Science|人類疾病蛋白質(zhì)-基因組融合關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)不同疾病內(nèi)在聯(lián)系

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收錄于話題#前沿生物大數(shù)據(jù)分析

撰文：huacishu

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1、研究基于不同人類疾病在人類基因組中的共同起源，發(fā)現(xiàn)了這些疾病之間的數(shù)百種聯(lián)系，從而挑戰(zhàn)了依照器官、癥狀或臨床特點進(jìn)行的疾病分類；

2、研究了人類血液中數(shù)千種蛋白的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與遺傳數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)建出顯示影響這些蛋白的遺傳差異如何將看似不同的疾病以及相關(guān)的疾病聯(lián)系起來的圖譜。

近日劍橋大學(xué)Claudia Langenberg教授團(tuán)隊在國際知名期刊Science在線發(fā)表題為“Mapping the proteo-genomic convergence of human diseases”的研究論文。蛋白質(zhì)遺傳調(diào)控的特征對于理解疾病的病因和發(fā)病機(jī)制至關(guān)重要。作者確定了3892個血漿蛋白的10674個基因關(guān)聯(lián)，從而創(chuàng)建了基因-蛋白質(zhì)-疾病圖譜。該蛋白質(zhì)基因組圖譜提供了一個框架，1）連接病因相關(guān)疾病，2）提供新的或正在出現(xiàn)的疾病的生物學(xué)背景，3）整合不同的生物學(xué)領(lǐng)域以建立已知基因-疾病聯(lián)系的機(jī)制。該研究結(jié)果確定了疾病內(nèi)部和疾病之間的蛋白質(zhì)基因組聯(lián)系，并確定了順式蛋白變體在GWAS位點注釋可能的致病基因方面的價值，解決了將基礎(chǔ)科學(xué)轉(zhuǎn)化為臨床可操作見解的一個重要瓶頸。

通過測試10708名芬蘭研究參與者中針對4775種不同蛋白質(zhì)的1020萬個基因型或插補常染色體和X染色體遺傳變異，進(jìn)行了基因組-蛋白質(zhì)組關(guān)聯(lián)分析。確定了2584個基因組區(qū)域與3892個蛋白質(zhì)靶點中至少有一個相關(guān)。其中1097個區(qū)域包括迄今為止尚未報道與血漿蛋白相關(guān)的變異體，其中64%（1356個PQTL中的867個）可用。此外，61%（797人中的488人）的PQTL順式變異的復(fù)制比例（81.2%）高于反式（44.2%）。大多數(shù)區(qū)域（79.3%，n=2050）與單一蛋白質(zhì)靶點相關(guān)，但觀察到多效性(≥2個蛋白質(zhì)靶標(biāo)），包括與多達(dá)五個（16.1%，n=418），（3.4%，n=88）或21-50（0.7%，n=19）相關(guān)蛋白質(zhì)靶標(biāo)的關(guān)聯(lián)，以及與59-1539個蛋白質(zhì)靶標(biāo)相關(guān)的八個區(qū)域（CFH、ARF4-ARHGEF3、C4A-CFB、BCHE、VTN、CFD、ABO、GCKR）的大量多效性（圖1）。含有順式pQTL的194個多效性區(qū)域確定了血漿蛋白質(zhì)組的主要調(diào)節(jié)因子，包括糖基轉(zhuǎn)移酶，如組織血型ABO系統(tǒng)轉(zhuǎn)移酶（ABO），關(guān)鍵代謝酶，如葡萄糖激酶調(diào)節(jié)蛋白（GCKR），或脂質(zhì)介質(zhì)，如載脂蛋白E，建立循環(huán)蛋白質(zhì)組的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。在3892個蛋白質(zhì)靶點中，26.8%（n=1046）的PQTL同時存在于順式和反式中，13.4%（n=523）的PQTL僅存在于順式中，并且在總共8328個變異蛋白關(guān)聯(lián)中，反式為59.6%（n=2323）（圖1）。使用適應(yīng)性逐步條件分析在這些位點上鑒定了另外2346個次級PQTL，表明順式（68.8%）和反式（31.2%）中存在廣泛的等位基因異質(zhì)性。5442個不同變體中的大多數(shù)位于內(nèi)含子（~44%）中，具有錯義變體（~21%），在順式和反式PQTL中具有相似的分布。研究觀察到663個順式PQTL對蛋白質(zhì)靶標(biāo)結(jié)構(gòu)有直接影響，包括重要的亞結(jié)構(gòu)，如二硫鍵（4.2%）、α-螺旋（3.1%）和β-鏈（2.6%）。據(jù)預(yù)測，這些變體會影響蛋白質(zhì)目標(biāo)的正確折疊，包括血液中的分泌減少或半衰期縮短，而不是蛋白質(zhì)編碼基因的表達(dá)。例如，觀察到活性分泌蛋白中PAV的富集，這可能表明常見的翻譯后修飾（如糖基化）的調(diào)節(jié)。

將數(shù)據(jù)驅(qū)動的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)與本體映射（圖2A和B）相結(jié)合，以區(qū)分通路特異性PQTL與對多個不相關(guān)靶點產(chǎn)生影響的PQTL?；诰W(wǎng)絡(luò)和本體映射的融合證據(jù)，成功地將5442個基因變體中的40.8%指定為蛋白質(zhì)特異性，5.9%（順式中n=236，反式中n=86）指定為路徑特異性，另外16.5%（順式中n=498，反式中n=402）根據(jù)任一來源可能指定為路徑特異性。總共，1802個蛋白質(zhì)靶點在順式（n=1385）或反式（n=417）中至少有一個（可能）特異性pQTL。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)方法，將648個本體映射可能遺漏的變體分類為蛋白質(zhì)特異性。一個例子是rs738408（PNPLA3），一種非酒精性脂肪肝變體，與來自同一蛋白質(zhì)群體的70個適體中的22個相關(guān)（圖2C）。PNPLA3編碼含蛋白3的類帕他汀磷脂酶結(jié)構(gòu)域（PNPLA3），rs738408標(biāo)記錯義變體rs738409（I148M），使PNPLA3抵抗泛素化介導(dǎo)的降解，并導(dǎo)致隨后積聚在肝脂滴上，導(dǎo)致脂肪肝疾病。相關(guān)蛋白靶點包括肝臟中高度表達(dá)的多種代謝和解毒酶，如酒精脫氫酶、精氨琥珀酸裂解酶、膽鹽硫轉(zhuǎn)移酶或氨基酰化酶-1。與目前臨床上用于鑒別脂肪肝疾病或肝損傷的組織非特異性蛋白質(zhì)相比，PNPLA3反式pQTL上的肝損傷特異性效應(yīng)使這些蛋白質(zhì)靶點成為潛在的生物標(biāo)記候選物。

使用統(tǒng)計共定位將血漿pQTL結(jié)果與GTEx中的基因表達(dá)和剪接QTL數(shù)據(jù)（分別為eQTL和sQTL）結(jié)合起來，對所有1584個至少有一個順式pQTL的蛋白質(zhì)靶點進(jìn)行分析。結(jié)果表明，其中一半（50.1%）在至少一個組織中具有與基因表達(dá)相同的信號，中位數(shù)為4.5（IQR:2-12；圖3A），極大地擴(kuò)展了先前關(guān)于基因表達(dá)在組織中作用的認(rèn)識。大多數(shù)順式PQTL（n=584，73.4%）在所有組織中顯示出相同方向的血漿蛋白和基因表達(dá)效應(yīng)（圖3A），但26.6%（n=212）顯示出至少一對具有相反效應(yīng)的順式PQTL，其中蛋白質(zhì)效應(yīng)與在所有組織中觀察到的基因表達(dá)方向相反，有證據(jù)表明存在共定位。例如，免疫球蛋白超家族成員8（IGSF8）的順式pQTL rs2295621的A等位基因與蛋白質(zhì)靶點的血漿豐度呈負(fù)相關(guān)，但與33個組織中相應(yīng)mRNA的表達(dá)呈正相關(guān)。即使在同一細(xì)胞內(nèi)，基因和蛋白質(zhì)表達(dá)的解偶聯(lián)也是一種經(jīng)常被描述的現(xiàn)象，可能的機(jī)制包括差異翻譯、蛋白質(zhì)降解或蛋白質(zhì)水平緩沖。對于145個蛋白質(zhì)靶點，研究確定了基于單個組織的組織特異性對血漿豐度的貢獻(xiàn)明顯超過所有其他組織的有力證據(jù)（圖3A）。這些包括已知的組織特異性例子，如肝組織中的維生素K依賴性蛋白C，但也有不太明顯的例子，如甲型肝炎病毒細(xì)胞受體1（或TIM-1）。為了發(fā)揮最大功效，研究整合了eQTLGen的基因表達(dá)數(shù)據(jù)，該聯(lián)合會確認(rèn)了140個順式eQTL/pQTL對，并顯示了GTEx資源中未發(fā)現(xiàn)的另外38個順式eQTL/pQTL對，包括炎癥反應(yīng)的免疫細(xì)胞特異性介質(zhì)，如白細(xì)胞免疫球蛋白樣受體亞家族成員3。為了獲得超越所有轉(zhuǎn)錄物物種平均讀數(shù)的見解，作者研究了選擇性剪接作為蛋白質(zhì)靶點變異的來源。五分之一（20.1%）的順式信號與至少一個組織中的順式sQTL共享（圖3B），其中84個沒有通過eQTL數(shù)據(jù)看到，這表明與pQTL相關(guān)的轉(zhuǎn)錄亞型被從大量分析轉(zhuǎn)錄本中屏蔽。與eQTL共定位相比，研究沒有觀察到對齊效應(yīng)方向的總體模式（圖3B）。后者可能解釋了90個蛋白質(zhì)靶標(biāo)實例，其中共定位順式sQTL解釋了超過10%的血漿濃度變化，并強調(diào)了剪接QTL確定蛋白質(zhì)靶標(biāo)血漿豐度變化潛在來源的能力。

研究觀察到多個例子，其中順式pQTL定位確定了生物學(xué)上可能的候選基因，這些基因與順式eQTL定位無關(guān)（圖4）。例如，在eQTL支持的CDCA8位點將RSPO1指定為子宮內(nèi)膜癌的候選致病基因?；蜷g變異rs113998067是子宮內(nèi)膜癌的先導(dǎo)信號，是R-spondin-1的次級順式pQTL，由RSPO1編碼。統(tǒng)計共定位證實了一個極有可能的共享信號。因此，作者估計子宮內(nèi)膜癌風(fēng)險增加91%，血漿R-spondin-1豐度增加。R-spondin-1是一種分泌型激活蛋白，作為典型Wnt信號通路的激動劑，作為成人干細(xì)胞生長因子發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。然而，在小鼠模型中的研究表明，R-spondin-1上調(diào)雌激素受體α而不依賴于Wnt/β-catenin信號，因此可能增加雌激素介導(dǎo)的子宮內(nèi)膜癌風(fēng)險。作者注意到，rs113998067的效應(yīng)估計沒有性別差異，雄性和雌性小鼠的基因敲除模型分別顯示睪丸和卵巢發(fā)育異常，可能表明對生殖組織疾病有更廣泛的影響。

將GWAS匯總統(tǒng)計數(shù)據(jù)整合到該研究中，以確定與新冠病毒相關(guān)的四種不同的結(jié)果定義，范圍從對新冠病毒的易感性到需要住院治療的嚴(yán)重病例。這些GWA在納入病例數(shù)量上存在顯著差異（5101-38984）。作者復(fù)制了先前報道的候選基因ABO和OAS1，這兩個基因在這些不同的結(jié)果定義中顯示了一致的證據(jù)。對于ABO，順式pQTL也與肺栓塞共定位（圖5），肺栓塞是嚴(yán)重新冠病毒的常見并發(fā)癥，可能歸因于參與凝血級聯(lián)反應(yīng)的蛋白質(zhì)豐度改變。進(jìn)一步觀察到NSF（針對新冠病毒住院風(fēng)險）和BCAT2（針對嚴(yán)重新冠病毒）的提示性證據(jù)，其中每一種都與這四種結(jié)果中的一種結(jié)果共享一個遺傳信號，因此需要外部驗證其在新冠病毒-或相關(guān)病理學(xué)中的可能作用。

在已知的膽結(jié)石位點SULT2A1發(fā)現(xiàn)了一個信號，該信號在膽鹽硫轉(zhuǎn)移酶（SULT2A1）和膽結(jié)石以及膽囊切除術(shù)風(fēng)險之間共享。Multitrait共定位進(jìn)一步證實，該信號還與肝臟中SULT2A1的mRNA表達(dá)、多種硫酸化類固醇的血漿濃度（包括雄激素和孕烯醇酮代謝物的硫酸鹽結(jié)合物）以及膽汁酸共享。與次級膽汁酸甘膽酸鹽血漿濃度降低同時出現(xiàn)的反向關(guān)聯(lián)表明石膽酸的形成減少，石膽酸是溶解脂肪（包括膽固醇）的基本清潔劑。對各種生物學(xué)實體的縱向整合表明，促進(jìn)膽固醇結(jié)晶和膽結(jié)石形成的過飽和膽汁是一種因果機(jī)制。FBLN3（由EFEMP1編碼的細(xì)胞外基質(zhì)糖蛋白）是一個與大量（n=37）疾病和其他表型相關(guān)的蛋白質(zhì)靶點，它顯示了多種結(jié)締組織疾病的基因-蛋白質(zhì)融合以及皮下脂肪組織中EFEMP1的基因表達(dá)（圖6B）。rs3791679的異常與血漿FBLN3豐度降低和結(jié)締組織或軟組織異常風(fēng)險增加有關(guān)，包括疝氣、靜脈曲張等，其中一些以前曾在個體GWA中報道過，但尚未聯(lián)系到一起。這一系列人類臨床特征表明，較低的血漿A等位基因攜帶者水平導(dǎo)致彈性纖維形態(tài)改變或含量降低，這與Efemp1基因敲除小鼠的結(jié)果一致，該小鼠表現(xiàn)出異常的彈性纖維形態(tài)，出現(xiàn)不同類型的疝氣和骨盆器官脫垂。FBLN3是細(xì)胞外基質(zhì)的一部分，廣泛表達(dá)，但其功能尚不完全清楚。研究提供了關(guān)于其在大量結(jié)締組織疾病病因中的作用的見解。EFEMP1突變導(dǎo)致一種罕見的眼部疾病，稱為Doyne蜂窩狀視網(wǎng)膜營養(yǎng)不良（DHRD），其特征是由于細(xì)胞內(nèi)FBLN3的積累而導(dǎo)致視覺障礙。研究觀察到該蛋白位點的信號與視覺相關(guān)表型的共享性，包括使用隱形眼鏡（近視）和視盤面積減小，這是開角型青光眼的一個危險因素，低蛋白濃度與更高的風(fēng)險相關(guān)，DHRD患者也觀察到了這一點。

蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)及其與基因組數(shù)據(jù)整合的前景在于其在罕見和常見人類疾病中的應(yīng)用。雖然以前的研究開始利用PQTL的表型結(jié)果，但它們主要集中于識別和描述通過特定平臺測量的蛋白質(zhì)的遺傳結(jié)構(gòu)。該研究對物候組進(jìn)行了系統(tǒng)整合，并創(chuàng)建了人類健康的蛋白質(zhì)基因組圖譜，該圖譜識別了許多潛在的致病基因，并強調(diào)了不同人類條件下的基因驅(qū)動聯(lián)系。傳統(tǒng)的疾病分類依賴于共同出現(xiàn)的癥狀的集合，很少基于共同的病因。該研究為確定針對潛在遺傳原因的治療策略提供了機(jī)制上的理解。

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教授介紹

Claudia Langenberg教授是劍橋大學(xué)MRC流行病中心的負(fù)責(zé)人，主要關(guān)注分子流行病學(xué)。她的工作整合了大規(guī)?；蚪M和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)，以發(fā)現(xiàn)、優(yōu)先排序和表征代謝途徑，并測試其在一系列疾病中的因果相關(guān)性和特異性，重點關(guān)注2型糖尿病。并且Claudia Langenberg教授以通訊作者在國際權(quán)威期刊Nat Genet.、PLoS Med、JAMA上發(fā)表論文多篇。

參考文獻(xiàn)

Pietzner M, Wheeler E, Carrasco-Zanini J, et al. Mapping the proteo-genomicconvergence of human diseases. Science. 2021;eabj1541.doi:10.1126/science.abj1541