口腔疾病与胃肠道疾病共享遗传通路及潜在因果关联的整合多组学研究

《iMetaMed》：Shared Genetic Pathways Linking Oral Diseases to Gastrointestinal Disorders: An Integrative Multi-Omics Study

　　

口腔疾病高度流行，并日益被认为与胃肠道疾病相关。尽管临床观察到口腔-肠道共病，其潜在遗传结构和因果机制仍知之甚少。在本研究中，研究人员分析了三种口腔疾病和五种胃肠道疾病的全基因组关联研究（GWAS）汇总统计，整合了多效性定位、共定位、转录组范围关联研究（TWAS）和蛋白质组范围关联研究（PWAS）以及双向孟德尔随机化（MR）。研究人员分析识别出跨390个染色体区域的400个候选多效性位点，其中三个位点在多个性状对中重复观察到。功能注释显示多效性基因在免疫和胃肠道通路中显著富集，共定位和多组学分析优先筛选出候选基因和分子关联以供进一步研究。双向孟德尔随机化表明，口腔疾病因果性增加炎症性肠病（IBD）风险，而未观察到反向因果效应。基因-环境交互作用分析提供证据表明，饮食、体重指数（BMI）、体力活动、吸烟和心理健康显著调节遗传易感性（p < 0.05）。这些发现提供了共享遗传结构和潜在因果关联的全面证据，为理解口腔-肠道共病和未来转化研究生成假设提供见解。

口腔疾病与胃肠道疾病共享遗传结构的整合多组学解读

研究背景与问题
口腔疾病是全球重大健康负担，影响近35亿人，约80%–85%成人经历至少一种常见口腔疾病，如牙周病（periodontitis，PD）和龋齿（dental caries，DC）；颞下颌关节紊乱（temporomandibular disorders，TMD）患病率为40%–60%。口腔是消化道入口，口腔微生物组可塑造肠道微生物群落，口腔菌群失调可影响胃肠道稳态。临床观察到炎症性肠病（inflammatory bowel diseases，IBD）患者牙周炎患病率较健康人高5–6倍；胃食管反流病（gastroesophageal reflux disease，GORD）反复酸反流可侵蚀牙釉质。机制上，牙周炎症可促进系统炎症介质传播、Th17细胞极化和细胞因子信号，NLRP3炎症小体参与慢性炎症，口腔微生物易位和代谢物、短链脂肪酸信号改变可影响肠上皮屏障和免疫调节。然而，既往研究多聚焦单个疾病对或单一生物学层，微生物中介研究受限于微生物遗传工具，且很少在统一框架内整合宿主遗传、转录调控、蛋白质改变和环境修饰。因此，研究人员需要系统表征连接口腔和胃肠道疾病的遗传、分子、微生物及环境机制。研究人员假设口腔疾病可能通过趋同的免疫炎症通路与胃肠道疾病共享遗传决定因素，且环境暴露可修饰遗传易感性。

研究人员开展的研究与意义
基于大规模全基因组关联研究（genome-wide association study，GWAS）汇总统计，研究人员分析3种口腔疾病和5种胃肠道疾病，整合多效性定位、共定位、转录组范围关联研究（transcriptome-wide association study，TWAS）、蛋白质组范围关联研究（proteome-wide association study，PWAS）、双向孟德尔随机化（Mendelian randomization，MR）和基因–环境交互作用（gene–environment interaction，G×E）分析。研究识别14/15性状对显著遗传相关，400个候选多效性位点跨390个染色体区域，提示广泛共享遗传结构；双向MR显示PD因果性增加IBD风险，未观察到反向因果；G×E提示饮食、体重指数（body mass index，BMI）、体力活动、吸烟和心理健康显著调节遗传易感性。这些发现为理解口腔–肠道共病、生成未来转化研究假设提供综合证据。

关键技术方法
数据来自公开欧洲祖先GWAS汇总统计：VA Million Veteran Program提供3种口腔疾病，UK Biobank（UKB）提供5种胃肠道疾病；UKB个体水平数据经质控后399,869人用于G×E和多变量分析。主要方法：用LDSC和HDL评估遗传相关，GPA评估遗传重叠；PLACO识别候选多效性单核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphisms，SNPs），FUMA定义位点；MAGMA进行基因水平分析，GO/KEGG和WebCSEA做功能及细胞类型富集；coloc进行贝叶斯共定位（PP.H4 > 0.7）；FUSION基于GTEx v8的13个组织做TWAS，基于INTERVAL的3,153个血浆蛋白做PWAS；UKB中logistic回归及交互模型做G×E，FDR校正；双向双样本MR以逆方差加权为主，辅以MR-Egger、加权中位数、加权模式、简单模式，并行Steiger方向性检验。统计用R 4.0.3。

研究结果
4.1 口腔与肠道性状的遗传相关及共享遗传结构
通过LDSC和HDL评估15个口腔–胃肠性状对，LDSC发现14对显著全基因组遗传相关，HDL高度一致；GPA确认14对显著遗传重叠。LDSC截距?0.0075至0.0082，提示样本重叠可忽略。结论：口腔与胃肠道性状存在广泛共享遗传结构。

4.2 口腔与胃肠道疾病多效性位点的识别及功能注释
TMD–PUD未达前设阈值，未进入PLACO；其余14对进入下游。PLACO识别5212个候选多效性SNP，经连锁不平衡聚类约4785个独立信号，FUMA归为400个候选多效性位点，跨390个染色体区域。1q41区域在6个性状对出现，11p14.1和20q13.33在5个对出现。400个top SNP中227个（56.75%）效应方向一致，173个（43.25%）不一致。ANNOVAR显示209个位于内含子，165个位于基因间，17个位于外显子，其中14个mRNA外显子、3个非编码RNA外显子；rs113477191位于FAM180A，CADD=29.8。结论：存在多个复发多效性区域及潜在有害变异。

4.3 口腔与肠道疾病的共定位位点和多效性基因
共定位识别3个共享因果变异证据位点（PP.H4>0.7）：PD–IBD的8q24.13（rs7828779，RP11-3G20.2，PP.H4=0.938）和9p21.3（rs150228680，RP11-20A20.2，PP.H4=0.854）；PD–DD的20q13.33（rs4809221，近SLC2A4RG，PP.H4=0.761）。MAGMA识别486个显著多效性基因，143个在≥2个性状对出现，192个为FUMA位置候选。ARHGAP15检测频率最高，出现在3个DD相关性状对；ST7L、CAPZA1、MOV10、RHOC、RP11-426L16.10、PPM1J在DC–PUD和DC–DD重复；TGFBR3在TMD–GORD和TMD–DD重复。结论：这些基因可作为高优先级候选。

4.4 多效性基因的功能、组织富集及转录组和蛋白质组关联
GO和KEGG显示多效性基因显著富集于免疫相关通路（如抗原加工和呈递）及胃肠道内分泌信号；CSEA显示在T细胞、胸腺细胞、树突细胞、单核细胞及部分胃肠道内皮和间充质细胞高表达。MAGMA组织富集显示在末端回肠、乙状结肠、胃食管交界、肾上腺、全血、子宫和动脉组织显著富集。TWAS发现160个多效性基因与至少一个口腔–胃肠性状对显著转录关联，主要在肌肉、皮肤、食管和结肠；ATG13表达增加在10个组织中一致与较高口腔–胃肠风险相关（TWAS Z=5.94–17.00），96个基因表达持续与风险增加相关。PWAS识别169个蛋白水平显著相关基因：GCKR、ESAM、CPNE1与IBD和3种口腔疾病相关；CRELD1与IBS和3种口腔疾病相关；HYAL1、EFNA5、MDK、MRC2、TNFRSF6B与DD和3种口腔疾病相关（P_FDR<0.05）。结论：转录和蛋白层面存在候选分子联系。

4.5 口腔–肠道共病相关多效性变异的基因–环境交互作用
利用UKB个体数据，以PD代表口腔表型，评估PD–GORD、PD–IBD、PD–PUD、PD–IBS、PD–DD。平均62种环境暴露与PD–GI共病显著相关（P_FDR<0.05）。不良心理状态、较高BMI、抗生素使用和吸烟与所有PD–GI疾病对正相关，体力活动和水果/蔬菜摄入负相关。5个组合中识别16个显著SNP–环境交互，涉及16个可修饰环境因素；PD–GORD交互主要涉及饮食、饮酒、吸烟和心理健康指标；PD–PUD与每周中等体力活动天数；PD–DD与情感症状；PD–IBS与体力活动；PD–IBD无额外显著交互。结论：可修饰暴露可显著调节口腔–肠道共病遗传易感性。

4.6 口腔–胃肠道疾病关联的双向孟德尔随机化分析
双向MR显示口腔到胃肠道方向PD与IBD显著正相关，经Bonferroni校正仍显著；胃肠道到口腔方向未发现显著因果效应。MR-Egger、加权中位数、简单模式、加权模式效应方向总体一致；MR-Egger截距无方向性多效性证据，Cochran Q无异质性。结论：提供PD对IBD潜在方向关系的假设生成证据。

讨论部分总结
研究人员对口腔–胃肠共病的遗传结构、多效性位点和因果机制进行了综合研究。LDSC和GPA一致发现显著遗传重叠，样本重叠混杂小，支持广泛多效性。结果与既往牙周炎–IBD因果和多组学研究一致，并扩展为统一整合多效性、共定位、TWAS、PWAS、G×E的框架。400个候选位点中1q41、11p14.1、20q13.33等反复出现；功能注释显示多数位于内含子/基因间，少量外显子变异，效应方向混合。共定位3个位点。MAGMA/TWAS/PWAS优先出ATG13、GCKR、ESAM等，提示自噬受损、免疫代谢失衡和内皮功能障碍可能为互补机制。G×E表明饮食、BMI、体力活动、吸烟、心理因素可影响多效性变异外显，强调精准预防和暴露组框架。双向MR支持PD对IBD因果，未发现反向；口腔–肠道交流可能经微生物代谢物、系统炎症介质、免疫细胞运输和上皮屏障破坏，牙周炎可经病原/毒性代谢物易位和系统免疫激活两条通路影响胃肠道。转化上，未来需跨祖先验证多基因风险评分、评估口腔微生物组筛查、开展干预试验。局限包括欧洲祖先、性别/年龄效应、样本重叠、表型异质和自报、残余混杂、自报暴露、未做MR-PRESSO、残余水平多效性和需功能验证。

结论翻译
该研究对口腔疾病与胃肠道疾病之间的共享遗传结构进行了整合性刻画。在14个性状对中，研究人员识别出候选多效性位点和基因，并观察到免疫和胃肠道相关生物学通路的富集。共定位、转录组、蛋白质组、孟德尔随机化和基因–环境分析为所选口腔和胃肠道表型之间潜在的生物学和因果联系提供了互补证据。然而，这些发现仍属于产生假设性质，需要在独立数据集和功能研究中重复验证。未来整合更大规模多祖先GWAS、纵向队列、高分辨率微生物组数据和实验验证的工作，对于确定所识别关联的生物学和临床相关性将非常重要。