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骨质疏松症（Osteoporosis）是一类以骨量减少和骨组织微观结构退化为主要特征的全身性骨骼疾病,其最主要的危害是诱发骨质疏松性骨折,并显著降低患者的生活质量,甚至导致残疾和死亡。骨密度（Bone mineral density,BMD）是临床上诊断骨质疏松症及骨折风险的金标准,可以作为骨质疏松症的研究性状。观察性研究显示,肠道菌群（Gut microbiota）和血生化指标（Blood biochemistry）分别与骨质疏松症具有潜在的关联,与骨发育密切相关,但其在人类研究中的因果证据仍较为缺少。本研究为鉴定与骨质疏松症具有因果效应的特定肠道菌群和血生化指标,第一章应用了基于全基因组关联研究（Genome-wide association study,GWAS）的两样本孟德尔随机化（Mendelian randomization,MR）方法,在发现阶段鉴定出两个肠道菌群特征与BMD具有潜在的因果关联,分别在汇总统计量和个体原始数据两个水平上重复验证成功;第二章应用流行病学回归分析、基于个体水平原始数据的单样本MR和两样本MR方法,分别探究了 25种血生化指标与BMD的观察性关联和因果关联,在两个性别组中均成功验证了四种血生化指标与BMD具有因果关系,为骨代谢的遗传调控机制提供了新的见解和线索。第一章研究目的本章研究旨在人群样本中探索肠道菌群对骨发育因果关联,并鉴定与推断足跟骨密度（Estimatedheel bone mineral density,eBMD）具有因果关联的特定肠道菌群,为阐明肠道菌群参与骨代谢的遗传调控机制提供线索和方向,进一步发展骨质疏松症的临床治疗方案和预防策略。研究方法本章研究应用基于GWAS汇总统计量的两样本MR方法评估肠道菌群对eBMD的因果关系。作为暴露,肠道菌群GWAS的发现样本选取来自英国TwinsUK研究的1 126对双胞胎队列,验证样本来自包含来自荷兰984个参与者的LifeLines-DEEP研究;作为结局,eBMD的GWAS来自426 824欧洲人的英国生物银行（UK biobank,UKB）研究,并在个体水平原始数据进行验证。肠道菌群按照细菌分类学（Taxonomy）在目（Order）和科（Family）两个水平层面进行分析,最终共有25个菌群特征（9个目和16个科）纳入分析。研究结果在发现样本中,共有14个菌群特征与eBMD的因果效应达到名义上显著（P=0.05）,包括 5 个目（Bacteroidales,Clostridiales,Lactobacillales,Pasteurellales和 Verrucomicrobiales）和9个科（Bacteroidaceae,Clostridiaceae,Lachnospiraceae,Mogibacteriaceae,Pasteurellaceae,Porphyromonadaceae,Streptococcaceae,Verrucomicrobiaceae 和Veillonellaceae）。最终,Clostridiales目（发现样本P=3.32×10-3,验证样本P=7.29×10-3）和其子分类Lachnospiraceae科（发现样本P=0.03,验证样本P=7.29×10-3）在验证样本中验证成功,并且在个体水平的原始数据中也验证成功（Clostridiales P=0.03,Lachnospiraceae P=7.29×10-3）。结论本章研究的结果为肠道菌群与骨骼发育之间的因果关系提供了证据,并确定了两个调节骨量变化的特定菌群特征,从而为肠道菌群介导的骨发育机制提供了新的见解。第二章研究目的本章研究旨在系统性地评估eBMD与25种血生化指标的流行病学关联和双向因果关联,并鉴定与BMD相关的血生化指标,为阐明血生化指标参与骨代谢的遗传调控机制提供线索和方向。研究方法本章研究将UKB队列分为GWAS（N=180 877）和MR（N=222 026）两组数据,两组数据中均分为女性、男性进行分析。GWAS组人群在分性别进行25种血生化指标的GWAS分析,获得的汇总统计量（β、P值等）后,选择的合适的工具变量构建多基因风险评分（Polygenic risk score,PRS）;MR组人群分性别进行25种血生化指标与eBMD流行病学回归分析和基于个体原始数据的单样本MR分析,其女性和男性的结果可以作为相互验证。最后,在MR组中进行eBMDGWAS分析,进行25种血生化指标和eBMD的两样本MR分析,与单样本MR分析结果进行交叉验证。研究结果在流行病学回归分析中,共有11个血生化指标显示与eBMD具有显著的相关性（在两个性别中多重检验矫正后显著,P值＜0.05/25=0.002）,其中,血清碱性磷酸酶、γ-谷氨酰转移酶、磷酸盐、性激素结合球蛋白、总蛋白、甘油三酯等6个血生化指标与eBMD有负向的关联,而血清胰岛素样生长因子1、肌酐、尿酸、尿素和维生素D等5个血生化指标与eBMD正向关联。而单样本MR分析结果表明,两个性别中均验证成功的共有3个血生化指标,包括总胆固醇（女性β=-0.022,男性β=-0.043）、磷酸盐（女性β=-0.024,男性β=-0.023）和性激素结合球蛋白（女性β=-0.038,男性β=-0.029）对eBMD具有显著的因果效应,其方向均为负向调控;反向MR结果显示,eBMD对血清碱性磷酸酶（女性β=-0.036,男性β=-0.039）具有负向调控的因果效应。在双向的两样本MR分析中,共鉴定出7个血生化指标与eBMD有因果关联,其中,血清碱性磷酸酶、总胆固醇、磷酸盐和性激素结合球蛋白与eBMD之间的因果效应与单样本MR结果一致,而血清钙、维生素D和尿酸均未显示与eBMD具有因果关系。结论本章研究鉴定出4个血生化指标与eBMD之间存在潜在的因果关联,表明了血生化指标参与骨代谢可能的遗传调控机制,为进一步探索骨质疏松症潜在的危险因素提供了新的证据。