r o f

8 遺傳流行病學原理 (
例 如:
為 個有助於膫解遺傳流行病學的有用架構。本書將逐
徵引文獻
第 2 章 孟德爾遺傳及其擴充

連 整

提 出 的 議 題,

些實驗模式與名詞,迄今在遺傳的研究

廣 泛 使 用。 因 此, 這 一 章 就 從 他 的 研 究 談 起。

孟德爾「重現江湖」 一、壹位牧師、兩顆豌豆 在充滿象徵意義的 1900 年,三位來自不同國家、 不 同 年 齡 與 探 討 不 同 問 題 的 人, 卻 在 這 年 有 了 個 共 同 的 連 結。 第 一 位 是 52 歲 的 Hugo De Vries, 早 已 是 荷 蘭 的 阿 姆 斯 特 丹 大 學 教 授。 第 二 位 是 36 歲 的 Carl Correns,他是德國杜賓根大學的講師。第三位則 是 29 歲的 Erich von Tschermak,他是奧地利維也納大 學 的 研 究 生。 他 們 不 約 而 同 地 發 現, 自 己 原 本 以 為 是 獨 家 的 發 現, 卻 早 在 35 年 前 就 已 被 位 默 默

12 遺傳流行病學原理 在 二 十 一 世 紀 的 後 基 因 體 時 代,
個 基 因 體 的 DNA 都 定 序 了, 有 關 孟 德 爾 的 那 些「 數 豌 豆 」 的 實 驗, 除 了 科 學 史 的 興 趣 與 重 要
外, 真 的 還 有 值 得 學 習 的 價 值 嗎? 出 乎 很 多 人 意 料 的, 答 案 是 不 折 不 扣 的「 是 」, 因 為 孟 德 爾 的 遺 傳 研 究 與
正好具體而微地預告了今日遺傳學的架構與難題。他 當時所創的
與 文 獻 中 仍
第一節
無 聞 的 牧師孟德爾(1822 1884)寫成論文發表!史上稱此為 Mendel Redux。 用 中 文 的 俗 話 來 說, 就 是「 孟 德 爾 重 現 江 湖 」。 有 一 位 研 究 科 學 史 的 作 家 還 把 這 個 故 事 寫 成一本書,書名就稱為《壹位牧師、兩顆豌豆》[1]。 二、第 遺傳定律:分離定律 孟 德 爾 透 過 不 斷 的 自 交(self fertilization), 篩

培 養 出 各 式 各 樣 的 庭 園 豌 豆(garden pea, 學 名 Pisum sativum) 之 純 種 品 系(pure line), 意 思 是 某 一 性 狀 之 豌 豆 自 交 所 生 子 代 的 性 狀 都 維 持 一 樣。 然 後 他 進 行 了 各 種 不 同 性 狀(trait) 之 純 系 之 間 的 雜 交 (crossing)實驗。以圖 2 1 的例子來說,他選了兩種 親 代( 記 為 P), 分 別 是 黃 色 豆 仁 與 綠 色 豆 仁, 雜 交 後 所 得 的 第 子 代( 記 為 F1) 全 部 為 黃 色 豆 仁。 這 是一個令人訝異的結果,因為竟然會有一個親代的性 狀, 完 全 沒 有 在 子 代 中 出 現。 當 時 很 多 人 把 遺 傳 想 成 是 種 類 似 顏 料 混 合(blending) 的 機 制, 在 這 裡 就 解釋不通了。

接 著 他 將 F1 進 行 自 交, 得 到 的 子 代 稱 為 第 二 子 代( 記 為 F2)。 結 果 是 另 個 令 人 訝 異 的 發 現: 在 F1 中 消 失 的 綠 色 豆 仁, 在 F2 中 又 出 現 了! 孟 德 爾 跟 很 多 同 時 代 思 考 遺 傳 機 制 的 人, 不 同 的 地 方 也 在 這 裡:他很仔細地計算(count)每一次實驗所得的子代。

以 豆 仁 顏 色 來 說, 在 數 了

後, 他 計 算 黃

第 2 章 孟德爾遺傳及其擴充

13
選、
8,023
F2
圖 2 1 孟德爾的豌豆雜交實驗 自交 3 黃:1 綠 P F1 F2 ×

6022y:2001g

705p:224w

882i:299p

428g:152y

82:1

651a:207t 3.14:1

787l:277s

84:1

色 豆 仁 與 綠 色 豆 仁 的 比 率 為 3.01:1。 由 此 可 以 想 像, 計 算 豌 豆 實 驗 之 結 果, 絕 不 是 件 簡 單 的 事。 總 共 七 種屬性的雜交結果,經統計整理後,就如表 2-1 所示, 令人驚訝地竟然都是接近 3 比 1 這個比率。 從這些觀察,孟德爾提出「石破天驚」的解釋:(1) 遺傳是透過「顆粒」(

14 遺傳流行病學原理
particulate)性的物質達成的〔這 種 顆 粒 後 來 被 命 名 為 基 因(gene)〕;(2) 每 種 遺 傳性狀是由成對的遺傳顆粒所負責〔現在我們稱為對 偶 基 因(allele)〕;(3) 每 一 對 遺 傳 顆 粒 平 均 地 分 離 (segregate) 至 配 子(gamete) 中, 即 每 個 配 子 只 攜 帶 成 對 遺 傳 顆 粒 中 的 一 個;(4) 配 子 與 配 子 的 結 合 是 隨 機 的。 這 套 說 法 即 是 俗 稱 的 孟 德 爾 第 定 律: 分離定律(law of segregation)。 但 是 這 樣 仍 未 能 解 釋 為 何 在 F1 時, 二 種 親 代 性 狀 中 只 有 種 會 出 現。 於 是 孟 德 爾 區 別 了 外 表 型 (phenotype) 與 基 因 型(genotype), 並 將 成 對 遺 傳 顆 粒 彼 此 間 的 關 係 分 成 顯 性(dominant) 與 隱 性 (recessive)二種。像豆仁顏色中的綠色,在 F1 並未 表 2 1 七種豌豆特性雜交後之第二子代的外表型比率 雜交之親代(P)外表型 第 子代 (F1) 第二子代 (F2) 第二子代比率 (F2 ratio) 1 圓滑 × 皺紋豆仁 全圓滑 5474r:1850w 2 96:1 2. 黃色 × 綠色豆仁 全黃色
3.01:1 3. 紫色 × 白色花瓣 全紫色
3.15:1 4 飽滿 × 捏縮豆莢 全飽滿
2 95:1 5 綠色 × 黃色豆莢 全綠色
2
6. 腋生 × 頂生花朵 全腋生
7 高莖 × 矮莖植株 全高莖
2

出 現, 因 此, 綠 色 豆 仁 是 一 種 隱 性 基 因, 而 黃 色 豆 仁 則是 種顯性基因。這個如何讓基因型與外表型對應 的 議 題, 可 說 是 遺 傳 學 裡 的 一 個 核 心 議 題。 我 們 今 天 雖 然 把 它 更 般 化, 稱 為 penetrance( 外 顯 率 ), 但 是早在孟德爾的時代就已被處理過 次了。 在 孟 德 爾 的 豌 豆 實 驗 中, 還 有 一 點 很 重 要 的, 就 是他針對所提出之假說設計了進 步的實驗,來檢定 相關預測是否準確。按照他提出來的理論,F1 雖然外 表型與親代中的顯性親代相同,但其組成的基因型並 不相同。黃色豆仁之親代為同型合子(homozygote), 而 F1 則 是 異 型 合 子(heterozygote)。 為 了 檢 測 這 個 推 論, 他 拿 F1 與 隱 性 親 代 雜 交, 並 預 測 所 生 子 代 應 是 顯 性 外 表 型 與 隱 性 外 表 型 為 1:1 的 比 例, 而 結 果 也 確 是 如 此。 後 人 就 把 這 種 類 型 的 雜 交 稱 為 檢 測 雜 交 (test cross)。 如 果 他 之 前 的 推 論 成 立, 那 麼 在 F2 中 占 3/4 而 外 表 型 為 顯 性 者, 其 實 混 合 了 1/4 的 同 型 合 子 與 2/4 的 異 型 合 子。 為 了 證 明 這 個 想 法, 他 將 黃 色 豆 仁 的 F2 自 交, 如 果 子 代 中 有 任 一 個 出 現 綠 色 豆 仁, 代 表 這種 F2 本身是異型合子。反之,若無綠色豆仁出現, 則 可 以 判 定 為 同 型 合 子。 結 果 發 現 有 2/3 的 F2 其 自 交 子 代 的 分 布 就 像 F1 的 黃 色 豆

15第 2 章 孟德爾遺傳及其擴充

仁( 異 型 合 子 ), 而 另 外 的 1/3 之 F2 其 子 代 則 像 純 種 品 系 繁 殖(pure breeding)的 黃 色 豆 仁 親 代( 同 型 合 子 )。 若 是 F2 中 外 表 型 為 隱 性 者( 即 綠 色 豆 仁 ) 的 那 1/4, 則 應 為 同 型 合 子, 因 此 在 自 交 後, 其 子 代 應 全 為 綠 色 豆 仁; 結 果也是如此。

國家圖書館出版品預行編目 (CIP) 資料

遺傳流行病學原理 / 陳為堅著 . 初版 . 臺北市 : 國立 臺灣大學出版中心出版 : 國立臺灣大學發行 , 2022.10 面 ; 公分

ISBN 978 986 350 646 1(平裝)

1.CST: 遺傳學 2.CST: 流行病學

遺傳流行病學原理

111014547

Principles of Genetic Epidemiology

作 者 陳為堅

總 監 張俊哲

責任編輯 嚴嘉雲

文字編輯 林嘉瑛、黃安安

封面設計 蕭志文

內頁編排 張明蕙

發 行 人 管中閔

發 行 所 國立臺灣大學

出 版 者 國立臺灣大學出版中心

法律顧問 賴文智律師

印 刷 金東印刷事業有限公司

出版年月 2022 年 10 月 版 次 初版 定 價 新臺幣 750 元整 展 售 處 國立臺灣大學出版中心

臺北市 106319 羅斯福路四段 1 號 電話:(02) 2365 9286 傳真:(02)

363
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