HK1与GCK基因上位性交互效应对人类循环糖化血红蛋白A1c水平的影响

《International Journal of Molecular Sciences》：Evidence of Epistatic Interactive Effects of HK1 and GCK Genes on Circulating Hemoglobin A1c Levels in Humans

　　

糖化血红蛋白A1c（HbA1c）是2型糖尿病（T2D）的重要诊断生物标志物，同时也与衰老、认知表现及死亡率相关。为识别上位性交互效应，研究人员在长寿家系研究（LLFS）中，对3778名欧洲裔非糖尿病受试者的133个已知HbA1c相关基因变异进行了评估。研究人员应用基于贝叶斯插值的关联定位（BIMBAM）方法，识别133个遗传变异间显著的成对上位性交互。为控制混杂效应，研究人员调整了年龄、性别、研究中心、体质指数（BMI）及遗传主成分（PCs）。该分析得到7个log10(BF) > 10的变异对；其中6对经全项混合回归模型确认。具体而言，这些交互包括HK1-rs17476364与GCK（rs2971670、rs4607517）或G6PC2（rs560887）变异的显著交互，以及HK1-rs16926246与上述相同变异的交互（各项p值 ≤ 7.14 × 10?3）。HK1与GCK之间以及HK1与G6PC2之间的所有上位性交互均在两个大型独立研究（即弗雷明汉后代研究；健康与退休研究）中至少一个中以p < 0.05水平得到重复验证。本研究表明，HK1与GCK相互作用参与调节HbA1c水平，并可能参与健康衰老过程的分子机制。

一、研究背景与科学问题

糖化血红蛋白A1c（HbA1c）是血红蛋白经非酶促糖化形成的产物，已被广泛用作2型糖尿病（T2D）的诊断生物标志物。除T2D外，HbA1c还与糖尿病及非糖尿病成人中的多种代谢性衰老和心血管衰老相关，且较高的HbA1c水平对脑白质衰老具有因果效应，并与全因死亡率显著增加相关。因此，HbA1c的遗传调控不仅有助于阐明HbA1c调控的分子机制，也可能揭示衰老的分子病理机制。HbA1c的遗传力估计为40%–60%，然而已识别的全基因组关联研究（GWAS）位点仅解释了约6%的遗传力，剩余未解释的遗传力常被称为“缺失遗传力”，而基因-基因交互（即上位性交互）可能对缺失遗传力有所贡献。

HbA1c并非由单个基因独立调控，而是由基因网络内的协调交互所控制。常规GWAS方法仅估计单个遗传变异对HbA1c的效应，忽略了多个基因在相关通路中的联合效应。基于GWAS识别变异的多基因风险评分（PRS）仅捕获线性加性效应，仅能解释HbA1c变异的3%–10%。研究人员假设SNP-SNP上位性交互可能揭示HbA1c的额外遗传贡献并提升PRS的预测能力。由于全基因组水平的成对上位性分析计算量大且内存密集，研究人员开展了假设驱动的分析，将分析范围限制在既往已报道与HbA1c相关的遗传变异之间的交互。

二、研究内容与主要结论

研究人员利用长寿家系研究（LLFS）基线访视中3778名欧洲裔非糖尿病参与者的数据，最初考虑143个候选SNP，其中133个在LLFS中可用并纳入分析。通过基于贝叶斯插值的关联定位（BIMBAM）方法筛选单SNP和两SNP效应，并经混合效应模型确认，最终识别出6对显著的SNP-SNP交互，涉及HK1基因与GCK基因之间以及HK1基因与G6PC2基因之间的交互。这些交互效应在弗雷明汉后代研究（FOS）和/或健康与退休研究（HRS）中均得到独立重复验证。研究进一步表明，HK1基因通过非糖代谢通路影响HbA1c水平，而GCK和G6PC2基因则通过糖代谢通路调控HbA1c水平。该研究揭示了HK1与GCK相互作用参与调节HbA1c水平，并可能参与健康衰老过程的分子机制，为理解HbA1c调控的分子机制和衰老的分子病理提供了新的生物学见解。

三、关键技术与方法

研究人员使用了以下主要技术方法：

1. 1.
   样本队列：LLFS（3778名非糖尿病欧洲裔参与者，来自波士顿大学、哥伦比亚大学、匹兹堡大学和南丹麦大学四个研究中心）；FOS（1456名非糖尿病参与者，第7次检查数据）；HRS（2094名非糖尿病参与者）。
2. 2.
   基因分型：LLFS采用全基因组测序（WGS），150-bp双端读长，Illumina测序仪，读段比对至GRCh38，GATK HaplotypeCaller进行变异 calling；FOS采用TOPMed阶段I WGS数据（>30×深度）；HRS采用Illumina HumanOmni2.5芯片基因分型。
3. 3.
   统计分析方法：BIMBAM进行单SNP和两SNP关联筛选，log₁₀(BF) > 3（单SNP）和log₁₀(BF) > 10（两SNP）作为显著性阈值；SAS 9.4混合效应模型（考虑家系相关性）确认交互显著性；线性模型用于FOS和HRS的重复验证；HbA1c残差调整年龄、年龄平方、性别、研究中心、BMI和10个遗传主成分（PCs）。

四、研究结果

2.1 样本特征

LLFS共纳入3778名非糖尿病参与者，其中BU 1037人、DK 1014人、NY 767人、PT 960人。约56%为女性，平均年龄69.81岁。NY和PT参与者显著年长于BU和DK参与者（p < 0.0001）。DK参与者的平均HbA1c水平最低。

2.2 调控HbA1c的SNP交互

单SNP检验识别出5个显著SNP：HK1-rs17476364、HK1-rs16926246、GCK-rs2971670、GCK-rs4607517和G6PC2-rs560887，均为内含子变异。HK1两个SNP间r² = 0.71，GCK两个SNP间r² = 0.98。风险等位基因定义为次要等位基因，HK1-rs17476364的C等位基因和HK1-rs16926246的T等位基因与较低HbA1c水平相关。两SNP BIMBAM检验提名7个显著SNP对，经混合效应模型确认其中6对存在显著交互（p < 7.14 × 10^?3，Bonferroni校正），包括HK1-rs17476364与GCK-rs2971670（p = 2.47 × 10^?3）、HK1-rs17476364与GCK-rs4607517（p = 2.37 × 10^?5）、HK1-rs17476364与G6PC2-rs560887（p = 1.00 × 10^?3）、HK1-rs16926246与GCK-rs2971670（p = 1.33 × 10^?4）、HK1-rs16926246与GCK-rs4607517（p = 9.50 × 10^?5）以及HK1-rs16926246与G6PC2-rs560887（p = 3.43 × 10^?5）。交互项解释的方差约为0.18%–0.32%。独立分析时，两个HK1 SNP均显示剂量依赖性关联，一个风险等位基因对应较低HbA1c，两个风险等位基因对应最低HbA1c。但按第二个SNP分层后，在第二个SNP风险等位基因纯合个体中该模式发生逆转，呈现“V”形关系，最低HbA1c出现在主SNP纯合且第二SNP杂合的个体中。在FOS中，除两个HK1-rs16926246与GCK SNP对外的其余SNP对均显示显著交互效应（p < 0.05）。由于HK1-rs17476364和GCK-rs2971670未在HRS中基因分型，研究人员选用代理SNP rs10159477（r² = 0.67）和rs2971667（r² = 0.98），四个SNP对在HRS中均达到名义显著性（p < 0.05）。两个HK1-GCK SNP对在FOS和HRS中均达到名义显著，两个HK1-G6PC2 SNP对在FOS中通过Bonferroni校正阈值（p < 8.33 × 10^?3）。

2.3 调控Hb和葡萄糖的SNP交互

由于HbA1c通过Hb的非酶促糖化生成，其水平受空腹血糖和Hb浓度共同影响。5个SNP中，两个HK1 SNP（rs17476364和rs16926246）与Hb显著相关，效应方向与HbA1c相反；其余3个SNP（GCK-rs2971670、GCK-rs4607517和G6PC2-rs560887）与葡萄糖显著相关，效应方向与HbA1c一致。6个SNP对中，除HK1-rs16926246与G6PC2-rs560887外，5个SNP对在Hb上显示显著交互效应（p < 0.05），而6个SNP对均未在葡萄糖上显示交互效应。单独分析时，两个HK1 SNP显示剂量依赖性关联，风险等位基因数量增加对应Hb水平逐渐升高。但按第二个SNP分层后，在GCK-rs2971670或GCK-rs4607517风险等位基因纯合个体或G6PC2-rs560887替代等位基因纯合个体中该关系发生逆转。最低Hb水平出现在四个SNP对（HK1-rs17476364与GCK-rs2971670、HK1-rs17476364与GCK-rs4607517、HK1-rs16926246与GCK-rs2971670、HK1-rs16926246与GCK-rs4607517）双风险等位基因纯合个体中。

五、讨论与结论

讨论部分指出，HbA1c由红细胞内血红蛋白的非酶促糖化产生，遗传变异可通过糖代谢和/或非糖代谢通路影响HbA1c水平。基于GWAS Catalog，HK1-rs17476364与红细胞和异常葡萄糖显著相关，HK1-rs16926246显著影响血红蛋白，而GCK和G6PC2的3个SNP是空腹血糖的已知遗传决定因素。HK1基因编码己糖激酶1，在葡萄糖代谢和ATP产生中起启动作用，但由于其在正常胰腺β细胞和肝细胞中不表达，不参与生理性血糖调控。红细胞缺乏线粒体和氧化磷酸化，依赖HK1催化的无氧糖酵解产生ATP以维持寿命，HK1基因错义突变可导致己糖激酶缺乏和轻度慢性溶血，为HK1变异与Hb水平的关联提供了功能基础。GCK基因编码葡萄糖激酶，主要在胰腺β细胞和肝细胞中催化糖酵解第一步，GCK缺乏导致高血糖。G6PC2基因编码胰岛特异性葡萄糖-6-磷酸酶，主要在胰腺β细胞中催化葡萄糖-6-磷酸去磷酸化回游离葡萄糖，β细胞特异性缺失G6PC2可降低空腹血糖。GCK和G6PC2共同设定β细胞葡萄糖阈值以控制血糖，最终通过糖代谢通路影响HbA1c水平。由于HK1、GCK和G6PC2位于不同染色体，不编码转录因子且表达模式不同，可排除基因间直接物理交互。研究人员假设观察到的HK1-GCK和HK1-G6PC2交互可能涉及HK1依赖性红细胞糖酵解与GCK和G6PC2介导的葡萄糖调控之间的相互作用，但该机制需实验验证。研究局限性包括：样本为欧洲裔人群，外推需谨慎；分析限于133个已知HbA1c相关变异；FOS重复验证未校正遗传主成分和家系相关性；5个内含子变异的功能作用尚不清楚；交互的精确分子机制有待功能研究阐明。

研究结论：研究人员识别出显著的HK1-GCK和HK1-G6PC2交互，为HbA1c调控提供了新的生物学见解。更广泛地，基因-基因交互和全基因组上位性分析可能进一步揭示复杂性状的分子结构，并提升PRS的性能。