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頭面部形態(tài)是一項由復(fù)雜形態(tài)組合形成的遺傳性狀。不同群體的頭面部特征具有顯著差異，與人類的起源、遷徙及進化具有緊密的關(guān)聯(lián)。東亞與歐洲人群面部形態(tài)差異顯著，這背后受到怎樣的遺傳因素影響?是否存在自然選擇作用?同時，人臉形態(tài)數(shù)據(jù)維度高且復(fù)雜，如何結(jié)合數(shù)學(xué)與生物學(xué)進行頭面部表型的量化?

為了解決上述問題，中科院上海營養(yǎng)與健康研究所汪思佳研究員團隊和中科院院士、復(fù)旦大學(xué)金力教授團隊聯(lián)合國內(nèi)外科研機構(gòu)對此展開深入研究，在迄今為止最大規(guī)模的東亞人群數(shù)據(jù)中，通過一套基于圖像分析與計算機算法的人類頭面部特征自動量化方法，進行了頭面部表型與基因型的相關(guān)分析。從遺傳與進化的角度，解析了人類頭面部表型差異熱點規(guī)律，揭示了部分東亞獨特面部形態(tài)的遺傳作用機制，也定位出了造成歐亞面部差異的遺傳因素。

4月7日晚，相關(guān)研究成果發(fā)表于最新一期的《自然·遺傳學(xué)》。

優(yōu)化表型量化，解析東亞面部遺傳結(jié)構(gòu)

研究人員基于近10000例3D人臉圖像，首先構(gòu)建了一套結(jié)合解剖學(xué)信息的面部分割方法。將面部區(qū)域聚合為10塊主要結(jié)構(gòu)，分別為額頭、眉弓、眼睛、顳部、顴部、鼻部、面頰、嘴上、嘴下以及下頜。這樣獲取的分割后面部表型能完美對應(yīng)到解剖學(xué)位置，為后續(xù)開展遺傳學(xué)解析奠定了基礎(chǔ)。

人類頭面部形態(tài)具有很高的遺傳度，人群間的面部差異究竟受到何種遺傳機制調(diào)控?利用多變量典型相關(guān)分析，研究者定位了244個影響東亞群體頭面部形態(tài)的遺傳變異，證實面部特征作為典型的復(fù)雜性狀由多基因共同影響。通過與歐洲團隊合作，進一步發(fā)現(xiàn)亞歐差異信號可能是功能同質(zhì)，因頻率變化而造成的。

研究還發(fā)現(xiàn)頭面部相關(guān)基因主要富集在胚胎發(fā)育后期調(diào)控基因的增強子中，參與骨骼系統(tǒng)發(fā)育、區(qū)域化模式調(diào)控以及組織生成等功能。全表型組關(guān)聯(lián)分析則發(fā)現(xiàn)，影響面部形態(tài)的相關(guān)遺傳位點也影響著體成分、體質(zhì)和毛發(fā)等其他人體表型特征。

值得一提的是，本研究發(fā)現(xiàn)，面部形態(tài)表型相關(guān)的位點rs6843082與房顫風(fēng)險存在顯著關(guān)聯(lián)，相關(guān)位點曾被報道可能影響心源性栓塞性中風(fēng)和缺血性中風(fēng)，這提示我們——面部特征表型可能與心血管疾病的發(fā)病風(fēng)險存在關(guān)聯(lián)。

創(chuàng)新可視方法，展現(xiàn)歐亞面部差異特點

相較于歐洲人，東亞人的面頰更突出，眉弓、鼻部更為平緩。這種不同人群間面部差異的遺傳機制吸引著眾多學(xué)者深入探究。

為了挖掘亞歐人群的關(guān)鍵面部差異的遺傳基礎(chǔ)，研究團隊首次將多基因評分(PGS)的方法推廣到復(fù)雜形狀表型上，創(chuàng)新性地提出了多基因形狀分析(PSA)方法，為面部形態(tài)的模擬提供了可視化基礎(chǔ)。

研究發(fā)現(xiàn)歐亞不同人群的真實面部形態(tài)差異與利用PSA模擬的由遺傳因素影響的歐亞特征一致性很高，進而定位了13個影響東亞特有面部特征相關(guān)的遺傳因素。同時，相關(guān)位點無論從效應(yīng)還是產(chǎn)生時間上而言，都能較好地符合東亞起源/衍生的猜測。

比如，rs8068343作為SOX9附近的獨立位點，在歐亞之間具有顯著的頻率差異，造成鼻部更突出的基因型在歐洲占據(jù)主導(dǎo)，研究者推測該位點很可能引起歐亞之間的鼻部差異，而SOX9附近的其余三個位點更多的影響人群內(nèi)部差異。

集成選擇分析，揭示鼻部適應(yīng)性選擇機制

這項研究利用了多種自然選擇分析方法，首次從遺傳角度挖掘了面部受到選擇的熱點區(qū)域，發(fā)現(xiàn)歐亞鼻部差異很可能由于在歐洲受到適應(yīng)性選擇，在東亞受到遺傳漂變導(dǎo)致。

這一結(jié)論揭示了自然選擇導(dǎo)致不同群體面部鼻子形狀產(chǎn)生差異的機制，同時，提示研究者下一步可以結(jié)合古DNA及氣候數(shù)據(jù)開展分析，將古人鼻部與眉弓形態(tài)的進化與氣候變化構(gòu)建關(guān)聯(lián)，為東亞人群體質(zhì)表型的復(fù)雜性和多樣性演化機制提供了新思路。

本項成果是在人類表型組計劃推進過程中，以表型組學(xué)理念、范式和方法革新生命科學(xué)研究的又一次成功嘗試，首次闡明了不同人群面部表型差異的潛在遺傳基礎(chǔ)，大大拓展了東亞面部遺傳學(xué)和表型組學(xué)的知識，是該領(lǐng)域具有重大意義的原創(chuàng)性工作。

復(fù)旦大學(xué)人類表型組研究院博士后張曼菲、復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后吳思杰、中科院上海營養(yǎng)與健康研究所博士生杜思源、復(fù)旦大學(xué)人類表型組研究院博士后錢微為該論文共同第一作者，汪思佳研究員、李嘉睿博士和金力院士為該論文的共同通訊作者。(科技日報記者 王春)