转录组范围关联研究揭示肺癌风险新基因：基于GTEx v8的多组织模型分析

本文通过整合GTEx v8基因表达数据与肺癌GWAS汇总数据，采用单组织（肺组织）和联合组织（JTI）模型进行转录组范围关联研究（TWAS），成功鉴定出40个与总体肺癌风险相关的基因（其中17个为新发现）及53个与肺癌亚型风险相关的基因（27个为新发现）。研究首次报道了ZKSCAN4等13个远离GWAS已知位点（>2 Mb）的独立风险基因，并通过条件分析验证了IREB2等7个基因在GWAS位点内的独立作用。该研究为解析肺癌遗传机制提供了新视角。

　　

ABSTRACT

背景

全基因组关联研究（GWAS）已鉴定超过80个肺癌易感位点，但其潜在因果基因仍不明确。

方法

研究利用GTEx v8中706例欧洲裔样本的肺组织及48种其他组织的RNA-Seq数据，分别构建肺组织特异性模型（8,624个基因）和联合组织模型（11,341个基因）。通过PrediXcan和S-PrediXcan方法，将模型应用于包含29,266例肺癌病例和56,450例对照的GWAS数据，评估基因预测表达水平与肺癌风险的关联。显著性阈值采用Bonferroni校正（总体肺癌_单组织p≤5.8×10^?6，_联合组织p≤4.4×10^?6）。

结果

1. 1.
   模型构建：联合组织模型相比单组织模型可预测更多基因（11,341 vs 8,624），且使用更少遗传变异（中位数11 vs 24个SNP/基因）。
2. 2.
   总体肺癌风险基因：共发现40个显著关联基因，其中ZKSCAN4位于已知GWAS位点>2 Mb以外。在其余39个位于GWAS位点2 Mb内的基因中，条件分析显示7个基因（RNF39、PPP1R11、IREB2、CHRNA5、CHRNA3、UCKL1、PRPF6）的关联独立于邻近GWAS先导变异。
3. 3.
   肺癌亚型风险基因：
   • •
     肺腺癌（LUAD）：17个显著基因，包括FUBP1和AQP3（远离GWAS位点）。
   • •
     肺鳞癌（LUSC）：34个显著基因，其中ZSCAN26、ZSCAN9等6个基因位于新区域。
   • •
     小细胞肺癌（SCC）：7个显著基因，如MARCH1、BTN2A2等。
4. 4.
   功能富集：55个蛋白编码基因在尼古丁相关通路（如胆碱能突触传递）中呈现名义性富集，但未通过多重检验校正。

结论

本研究通过大规模TWAS揭示了肺癌遗传结构的新层面，发现超过50个候选易感基因，其中44%为新发现。这些基因为阐明肺癌发病机制提供了新线索，并为后续功能实验验证奠定基础。

3 Results

3.1 肺组织基因表达预测模型构建

肺组织模型成功构建8,624个基因（7,806个蛋白编码基因，818个lincRNA），联合组织模型成功构建11,341个基因（10,062个蛋白编码基因，1,279个lincRNA）。联合组织模型使用更少遗传变异（中位数11个SNP/基因）且覆盖更多基因。

3.2 预测基因表达与肺癌风险的关联

• •
  肺组织模型：28个基因与总体肺癌风险显著相关。
• •
  联合组织模型：37个基因与总体肺癌风险显著相关。
• •
  一致性分析：34个基因在两种模型中均可用，其中32个基因关联方向一致，23个基因在两种模型中均达到Bonferroni校正显著性。

3.3 远离GWAS已知位点的13个肺癌风险基因

• •
  总体肺癌：ZKSCAN4（6p22.1）在肺组织模型（p=5.19×10^?7）和联合组织模型（p=1.60×10^?7）中均显著。
• •
  LUAD：FUBP1（1p31.1）和AQP3（9p13.3）表达升高与风险降低相关。
• •
  LUSC：ZSCAN26、ZSCAN9、ZKSCAN3等6个基因显著，其中ZKSCAN4在联合组织模型中p值达3.67×10^?9。
• •
  SCC：MARCH1、FRS3等5个基因被识别，部分基因如ZSCAN9仅在联合组织模型中达到显著性。

3.4 独立于GWAS变异的11个肺癌风险基因

• •
  总体肺癌：IREB2（p_调整后=4.08×10^?11）、CHRNA5（p_调整后=4.04×10^?7）和CHRNA3（p_调整后=6.49×10^?8）显示强独立关联证据。
• •
  LUAD：PRPF6和UCKL1独立于rs75031349。
• •
  LUSC：HLA-DQB1、CYP21A2等5个基因通过条件分析验证独立性。

3.5 由GWAS变异驱动的肺癌风险基因

• •
  32个基因与总体肺癌的关联在调整邻近GWAS先导变异后消失或减弱（如FUBP1、HLA-DQB1）。
• •
  亚型分析中，34个基因的关联由GWAS变异驱动，例如LUAD中的TP63、LUSC中的RNF5。

3.6 肺癌TWAS基因的功能富集分析

Enrichr分析显示，55个基因在胆碱能突触传递（GO:0007271）和尼古丁代谢（Reactome）等通路中名义性富集（p<0.05），但未通过FDR校正。

4 Discussion

本研究首次系统鉴定远离GWAS位点的肺癌风险基因（如ZKSCAN4），并验证多位点内独立作用基因（如IREB2）。与既往TWAS相比，GTEx v8数据及多组织模型提升了解析力。发现的锌指蛋白基因（ZKSCAN4/ZSCAN9等）可能通过转录调控参与肺癌发展，而FRS3、BTN2A2等基因为免疫调控机制提供新线索。研究局限性包括TWAS无法区分因果与多效性，需后续孟德尔随机化、多组学整合及功能实验验证。