肺癌已成为危害人类健康最常见的恶性肿瘤之一。近年来,由于持续增长的烟草消费、环境污染以及生活方式的改变,我国肺癌的发病形势日趋严峻。肺癌的发生是环境因素和遗传因素共同作用的结果,流行病学资料显示吸烟是与肺癌发病风险最为密切的环境危险因素,吸烟人群中罹患肺癌的风险是非吸烟人群的20倍,90%以上的肺癌患者与烟草依赖或成瘾行为有关。然而,在相同的烟草暴露下,不到20%的吸烟人群发展为肺癌,提示个体对肺癌遗传易感性存在差异。2008年以来,已有多个全基因组关联研究(Genome-wide association studies,GWAS)在多个种族人群中研究肺癌的遗传易感性,发现了一批肺癌易感区域,如染色体5p15、6p21和15q25等。其中,在欧洲人群中进行的三项GWAS研究发现染色体15q25(CHRNA3-CHRNA5-CHRNB4 区域的遗传变异与肺癌发病风险存在显著关联。但是到目前为止,上述易感位点(rs8034191、rs16969968和rs1051730)在中国人群的研究中均未能得到验证,原因可能是不同种族个体存在遗传异质性,表现为在中国人群中其最小等位基因频率(Minor Allele Frequency,MAF)均小于0.05;为了解析该区域在中国人群的遗传结构,本课题组在中国人群中通过前期对15q25进行精细定位研究发现了 4个常见遗传位点(MAF≥0.05),分别为 rs2036534、rs667282、rs12910984 和 rs6495309,其相同碱基的频率在不同人群中差异很大,进一步说明肺癌易感基因位点的分布存在着种族和地域异质性。此外,尼古丁基因家族成员CHRNA3-CHRNA5-CHRNB4(cholinergic receptor nicotinic α3,α5 and β4)编码烟碱型乙酰胆碱受体(nicotinic acetylcholine receptors,nAChRs),可影响个体的吸烟行为及烟草成瘾;位于肺支气管上皮细胞的受体可通过调控烟草致癌物的信号转导通路,抑制细胞凋亡及促进肿瘤增殖,影响肺癌的发生。目前在欧洲人群及亚洲人群中均报道了该基因家族的遗传变异与肺癌发病风险相关,但该关联机制究竟是通过吸烟倾向来介导,或是通过基因多态性对肺癌直接作用,或是两者共同发挥作用,目前的研究结果尚不一致。前期研究主要是基于芯片技术,根据遗传区域间的连锁不平衡(Linkage disequilibrium,LD)原理对相关区域进行标签定位(tagging SNP,tSNP)分析,选择代表性SNPs进行分析和评价。该策略能高效快速筛选出疾病易感位点,后期通过独立人群验证和功能验证找出真阳性遗传位点,但会遗漏掉大量假阴性遗传位点,对识别出的位点也很难鉴定其是否是致病位点(Causal SNP)。鉴于以上研究不足,有必要对15q25区域进行全面系统的研究,并在不同种族人群中验证其多态性改变与肺癌发病风险的关系,进一步探讨遗传因素和吸烟暴露对易感基因潜在功能的影响。目前快速发展的二代测序技术(NGS)可通过目标区域靶向捕获后进行高通量测序,对区域内每一个位点进行精准定位,可弥补前期基于芯片的技术盲区。本课题采用两阶段病例-对照研究设计:第一阶段为筛选阶段,研究对象为2003-2009年来自南京地区的200例经病理学诊断的肺癌病例和300例经年龄、性别匹配的同期在医院进行常规体检的非肺部疾病患者或者参加社区人群疾病筛查的健康个体作为对照;第二阶段为验证阶段,分为中国人群内部验证和欧美人群外部验证,其中前者由本课题组前期肺癌GWAS研究(2,331例病例/3,077例对照)构成,后者由美国国家癌症研究所(National Cancer Institute,NCI)公布的多个欧美人群肺癌GWAS研究(5,716例病例/5,821例对照)构成。初筛阶段利用安捷伦SureSelect靶向序列捕获系统对Chr15:78800300-78983700区域进行全覆盖精细捕获,并结合高通量二代测序平台进行目标区域测序,通过生物统计学和生物信息学多步骤分析和筛查,共检测到1385个遗传变异。为了保证研究结果的把握度,后续分析重点关注369个常见遗传变异(MAF≥0.05)。具体生物统计学和生物信息学分析步骤包括:通过FASTQ、BWA、Picard Tools、GATK等一系列软件对测序原始数据进行处理,得到点突变(SNP);在相加模型下采用Logistic回归模型计算遗传变异的关联P值、比值比(odds ratio,OR)以及95%可信区间(confidence interval,CI);通过全基因组复杂特征分析(genome-wide complex trait analysis:GCTA)进行条件分析(Conditional analysis)鉴别独立效应位点;对筛选出的位点利用HaploReg v4.1、UCSC、RegulomeDB GTEx(Genotype-Tissue Expression)eQTL Browser等多个公共数据库资源和预测软件评价各位点的功能以及进行数量表达性状分析;采用中介分析来探讨遗传位点、吸烟与肺癌三者之间的关系。初筛阶段捕获测序大小为183kb,捕获区域的覆盖度达到76%,测序平均深度为99×,并且发现了一系列与肺癌发病风险显著相关的位点(P<0.05)。经过逐步条件分析后,发现15q25区域存在两个独立效应位点与中国人群肺癌易感性显著相关(rs6495304:OR=1.79,P=9.37×104;rs7473352:OR=1.68,P=8.05×10-3)。内部验证结果证实在中国人群中rs6495304和rs74733525影响肺癌的发生(rs6495304:P=5.16×10-10;rs74733525:P=4.29×10-04);然而,外部验证结果发现在欧美人群中其关联效应显著性降低(rs6495304:P=6.27×10-3),证明不同种族个体间存在遗传异质性。此外,研究发现rs6495304仅在男性或吸烟人群中显著影响肺癌的发病风险,且与吸烟存在交互作用(P=0.004)。表达数量性状位点分析(Expression quantitative trait loci,eQTLs)表明在81个健康个体的下丘脑部位rs6495304-A等位基因与CHRNA3低表达量显著相关(P=0.029)。中介分析结果表明,吸烟行为在rs6495304对肺癌发病风险的影响中起到部分中介作用。本课题利用目标区域捕获测序技术系统筛选了该区域常见遗传变异,并进一步通过大样本人群和两阶段病例对照研究设计发现了两个新的独立效应位点与中国人群肺癌发病显著相关,进一步功能注释和中介分析表明rs6495304可能通过影响乙酰胆碱受体基因的表达调控吸烟成瘾相关通路进而影响肺癌的发生。本研究结果为中国人群肺癌的高危人群筛查、早期诊断和个体化治疗提供了理论依据和基础。