The genetic, environmental and phenotypic correlations of bone phenotypes at the spine and hip in Chinese

Abstract

Background: Bone mineral density (BMD), bone mineral content (BMC), and bone size have been widely studied individually as important risk factors for osteoporotic fracture, but little is known about the correlation and the degree of sharing genetic and environmental factors between the pairs of the three phenotypes.

Aim: The study investigated genetic correlation (ρ_G), environmental correlation (ρ_E) and phenotypic correlation (ρ_P) between BMD, BMC and bone size.

Subjects and methods: Bivariate variance decomposition analyses were performed in 904 subjects from 287 Chinese nuclear families.

Results: Significant ρ_E, ρ_G and ρ_P were detected between BMD, BMC and bone size, except for ρ_E between BMD and bone size at the hip (ρ_E = 0.121, p = 0.361). Common shared genetic factors explained 86.1% and 60% of BMD and BMC genetic variations at the spine and hip, respectively. However, the genetic and environmental correlations between BMD and bone size were limited. ρ_E and ρ_G at the spine were 0.392 and 0.381, and at the hip were 0.121 and −0.205, respectively. Only 14.5% and 4.2% of variations between BMD and bone size at the spine and hip may be due to the shared genetic factors.

Conclusion: The obtained results suggested that bone size may be used as another surrogate phenotype independently of BMD for eventual elucidation of the pathogenesis of osteoporosis because of the limited correlations between BMD and bone size.

Résumé. Arrière plan: La densité minérale osseuse (DMO), le contenu minéral de l’os (CMO) et la taille de l’os, ont fait l’objet de nombreuses études au niveau individuel, en relation avec le risque de fracture ostéoporotique, mais la corrélation et les responsabilités relatives des facteurs génétiques et environnementaux entre les paires de ces trois phénotypes sont encore peu connues.

Objectif: L’étude porte sur la corrélation génétique (ρ_G), environnementale (ρ_E) et phénotypique (ρ_p) entre DMO, CMO et taille de l’os.

Sujets et méthodes: Des analyses bivariées de décomposition de la variance ont été effectuées sur 904 sujets de 287 familles nucléaires chinoises.

Résultats: Des ρ_G, ρ_E, ρ_p ont été détectées entre DMO, CMO et taille de l’os, à l’exception de ρ_E entre DMO et taille de l’os à la hanche (ρ_E = 0,121, p = 0,361). Des facteurs génétiques communs expliquent respectivement 86,1% et 60% des variations génétiques de DMO et CMO du rachis et de la hanche. Les corrélations génétiques et environnementales entre DMO et taille de l’os sont cependant limitées. Les ρ_G, ρ_E, au rachis sont respectivement 0,392 et 0,381 et sont 0,121 et -0,205 à la hanche. Seulement 14,5% et 4,2% des variations entre DMO et taille de l’os au rachis et à la hanche peuvent être dus à des facteurs génétiques communs.

Conclusion: Les résultats suggèrent que par suite des corrélations limitées qui lient la DMO et la taille de l’os, cette dernière peut être utilisée comme phénotype de substitution, indépendamment de la DMO, pour l’élucidation de la pathogenèse de l’ostéoporose.

Zusammenfassung. Hintergrund: Knochendichte (bone mineral density, BMD), Knochenkalkgehalt (bone mineral content, BMC), und Knochengröße (bone size) sind als bedeutsame individuelle Risikofaktoren für osteoporotische Frakturen umfangreich untersucht worden, aber es ist wenig über die Korrelation und das Ausmaß der beteiligten genetischen und Umwelt-Faktoren zwischen jeweils zwei der drei phänotypischen Parameter bekannt.

Ziel: Die Studie untersucht die genetische Korrelation (ρ_G), die umweltbedingte Korrelation (ρ_E) und die phänotypische Korrelation (ρ_P) zwischen BMD, BMC and Knochengröße.

Probanden und Methoden: Bivariate Varianz-Dekompositionsanalysen wurden bei 904 Probanden aus 287 Chinesischen Kernfamilien untersucht.

Ergebnisse: Signifikante ρ_E, ρ_G and ρ_P wurden zwischen BMD, BMC und Knochengröße entdeckt, mit Ausnahme von ρ_E zwischen BMD und Knochengröße im Hüftbereich (ρ_E = 0,121, p = 0,361). Gemeinsame genetische Faktoren erklärten jeweils 86,1% und 60% der genetischen Variation von BMD und BMC an Wirbelsäule und Hüfte. Allerdings waren die genetischen und umweltbedingten Korrelationen zwischen BMD und Knochengröße gering. ρ_E und ρ_G an der Wirbelsäule waren 0,392 und 0,381, und an der Hüfte jeweils 0,121 und –0,205. Nur 14,5% und 4,2% der Variation zwischen BMD und Knochengröße im Bereich von Wirbelsäule und Hüfte könnten durch gemeinsame genetische Faktoren bedingt sein.

Zusammenfassung: Die dargestellten Ergebnisse legten nahe, dass Knochengröße möglicherweise ein weiterer Ersatzparameter ist, der, wegen der begrenzten Korrelation zwischen BMD und Knochengröße, unabhängig vom BMD genutzt werden könnte, um die Pathogenese der Osteoporose aufzuklären.

Resumen. Antecedentes: La densidad mineral ósea (DMO), el contenido mineral del hueso (CMH) y el tamaño del hueso han sido ampliamente estudiados de manera individual como importantes factores de riesgo de fractura osteoporótica, pero se conoce poco acerca de la correlación y del grado en que se comparten los factores genéticos y ambientales entre estos tres fenotipos, considerados dos a dos.

Objetivo: El estudio investigó la correlación genética (ρ_G), la correlación ambiental (ρ_E) y la correlación fenotípica (ρ_P), entre la DMO, el CMH y el tamaño del hueso.

Sujetos y métodos: Se realizaron análisis bivariados de descomposición de la varianza en 904 sujetos de 287 familias nucleares chinas.

Resultados: Se detectaron significativas ρ_E, ρ_G y ρ_P entre la DMO, el CMH y el tamaño óseo, excepto para la ρ_E entre la DMO y el tamaño óseo en la cadera (ρ_E=0,121, p=0,361). Los factores genéticos comunes compartidos explicaban el 86,1% y el 60% de la DMO y las variaciones genéticas del CMH en la espina dorsal y la cadera, respectivamente. Sin embargo, las correlaciones genéticas y ambientales entre la DMO y el tamaño del hueso fueron limitadas. Las ρ_E y ρ_G en la espina dorsal fueron de 0,392 y 0,381, y en la cadera de 0,121 y -0,205, respectivamente. Sólo el 14,5% y el 4,2% de las variaciones entre la DMO y el tamaño del hueso en la espina dorsal y la cadera podían ser debidas a los factores genéticos compartidos.

Conclusión: Los resultados sugieren que el tamaño del hueso puede utilizarse como otro fenotipo sustitutivo, con independencia de la DMO, en el eventual esclarecimiento de la patogénesis de la osteoporosis, debido a las limitadas correlaciones entre la DMO y el tamaño del hueso.

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