多组学孟德尔随机化整合RNA测序、eQTL与pQTL数据揭示CPXM1作为骨质疏松症潜在药物靶点

本研究针对骨质疏松症治疗靶点有限的临床难题，创新性整合转录组测序（RNA-seq）、表达数量性状位点（eQTL）和蛋白数量性状位点（pQTL）数据，通过多组学孟德尔随机化（MR）分析发现羧肽酶X M14家族成员1（CPXM1）与骨质疏松风险存在因果关联。实验验证表明CPXM1在人和小鼠骨质疏松模型中均显著上调，基因集富集分析（GSEA）揭示其通过调控细胞外基质降解和成骨细胞分化通路影响骨稳态，全表型组关联研究（PheWAS）证实其靶向安全性。研究进一步通过计算药物重定位预测了阿霉素等潜在治疗药物，为骨质疏松靶向治疗提供了新方向。

随着全球老龄化进程加速，骨质疏松症已成为严峻的公共卫生挑战。这种以骨密度下降和骨折风险增高为特征的骨骼系统疾病，目前主要依靠双膦酸盐类等传统药物治疗，但存在疗效局限和安全性问题。面对这一困境，科学家们开始从多组学整合分析中寻找突破口，试图通过遗传学手段揭示骨质疏松的分子机制并发现新型治疗靶点。

南方医科大学口腔医院的连俊祥等研究人员在《Hereditas》发表了创新性研究，他们采用多组学孟德尔随机化（Mendelian randomization, MR）方法，整合RNA测序（RNA-seq）、表达数量性状位点（expression quantitative trait loci, eQTL）和蛋白数量性状位点（protein quantitative trait loci, pQTL）数据，发现了羧肽酶X M14家族成员1（CPXM1）作为骨质疏松症的潜在治疗靶点。这项工作不仅为骨质疏松的药物开发提供了新方向，也展示了多组学数据整合在复杂疾病靶点发现中的强大能力。

研究团队首先通过组织形态学分析揭示了年龄相关的骨微结构退化。对3月龄和18月龄C57BL/6小鼠的股骨组织进行苏木精-伊红（HE）染色显示，老年组小鼠表现出骨小梁数量减少、结构稀疏以及骨髓腔扩大的典型骨质疏松特征。定量分析证实老年组的骨体积分数（BV/TV）和骨表面积（BS）均显著降低，这为后续分子机制研究提供了形态学基础。

转录组分析进一步揭示了年龄相关的基因表达变化。RNA测序鉴定出306个差异表达基因（DEGs），其中295个基因上调，11个基因下调。聚类热图显示年轻组和老年组之间存在明显的转录组差异。基因集富集分析（GSEA）发现老年小鼠中细胞外基质降解通路（NES=2.072，P=1×10^-10）和胶原降解通路（NES=2.104，P=2.98×10^-9）显著激活，而成骨细胞分化的负调控通路受到抑制，这表明老年骨组织中存在骨吸收增强和骨形成减弱的双重失衡。

研究的关键创新在于应用多组学孟德尔随机化分析来识别因果基因。研究人员将RNA-seq鉴定的DEGs与eQTLGen联盟的cis-eQTL数据和deCODE蛋白质组学研究的pQTL数据相交集，筛选出31个候选基因。MR分析发现四个基因与骨质疏松风险存在显著因果关联：COL6A2（OR=1.001，P=0.029）、CPXM1（OR=1.005，P=0.018）和MGP（OR=1.003，P=0.004）增加风险，而SPARC（OR=0.997，P=0.016）具有保护作用。

在蛋白质水平上，pQTL-MR分析进一步验证了ECM1（OR=1.0006，P=0.029）、CPXM1（OR=1.0009，P=0.048）和ENPP2（OR=1.002，P=0.004）的风险促进作用，而MGP显示出保护效应（OR=0.997，P=7.26×10^-6），与其在eQTL水平的结果相反。这种转录水平和蛋白质水平的不一致提示MGP可能存在复杂的转录后调控机制。

CPXM1作为研究的主要发现，在人和小鼠模型中得到了进一步验证。分析骨质疏松患者和年龄匹配非骨质疏松供体的骨髓间充质干细胞（MSCs）RNA-seq数据（GSE35958）发现，CPXM1在患者组中显著上调。在小鼠年龄模型中，qRT-PCR分析显示18月龄小鼠股骨组织中CPXM1表达比3月龄小鼠提高了27倍（P=0.0035），这与人类数据高度一致。

组织特异性表达分析显示CPXM1在卵巢、胆囊和子宫内膜中高表达，这一分布特征可能解释了其作用的靶器官和通路。重要的是，全表型组关联研究（PheWAS）显示CPXM1与其他表型无全基因组显著关联（P<5×10^-8），表明靶向CPXM1治疗骨质疏松可能具有较好的安全性，不会产生明显的脱靶效应。

基于这些发现，研究人员通过药物特征数据库（DSigDB）进行了计算药物重定位分析，预测出多个可能靶向CPXM1通路的候选药物，包括阿霉素（Doxorubicin）（P=0.0375，OR=19250.00）、5-氟尿嘧啶（5-Fluorouracil）（P=0.0601，OR=18798.00）和2-甲基胆碱（2-Methylcholine）（P=0.0833，OR=18334.00）。这些化合物虽然原本是抗癌药物，但其作用机制可能与调节骨代谢相关，为老药新用提供了思路。

本研究采用了多项关键技术方法：通过组织形态学分析评估年龄相关的骨微结构变化；使用RNA测序技术（Illumina Novaseq 6000/MGISEQ-T7平台）分析年轻和老年小鼠股骨的转录组差异；应用孟德尔随机化（MR）分析整合eQTL（eQTLGen Consortium Phase 2）和pQTL（deCODE proteomics cohort，N=35,559）数据推断因果关联；采用基因集富集分析（GSEA）揭示差异表达基因的功能通路；通过全表型组关联研究（PheWAS）评估靶点安全性；利用计算药物重定位（DSigDB数据库）预测潜在治疗化合物。人类样本来源于骨质疏松患者和年龄匹配非骨质疏松供体的骨髓间充质干细胞（GSE35958数据集）。

研究结论部分强调，CPXM1作为一个新型的骨质疏松症因果介质，通过多组学MR框架的整合分析被成功识别。转录组和蛋白质组验证表明CPXM1上调与年龄相关的骨小梁丢失和骨质疏松表型相关。跨eQTL和pQTL分析的一致风险效应（P<0.05），结合PheWAS中缺乏全基因组多效性证据（P<5×10^-8），共同支持CPXM1作为骨质疏松治疗的优先靶点。

讨论部分指出，虽然CPXM1被归类为M14金属羧肽酶家族成员，但数据库注释和序列分析表明它缺乏酶活性所需的关键残基。功能研究表明小鼠同源物CPX-1是分泌蛋白，含有一个discoidin样结构域并通过该结构域结合胶原，但无催化活性。这表明CPXM1可能作为细胞外基质（ECM）相互作用的支架蛋白，参与细胞外基质组织或信号调制，而非典型的蛋白水解酶。这一发现为理解骨质疏松的分子机制提供了新视角。

该研究的创新价值在于建立了多组学MR分析框架，将遗传变异与分子表型和疾病风险联系起来，为复杂疾病的靶点发现提供了新范式。CPXM1的发现不仅为骨质疏松治疗提供了潜在新靶点，其研究方法也可推广到其他复杂疾病的研究中。然而，研究也存在一些局限，如主要基于欧洲人群的遗传数据，限制了在其他人群中的普适性；小鼠模型与人类骨骼代谢存在种属差异；以及预测的药物候选物原本为抗癌药物，其用于骨质疏松治疗需要进一步的安全性和有效性评估。

总之，这项研究通过创新的多组学整合策略，揭示了CPXM1在骨质疏松中的关键作用，为开发新的治疗策略提供了科学依据。随着进一步的功能验证和药物优化，靶向CPXM1可能成为骨质疏松精准治疗的新选择，特别是在传统治疗效果不佳或存在禁忌的患者中具有重要应用前景。