Cell丨超大規模蛋白質組學研究，揭示跨蛋白質組和疾病組的遺傳效應

撰文丨章臺柳

人類基因組中大多數疾病易感變異位于非編碼區，這限制了對致病基因和機制的推斷。對疾病相關變異進行系統性的功能表征可以指導臨床相關機制的識別，但模型系統難以規模化或直接轉化到人類生物學中。高通量、廣覆蓋的蛋白質組學技術能夠同時靶向人類血液中的數千種蛋白質，有助于通過蛋白質將非編碼變異與疾病相關機制聯系起來。盡管此類蛋白質基因組學研究已經揭示了新的臨床相關機制和潛在的藥物靶點或適應癥，但仍存在重要局限性。首先，迄今為止的廣覆蓋研究幾乎完全依賴于近端作用的順式變異來獲得疾病見解。然而，非編碼變異可能映射到直接影響附近多個編碼基因的調控區域，或間接調控由基因組其他位置基因產生的蛋白質。其次，更好地理解影響診斷、預測或預后蛋白質生物標志物的多基因結構可能很重要，最近針對前列腺特異性抗原和前列腺癌預測的研究就證明了這一點【1】。最后，穩健且可泛化地識別pQTL（蛋白定量性狀位點）需要在不同人群中進行重復驗證，而迄今為止，廣覆蓋蛋白質組學研究很少進行這樣的驗證。

近日，來自倫敦瑪麗女王大學的Mine Koprulu、Maik Pietzner和Claudia Langenberg團隊合作在Cell雜志上發表文章Multi-cohort proteogenomic analyses reveal genetic effects across the proteome and diseasome，通過進行迄今為止最大規模的蛋白質組學研究（涵蓋38項研究中的78,664名參與者），鑒定出超過24,000個與1,116種蛋白質相關的蛋白質定量性狀位點，這些位點作用于同源基因附近（n = 5,040）或遠端（n = 19,698）。通過使用機器學習引導的效應基因分配，提供了調控循環蛋白質水平的通路、細胞類型和組織的遺傳學證據，突出了N-連接糖基化作為一條重要的調控通路。蛋白質生產/功能的遺傳工具（“順式”）與調控相關的遺傳工具（“反式”）揭示了不同的表型見解。通過將基于順式的遺傳證據與蛋白質-疾病關聯進行比較，確定了可作為靶點參與候選物的蛋白質（例如，血漿弗林蛋白酶與心血管疾病）。通過對跨蛋白質QTL與多種疾病的遺傳和蛋白質關聯進行系統三角互證，發現了潛在的藥物重定位機會，例如，TYK2抑制劑用于類風濕性關節炎。這項多隊列薈萃分析產生了對疾病機制和新的治療機會的蛋白質組學見解。

研究人員對38個隊列中測量的1,161個血液蛋白質靶點進行了蛋白質組學薈萃分析，鑒定出14,690個區域先導變異（n = 1,009個順式pQTL，n = 13,681個反式pQTL）。在所測試的蛋白質靶點中，分別有87.1%和94.1%的靶點至少有一個pQTL位于其同源蛋白質編碼基因附近（即順式pQTL）或基因組其他位置（即反式pQTL）。對14,690個已識別基因組區域的貝葉斯精細定位揭示了24,738個與1,116個蛋白質靶點相關的獨立可信變異集（n = 5,040個順式pQTL和n = 19,698個反式pQTL）。經過分析，其中82.3%的順式和83.3%的反式精細定位pQTL都是 “高置信度”的。且278個順式和4,013個反式pQTL或其代理變異此前尚未被報道與相同的蛋白質靶點相關聯。分析蛋白質靶基因的特征，發現具有更多pQTL數量的蛋白質靶點與二硫鍵或跨膜結構域的存在顯著相關，而蛋白質編碼基因的更高約束性（即功能喪失不耐受的概率）與順式pQTL的存在和數量以及反式pQTL的數量呈負相關。具有更多反式pQTL的蛋白質進一步表現為富集了分泌蛋白的特征（如糖基化和硫酸化），但缺乏細胞內蛋白的結構特征（如鋅指和 DNA 結合結構域）。

基于人類證據對pQTL進行分析，研究人員識別了塑造血漿蛋白質組的通路（如N-連接糖基化）、組織和細胞類型。同時在疾病中，基于順式與基于反式的遺傳分析所得出的結果存在差異。系統比較多達130萬名參與者中基于順式的基因到疾病關聯與測量的蛋白質到疾病關聯，結果顯示兩者的一致性有限，僅有少數例子得到兩種方法證據的支持。觀察性關聯與來自順式pQTL的遺傳推斷之間關于蛋白質-疾病聯系的證據一致性較低，部分原因可能是循環蛋白質僅僅是組織內致病疾病過程的替代標志物。對許多新發現的反式pQTL進行分析時，研究人員發現超過90%（307種疾病中的280種，這些疾病有≥5個顯著關聯的蛋白質）的疾病生物標志物特征顯著富集于與一個或多個（共170個）多效性pQTL（n = 139個反式pQTL）相關的蛋白質。將來自pQTL的證據與GWAS和生物標志物分析進行三角互證，觀察到58個例子，其中與給定多效性反式pQTL相關的蛋白質靶點富集了疾病相關的血漿蛋白，并且該反式pQTL同時也是同一疾病的GWAS位點。即部分循環蛋白質特征提供了組織內疾病易感過程的讀數。例如，在與一個反式pQTL相關的蛋白質中，與蛋白尿發生顯著相關的蛋白質富集超過50倍，優先將SHROOM3作為候選致病基因。小鼠同源基因Shroom3的敲除已被證明通過影響足細胞足突消失來誘導蛋白尿，從而影響負責腎臟血液大小選擇性過濾的細胞層。對已知疾病變異非隨機相關的血漿蛋白質進行表征可能進一步指導藥物重定位和用于患者選擇的生物標志物識別。例如，TYK2的一個錯義變異（rs34536443，p.P1104A）可作為多個蛋白質 (BST2, CXCL9, CXCL10, CXCL11, IL-12RB1和PDCD1) 的反式pQTL。這六種靶蛋白在血漿中的高水平與類風濕性關節炎、甲狀腺功能減退癥和牛皮癬的更高疾病風險相關。在TYK2位點，還有強有力的證據表明這些蛋白質與疾病風險之間存在共享的遺傳信號。牛皮癬是TYK2抑制劑deucravacitinib已獲批的適應癥，該藥物可減輕患者的炎癥負擔，這一作用得到了遺傳學證據的支持。因此，相關的循環蛋白質特征可能提示有這些自身免疫疾病風險的患者存在早期的炎癥失調，而患者中持續升高的血漿水平可能有助于識別那些最有可能從治療中獲益的人群，并監測治療成功與否，這已經在deucravacitinib的一項2期試驗被證明。盡管對于銀屑病等疾病，治療成功可能很容易監測，但這個例子說明了反式pQTL在指導不同目的的生物標志物優先級排序方面的轉化價值，這既使患者受益，也為藥物重定位提供了信息。

總的來說，這是一項大規模、多隊列的蛋白質基因組學研究，鑒定了影響循環蛋白質水平的遺傳位點，揭示了調控循環蛋白質組的通路和細胞類型，并強調了其對疾病的洞察以及潛在治療機會的證據。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867426003855

制版人： 十一

參考文獻

1. Kachuri, L., Hoffmann, T.J., Jiang, Y., Berndt, S.I., Shelley, J.P., Schaffer, K.R., Machiela, M.J., Freedman, N.D., Huang, W.Y., Li, S.A., et al. (2023). Genetically adjusted PSA levels for prostate cancer screening.Nat. Med.29, 1412–1423.

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