多种环境暴露的蛋白质组学特征与慢性阻塞性肺疾病风险

《Environment & Health》：Proteomic Signatures of Multiple Environmental Exposures and the Risk of COPD

　　

空气污染、环境温度和社会经济地位等环境因素与慢性阻塞性肺疾病（COPD）相关，然而蛋白质组学改变在其中发挥的潜在作用仍不清楚。研究人员旨在识别与不同环境暴露相关的循环蛋白质组学特征，并评估其与COPD新发病例的关联。研究人员分析了来自UK Biobank的42,445名参与者，这些参与者具有基线血浆蛋白质组学数据和21项环境暴露评估数据。使用多元线性回归识别暴露相关蛋白，并进一步通过基于重复LASSO的稳定性选择进行筛选。构建了暴露特异性蛋白质评分，并使用Cox模型评估其与COPD新发风险的关联。在反事实框架下进行的探索性中介分析评估了蛋白质评分和单个蛋白质的潜在中介作用。多种环境暴露与特定的蛋白质组变异相关，这些变异随后被用于构建暴露特异性评分。环境暴露及其蛋白质评分均与全身性炎症、肺功能和后续COPD风险相关，其中观察到最强正相关的是Townsend贫困指数相关评分（HR = 1.80，95% CI：1.71–1.90），而NDVI相关评分（HR = 0.72，95% CI：0.69–0.76）则呈负相关。蛋白质评分分别解释了SO₂–COPD、NO₂–COPD和Townsend贫困指数–COPD关联的41.1%（95% CI：25.0–57.2）、33.0%（95% CI：18.8–47.1）和50.5%（95% CI：42.1–58.8）。在单独蛋白质水平上，CDCP1、REG3A、IL15、TNFSF13B和IL6在多种暴露中反复位列估计贡献最大的蛋白质前列。循环蛋白质组谱能够捕捉环境因素的生物学印记，并与COPD新发风险显著相关。蛋白质评分和特定蛋白质可能部分表征了所观察到的暴露与COPD之间关联的蛋白质组学组分，为环境–蛋白质组–COPD框架提供了基于人群的证据。

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种常见且进行性的呼吸系统疾病，虽然在很大程度上可预防，但目前仍无法治愈。2019年，全球约有2.12亿人患有COPD，导致约330万人死亡和7440万残疾调整生命年。COPD已成为全球第三大死亡原因，给公共卫生和社会经济带来了沉重负担。越来越多的证据表明，环境暴露（如环境空气污染、绿色空间、交通相关因素、环境噪声和社会经济地位）在COPD的病因和进展中发挥重要作用。随着普通人群中吸烟率的下降，环境暴露对COPD的相对贡献可能增加。细颗粒物（PM_2.5）、二氧化氮（NO₂）、交通相关因素和低社会经济地位等空气污染物与COPD风险增加和更高的COPD相关死亡率相关。相比之下，其他居住环境指标（如距海岸的距离）与COPD的关系研究较少。然而，不同环境暴露与COPD风险之间关联的生物学过程仍未得到充分阐明。

蛋白质组学是对蛋白质及其功能的大规模研究，为调查疾病的分子特征提供了有力框架。与基因组学或转录组学相比，蛋白质组学更直接地反映了特定环境和病理条件下组织和细胞的功能状态。近期研究已开始利用蛋白质组学特征来表征与COPD相关的炎症、氧化应激和组织重塑过程。然而，将环境暴露评估、循环蛋白质组学分析与前瞻性COPD风险相结合的综合分析仍然有限。目前尚不清楚不同环境暴露是否与不同的循环蛋白质组学特征相关，以及这些暴露相关特征是否与后续COPD风险相关。

因此，本研究旨在系统评估UK Biobank中与21种环境暴露相关的血浆蛋白质。通过将环境数据与大规模蛋白质组学分析相结合，研究人员试图：（1）识别与各种环境暴露相关的暴露相关蛋白质；（2）构建环境相关蛋白质评分，并评估这些蛋白质评分是否与COPD风险相关；（3）表征具有潜在中介信号的生物学过程和蛋白质，这可能有助于解释环境相关的COPD风险。这项研究可能为暴露相关的蛋白质组学特征及其与COPD风险的潜在相关性提供见解，从而为环境暴露相关COPD易感性所涉及的分子通路研究提供信息。

在研究方法方面，研究人员首先从UK Biobank前瞻性队列中筛选出42,445名具有基线血浆蛋白质组学数据和完整环境暴露数据的参与者。UK Biobank是一项覆盖英格兰、苏格兰和威尔士的大型前瞻性队列研究，共纳入超过50万名参与者。环境暴露评估涵盖空气污染（PM₁₀、PM_2.5、NO₂、NO_x、CO、SO₂和苯）、环境温度、绿色空间（NDVI和EVI）、交通暴露、噪声水平、距海岸距离和社会经济地位（Townsend贫困指数，TDI）共21项指标。血浆蛋白质组学数据由UKB-PPP联盟提供，采用Olink Explore平台结合邻位延伸分析化学与下一代测序技术，定量了2923种独特蛋白质，经质量控制后保留2920种蛋白质用于下游分析。统计方法上，研究人员将参与者按70：30比例随机分为推导集和内部验证集，在推导集中使用多元线性回归识别暴露相关蛋白质，随后采用基于bootstrap重采样的重复LASSO回归（重复100次，保留在至少80%重复中被选中的蛋白质）进行稳定性选择，构建暴露特异性蛋白质评分。采用Cox比例风险模型评估环境暴露及蛋白质评分与COPD发病风险的关联，并在反事实框架下进行探索性中介分析。此外，还进行了KEGG和WikiPathways通路富集分析、STRING蛋白质-蛋白质相互作用网络分析以及基于LungMAP的肺细胞类型注释。敏感性分析包括排除随访前2年或5年内发生的COPD病例、排除基线存在气流受限的参与者、限制居住时间≥5年的参与者以及额外调整CRP等混杂因素。

在参与者特征方面，最终分析纳入42,445名个体，中位随访14.9年期间共有1898人发生COPD。参与者平均年龄56.68岁（SD，8.20），45.6%为男性，93.6%为白人。21种环境暴露之间存在中等程度的相关性，某些空气污染物之间的相关性更强。

关于环境暴露与血浆蛋白质的关联，在推导集中，研究人员首先通过多元线性回归和LASSO选择识别与环境暴露相关的蛋白质。每种暴露相关的蛋白质数量差异很大，从最近主干道交通强度的16种到夏季温度的694种不等（FDR < 0.05）。随后测试了多蛋白质评分对各环境暴露的拟合度（R²），其中夏季温度的拟合度最佳（推导集R² = 0.21，验证集R² = 0.15）。大多数稳定性选择的蛋白质具有暴露特异性，而部分蛋白质在相关暴露之间共享，这支持构建暴露特异性蛋白质评分的合理性。

关于蛋白质评分与COPD的关联，研究人员首先考察了环境暴露及其蛋白质评分与全身性炎症和肺功能的关系。总体而言，空气污染物和TDI水平升高及其蛋白质评分与肺功能降低和CRP水平升高相关。相反，绿色空间增加及相应蛋白质评分与肺功能提高、CRP和白细胞降低相关。在COPD风险方面，大多数空气污染物水平升高和TDI升高与COPD风险增加显著相关，而NDVI和EVI值升高则与风险降低相关。在与COPD显著相关的蛋白质评分中，每增加一个SD，空气污染相关评分对应的HR范围为1.15–1.29，温度相关评分为0.88–0.95，绿色空间相关评分为0.72，交通相关评分为1.06–1.22，噪声相关评分为1.28–1.36，海岸距离相关评分为0.93，TDI评分则达到1.80。亚组分析显示，部分环境暴露（尤其是空气污染）对COPD风险的影响在吸烟者中更为显著（交互P < 0.05）；蛋白质评分与COPD的关联在BMI < 30、女性和吸烟者中更强。

在通路富集方面，环境暴露相关蛋白质显著富集于细胞因子受体相互作用、促炎和促纤维化介质以及细胞特异性免疫应答相关通路。KEGG分析显示细胞因子-细胞因子受体相互作用、脂质与动脉粥样硬化以及病毒蛋白与细胞因子及其受体的相互作用通路显著富集。

在中介分析方面，八个暴露特异性蛋白质评分中有七个显示出统计学显著的中介比例。例如，SO₂相关评分解释了SO₂–COPD关联的41.1%（95% CI：25.0–57.2），NO₂相关评分解释了NO₂–COPD关联的33.0%（95% CI：18.8–47.1），TDI相关评分解释了TDI–COPD关联的50.5%（95% CI：42.1–58.8）。绿色空间相关评分分别解释了NDVI和EVI关联的32.7%（95% CI：19.7–45.7）和38.9%（95% CI：22.5–55.3）。

在单个蛋白质水平上，LASSO选择的若干蛋白质进一步与COPD发病风险相关。CXCL17、MZB1、WFDC2、GDF15和IL6水平升高与COPD风险增加相关，而TNR、SCGB1A1和EGFR水平升高与风险降低相关。探索性中介分析表明，CDCP1、REG3A、IL15、TNFSF13B和IL6等蛋白质在多种污染物暴露中反复位列估计贡献最大的蛋白质前列，同时各暴露也表现出一定程度的暴露特异性蛋白质特征。22种优先考虑的阳性中介相关蛋白质的PPI网络显示存在一个涉及IL6、CXCL8、CCL3、TNFSF13B、IL15和CCL11的炎症/免疫相关簇，以及MMP7、MMP12、PLAUR、ANGPT2和GDF15等重塑或血管相关蛋白质。LungMAP注释显示大多数优先考虑的蛋白质可在肺相关上皮/分泌、髓系免疫、血管/间质和B/浆细胞区室中检测到。

敏感性分析方面，主要发现在各项敏感性分析中总体稳健，包括排除随访2年或5年内的早期COPD病例、排除基线气流阻塞的参与者、限制在当前住址居住至少5年的参与者、额外调整CRP、二手烟暴露、家用固体燃料暴露和职业吸入暴露等。使用一个标准误LASSO标准重建蛋白质评分的结果也大体一致。Spearman相关分析显示，暴露特异性蛋白质评分在相关暴露域内（如颗粒物、交通相关空气污染、绿色空间和温度相关评分）相关性较强，而在不同域之间相关性较弱。

在讨论部分，研究人员指出，这项大型前瞻性队列研究系统考察了环境暴露、循环蛋白质组与COPD风险之间的关联。观察到多种环境暴露与广泛的蛋白质组改变相关，并利用这些改变构建了蛋白质评分。这些蛋白质评分与全身性炎症、肺功能受损及后续COPD风险相关，中介分析表明它们在统计学上解释了环境因素与COPD之间关联的一部分。通路富集分析强调了广泛的炎症和免疫相关通路。CDCP1、REG3A、IL15、TNFSF13B和IL6等蛋白质在多种暴露中反复位列估计贡献最大的蛋白质前列，提示存在共享和暴露特异性的蛋白质相关信号，而非单一的COPD特异性通路。研究人员还发现PM_2.5暴露及其蛋白质评分与COPD风险的边缘关联并不显著，可能的原因包括PM_2.5的空间变异性有限、天然来源（如灰尘、海盐）的毒性低于富含黑碳和金属的燃烧来源颗粒物。吸烟者对污染诱导的炎症表现出更高敏感性，可能放大了COPD风险。蛋白质评分与COPD的关联在BMI < 30、女性和吸烟者中更强，提示在评估环境相关COPD风险时需考虑性别、BMI和吸烟状况。通路富集分析支持免疫激活和炎症信号传导是环境暴露的主要蛋白质组学反应，这些通路可能涉及慢性气道炎症、白细胞募集、上皮损伤与修复、细胞外基质重塑以及对持续性肺损伤的易感性。脂质与动脉粥样硬化相关通路的富集也反映了COPD的全身性炎症和血管组分。

在结论部分，本研究表明环境暴露与蛋白质组改变广泛相关，环境相关蛋白质评分与全身性炎症、肺功能受损和COPD风险相关。通路富集和中介分析进一步提示免疫和炎症过程的潜在作用，而蛋白质评分和若干单个蛋白质可能部分表征观察到的关联。总体而言，这些发现为环境–蛋白质组–COPD轴提供了基于人群的证据，并可能有助于未来制定针对环境暴露相关COPD风险的精准预防策略。