孟德尔随机化研究的原理与应用

在过去的15年里，随着孟德尔随机化(MR)在公共卫生、临床指南和药物开发中的应用，其方法学发展引起了一轮新的浪潮，研究者不断融入交叉学科的力量，包括流行病学、数学、遗传学和生物统计学等，开发了系列的MR分析工具，包括单样本MR、多样本MR、多变量MR、药物靶向MR、双向MR、非线性MR以及MR中介分析等方法，应用于不同场景。随着组学技术蓬勃发展，MR将从基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、宏基因组学以及表观基因组学等分子水平揭示疾病的病因。对生物学机制研究、药物开发、疾病预防和医疗实践都有重要意义。目前，全球范围还没有系统介绍MR方法的原理和应用的书籍。因此，作者撰写本书，介绍MR的基本原理、方法、应用，以及未来发展方向。

第一章 绪论 1
一、发展历史 1
（一）传统观察性研究的缺点 1
（二）随机对照试验在因果推断中的局限性 2
（三）孟德尔随机化研究的理论基础 3
（四）为什么要用孟德尔随机化研究 4
（五）孟德尔随机化研究中的工具变量 6
（六）为什么孟德尔随机化研究可以用作因果推断的方法 6
（七）孟德尔随机化在观察性流行病学中的应用 7
二、研究目的 10
三、研究内容 12
四、公共卫生学意义 13
（一）揭示复杂疾病和性状的遗传决定因素，为流行病学研究的因果推断提供新的途径 13
（二）为全面启动临床试验提供理论依据和技术支持 14
（三）为健康领域全生命周期的政策制定提供参考依据 15
（四）为个性化及精准医疗服务奠定科学基础 16
（五）估算疾病负担和卫生成本，优化公共卫生资源配置 17
第二章 因果推断 20
一、因果推断方法概述 20
（一）潜在结果框架 20
（二）因果作用 20
（三）混杂因素 23
（四）倾向得分和匹配 23
（五）工具变量 23
二、临床随机对照试验 26
（一）概述 26
（二）药物临床试验 27
（三）试验设计 29
（四）随机对照试验的优缺点 31
（五）影响结果解读的因素 32
（六）研究的用途 34
第三章 孟德尔遗传学基础 37
一、遗传学基本概念 37
（一）孟德尔的生平 37
（二）遗传学的发展 38
（三）遗传学基础 40
（四）遗传学的医学应用 45
二、孟德尔遗传规律 48
（一）显性和分离定律 48
（二）自由组合 （独立分配）定律 50
三、孟德尔遗传规律的应用 51
（一）棋盘法与分枝法 51
（二）概率法 52
（三）人类遗传学中的孟德尔定律 52
（四）等位基因突变 53
（五）从基因型到表型 54
（六）基因的相互作用 54
（七）上位效应 55
（八）多效基因 55
第四章 孟德尔随机化方法的原理 58
一、概述 58
二、基本假设 59
三、检验孟德尔随机化三个核心假设的方法 61
四、MR 研究与 RCT 的比较 63
（一）研究与随机对照试验的相同点 64
（二）分析与随机对照试验的不同点 65
（三）研究提供证据以指导随机对照试验的开展 66
五、工具变量选择和孟德尔随机化分析步骤 68
（一）工具变量获取方法和原则 68
（二）弱工具变量 72
（三）遗传风险评分构建方法 74
六、基因多效性 75
（一）场景概述 76
（二）检验方法 76
七、孟德尔随机化的统计效力 79
八、孟德尔随机化的优点与局限性 80
（一）孟德尔随机化的优点 80
（二）孟德尔随机化的局限性 81
九、孟德尔随机化研究结果解读 82
第五章 孟德尔随机化分析的统计方法 88
一、分析方法概况 88
（一）孟德尔随机化分析方法 89
（二）孟德尔随机化分析资源 92
（三）应对孟德尔随机化分析局限性的方法 93
二、单样本分析方法 94
三、多样本分析方法 98
（一）发展现状 99
（二）主要方法 99
（三）研究实例 105
（四）小结 105
四、多变量孟德尔随机化分析 107
（一）前提假设 108
（二）具体方法 109
（三）研究实例 110
（四）局限性 112
五、药物靶向孟德尔随机化分析 113
（一）药物靶向孟德尔随机化分析的概念 113
（二）药物靶向孟德尔随机化分析的原理 114
（三）药物靶向孟德尔随机化分析流程 117
（四）药物靶向孟德尔随机化分析的局限性 123
六、双向因果分析方法 124
（一）定义 124
（二）经典案例 124
七、孟德尔随机化中介分析 127
（一）概述 127
（二）研究实例 130
（三）局限性 130
（四）应用场景 133
（五）结论 134
八、非线性孟德尔随机化分析 137
（一）研究非线性孟德尔随机化分析的必要性 137
（二）非线性孟德尔随机化分析方法 139
（三）非线性孟德尔随机化分析实例 141
（四）总结 142
九、其他相关统计方法 143
（一）线性结构模型 144
（二）稳健贝叶斯孟德尔随机化模型 145
（三）估计和推断 146
第六章 孟德尔随机化研究的应用 152
一、饮食、营养素与疾病 152
（一）膳食模式和营养素 152
（二）孟德尔随机化研究在营养流行病学中的应用 154
（三）研究实例 156
（四）未来挑战与展望 158
二、生活方式与疾病 160
（一）背景介绍 160
（二）数据获取 160
（三）研究方法与结果 161
三、孟德尔随机化研究在转录组学中的应用 166
（一）表达数量性状基因座 166
（二）全转录组关联研究 168
（三）研究实例 171
（四）小结 175
四、孟德尔随机化研究在生物标志物领域的应用 176
（一）生物标志物及其应用 176
（二）应用发展 176
（三）研究实例 177
（四）小结 181
五、孟德尔随机化研究在蛋白质组学研究中的应用 182
（一）研究蛋白质组与疾病之间因果关系的重要意义 182
（二）孟德尔随机化研究在蛋白质组和疾病因果关系研究中的独特优势 183
（三）研究实例 184
（四）总结 186
六、孟德尔随机化研究在肠道菌群研究中的应用 187
（一）肠道菌群和疾病的关联 187
（二）应用发展 188
（三）研究实例 188
（四）局限性 194
（五）结论 195
七、孟德尔随机化研究在表观遗传学研究中的应用 196
（一）表观遗传学及其与表型的关联 196
（二）孟德尔随机化研究在表观遗传学和疾病因果关系研究中的应用 197
（三）研究实例 197
（四）小结 201
八、孟德尔随机化研究与新药开发和老药新用 203
（一）药物靶向孟德尔随机化分析的应用：药物评估 203
（二）药物靶向孟德尔随机化分析的应用：药物靶标发现 214
九、STROBE-MR 共识 218
第七章 孟德尔随机化研究方法的展望 225
一、因果推断面临的挑战 225
二、孟德尔随机化面临的挑战 226
三、孟德尔随机化研究方法的前景 228
（一）扩大临床适用性 228
（二）揭示分子机制 230
（三）孟德尔随机化研究应增加种族多样性 230
（四）方法创新 231
（五）自动化分析 231
（六）提高孟德尔随机化结果的可重复性和规范报告 231
（七）加强全球合作 231
附录 孟德尔随机化研究相关术语 233