【Nature】重磅精读：阿斯利康团队揭秘UKB血浆蛋白组与罕见变异相关性以加速药物研发
2023年10月4日，Nature《自然》杂志上发布了三篇重磅文章集中报道了全球最大血浆蛋白质组项目（UK Biobank Pharma Proteomics Project, UKB-PPP）的首批成果，揭开了大规模血浆蛋白质组在精准医学领域广泛应用的新篇章。这三篇发表于Nature杂志的重量级研究均使用了UKB-PPP产生的数据，其中13家国际生物制药公司通过访问英国生物库生成了新的蛋白质组学数据。
三篇Nature重磅| Olink Explore里程碑研究开启大规模人群蛋白质组学新时代
Nature重磅精读｜Olink Explore 助力UK Biobank全球最大血浆蛋白质组研究
阿斯利康基因组中心及药物发现团队参与了迄今为止为止规模最大的蛋白组学研究-英国样本库血浆蛋白组计划，作为三篇Nature重磅之一的开创性文章，其研究成果提供了关于罕见遗传变异、基因、蛋白及它们在疾病中相互关系的独特见解，这将有助于加速新的治疗靶点和生物标志物的发现[1]。人类基因组与蛋白组的整合能够更清晰地理解疾病机制，识别临床标志物和发现新的药物靶点。以往的蛋白组学研究主要集中在使用全基因组关联研究来分析常见遗传变异对血浆蛋白组的影响，而罕见遗传变异对此的机制尚未完全探明。
Nature 杂志官网三篇重磅文章截图
精读解析
基因变异，无论是在编码蛋白质的基因内部或附近（cis），还是在基因组的其他部分（trans），都可以影响蛋白质的表达、折叠、分泌和功能。到目前为止，大多数pQTLs是通过广泛的基因组关联研究（Genome-Wide Association Study, GWASs）发现的，这主要集中于常见变异。然而，常见变异关联性很难解释。罕见编码蛋白质变异往往比常见变异具有更大的生物效应，并且更容易解释。然而，由于之前罕见变异蛋白质组学研究的规模有限，它们对血浆蛋白质组的影响大多未知。研究团队对英国生物样本库中49,736名个体的罕见遗传变异与2,923种血浆蛋白丰度间的关联进行系统研究。
实验设计
通过外显子组关联研究（Exsome-Wide Association Study, ExWAS)，成功找到了151,491个显著的基因型-蛋白质相关性，其中包括5,433个罕见基因型-蛋白质相关性（MAF ≤ 0.1%）。值得关注的是，其中81%的相关性在之前同一队列的全基因组关联研究中并未被发现。由于基因变异理论上可以通过改变蛋白构想来影响抗体结合，研究团队进一步通过评估表位效应研究ExWAS Cis-CDS pQTL中可能才生的偏差程度。其中，通过Olink蛋白组学独立发现了5种含有Cis-CDS的蛋白标志物，包括APOA1、CST3、GOT1、LPA和SHBG，并进一步证明了cis-CDS pQTL富集了生物学的相关信号。
ExWAS
随后，作者在基因水平通过基因集合分析来研究基因与蛋白质丰度之间的关系，进而对发现的罕见变异进行分析测试。研究团队采用了之前UKB全表型关联研究（Phenome Wide Association Study, PheWAS ）中研究的10个测试合格变异的QV模型。最终发现了1,962个特异性基因与蛋白丰度的相关性，其中1,049 (53%) 顺式相关, 813(41%) 反式相关，以及 100 (5%)顺式位置，反式相关。在来自蛋白截断变异的691个基因级信号中，研究人员惊喜地发现，有99.4%与蛋白表达水平下降相关。同时，仅有77 (21%) 的反式截断变异与蛋白表达下调有关。特别值得注意的是，参与血浆蛋白清除的清道夫受体STAB1和STAB2成为了多效位点，分别与77个和41个蛋白关联。这一发现表明这些受体在调控蛋白水平方面具有重要作用，并提出了新的独到见解。
基因水平的变异集合分析
pQTLs为识别生物标志物提供了宝贵的资源。在集合分析中， 29%的基因已收录在目前DrugBank中批准药物靶点，这些基因至少包含一个反式pQTLs。然而，这个pQTL图谱还有助于发现潜在生物标志物，这些生物标志物可能目前尚未被批准用于治疗。为了证明这一点，作者研究了HSD17B13基因的一个剪接变异（rs72613567），发现它与慢性肝病（包括非酒精性脂肪性肝炎）的保护作用相关联。在ExWAS中，该变异与ASS1、CES3、FUOM、HYAL1和SMPD1的水平变化相关。这些关联不仅可以作为潜在的生物标志物，还可为未来关于该变异功能的研究提供信息。更深入地了解这个变异的生物效应，可帮助我们更好地开发面向患有非酒精性脂肪性肝炎患者的定向精准医学治疗方法，从而改善预后。除了生物标志物的发现，pQTL图谱还有助于推动药物开发的其他方面，包括新基因靶点识别、安全性评估及药物适应症拓展的机会。
trans-CDS pQTL图谱在药物开发中的潜在应用
● pQTL与克隆性造血相关疾病关联
克隆性造血 (Clone Haematopoiesis, CH)与许多健康问题的风险增加相关，包括血液系统癌症、心血管疾病、感染等。为了揭示潜在的疾病机制和生物标志物，研究人员进行了基因集合分析，着重关注克隆性造血以及骨髓性癌症中常见的15个基因克隆性突变。在研究中，作者发现JAK2-CH与36个基因相关联，TET2-CH与15个相关， ASXL1-CH有8个，SF3B1-CH和SRSF2-CH有4个。有趣的是，与这五个基因相关的蛋白丰度之间几乎没有重叠，这表明每个检测到的体细胞事件都具有不同的下游作用机制。在与同一蛋白相关的两种不同基因的CH事件中，效应大小是相反的。例如，COL5A1与ASXL1-CH呈正相关，但与TET2-CH呈负相关，而DKK1与JAK2-CH呈正相关，但与SF3B1-CH呈负相关。
另一方面，TET2中的体细胞突变与受体酪氨酸激酶FLT3的水平升高相关，但与FLT3配体FLT3LG的水平降低相关。FLT3是调控造血干细胞增殖和树突状细胞分化的关键因子。大约30%的急性髓系白血病患者携带FLT3激活性突变，这些突变预示着不良预后。已经有针对FLT3的抑制剂可改善急性髓系白血病患者的生存率。如果TET2与FLT3之间的关系是因果关系，那么这可能提示了TET2-CH的潜在药物适应症拓展和精准医学机会。
此外，在TET2-CH相关基因中，发现了蛋白丰度增加的其他三个蛋白: 分别是常规树突状细胞标志物（CD1C）、浆细胞样树突状细胞标志物（CLEC4C）和树突状细胞、单核细胞和其他抗原呈递细胞标志物（CD86）。与CH相关的其他蛋白通常与免疫功能障碍有关，如KIR2DL2和KIR2DL3（自然杀伤细胞激活）以及PRG2和PRG3（嗜酸性粒细胞颗粒的成分，也参与嗜碱性粒细胞的激活）。这些发现与CH与免疫功能障碍之间已知的关联相吻合。
作者评述
文章共同通讯作者阿斯利康团队Slavé Petrovski 博士表示：“我们通过该项研究强调了蛋白质编码pQTL图谱如何应对药物发现和临床流程中面临的各种挑战。我们预计这个资源将为蛋白质调控网络、上游转录调控因子、通过干预来增加目标蛋白水平的潜在药物的安全性评估和药物适应症拓展提供新见解。”
阿斯利康团队也在文章中公布了pQTL浏览器[2]及之前发布的UKB PheWAS浏览器[3]，研究人员可以轻松地查询基因疾病-蛋白丰度关联性。这些工具使研究人员能够更深入地了解基因和蛋白对疾病的影响，为药物研发提供了关于疾病机制、潜在非靶标药物效应和新型靶点发现等方面的新见解。小编同时也留意到，阿斯利康基因组中心中国团队负责人田立峰博士也参与到了这项目重要工作，将为本地化新药创新做出新贡献。总之，这项研究的发现为我们提供了基因和蛋白在疾病中的作用的重要信息，为未来的医学研究和药物开发提供了宝贵资源和新的研究方向。
1. Dhindsa et al. (2023) Rare variant associations with plasma protein levels in the UK Biobank. Nature, DOI: 10.1038/s41586-023-06547-x
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