基于多组学整合分析揭示谵妄的遗传与蛋白质组学风险因素及其独立于痴呆的APOE基因作用机制

《Nature Aging》：Dissecting the genetic and proteomic risk factors for delirium

本研究针对谵妄遗传和生物学机制认知不足的现状，通过开展大规模多祖先全基因组关联分析（GWAS）和蛋白质组学分析，首次系统揭示了APOE基因（特别是APOE-ε4单倍型）是谵妄的独立强风险因素，鉴定出5个新的谵妄遗传风险位点，发现109个与16年内谵妄发病相关的血浆蛋白生物标志物，并通过孟德尔随机化、共定位和药物靶点分析确定了多个潜在治疗靶点。研究结果不仅深化了对谵妄病因学的理解，还为临床生物标志物发现和个性化医疗提供了重要依据。

　　

谵妄是一种急性认知功能障碍，在住院老年患者中发生率接近25%，其特点是起病急骤、注意力、认知能力和意识水平出现急性可逆性障碍。谵妄与多种不良预后密切相关，包括死亡率增加、住院时间延长以及医疗费用显著上升，据估计每年给欧洲医疗系统造成1820亿美元的经济负担。尽管谵妄的临床重要性日益凸显，但其遗传和蛋白质组学背景仍知之甚少，这严重阻碍了预测、预防和治疗该病症的个性化医学发展。

谵妄与痴呆存在复杂的双向关系，痴呆患者更容易因急性诱因而出现谵妄，而谵妄发作又强烈预示着未来痴呆风险。两者在认知功能障碍、知觉障碍和睡眠-觉醒周期改变等方面存在重叠特征，但病程在起病时间和持续时间上明显不同。谵妄的病理生理学机制复杂，可能涉及多种潜在机制，动物模型和人类生物标志物研究表明系统性炎症触发神经炎症、血脑屏障破坏和神经元损伤在谵妄发生中起关键作用。这些机制的部分方面也存在于痴呆中，导致学者提出谵妄和痴呆可能存在共享且潜在双向的病理过程。

以往关于谵妄遗传因素的研究规模较小且结论不一，主要集中在少数候选基因上，特别是载脂蛋白E（APOE）基因及其ε4单倍型。虽然全基因组关联研究（GWAS）方法在过去几十年取得了重大进展，使得研究人员能够在全基因组范围内寻找神经认知障碍的遗传风险因素，但针对谵妄的GWAS研究相对滞后，仅有少数统计效力不足的研究发表。蛋白质生物标志物研究方面，虽然近期受到更多关注，识别出一些潜在的血液和脑脊液候选物，如炎症蛋白白细胞介素-6（IL-6）、C反应蛋白（CRP）、阿尔茨海默病（AD）病理标志物以及神经元损伤标志物神经丝轻链（NEFL）和胶质纤维酸性蛋白（GFAP），但这些研究在样本规模和检测蛋白质范围上存在局限。

本研究旨在扩大谵妄风险遗传和蛋白质组学决定因素的识别努力，通过整合多祖先全基因组数据、长期随访的蛋白质组学信息以及多种遗传流行病学方法，系统揭示谵妄的分子基础，为临床实践和未来研究提供新见解。

主要技术方法

研究人员利用英国生物银行（UK Biobank）、FinnGen、All of Us研究和密歇根基因组学计划等队列的多祖先数据（总样本量1,059,130人，其中11,931例谵妄病例）进行了遗传荟萃分析。蛋白质组学分析基于英国生物银行32,652名参与者（541例病例）的血浆蛋白质组数据，随访时间长达16年。关键技术包括全基因组关联分析（GWAS）、多性状分析（MTAG）、蛋白质组范围关联研究（PWAS）、孟德尔随机化（MR）、共定位分析和药物靶点评估。统计分析采用逻辑回归、中介分析、最小绝对收缩和选择算子（LASSO）回归等方法。

遗传风险因素发现

多祖先全基因组荟萃分析识别APOE基因为主要风险位点

通过整合来自四个全球祖先的八个亚队列数据，研究人员进行了大规模谵妄遗传荟萃分析（GWAMA）。该分析共纳入1,059,130名个体和11,931例谵妄病例，对24,951,028个单核苷酸多态性（SNP）遗传变异进行了分析。谵妄的总体SNP遗传力估计为h_SNP²=0.0055，显著不同于零。

研究发现19号染色体上的APOE基因及其邻近基因组区域的变异与谵妄显著相关。领先变异rs429358（T>C，比值比OR=1.60，95%置信区间CI=1.55-1.65，P=9.7×10^-177）是APOE的一个错义变异，与rs7412（C>T）变异共同构成APOE-ε4单倍型，这是阿尔茨海默病（AD）的已知风险因素。rs7412也与谵妄显著相关（C>T，OR=0.84，95%CI=0.79-0.88，P=1.8×10^-11）。

-8。标注了领先显著变异所在的基因。'>

领先变异rs429358在不同人群中显示出谵妄的群体特异性遗传效应。除美国的欧洲（密歇根基因组学计划，P=0.27）和混血美洲/西班牙裔（All of Us AMR，P=0.12）人群外，其他所有人群均观察到显著关联，美国人群通常显示出较小的效应大小。

C领先变异与谵妄的队列特异性关联结果。显示了每个贡献亚队列和整体荟萃分析的C等位基因效应大小（对数OR±95%CI）及相应的双侧P值。'>

APOE-ε4条件分析确认其独立作用

对APOE-ε4单倍型进行条件GWAS分析后，APOE区域的所有变异均失去显著性，表明APOE-ε4是该区域唯一的独立遗传风险因素。在同一分析中，8号染色体ADAM32基因内的一个内含子变异获得显著性（rs531178459；P=3.3×10^-8）。

通过在英国生物银行中进行的一系列敏感性分析，研究人员测试了观察到的APOE与谵妄的关联在多大程度上由潜在痴呆驱动。在调整痴呆状态后，APOE区域的变异仍然显著。具体而言，未调整GWAMA中的领先变异rs429358在调整后仍显示强关联（OR=1.20，95%CI=1.12-1.28；P=3.7×10^-15）。在无痴呆（OR=1.27，95%CI=1.2-1.34；P=4.7×10^-18）和无AD（OR=1.45，95%CI=1.38-1.52；P=3.9×10^-56）的分层队列中进行的GWAS也显示rs429358遗传信号显著。APOE遗传信号在年龄分层GWAS（60岁及以上参与者）中仍然高度显著（OR=1.7，95%CI=1.63-1.77；P=2.7×10^-141）。

谵妄与阿尔茨海默病的多性状分析

研究发现谵妄与AD之间存在显著的遗传相关性（r_g=0.38，s.e.=0.12；P=1.9×10^-3），指向部分共享的遗传架构。基于此，研究人员进一步进行了谵妄与AD的GWAS摘要统计多性状分析（MTAG）。MTAG分析识别出十个与谵妄相关的独立遗传位点，其中五个在验证集中得到复制。这些复制的领先变异最近基因包括：CR1（rs4844610 A>C；OR=1.01，95%CI=1.006-1.014；P=1.4×10^-8）、BIN1（rs6733839 T>C；OR=1.015，95%CI=1.012-1.018；P=7×10^-25）、CLU（rs2279590 T>C；OR=0.992，95%CI=0.989-0.995；P=4.2×10^-8）、MS4A4A（rs1582763 A>G；OR=0.991，95%CI=0.988-0.994；P=2×10^-3）和TOMM40（rs117310449 T>C；OR=1.09，95%CI=1.07-1.1；P=7×10^-38）。

-8。红色高亮显示复制的领先变异±1,000kb范围内的位点。'>

中介分析量化APOE通过痴呆的间接效应

研究人员实施中介分析以估计APOE对谵妄的遗传效应有多少是通过痴呆介导的。分析结果显示，APOE-ε4对谵妄的总效应部分由痴呆介导（一个APOE-ε4拷贝的间接效应OR=1.39，95%CI=1.36-1.42；P=1.1×10^-237；两个APOE-ε4拷贝的间接效应OR=2.59，95%CI=2.47-2.77；P=2.1×10^-233），直接效应分别占一个和两个APOE-ε4拷贝总效应的29%和21%。这些结果进一步支持APOE基因在谵妄中独立于痴呆的作用。

蛋白质风险因素发现

蛋白质组范围关联研究识别长期预测生物标志物

对32,652名欧洲英国生物银行参与者（541例病例）进行的蛋白质组范围关联研究（PWAS）发现，在长达16年随访期内，2,919种总蛋白质中有109种与谵妄发病显著相关（Bonferroni校正P值阈值P=1.7×10^-5）。APOE蛋白对谵妄发病风险有负向效应，意味着较高的血浆蛋白水平与降低的未来风险相关。

进一步调整个体蛋白质模型以考虑APOE-ε4状态并未实质性改变结果。109种蛋白质组范围显著蛋白质被发现显著富集于几个重要的炎症和免疫反应生物通路，如白细胞介素（IL）和肿瘤坏死因子信号通路。将PWAS限制在英国生物银行无痴呆亚集（31,692名参与者；349例谵妄病例）后，与谵妄发病显著相关的蛋白质数量减少至75种。

蛋白质选择与预测模型

应用机器学习框架进一步确定哪些血浆蛋白与谵妄发病稳健相关。基于最小绝对收缩和选择算子（LASSO）正则化回归和稳定性选择的方法揭示了19种蛋白质（稳定性选择蛋白质）在训练集中被一致选择为谵妄发病的预测因子。这些蛋白质代表了通过蛋白质组范围关联分析识别的顶级个体显著蛋白质的一个子集。

在独立测试集上，与仅基于人口统计学因素的预测相比，添加18种稳定性选择蛋白质到包含年龄、性别和BMI作为预测因子的"基本"模型中，曲线下面积（AUC）从0.764增加到0.791，但增加不显著（DeLong检验P值=0.09）；然而，添加蛋白质和APOE-ε4状态到基本模型显示预测改善显著（AUC从0.764到0.794，P=0.049）。仅使用选定蛋白质的模型拟合表现差于基本模型（AUC从0.764到0.729；P=0.21）。

孟德尔随机化支持因果关联

研究人员进行孟德尔随机化（MR）分析，以测试1,989种血浆蛋白（暴露）与谵妄（结局）之间的因果关系。使用逆方差加权（IVW）或Wald比率MR方法，发现53种蛋白质在错误发现率（FDR）q阈值<0.05下与谵妄存在因果关联。在这53种MR显著蛋白质中，DSC2是唯一一个在蛋白质风险因素PWAS分析中具有显著关联且效应方向一致的蛋白质。在PWAS中使用较宽松的FDR q<0.05阈值，识别出另外七种在PWAS和MR中均显著的蛋白质（ADAM8、APOE、DPP10、LAYN、NT5C1A、PILRA和PVR）。在名义PWAS P值水平（P<0.05）下，还有三种蛋白质（CCL25、PON3和GGH）与显著MR结果重叠。

共定位分析验证共享遗传信号

共定位分析测试了蛋白质和谵妄遗传效应是否由同一而非不同的遗传变异所 exert。总共37种蛋白质在APOE基因组区域内与谵妄共定位（共享因果变异后验概率PP.H4>0.9）。总体而言，另外30种蛋白质在整个基因组中显示出与谵妄共定位的提示性证据（PP.H4>0.5）。

药物靶点评估识别潜在治疗方向

对同时得到PWAS和MR分析支持的谵妄相关蛋白质，评估了它们作为药物靶点的适用性。使用Finan等人整理的"可药化基因组"资源，将选定蛋白质分层基于可药化证据强度。在选定蛋白质中，PON3属于可药化层级1（已批准药物或临床阶段药物候选靶点）；ADAM8和GGH属于层级2（具有已知生物活性类药物小分子结合伴侣或与已批准药物靶点高度相似）；PVR、APOE、DPP10和CCL25属于层级3（分泌或细胞外蛋白，与已批准药物靶点中等相似性，以及关键可药化基因家族成员）。DSC2、NT5C1A、PILRA和LAYN没有可药化信息。

知识图谱GWAS优先考虑疾病关键基因

知识图谱GWAS（KGWAS）分析揭示了APOE基因组区域内的四个疾病关键基因（APOE、TOMM40、PVRL2和BCAM），通过功能基因组学知识图谱进行优先排序。所有KGWAS识别的显著SNP在GWAMA中也显著。

研究结论与意义

本研究通过大规模多祖先全基因组荟萃分析，系统揭示了谵妄的遗传架构，首次明确APOE基因（特别是APOE-ε4单倍型）是谵妄的独立强风险因素，且这种关联在不同人群中表现出特异性。多性状分析识别出五个新的谵妄遗传风险位点，丰富了对其遗传基础的认识。蛋白质组学分析不仅验证了先前与谵妄相关的生物标志物，还发现了新的潜在预测因子，涉及脑脆弱性、炎症和免疫反应过程。

研究结果具有重要的临床和生物学意义。APOE-ε4作为稳健的遗传风险因素，即使在调整痴呆存在后仍然显著，表明其可能通过增加脑脆弱性、促进神经炎症和影响血脑屏障功能等机制直接参与谵妄病理生理。在临床实践中，APOE-ε4状态有潜力协助高危患者分层，特别是在选择性手术前，并作为神经保护治疗的靶点。

通过整合蛋白质组学和遗传证据，本研究还确定了多个潜在的治疗靶点，如PON3、ADAM8等，为药物重定位和新药开发提供了方向。特别是PON3作为他汀类药物代谢相关酶，其保护作用可能提示重新考虑他汀类药物在谵妄管理中的价值。

总之，本研究通过多组学整合分析，深入揭示了谵妄的遗传和分子基础，强调了谵妄与痴呆共享的病因学，为理解谵妄复杂生物学起源、发现临床相关生物标志物和开发新型治疗策略提供了重要基础。未来需要在更大非欧洲人群中进行进一步验证，并开展针对已识别靶点的干预研究，以最终实现谵妄的有效预防和治疗。