跨人群蛋白质组关联分析揭示前列腺癌风险新机制

《Nature Communications》：Proteome-wide association study of prostate cancer risk across populations

为解决前列腺癌(PCa)风险存在显著人群差异而其分子基础尚不明确的问题，研究人员开展了一项大规模的跨人群蛋白质组关联研究(PWAS)。该研究构建了非洲、欧洲、亚洲和西班牙裔/拉丁裔人群特异的血浆蛋白遗传预测模型，并应用于超82万例样本的PCa GWAS汇总数据，最终鉴定出96个与PCa风险显著相关的蛋白质（如MSMB、EGF、ARL3），揭示了人群特异性和跨人群共享的风险蛋白网络。这项发表于《Nature Communications》的研究为理解PCa病因学、减少健康差异提供了宝贵见解。

　　

前列腺癌(Prostate Cancer, PCa)是全球男性中最常被诊断出的癌症之一，也是导致癌症死亡的主要原因之一，其发病率和死亡率在不同人群间存在显著差异。例如，北欧地区的年龄标准化发病率高达82.8/10万，而南中亚地区则低至6.3/10万。尤其值得注意的是，非洲裔男性的前列腺癌死亡率是其他种族群体的2到4倍。这种健康差异提示我们，前列腺癌的分子基础可能具有人群特异性。尽管全基因组关联研究(Genome-Wide Association Study, GWAS)已经发现了大量与前列腺癌风险相关的基因位点，但大多数位点背后的具体生物学机制，尤其是在蛋白质层面（即基因功能的最终执行者）如何影响疾病风险，仍然模糊不清。传统的流行病学研究通过直接测量血液中的蛋白质水平来寻找与疾病的关联，但这种方法容易受到选择偏倚、混杂因素和反向因果关系的干扰，导致结果不一致。因此，迫切需要一种更可靠的方法来系统性地揭示蛋白质在前列腺癌发生发展中的作用。

为了克服这些挑战，一项发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上的研究进行了开创性的工作。研究人员设计并执行了一项大规模的跨人群蛋白质组关联研究(Proteome-Wide Association Study, PWAS)。这项研究的核心思路是利用遗传变异作为工具，来预测个体血液中蛋白质的水平，进而评估这些“遗传预测的”蛋白质水平与前列腺癌风险之间的关联。这种方法类似于孟德尔随机化(Mendelian Randomization)原理，能够有效减少传统观察性研究中的偏倚，为推断因果关系提供更强的证据。

研究人员为开展此项研究，整合了多种关键技术与资源。首先，他们利用多民族动脉粥样硬化研究(Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis, MESA)队列中1,971名无癌男性的基因分型和血浆蛋白质组数据（通过SomaScan aptamer技术检测约7,000种蛋白质），分别针对非洲裔(n=450)、欧洲裔(n=758)、亚裔(n=289)和西班牙裔/拉丁裔(n=474)人群，构建了人群特异性的蛋白质遗传预测模型。他们先鉴定出蛋白质数量性状位点(protein Quantitative Trait Loci, pQTL)，然后采用TWAS/FUSION框架，结合最佳线性无偏预测(BLUP)、最小绝对收缩和选择算子(LASSO)、弹性网络(Elastic Net)等多种机器学习算法建立模型，并仅保留交叉验证R²≥ 0.01的模型用于后续分析。其次，他们将构建好的模型应用于一个超大规模的多人群前列腺癌GWAS汇总数据（总计156,319例病例和666,248例对照），评估遗传预测的蛋白质水平与疾病风险的关联。此外，研究还进行了跨人群荟萃分析、使用两阶段约束最大似然法(2ScML)进行稳健性检验，并通过基因本体论(Gene Ontology, GO)富集分析、蛋白质-蛋白质相互作用(Protein-Protein Interaction, PPI)网络分析、 ingenuity pathway analysis (IPA)通路分析以及DrugBank数据库查询等方法对发现的蛋白质进行功能注释和药物重定位探索。

构建人群特异性蛋白质遗传预测模型

研究首先在MESA队列中成功构建了四个主要人群的蛋白质遗传预测模型。结果显示，模型性能存在人群差异。尽管亚裔人群样本量最小(n=289)，但其模型预测性能的平均R²值最高，为0.18，显著高于非洲裔、欧洲裔和西班牙裔/拉丁裔人群。这表明在亚裔人群中，某些蛋白质的表达可能受到更强的遗传调控。最终，研究获得了可用于关联分析的高质量预测模型：非洲裔1,578个蛋白，欧洲裔1,993个蛋白，亚裔1,218个蛋白，西班牙裔/拉丁裔1,390个蛋白，其中697个蛋白在所有人群中均能建模。对欧洲裔模型的外部验证使用INTERVAL研究数据，在844个可测试的模型中，有69.19%的模型在外部验证中表现良好（R²≥ 0.01），证明了模型的可靠性。

鉴定与前列腺癌风险相关的蛋白质

通过将蛋白质预测模型应用于大规模前列腺癌GWAS数据，研究在不同人群中鉴定出数量不等的显著关联蛋白（错误发现率False Discovery Rate, FDR < 0.05）。在非洲裔人群中发现了3个关联蛋白，欧洲裔人群中发现了73个，亚裔人群中发现了15个，西班牙裔/拉丁裔人群中发现了4个。其中，微精液蛋白-β(Microseminoprotein-β, MSMB)在全部四个人群中均被检测到与风险相关，而ADP-核糖基化因子样蛋白3(ADP-ribosylation factor-like protein 3, ARL3)和表皮生长因子胞外域(Epidermal growth factor:extracellular domain, EGF)在非洲裔和欧洲裔人群中均被识别。跨人群荟萃分析进一步发现了92个与前列腺癌风险显著相关的蛋白质（对应83个基因），其中45个蛋白水平升高预示风险降低，47个则预示风险增加。有18个蛋白是此前未被报道与前列腺癌风险相关的。分析还发现10个蛋白存在显著的跨人群异质性，例如MSMB、纤溶酶原(Plasminogen, PLG)和前列腺特异性抗原(Prostate-Specific Antigen, PSA, 由KLK3基因编码)等，提示这些蛋白的作用可能因人群遗传背景不同而存在差异。

2ScML稳健性分析

为了评估研究结果的稳健性，避免由于SNP多效性（即一个SNP影响多个性状）带来的偏倚，研究采用了2ScML方法进行验证。结果显示，在79个独特蛋白中，有51.9%（41个）的蛋白在FDR < 0.05水平上仍然显著，且效应方向与初始分析一致。除PSA在亚裔和西班牙裔/拉丁裔人群中被重复验证外，其余40个蛋白均显示出人群特异性关联，其中36个特异于欧洲裔人群，4个特异于亚裔人群（包括醛脱氢酶ALDH-E2、花生四烯酸15-脂加氧酶B ALOX15B等），增强了这些发现的可信度。

组织表达、功能富集和网络分析

对94个编码风险蛋白的基因进行组织表达分析发现，KLK3（编码PSA）、MSMB和ALOX15B这三个基因在前列腺中表达显著富集，这与此三者是已知的前列腺癌标志物相符，验证了研究策略的有效性。此外，还有56个基因在其他组织中表达更高，但在前列腺中仍有可检测的表达。GO富集分析表明，这些蛋白显著富集于多个生物学过程，如胰岛素样生长因子受体信号通路、细胞外基质分解等，这些通路与肿瘤进展和转移密切相关。在分子功能上，则富集于丝氨酸型内肽酶活性、生长因子受体结合、细胞因子活性等。PPI网络分析显示，白细胞介素-10(Interleukin-10, IL-10)和血管抑素(Angiostatin)在网络中处于核心位置。IPA通路分析进一步证实，KLK3、MAPK3和RALB等基因显著富集于前列腺癌信号通路，并揭示了这些蛋白在前列腺癌细胞增殖、细胞周期进程、凋亡等多个关键生物功能中的作用。

针对已识别关联蛋白的候选药物

研究的最后一部分探索了将现有药物“老药新用”于前列腺癌治疗的潜力。通过检索DrugBank数据库，发现79个独特蛋白中有31个是已批准药物的靶点。其中，促黄体生成素/绒毛膜促性腺激素受体(Luteinizing Hormone/Choriogonadotropic Hormone Receptor, LHCGR)是戈舍瑞林(Goserelin)的靶点，该药本身就是用于治疗前列腺癌的促性腺激素释放激素类似物。更有趣的是，靶向线粒体醛脱氢酶(ALDH-E2)的双硫仑(Disulfiram，一种戒酒药)，临床前研究表明其联合铜剂可选择性杀伤前列腺癌细胞。此外，像靶向MAPK3的非甾体抗炎药舒林酸(Sulindac)和治疗急性早幼粒细胞白血病的三氧化二砷(Arsenic Trioxide)等，也在临床前或早期临床研究中显示出抗前列腺癌活性。这为前列腺癌的治疗提供了新的潜在策略。

综上所述，这项研究通过整合多人群的遗传学、蛋白质组学和疾病GWAS数据，系统地描绘了蛋白质水平与前列腺癌风险之间的遗传关联图谱。研究不仅证实了多个已知的风险蛋白，如MSMB和PSA，更发现了一批新的潜在生物标志物和治疗靶点，例如DPEP1、SVEP1等。尤为重要的是，研究揭示了前列腺癌风险蛋白网络存在显著的人群异质性，强调了在多种族背景下进行疾病机制研究的必要性，为理解前列腺癌的病因学、开发人群特异性的风险预测模型和精准治疗策略提供了宝贵的见解，对减少前列腺癌的健康 disparities（健康差异）具有重要意义。尽管研究存在一些局限性，如SomaScan技术可能存在的检测偏差、样本量在某些人群中相对不足等，但其大规模、多组学、跨人群的研究设计无疑为未来前列腺癌乃至其他复杂疾病的研究树立了标杆。