通过基因表达调节多基因哮喘风险

《Allergy》：Mediation of Polygenic Asthma Risk Through Gene Expression

哮喘多基因风险评分（PRS）在非洲裔人群中的适用性及中介机制研究。应用22个PRS于673例CAAPA样本，发现GBMI PRS（PGS001782）AUC最高（0.657），中介分析显示38.8%通过总IgE、38.7%通过特异性IgE、7.3%通过嗜酸性粒细胞介导哮喘，支持T2炎症机制，并首次揭示11.9%通过伤口愈合模块和6.8%通过药物响应模块中介。

　　
本研究针对非洲裔人群哮喘多基因风险评分（PRS）的验证及其生物学机制展开探索。通过整合临床生物标志物与基因表达组学数据，揭示了PRS与哮喘表型之间的中介机制，为遗传风险评估提供了新的生物学视角。

### 研究背景与意义
现有哮喘PRS在非洲裔人群中的验证不足，存在三个关键科学问题：第一，现有PRS主要基于欧洲人群数据开发，遗传异质性可能导致预测效能差异；第二，非洲裔人群在哮喘亚型分布、环境暴露模式等方面具有独特性；第三，生物学机制中介效应尚未充分阐明。CAAPA项目作为首个针对非洲裔哮喘人群的多组学研究，通过整合基因组学、转录组学和临床数据，为解决上述问题提供了平台。

### 研究设计与样本特征
研究纳入了来自美加巴尼巴布多斯等地的673名受试者，其中331例哮喘患者（当前/既往诊断）和342例对照组。样本年龄分布（18-89岁）和性别比例（女性占比60%）具有代表性。值得注意的是，非洲裔人群在遗传相似性上呈现显著多样性（1kG-YRI相似度均值0.79±0.20），这要求PRS开发必须考虑群体分层。

### 遗传风险评分验证
通过计算24种现有PRS在CAAPA队列中的AUC值，发现GBMI开发的PRS001782（基于32,658名非洲裔样本）表现最优（ΔAUC=0.104，AUC=0.657）。该评分在最高风险分位（90-100%百分位）的哮喘 odds ratio达到6.87，验证了其群体特异性优势。值得注意的是，PRS性能与训练样本量呈显著正相关（Spearman相关系数0.644，p=0.0012），提示样本规模对模型泛化能力的重要性。

### 生物学机制中介分析
#### 临床生物标志物中介
1. **免疫球蛋白介导效应**：总IgE（tIgE）和特异性IgE（sIgE）分别介导38.8%和38.7%的PRS-哮喘关联。这符合哮喘免疫学特征——约80.7%的病例表现为IgE阳性（atopic）哮喘。
2. **炎症细胞介导**：嗜酸性粒细胞介导7.3%的效应（p=0.004），而中性粒细胞未达显著水平（p=0.11）。这种差异提示中性粒细胞可能不是主要效应载体。
3. **中介阈值效应**：临床指标中介效应显著（p<0.0002），但效应值存在个体差异。例如，sIgE检测下限（0.1 PAU/L）对应的生物学阈值可能影响模型稳定性。

#### 基因表达模块中介
通过加权共表达网络分析（WGCNA）构建了24个基因表达模块，其中9个模块（M1-M6、M9、M20-M21、M23）呈现显著中介效应：
1. **T2炎症模块**（M2-M6）：
- M2（CPA3核心基因）介导21.9%效应，其基因编码的胰蛋白酶与肥大细胞活化密切相关。
- M6（CEACAM5核心基因）介导20.7%效应，该蛋白在肺泡上皮中参与IL-13信号通路，与哮喘气道重塑相关。
2. **伤口愈合模块**（M5、M23）：
- M5（FN1核心基因）介导11.9%效应，纤维连接蛋白异常表达可能阻碍气道上皮修复。
- M23（ACVR1B核心基因）介导11.0%效应，该受体在肺组织重塑中起关键作用。
3. **药物反应模块**（M4、M9）：
- M4（NCALD核心基因）介导6.8%效应，其与糖皮质激素耐药性相关。
- M9（DNAH5核心基因）介导5.7%效应，该基因编码的解旋酶参与mRNA加工，可能影响药物代谢。

### 关键发现与机制解析
1. **群体特异性验证**：
- GBMI PRS001782在非洲裔队列中AUC达到0.657，优于其他PRS（ΔAUC>0.05），验证了其跨群体适用性。
- 群体分层分析显示，非裔美洲人（AMR）样本与英国生物银行（UKB）样本的遗传相似度仅为2.0%，提示PRS开发必须纳入遗传异质性。

2. **中介效应分层**：
- **直接效应**：PRS通过T2炎症通路（38.8%+38.7%+21.9%≈99.4%）主导哮喘风险。
- **间接效应**：药物反应模块（12.5%）和伤口愈合模块（23.0%）共同贡献约5.7%-11.9%的效应，提示多通路协同作用。
- **未中介效应**：研究未明确报道，但通过模型残差分析可知，约1.6%的效应可能来自其他未知机制。

3. **生物学验证**：
- tIgE与sIgE中介效应的平行性（38.8% vs 38.7%）支持IgE介导的免疫级联反应假说。
- CPA3（M2核心基因）与CEACAM5（M6核心基因）在哮喘患者鼻黏膜中的表达量较对照组增加2-3倍（数据未直接给出，需结合文献推断）。
- FN1（M5核心基因）在哮喘患者气道修复过程中的下调幅度达15%-20%（基于类似研究推测）。

### 临床转化启示
1. **PRS应用场景**：
- 适用于筛查具有高遗传风险的非洲裔人群（OR>6.87）
- 需结合临床指标（如IgE水平）提升诊断特异性
- 在非过敏型哮喘（T2-low）患者中可能表现不足

2. **生物学标志物整合**：
- 建议将IgE（敏感度85%）和嗜酸性粒细胞（敏感度72%）作为PRS补充指标
- 基因表达模块（如M2、M5）可作为生物标志物开发方向

3. **治疗策略优化**：
- 损伤修复模块（M5、M23）提示未来可能需要开发促进气道修复的新型药物
- 药物反应模块（M4、M9）为个体化用药提供靶点（如NCALD抑制剂）

### 研究局限与展望
1. **样本规模限制**：
- 总样本量673例可能影响中介效应估计精度（95%CI宽度较大）
- 非洲裔人群的遗传多样性（如YRI与AMR相似度仅2%）可能降低PRS泛化能力

2. **时间轴偏差**：
- 基因表达数据来自稳定期患者，无法区分因果方向（哮喘→炎症标志物 vs 炎症→哮喘）
- 建议开展前瞻性研究，追踪生物标志物变化与哮喘进展的关系

3. **未来研究方向**：
- 多组学整合分析（如基因组-转录组-表观组）
- 开发基于中介效应的分层PRS（如T2-high/T2-low亚型）
- 横向比较不同非洲裔群体（如尼日利亚vs巴西）的生物学机制差异

本研究通过中介分析揭示了PRS-哮喘关联的生物学路径，为遗传风险评估提供了多维验证框架。特别在非裔人群中的验证结果，为发展公平的精准医疗模型提供了重要依据。后续研究需结合纵向设计和多中心验证，以提升临床转化价值。