全基因组测序揭示罕见蛋白编码变异对代谢健康的新机制——RIF1、UBR3和IRS2基因的重大发现

研究人员利用UK Biobank和All of Us队列的大规模全基因组测序数据（n=708,956），开展基因负荷检验分析，发现RIF1（BMI↑）、UBR3（BMI↑、T2D↑）和IRS2（T2D↑，OR=6.4）等基因的蛋白截短变异（PTV）显著影响代谢表型。IRS2变异还独立增加慢性肾病风险，提示其在肾脏健康中的新作用。该研究为代谢疾病机制提供了新见解。

　　

近年来，随着大规模基因组测序技术的飞速发展，科学家们对人类复杂疾病遗传基础的理解正在不断深化。全基因组关联研究（GWAS）已经成功识别出大量与常见代谢性疾病如肥胖和2型糖尿病（T2D）相关的常见遗传变异，然而这些变异多位于非编码区，其生物学机制和因果基因往往难以确定。相比之下，外显子组测序（WES）和全基因组测序（WGS）能够更直接地捕获蛋白质编码区域的罕见功能变异，从而更可靠地识别致病基因和效应方向，为疾病机制研究和新的治疗靶点发现提供重要线索。

尽管WES在识别罕见编码变异方面已取得显著成果，例如发现GIGYF1、BSN、MAP3K15和GPR75等基因的罕见功能变异与T2D或肥胖相关，但WGS技术不仅覆盖非编码区域，还能更全面地捕捉编码序列中的功能变异，为遗传研究带来新的机遇。在此背景下，研究人员利用英国生物银行（UK Biobank）和“我们所有人”（All of Us）计划的大规模WGS数据（总样本量达708,956人），旨在系统探索罕见蛋白质编码变异与两种重要代谢性状——体质量指数（BMI）和T2D风险之间的关联，以揭示新的生物学机制和治疗靶点。

为开展本研究，研究人员主要依托UK Biobank（n=489,941）和All of Us（n=219,015）两大队列的WGS数据，采用基因负荷检验（gene-burden test）方法，对19,457个蛋白质编码基因中罕见（次要等位基因频率MAF<0.1%）的功能变异进行关联分析。具体技术方法包括：使用Graphtyper和Hail进行基因型调用和质量控制；利用Ensembl VEP、LOFTEE、CADD和REVEL等工具进行功能注释；通过BOLT-LMM软件进行遗传关联分析，并调整年龄、性别、基因型批次和祖先主成分等协变量；采用表型关联扫描（PheWAS）探索基因变异与多种健康性状的关系；使用STAAR等方法在独立队列中验证发现的显著关联。

识别与BMI和T2D相关的新基因

研究人员在UK Biobank队列中进行了全基因组范围的基因负荷检验，以识别与BMI或T2D显著相关的基因。分析涵盖了三种功能变异类别：高可信度蛋白截短变异（PTV），以及REVEL评分大于0.5或0.7的错义变异。经过多重检验校正后，共发现21个基因与BMI（10个基因）或T2D（12个基因）显著相关，其中UBR3是唯一一个与两种性状均相关的基因。

新发现的BMI遗传风险因子

分析新识别出三个与较高成人BMI相关的基因：RIF1、UBR3和TNK2。RIF1是DNA双链断裂修复通路中的效应因子，其PTV携带者的BMI显著升高（β=2.66 kg/m2，P=3.7×10^–10）。此外，常见变异分析显示，TNK2基因座附近的GWAS信号与该基因功能相关，例如TNK2表达数量性状基因座（eQTL）与BMI关联，且其表达降低与BMI增加方向一致。

新发现的T2D遗传风险因子

研究识别出七个此前未在人群研究中报道的与T2D风险相关的基因，包括IRS2、UBR3、NAA15和RMC1等。其中，IRS2编码胰岛素信号通路中的关键衔接蛋白，其PTV对T2D风险的影响尤为显著（OR=6.4，P=9.9×10^–14）。常见变异分析也发现IRS2、RMC1、IP6K1和HNF4A基因座附近存在显著的T2D关联信号。

敏感性分析和多祖先WGS方法的优势

为验证发现的罕见变异关联是否受常见变异干扰，研究人员调整了多基因风险评分和区域常见关联信号，结果显示罕见变异效应依然显著。此外，与WES相比，WGS不仅样本量更大，还能识别更多编码变异，平均χ2值增加21%，且额外变异大多具有功能相关性。例如，在IRS2中，WGS比WES多识别出79%的PTV。

在All of Us队列中验证新发现

研究人员在All of Us队列（n=219,015）中验证了UK Biobank的发现。结果显示，三个BMI相关基因中的两个（RIF1和UBR3）以及七个T2D相关基因中的三个（IRS2、UBR3和HNF4A）得到成功复制（P<0.05），且这些关联在调整BMI后仍保持显著。

表型关联扫描揭示IRS2在肾脏健康中的作用

为探索新发现基因的广泛表型效应，研究人员对UK Biobank中79个性状进行了表型关联扫描（PheWAS）。结果发现，IRS2 PTVC与较低的基于胱抑素C的估计肾小球滤过率（eGFR）显著相关（β= -12.92 ml/min/1.73m2，P=4.9×10^–12），且这种效应在非糖尿病人群中同样存在。此外，IRS2 PTV携带者的慢性肾脏病（CKD）风险增加约四倍（OR=4.0，P=3.1×10^–4），表明IRS2在肾脏健康中具有独立于糖尿病的重要作用。

IRS1与IRS2的功能异质性

IRS1和IRS2是胰岛素/IGF1信号通路中的关键节点。研究人员比较了IRS1和IRS2功能缺失变异的表现效应，发现IRS1 PTV携带者的瘦体重和身高降低，而IRS2 PTV携带者则无此变化，但T2D风险显著增加。这与小鼠模型中的发现一致，提示IRS1主要介导IGF1信号对生长和瘦体重的影响，而IRS2则更重要的调节葡萄糖耐受性，可能源于其在胰腺β细胞中的关键作用。

UBR2和UBR3在体成分和代谢风险中的作用

UBR2和UBR3是相关的E3泛素连接酶。研究发现，UBR2和UBR3 PTV与较高的全身脂肪质量相关，而UBR2 PTV还轻微增加瘦体重。此外，UBR3 PTV从幼年起就增加肥胖风险，且独立升高T2D和高血压风险。这些发现提示UBR2和UBR3在代谢健康中具有重要但异质性的调节作用。

本研究通过大规模WGS数据分析了罕见蛋白编码变异对BMI和T2D的影响，发现了RIF1、UBR3和IRS2等多个新基因，并揭示了这些基因在代谢健康和肾脏功能中的新机制。尤其重要的是，IRS2功能缺失变异不仅大幅增加T2D风险，还独立升高慢性肾脏病风险，提示该基因在维持肾脏健康中具有重要作用。此外，研究证实了WGS相对于WES在识别编码变异方面的优势，为未来遗传研究提供了重要方法学参考。这些发现不仅深化了对代谢疾病遗传架构的理解，也为新治疗策略的开发指明了方向。