全基因组关联研究与多基因风险评分揭示甲状腺功能减退症的遗传基础和临床预测价值

《Nature Genetics》：Genome-wide association study and polygenic risk prediction of hypothyroidism

本研究针对甲状腺功能减退症诊断延迟和亚临床甲状腺功能减退症(SCH)进展预测困难等临床挑战，通过开展大规模全基因组关联研究(GWAS)荟萃分析，纳入113,393例病例和1,065,268例对照，鉴定出350个风险位点，其中179个为新发现。研究人员开发了包含110万+变异的PRS，发现结合PRS与甲状腺激素、甲状腺过氧化物酶抗体(anti-TPO)可显著提升预测准确性，PRS还能有效分层SCH患者的疾病进展风险，为甲状腺激素缺乏症的精准预测提供了新工具。

　　

甲状腺功能减退症是一种常见却难以捉摸的代谢性疾病。患者往往表现出乏力、皮肤干燥、记忆力减退等非特异性症状，导致诊断延迟。据统计，约0.5%的病例未被确诊，这种"隐形"的疾病负担给公共卫生带来了严峻挑战。更令人担忧的是，甲状腺激素缺乏与冠状动脉疾病、心力衰竭和代谢综合征的风险增加密切相关。

临床上，甲状腺功能筛查已成为常规检查，某些人群中高达25%的个体每年接受甲状腺功能检测。虽然典型甲状腺功能减退症的诊断相对明确，但亚临床甲状腺功能减退症(SCH)的管理却充满争议。SCH以甲状腺刺激激素(TSH)升高(>4 mU/L)而游离甲状腺素(fT₄)在正常范围为特征。当前指南建议当TSH超过10 mU/L，或患者年轻、抗甲状腺过氧化物酶抗体(anti-TPO)阳性、患有心血管疾病或出现甲状腺功能减退症状时考虑治疗。然而，仅依据症状决策可能导致过度诊断和治疗，因为这些症状在甲状腺功能正常的人群中也常见。同时，仅基于生化指标又可能造成过度治疗，因为超过三分之一的甲状腺功能异常患者会在无干预情况下自发缓解。

除了生化检测外，目前缺乏能够区分疾病进展高风险和低风险患者的风险评估工具。考虑到甲状腺功能减退症的高遗传度(双胞胎研究估计55%的疾病风险可归因于遗传因素)和多基因性质，研究人员假设，一个包含数百万个序列变异、效力良好的多基因风险评分(PRS)可能有助于识别高风险个体。

这项发表在《Nature Genetics》上的研究开展了迄今为止最大规模的甲状腺功能减退症遗传学研究，通过全基因组荟萃分析揭示了该疾病的遗传结构，并开发了具有临床实用性的多基因风险预测工具。

研究人员为开展这项研究整合了多个大型队列资源。他们纳入了113,393例甲状腺功能减退症病例和1,065,268例对照，这些数据来自哥本哈根医院生物样本库-慢性炎症性疾病/丹麦献血者研究(CHB-CID/DBDS)、英国生物样本库(UKB)、FinnGen和23andMe等欧洲人群队列。同时，他们还对甲状腺激素进行了荟萃分析，包括191,449例fT₄测量个体和482,873例TSH测量个体。通过质量控制和统计分析，研究人员采用逻辑回归和线性回归模型进行关联分析，并使用固定效应逆方差加权法进行荟萃分析。基因定位方面，他们运用了五种方法：编码变异分析、V2G(变异到基因)算法、多基因优先评分(PoPS)、孟德尔疾病富集分析以及转录组关联研究(TWAS)与共定位分析。多基因风险评分(PRS)使用PRS-CS方法推导，并在独立队列中进行验证。

基因组关联分析结果

研究团队在基因组显著性水平(P<5×10^-8)上鉴定了319个位点，其中150个是此前未报告的。使用更严格的阈值(P<1×10^-9)时，发现了247个位点，其中86个为新发现。甲状腺功能减退症的遗传度估计为14.5%。大多数先导单核苷酸多态性(SNP)效应值较小(中位数比值比OR=1.03)。研究人员还发现了几种低频编码变异，包括TSHR中已知的无义变异(p.Trp546Ter; OR=7.67)以及NFK-BIZ(p.Gly102Ala; OR=0.83)和SIPR4(p.Arg243Cys; OR=0.91)中两个新的保护性错义变异。

内表型驱动分析

通过将TSH全基因组关联研究结果作为先验信息，研究人员增强了甲状腺功能减退症的基因组发现能力。在297个TSH变异中，186个与甲状腺功能减退症关联(错误发现率FDR<0.01)，其中29个代表甲状腺功能减退症的新关联。总计通过甲状腺功能减退症荟萃分析或TSH驱动方法确定了350个非重叠位点，其中179个是此前未报告的。

与炎症特征的关联

为探究甲状腺功能减退症变异在自身免疫中的作用，研究人员测试了先导变异与外周血细胞计数和90种炎症蛋白的关联。发现350个先导变异中的153个(44%)与血细胞特征相关，55个与至少一种炎症标志物关联。关联数量最多的炎症标志物是IL12B(14/55)和FLT3LG(9/55)。研究人员特别强调了四个风险缓解变异：NFKBIZ中的错义变异rs149007883、TYK2中的rs34536443、STING1中的内含子变异rs13181561和NKFB1中的rs113473633，这些变异与较低水平的炎症介质相关，包括IFN-γ、CXCL10和CXCL9，这些介质构成了与甲状腺功能减退症相关的自身免疫疾病的关键致病通路。

基因定位

通过五种基因定位方法，研究人员发现205个甲状腺功能减退症位点至少有两种基因定位证据，优先考虑了259个基因。基因富集分析强调了免疫系统相关通路中的几个基因，以及甲状腺激素代谢(如GATA3、TPO、DIO1和TG)或甲状腺发育(如FGF10、TG、NKX2-1和THRA)中富集的基因。

PRS与甲状腺功能减退症预测

研究人员从包含超过116,000例甲状腺功能减退症病例的荟萃分析中推导出包含1,107,248个变异的PRS。在UKB中，PRS与甲状腺功能减退症显著关联(OR=2.01每标准差增加)。PRS分布极端个体的风险显著增加：处于上十分位、上百分位和上千分位的个体OR分别为4.14、7.49和14.10。PRS的表现优于所有其他风险因素，将曲线下面积(AUC)提高了7.2%。在GESUS队列中，将PRS加入包含甲状腺激素和anti-TPO的模型后，风险预测显著改善(AUC从0.849增至0.859)。对于anti-TPO阴性个体，PRS最高10%的个体发生甲状腺功能减退症的风险增加近两倍(HR=1.97)。

SCH患者的疾病进展

研究人员从UKB初级保健数据中确定了8,114名生化定义为SCH的个体，研究PRS是否能识别更可能或更不可能进展为典型疾病的个体。与中等多基因风险个体相比，高多基因风险(>90百分位)个体进展为典型甲状腺功能减退症的风险比(HR)为1.43，而低风险(≤10百分位)个体的HR为0.76。在绝对尺度上，高风险个体的10年转化率高出10.2%(39.3%对比29.1%)，低风险个体低6.6%(22.5%对比29.1%)。

生活方式因素与遗传风险的相互作用

研究人员基于BMI、运动、吸烟和饮食习惯构建了四点评分系统，探究甲状腺功能减退症风险与生活方式类别的关系。发现健康生活方式特征与甲状腺功能减退症风险降低相关。无肥胖个体风险较低(HR=0.71)，不吸烟者风险也较低(HR=0.79)。总体而言，坚持健康生活方式对应HR为0.83，不健康生活方式对应HR为1.26。通过探索PRS与生活方式因素的相互作用，研究人员能识别极端疾病风险个体。60岁以上、PRS处于分布前10%、肥胖、吸烟且不规律运动的女性风险最高，10年风险达50%。

与癌症和心血管代谢表型的关联

研究发现较高PRS与皮肤癌(OR=0.92)、前列腺癌(OR=0.94)和乳腺癌(OR=0.95)风险较低相关。同时，较高PRS与几种心血管代谢疾病风险增加相关，包括冠状动脉疾病(CAD)(OR=1.06)、慢性肾病(OR=1.06)和2型糖尿病(OR=1.05)。

本研究通过甲状腺功能减退症和甲状腺激素的大规模GWAS荟萃分析，对甲状腺激素缺乏进行了全面遗传评估。研究结果证实并扩展了对甲状腺功能减退症多基因和复杂性质的理解，将350个遗传位点与该疾病联系起来。通过将遗传位点与免疫相关细胞和循环炎症标志物联系起来，研究人员描述了疾病的潜在介质。利用基因优先方法，确定了在自身免疫中具有已知作用的推定基因，这与世界碘充足地区的主要病因一致。

研究强调的与炎症标志物的关联可能为炎症致病机制提供见解。特别值得注意的是四个风险缓解变异，它们与炎症介质(包括IFN-γ、CXCL10和CXCL9)水平较低相关，这些介质是许多自身免疫疾病(包括与甲状腺功能减退症密切相关的白癜风、银屑病和银屑病关节炎)的核心致病通路。这与自身免疫性甲状腺功能减退症患者血清和甲状腺组织中IFN-γ表达增加相一致，后者通过淋巴细胞浸润和甲状腺细胞暴露于促炎细胞因子介导甲状腺激素缺乏。

人类遗传证据已被认为是药物开发计划成功的重要预测因子。研究人员观察到共同和罕见蛋白质改变变异(PAV)在TYK2和ZAP70中与甲状腺功能减退症风险降低相关的汇聚证据。尽管抑制TYK2的治疗潜力已用于多种自身免疫疾病，但其在减轻甲状腺功能减退症风险方面的潜力大多未被探索。这可能为药物重定位指明战略方向。同样，抑制ZAP70的蛋白产物(对T细胞信号传导也至关重要)已在体外显示具有抗炎特性，并在小鼠中有效治疗银屑病。鉴于其相似的通路和风险降低特征，ZAP70也成为在自身免疫疾病管理背景下进一步研究的候选靶点。

由于甲状腺功能减退症的高度多基因性质，研究人员从超过116,000例病例开发了PRS，以解决甲状腺激素缺乏的诊断挑战。PRS在分布前1%和0.1%的个体显示风险增加超过7倍和14倍，显著高于其他复杂性状和已知的甲状腺功能减退症单基因原因。使用两个独立验证队列，研究人员证明PRS不仅优于一系列临床风险因素，而且提高了超越甲状腺激素和anti-TPO的风险预测。

临床实践中甲状腺激素检测的普及不可避免地导致大量患者被诊断和治疗SCH。早期治疗有益于预防进展为典型甲状腺功能减退症和减轻相关心血管疾病风险。然而，SCH向典型疾病发展的临床过程不可预测，且依赖于模糊和非特异性症状。研究表明PRS能够识别SCH向典型疾病进展的高风险和低风险个体。如果基因分型成为护理标准，PRS可指导临床医生选择更可能或更不可能从一种疾病状态进展到另一种状态的患者。因此，临床方法可能转向基因型指导的生化评估，而非仅依赖非特异性症状指导检测。通过将PRS与易获取的生活方式因素结合，能识别10年风险达50%的个体。这些累积风险因素与Wickham研究中调查的传统风险因素相当。

众多观察性研究将甲状腺功能减退症与心血管疾病风险增加联系起来。通过全表型组关联研究方法，发现甲状腺功能减退症PRS与一系列心血管代谢疾病、动脉粥样硬化疾病、慢性肾病和2型糖尿病相关。这意味着需要对甲状腺功能减退症个体采取更集中的心血管风险因素和疾病监测方法。此外，研究发现遗传预测的较高甲状腺功能减退症风险与较低乳腺癌、前列腺癌和皮肤癌风险相关，支持了几项观察性研究的结果。有趣的是，尽管先前GWAS显示较高TSH水平与较低甲状腺癌风险相关，但研究发现甲状腺功能减退症风险与甲状腺癌之间无关联。观察到的与特定癌症的关联是否反映了共享通路，其中增强的免疫监视导致疾病，同时减轻特定癌症风险，需要进一步研究。

本研究存在几个局限性。首先，分析仅限于欧洲血统个体，限制了结果对其他血统的普适性。其次，依赖于队列数据，其中表型定义基于自我报告诊断或具有预定义表型的汇总统计，限制了进一步细化表型定义的能力，可能引入一定异质性。

总之，本研究发现了350个甲状腺功能减退症基因组风险位点，强调了该疾病的高度多基因性质。利用这一见解，开发了PRS，可识别普通人群中疾病高风险个体，并预测亚临床疾病的临床过程。研究结果代表了甲状腺功能减退症遗传理解和临床管理向前迈出的一步，拓宽了个性化医学应用的视角。