整合多组学孟德尔随机化优先排序内质网应激相关基因与胃癌风险的关联研究

《HUMAN MUTATION》：Integrative Multiomics Mendelian Randomization Prioritizes Endoplasmic Reticulum Stress-Related Genes Associated With Gastric Cancer Risk

　　

专业摘要翻译 背景：新兴研究表明内质网（ER）应激与胃癌（GC）之间存在关联，但相关遗传因素仍不明确。本研究旨在利用多组学数据优先排序与GC风险相关的ER应激相关基因。 方法：研究人员整合了来自FinnGen（发现队列）和英国生物样本库（UK Biobank，复制队列）的GC全基因组关联研究（GWAS）数据，以及数量性状位点（QTL）数据集，包括甲基化数量性状位点（mQTLs）、表达数量性状位点（eQTLs）和蛋白质数量性状位点（pQTLs）。研究人员进行了基于汇总数据的孟德尔随机化（SMR）和共定位分析以优先排序候选基因，随后利用转录组分析（GSE118916）、甲基化-表达相关性分析（TCGA-STAD）和单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析（GSE270680）进行表征。 结果：SMR分析确定了83个mQTL、10个eQTL和2个pQTL信号与GC风险相关。其中，观察到47个mQTL、5个eQTL和2个pQTL信号存在共定位证据。转录组分析显示，PCSK6、YOD1和RNF5的表达变化方向与其SMR关联一致，而CTNNBIP1显示出不一致的表达模式。PCSK6受mQTL、eQTL和mQTL-eQTL证据支持，但缺乏共定位证据。YOD1通过pQTL-SMR鉴定，显示出强共定位证据（PPH4 = 0.95）。RNF5通过eQTL-SMR被突出显示，但缺乏共定位支持。CTNNBIP1受mQTL、eQTL和mQTL-eQTL证据及共定位支持，并在TCGA-STAD中观察到显著的甲基化-表达相关性。单细胞RNA测序揭示PCSK6主要在成纤维细胞中表达，YOD1在上皮细胞和肥大细胞中表达，RNF5在成纤维细胞、上皮细胞和特定免疫细胞中广泛表达。 结论：这项多组学研究将PCSK6、YOD1和RNF5优先排序为与GC风险存在遗传关联且表达模式方向一致的ER应激相关候选基因，单细胞分析表明其具有独特的细胞类型特异性表达模式。这些发现为未来对优先排序候选基因的功能和机制研究提供了有价值的背景。

论文解读

一、研究背景与研究意义

胃癌（GC）是全球最常见的恶性肿瘤之一，也是癌症相关死亡的第四大原因。据估计，全球每年约有99万人被诊断为胃癌，约73.8万人死于该疾病。影响胃癌易感性的因素包括遗传易感性、饮食习惯、饮酒、吸烟以及幽门螺杆菌和EB病毒感染等。尽管诊断技术和治疗方案不断进步，但晚期胃癌患者的5年生存率仍低于30%，因此深入理解胃癌发生发展的遗传和分子因素对于发现早期诊断生物标志物和优先排序候选分子至关重要。

越来越多的证据表明，内质网（ER）应激和未折叠蛋白反应（UPR）参与胃癌的多种恶性表型，包括细胞增殖增强、血管生成、转移扩散、肿瘤微环境（TME）调节和治疗抵抗。已有研究报道GRP78、GRP94等ER相关分子伴侣在胃癌发病机制中发挥作用，SERCA3表达降低与肿瘤侵袭性和远处转移相关。然而，现有关于ER应激与胃癌的研究多依赖观察性设计或小规模转录组分析，可能受到反向因果、混杂因素和可重复性有限的困扰。此外，单一组学分析只能提供ER应激相关分子特征的片面视角，缺乏跨分子层的相互支持。因此，系统地整合多组学方法以优先排序ER应激相关候选基因并提供互补的分子证据具有重要的科学意义。

二、研究设计与方法概述

研究人员采用基于汇总数据的孟德尔随机化（SMR）分析框架，整合了来自FinnGen R10队列（发现队列，包括1423例病例和314193例对照）和英国生物样本库（UK Biobank，复制队列，包括基于ICD-10的764例病例和基于自我报告癌症代码的155例病例）的GC全基因组关联研究（GWAS）汇总统计数据。通过GeneCards数据库和分子特征数据库（MSigDB）整合获得698个ER应激相关基因。研究人员获取了eQTLGen联盟的血eQTL数据（31684例个体）、两个欧洲队列meta分析的mQTL数据（共1980例参与者）以及Sun BB等人研究的pQTL数据（54219例UK Biobank参与者）。研究采用标准单SNP SMR分析和多SNP SMR方法（SMR-multi），并结合HEIDI检验评估连锁不平衡（LD）导致的异质性，随后进行贝叶斯共定位分析评估QTL与GWAS信号是否共享同一因果变异。此外，研究人员还利用GEO转录组数据集（GSE118916）、TCGA-STAD甲基化-表达相关性分析以及单细胞RNA测序数据集（GSE270680，共114794个高质量细胞）对优先排序基因进行外部验证和表征。

三、研究结果

3.1 ER应激相关基因集在筛选后保留核心生物学特征：功能富集分析显示，原始基因集（2764个基因）和最终基因集（698个基因）均显著富集于典型的ER应激相关功能模块，包括对ER应激的反应、对拓扑错误蛋白的反应、对未折叠蛋白的反应、内质网相关降解（ERAD）和ER中的蛋白质加工通路。最终基因集表现出更聚焦于ER蛋白质质量控制相关功能。

3.2 ER应激相关基因表达与GC风险：在FinnGen发现队列中，共10个ER应激相关基因（CTNNBIP1、PSMD4、ATXN3、RNF5、SELENOP、PPP1R12A、PCSK6、RETREG3、CEBPA和UFD1）显示出与GC风险的遗传关联。共定位分析为ATXN3提供了强证据（PPH4 > 0.8），为CTNNBIP1、PSMD4、RETREG3和UFD1提供了提示性证据（0.5 < PPH4 ≤ 0.8）。这些关联在UK Biobank复制队列中未达到统计学显著性。

3.3 ER应激相关基因甲基化与GC风险：共83个CpG位点（对应53个基因）显示出与GC风险的遗传支持关联。其中47个位点（对应33个基因）观察到共定位证据，9个位点（对应8个基因）达到强共定位证据阈值。CpG位点cg15982655（注释到BNIP1）在UK Biobank C16队列中复制成功，cg04028464和cg20269976（注释到GAA）在UK Biobank 1018队列中复制成功。

3.4 ER应激相关蛋白丰度与GC风险：ADIPOQ和YOD1两种ER应激相关蛋白被鉴定为与GC风险负相关。ADIPOQ获得提示性共定位证据，YOD1获得强共定位证据（PPH4 > 0.8）。这些发现在复制队列中未得到验证。

3.5 多组学水平证据整合：mQTL-eQTL SMR分析确定了DNA甲基化与相应基因表达之间的遗传支持关联，包括CTNNBIP1的cg02833588位点和PCSK6的多个CpG位点。对于CTNNBIP1，cg02833588甲基化与GC风险负相关，而其表达与GC风险正相关，mQTL-eQTL分析显示该位点甲基化与CTNNBIP1表达负相关，提示低甲基化与高表达及高GC风险相关。对于PCSK6，不同CpG位点的甲基化与GC风险呈不同方向的关联，综合结果表明特定CpG位点的低甲基化或高甲基化与较低的PCSK6表达相关，进而与较高的GC风险相关。未观察到基因表达与蛋白丰度之间的显著关联。

3.6 外部GC转录组数据集评估：在GSE118916数据集中，PCSK6（log₂FC = ?0.410，p = 0.00016）、YOD1（log₂FC = ?0.488，p = 0.00105）和RNF5（log₂FC = ?0.355，p = 0.00116）在胃癌组织中下调，与其遗传预测关联方向一致。CTNNBIP1、PSMD4和PPP1R12A的表达模式与遗传预测方向不一致。

3.7 TCGA-STAD队列独立甲基化-表达相关性分析：cg02833588甲基化水平与CTNNBIP1表达在胃癌组织中呈显著负相关，与mQTL-eQTL分析提示的甲基化-表达负相关方向一致。PCSK6的候选CpG位点甲基化与其mRNA表达之间未观察到统计学显著相关性。

3.8 候选基因的细胞类型特异性表达模式：单细胞RNA测序分析注释了11种主要细胞类型。PCSK6主要在成纤维细胞中表达，且在癌旁正常组织成纤维细胞中的平均表达水平和表达细胞比例高于肿瘤组织。YOD1主要在上皮细胞和肥大细胞中表达，上皮细胞中癌旁正常组织表达较高，而肥大细胞中肿瘤组织表达较高。RNF5在成纤维细胞、上皮细胞和多种免疫细胞群中广泛分布，不同细胞类型中肿瘤与正常组织间的表达模式各异。

四、讨论与结论

在讨论部分，研究人员指出PCSK6属于前蛋白转化酶家族，参与前体蛋白的蛋白水解加工，其功能改变与蛋白质加工和细胞稳态紊乱相关，可能通过影响自噬相关过程和基质金属蛋白酶（MMPs）活性参与肿瘤进展和转移。YOD1具有去泛素化酶活性，参与ERAD通路，其遗传预测的较高蛋白丰度与较低GC风险相关，可能与Hippo信号通路存在关联。RNF5属于RING finger蛋白家族，参与泛素-蛋白酶体系统的蛋白质降解调控，与NF-κB信号通路调节相关。CTNNBIP1虽然在转录组分析中表现出与遗传预测不一致的表达模式，但研究人员指出遗传预测效应与肿瘤组织观察表达反映不同生物学层面，这种不一致可能反映遗传预测分子效应与肿瘤组织表达之间的背景依赖性差异。

研究结论指出，本研究通过SMR分析系统评估了ER应激相关生物学背景下DNA甲基化、基因表达、蛋白丰度与GC风险之间的遗传支持关联，优先排序了PCSK6、YOD1和RNF5作为ER应激相关候选基因，并提供了其与GC风险关联的初步遗传证据。单细胞转录组分析进一步揭示了这些候选基因独特的细胞类型特异性表达模式，为优先排序基因提供了细胞背景。这些发现具有假设生成性质，为进一步研究这些候选基因在不同细胞背景下的生物学意义提供了基础。研究人员同时承认研究的探索性本质，强调需要进一步的功能和机制研究来更好地理解这些基因在GC中的潜在作用。