常染色体Ⅳ型胶原基因在血尿遗传风险中表现出性别差异

《Kidney International Reports》：Autosomal type IV collagen genes display sex differences in genetic risk for hematuria

　　

血尿是一种研究不足的疾病表现，与肾脏疾病及其相关结局相关。性别和性别因素（sex and gender）影响人类健康的许多方面，包括肾脏特征。然而，由激素、基因调控及其他因素导致的性别差异性遗传效应尚未得到全面探索。为识别血尿中因性别而异的遗传效应，研究人员在英国生物银行（UK Biobank）中进行了性别特异性全基因组关联分析（GWAS），并在两个独立队列中进行验证：百万退伍军人计划（Million Veteran Program）和Geisinger MyCode队列。性别差异性遗传效应通过位点特异性性别-基因型交互作用分析进行评估。此外，研究人员还在英国生物银行中进行了血尿与性激素（雌二醇和睾酮）之间的观察性分析。研究人员在英国生物银行中鉴定出具有显著性别差异效应的位点（Bonferroni校正p值 < 0.006），其效应量在女性中大于男性，但效应方向一致，这些遗传变异位于两个常染色体Ⅳ型胶原基因内，该基因编码肾小球基底膜（glomerular basement membrane, GBM）的关键结构成分：COL4A3和COL4A2。尽管已知男性在X连锁Alport综合征中经历更严重的肾脏疾病，但本研究 findings 突出了血尿中重要的性别差异效应，其中女性中COL4A3变异的存在产生比男性更强的关联效应量，这一结果在独立队列中得到验证。此外，研究人员还鉴定出COL4A2与血尿相关，同样具有女性大于男性的效应量，但该结果仅在英国生物银行中观察到。

研究背景与问题提出

血尿是肾脏疾病的一个被低估的临床征象，其发生与多种肾脏病理过程密切相关。流行病学数据显示，在英国生物银行中，男性血尿患病率为5%，高于女性的3%。尽管既往研究已在较大规模队列中探索了血尿的遗传基础，但性别差异性遗传效应尚未得到充分研究。这一研究空白尤其值得关注，因为血尿被认为是肾小球病理的早期表现之一，而理解其性别差异对于精准医学具有重要意义。

性别差异在肾脏疾病的发生和发展中扮演重要角色。临床流行病学研究表明，慢性肾脏病（chronic kidney disease, CKD）在女性中更为普遍，但男性更可能经历更快的终末期肾脏病（end-stage kidney disease, ESKD）进展。这种差异可能源于多种生物学因素，包括免疫反应变异、氧化应激差异、肾脏转运蛋白及结构蛋白表达不同，以及性激素的调控作用。此外，社会行为因素如医疗保健可及性和合并症也可能进一步调节疾病结局。雌激素被认为对肾脏结构和功能具有保护作用，而睾酮可能促进纤维化和损伤。绝经前女性的肾脏健康下降速度通常慢于同龄男性，但这种保护效应在绝经后女性中消失。

从遗传学角度看，性染色体上的基因调控已被证实与肾脏健康的性别差异相关。例如，α-5链Ⅳ型胶原基因（COL4A5）的遗传变异可导致X连锁隐性Alport综合征，男性患者疾病更为严重，而女性携带者由于X染色体随机失活呈现不同程度的疾病严重程度。然而，常染色体基因对性别相关差异的贡献尚不清楚。血红蛋白尿作为一种早期肾小球病理表现，其性别差异性遗传效应的研究对于理解肾脏疾病的性别差异机制、指导个性化治疗策略开发具有重要价值。

研究方法与技术路线

研究人员主要采用以下关键技术方法：基于英国生物银行白人英国裔亚群的性别分层全基因组关联分析，使用SAIGE软件进行单变异关联检验；通过百万退伍军人计划和Geisinger MyCode两个独立队列进行验证；运用位点特异性性别-基因型交互作用分析（采用REGENIE软件）以及两种互补方法（病例仅基因组范围交互作用检验和性二态性效应估计）量化性别差异效应；进行性别特异性转录组关联研究（transcriptome-wide association study, TWAS），利用OTTERS框架和NEPTUNE研究的人类肾脏样本顺式表达数量性状位点（cis expression quantitative trait loci, cis-eQTL）数据；开展观察性分析探索性激素（雌二醇和睾酮，以可检测性为主要指标，定量为辅助）与血尿的关联。样本队列方面，英国生物银行中女性病例7,061例、对照213,033例，男性病例9,774例、对照177,666例；Geisinger MyCode采用试纸法检测血尿；百万退伍军人计划以PheCode 593定义血尿表型，其中91.2%为男性参与者。

主要研究结果

性别特异性全基因组关联分析结果：研究人员在英国生物银行中鉴定出两个跨性别共享的全基因组显著信号，分别位于2号染色体COL4A4基因和6号染色体HLA区域。此外，还鉴定出三个具有潜在性别差异效应的信号：13号染色体COL4A2基因信号仅在女性特异性分析中显著；17号染色体LGALS9C区域信号仅在男性中显著；19号染色体CCDC97/TGFB1区域在男性中达到全基因组显著性。通过条件关联分析，女性在2号染色体COL4A3/COL4A4区域鉴定出两个独立信号（lead变异分别为rs35138315和rs4305262），其中rs4305262与既往报道的罕见编码变异rs200287952（Gly695Arg）存在连锁不平衡（r² = 0, D' = 1）。女性在13号染色体的COL4A2信号为单一独立信号（lead变异rs1927355）。

独立队列验证结果：在Geisinger MyCode队列中，COL4A4的lead变异rs35138315在女性特异性分析中显著（Beta_G ± SE = 1.65 ± 0.53, p值 = 0.002），但在男性中不显著。COL4A3的rs4305262在Geisinger MyCode女性中显著（p值 = 1.48×10^-7），男性中不显著（p值 = 0.72），且女性间效应量大于男性。COL4A2的rs1927355在Geisinger MyCode女性中达到全基因组显著（Beta_G ± SE = 0.08 ± 0.01, p值 = 9.25×10^-10），男性中为名义显著（p值 = 0.01）；在百万退伍军人计划中该变异与男性特异性英国生物银行效应量相似并显著。CCDC97信号在两个验证队列中均达到全基因组显著。17号染色体LGALS9C信号未能在任何验证队列中复制，被判定为假阳性。

血尿患病率的年龄与性别分布：在英国生物银行中，血尿患病率随年龄增长在男性和女性中均上升，但男性增幅更大。年龄与性别的交互作用显著（Beta_age*sex ± SE = 0.02 ± 0.002；p值 = 1.31×10^-11）。按绝经状态分层分析未显示所评估位点存在显著差异。

性别差异性效应评估结果：在九项评估的变异中，2号染色体COL4A3的rs4305262和13号染色体COL4A2的rs1927355具有显著的性别-基因型交互作用（p值 < 0.006），支持性别差异信号的存在。该交互作用在Geisinger MyCode中成功复制了COL4A3的结果（Beta_G*sex ± SE = 0.07 ± 0.02；p值 = 0.005），COL4A2的交互作用未达显著但可能受限于检验效能。

性激素观察性分析结果：女性绝经前组中，可检测雌二醇与血尿风险降低相关（比值比[odds ratio, OR][95%置信区间(confidence interval, CI)] = 0.58 [0.51-0.67]；p值 < 1×10^-16）；定量雌二醇结果一致。男性中睾酮水平与血尿状态显著相关，较低睾酮水平与较高血尿风险相关（Beta_hematuria ± SE = -0.21 ± 0.04；p值 = 2.08×10^-7）。

讨论、研究结论与意义

本研究通过性别分层全基因组关联分析和多种互补方法，首次报道了常染色体Ⅳ型胶原基因（COL4A3和COL4A2）中显著的性别差异性遗传效应，两个基因的效应在女性中均大于男性且方向一致。COL4A3的信号在Geisinger MyCode独立队列中得到验证，而COL4A2的信号仅在英國生物银行中观察到。

COL4A2编码α2链Ⅳ型胶原，是构成多种组织基底膜的遍在蛋白，与COL4A1头尾相连位于13号染色体。该基因的致病变异可导致血管表型，包括遗传性血管病、肾病、动脉瘤和肌肉痉挛综合征（hereditary angiopathy, nephropathy, aneurysms, and muscle cramps syndrome, HANAC syndrome）。既往研究提示COL4A2区域在多种肾脏和心血管性状中具有女性偏倚效应。COL4A3和COL4A4则更多局限于肾小球、耳和眼的基底膜表达，位于2号染色体，其致病变异可导致Alport综合征。尽管常染色体Alport综合征的性别差异尚未得到严格评估，但COL4A3和COL4A4致病变异杂合子个体表现出广泛的临床谱系，本研究结果提示性别可能是这种变异性的贡献因素之一。

性激素可能通过复杂相互作用影响COL4A1/COL4A2。小鼠系膜细胞研究表明，转化生长因子-β1（transforming growth factor-β1, TGF-β1）通过与Sp1转录因子相互作用刺激α1(Ⅳ)转录，而雌二醇可能通过干扰Sp1拮抗这种刺激效应。本研究中英國生物银行雌二醇的观察性分析支持其对绝经前女性血尿的潜在保护作用。然而，这些探索性分析可能受到体重指数、药物使用、合并症等混杂因素的影响。

本研究存在一定局限性：主要和验证队列均为欧洲遗传裔，结果可能无法推广至其他遗传背景；由于样本量限制，难以在全基因组水平上检测中等效应的性别-基因型交互作用；不同队列间血尿表型定义的差异（英國生物银行和百万退伍军人计划基于ICD编码，Geisinger MyCode基于试纸法）可能限制统计效能；英國生物银行与百万退伍军人计划之间血尿患病率差异提示可能存在地理或其他未知偏倚。此外，研究基于遗传学确定的性别（XY或XX）进行分析，无法排除社会性别（gender）对血尿的潜在影响。

本研究结论为：研究人员利用严谨的计算方法和验证队列，鉴定了与血尿状态相关的新颖性别差异性常染色体位点。COL4A3性别差异效应的确定为理解遗传变异在不同性别中的不同作用提供了重要线索，对于推动个性化医学发展、优化性别特异性治疗策略具有深远意义。未来需要更大样本量和多种遗传背景的研究来深入阐明性别差异性效应的发生机制，以及这些效应如何通过生物学过程影响血尿的发生和发展。