基于DNA甲基化预测的蛋白质水平差异揭示雅库特与俄罗斯中部人群的寒冷适应机制

本研究创新性地利用DNA甲基化数据估算循环蛋白水平，首次在表观遗传层面系统比较了雅库特与俄罗斯中部人群的蛋白质组差异。研究发现25个蛋白替代标志物存在显著区域变异，并富集于PI3K-Akt信号通路和MET受体激活等与能量代谢和体温调节密切相关的通路。这些发现为理解人类对极端环境的生理适应机制提供了新的蛋白质组学视角，凸显了甲基化衍生蛋白估算方法在缺乏直接蛋白测量数据的研究中的补充价值。

　　

背景

居住在亚北极地区的人群，如俄罗斯萨哈共和国的雅库特人，已经适应了极端的环境条件，包括严寒、显著的日光变化和食物供应波动。尽管全基因组关联研究（GWAS）和表观基因组关联研究（EWAS）提供了相关见解，但这些适应背后的生物学机制仍不清楚。由于蛋白质谱可能更直接地反映功能性生理状态，本研究旨在通过分析DNA甲基化数据，利用甲基化为基础的循环蛋白水平估算器，来探究雅库特地区居民与俄罗斯中部居民之间的估计蛋白质组差异。

方法

研究样本包括245名健康俄罗斯参与者的公开DNA甲基化数据。中部俄罗斯样本包括131名来自下诺夫哥罗德、弗拉基米尔和莫斯科地区的 ethnic Russian 参与者。雅库特样本包括114名来自雅库茨克及周边乡村的土著雅库特人。所有参与者均经过严格筛选，排除患有慢性疾病、癌症或急性感染的个体。

DNA甲基化分析使用Illumina Infinium MethylationEPIC BeadChip芯片进行。原始IDAT文件经过预处理，包括功能归一化、探针类型偏倚校正以及使用ComBat方法校正批次效应。随后，使用ENmix包中的methscore函数计算109种循环蛋白生物标志物的表观遗传分数。对于缺失的必要CpG位点，该函数使用参考数据进行插补后再计算分数。

主要统计分析采用线性模型检验俄罗斯地区（雅库特与中部）与表观遗传衍生的蛋白生物标志物之间的关系。模型针对 chronological age、性别和基于DNA甲基化估算的白细胞比例进行了调整。还进行了不包括白细胞比例调整的敏感性分析。统计显著性定义为错误发现率调整后的P值小于0.05。对主要分析和敏感性分析中具有统计学意义的蛋白质进行了STRING数据库通路富集分析。

此外，基于初步分析结果，进行了次要的有丝分裂时钟分析，评估了居住地区与两个表观遗传有丝分裂时钟的关联。

结果

在调整了 chronological age、性别和估算的白细胞比例的模型中，有18种蛋白质与俄罗斯地区显著相关。雅库特人的Afamin、CD6、C5a和GZMA四种蛋白的估计水平显著较低，而CCL17、CD163、FCER2、HGF、HGFA、HGF1、LTAB、MMP9、OSM、S100-A9、SKR3、Testican-2、TGFA和THBS2等14种蛋白的估计水平显著较高。在未调整白细胞比例的敏感性分析模型中，有16种蛋白质与地区显著相关，其中9种与主要分析重叠，7种为新发现。

STRING数据库通路富集分析显示，与背景列表相比，显著相关的蛋白质在Reactome通路中显著富集于MET受体激活，在KEGG通路中显著富集于磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B信号通路。

蛋白质相互作用网络图和基因共表达热图揭示了显著的蛋白间关联，例如LTB与CD6以及Testican-2之间的关联，HGFA与HGF、OSM和MMP9之间的关联，以及GNLY与GZMA之间的强共表达关系。

在次要的有丝分裂时钟分析中，雅库特人在epiTOC2上显示出显著较低的估计有丝分裂干细胞分裂数，而MiAge的关联未达到统计学显著性。在未调整白细胞比例的模型中，两者均无显著关联。

讨论

本研究通过DNA甲基化为基础的循环蛋白替代标志物，探索了雅库特与俄罗斯中部居民之间可能存在的生物学过程差异。分析发现了25个独特的蛋白替代标志物存在区域变异，这些蛋白富集的通路与能量代谢和体温调节相关，例如PI3K-Akt信号通路和MET受体激活。一些蛋白与先前GWAS发现的基因对应，但据我们所知，没有与EWAS发现的差异甲基化基因对应，这表明甲基化蛋白估算方法可能捕获了生理调控中独特且互补的方面。

通路分析结果具有生物学合理性。PI3K-Akt信号通路在维持代谢稳态中起关键作用，并参与体温调节。MET受体信号在细胞能量代谢中扮演重要角色，并可激活包括PI3K-Akt在内的下游通路。研究中发现的与这些通路相关的蛋白质，如OSM、HGF、FGF21等，大多与代谢调节和胰岛素抵抗有关。

研究还发现了一些与免疫相关的蛋白质存在差异，例如CD163、FCER2、GZMA等，并且蛋白相互作用网络显示了免疫相关蛋白之间的强关联。这提示免疫调节可能在区域适应差异中发挥作用。

基于部分蛋白与癌症通路相关，研究进一步探讨了地区与两个与癌症风险相关的表观遗传有丝分裂时钟的关联。结果发现雅库特人具有较低的估计细胞分裂率，这可能暗示其血液系统癌症风险较低，但这一发现是推测性的，需要进一步研究证实。

研究的优势在于使用了经过验证的DNA甲基化蛋白分数。然而，也存在一些局限性。甲基化蛋白分数是相对值，不能反映绝对蛋白浓度，需要直接蛋白测量验证。研究数据集中参与者人口统计学和生活方式信息有限，可能存在残留混杂。横断面设计限制了因果推断。此外，样本采集季节信息未知，可能受季节性影响。部分CpG位点缺失通过插补处理，但缺失率较低。

结论

本研究识别了雅库特与俄罗斯中部居民在DNA甲基化估算的循环蛋白水平上存在的差异。这些差异富集的生物学通路与先前GWAS和EWAS发现的代谢相关通路一致，可能有助于解释人群对其气候的适应机制。研究结果支持了甲基化衍生蛋白估算方法在研究环境适应等相关问题时作为初步探索工具的潜在效用。然而，仍需通过直接蛋白测量和实验框架来验证这些发现。

文章亮点包括：使用甲基化估算器间接评估了雅库特与俄罗斯中部居民的蛋白质组差异；识别出25个存在区域变异的蛋白替代标志物；这些蛋白富集于PI3K-Akt信号和MET受体激活通路；部分蛋白标志物与先前GWAS而非EWAS基因相关联，提示了蛋白质组估算的互补价值；研究结果支持甲基化衍生蛋白替代标志物在人群水平研究中用于探索区域差异的实用性。