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客户文章|膜性肾病的GWAS研究有助于建立无创伤诊断新方法
发布日期：2020-05-07浏览：
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瑞金医院肾脏内科谢静远主任团队在2020年3月发表了题目为“The genetic architecture of membranous nephropathy and its potential to improve non-invasive diagnosis”的膜性肾病研究，该研究成果发表在Nature Communication，影响因子为11.878。
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膜性肾病的GWAS研究
有助于建立无创伤诊断新方法
发表期刊：Nature Communication
发表时间：2020年3月
影响因子：11.878
作者单位：瑞金医院
涉及的dafabet手机黄金版服务产品：中华芯片Zhonghua-8 chip (Illumina)
翻译：娜娜酱
文章摘要
膜性肾病（MN）是一种罕见的自身免疫性疾病，会导致肾功能衰竭。
本研究对东亚裔和欧洲裔的膜性肾病患者队列，包括3782例MN患者和9038例对照，进行全基因组关联分析。该研究发现了两个以前未报告的易感基因位点NFKB1（rs230540, OR=1.25, P=3.4x10−12）和IRF4（rs9405192, OR=1.29, P=1.4x10−14），并对PLA2R1易感位点（rs17831251, OR=2.25, P=4.7x10−103）进行了定位，而且报告了三个经典HLA等位基因的种族特异性：即DRB1*1501（OR=3.81, P=2.0x10−49）为东亚裔的主要风险等位基因，DQA1*0501为欧洲裔（OR=2.88, P=5.7x10−93）的主要风险等位基因，DRB1*0301为东亚裔和欧洲裔共同的风险等位基因。GWAS易感位点可以解释东亚裔32%的疾病风险和欧洲裔25%的疾病风险，并通过血清抗PLA2R ELISA诊断试验对验证队列中抗体阴性的20-37%的病例进行正确的重新分类。该研究阐明了MN的异常遗传结构，其四个遗传位点及其相互作用可以解释约三分之一的发病风险。
研究背景
膜性肾病（MN）是一种罕见的自身免疫性疾病，表现为肾病综合征，发病高峰期在30-50岁之间，是人自身的抗体识别肾小球足细胞上的目标抗原，在此结合形成免疫复合物，激活机体的免疫防御机制，攻击免疫复合物，引起肾小球足细胞损伤的过程。M型磷脂酶A2受体（PLA2R）是原发性膜性肾病（MN）的主要靶抗原，约占75%～80%。仅小部分原发性MN由其他抗原（如血小板反应蛋白1 型结构域7A）所致。
之前在75例法国人、146例荷兰人和335例英国人通过低分辨率阵列的基因分型进行的MN全基因组关联研究（GWAS），确定了HLA区与编码MN中主要抗原的PLA2R1基因座的强关联。这些发现表明，在HLA单倍型允许的个体中，遗传变异可控制PLA2R自身抗原的免疫原性和/或表达水平，以及抗PLA2R自身抗体的产生。但是，尚未以高分辨率定位GWAS关联的特定因果等位基因。而且，过去的GWAS研究仅限于欧洲人，报道的关联没有在不同种族中进行全面的验证。且由于样本量小，先前的研究可能遗漏了重要的疾病相关位点。
本研究对东亚和欧洲人群的9个队列中的12,820名个体（3782例肾活检病例和9038个匹配对照）进行了原发性MN的遗传研究。与先前的GWAS相比，使用具有全基因组推断的高分辨率阵列，并且样本量增加了7倍以上，发现了两个以前未报告的MN的全基因组重要风险位点，并对已知位点进行了高分辨率定位和种族特异性分析。
该研究描述了MN的不常见遗传结构，其中四个易感位点及其遗传相互作用占疾病风险的近三分之一。并表明牵涉到疾病发病机制中的NFKB1和IRF4基因失调，为潜在靶向原发性MN中的NF-κB和干扰素信号通路提供了遗传支持。该研究还细化了HLA基因座的种族特异性效应，将DRB1 * 1501定义为东亚人的主要风险等位基因，将DQA1 * 0501定义为欧洲人的主要风险等位基因，并将DRB1 * 0301定义为两种种族共同的风险等位基因。该研究还描述了一个风险单倍型，存在于PLA2R1位点，它具有调节功能，并显示出与HLA-DRB1风险等位基因强大的遗传相互作用。最后，根据这些发现计算出遗传风险评分（GRS），当与血清抗PLA2R抗体ELISA（目前临床上用于MN的血清学检测）结合使用时，在区分病例和对照方面比仅用ELISA或GRS显示出更好的性能。该研究还在外部验证队列中验证了此综合风险评分（CRS）的性能。结果表明，血清-基因联合检测可以潜在地用于建立原发性MN的新诊断，从而在大多数病例中无需进行高风险的肾脏活检。
研究思路
表1研究队列表
1、全基因组关联分析
研究发现2个新的全基因组显著关联的SNP位点，其中一个位点位于染色体4q24，编码NFKB1基因（rs230540, OR = 1.25, Meta-analysis P = 3.4x10-12），另一个位点位于染色体6p25.3，编码IRF4基因（rs9405192, OR= 1.29,Meta-analysis P= 1.4x10−14）。在此次分析中，证实了之前研究的2个SNP位点也存在强烈的关联性：即位于染色体2q24.2，编码PLA2R1基因（rs17831251,OR=2.25, Meta-analysis P= 4.7x10−103）和位于染色体6p21.32，编码HLA-DQA1/DRB1基因（rs9271573, OR=2.41, Meta-analysis P= 2.7x10−154）（图1a）。
对非HLA基因位点的3个SNP位点（rs230540、rs9405192和rs17831251）进行条件分析，发现每个信号都由每个队列中的一个SNP解释，这表明在东亚和欧洲人群中，每个基因座都有一个共同的风险单倍型（图1bcd）
鉴于HLA位点关联信号的复杂性和已知的遗传连锁不平衡（LD）模式的差异，该研究又分别在东亚裔和欧洲裔中对该区域进行了分析，在东亚裔队列的条件分析中，只有两个独立相关的SNP解释了这个位点的整个信号（rs9269027和rs1974461），在欧洲裔中，逐步条件分析揭示了三个独立相关的全基因组显著关联的SNPs(rs9271541、rs9265949和rs2858309)，暗示了一种更复杂的关联模式。在两个种族中，高信号集中在HLA-DRB1和DQA1基因上(图2a，b)。
图1a曼哈顿图：所有队列的合并荟萃分析的结果，其中横坐标表示1~22条常染色体的位置，纵坐标表示每个SNP计算的关联p值的-log值，水平虚线表示全基因组显著性阈值（α= 5×10-8）；全基因组显著关联位点以红色突出显示
图1bcd PLA2R1/NFKB1/IRF4基因座的区域图，上面板表示未进行条件分析的结果，下面板表示对SNP位点条件分析后的结果
图2a东亚裔队列的区域图，包括所有推测的变异和经典HLA等位基因的关联统计，HLA-DRB1基因的关联信号最强（上面板），HLA-DQA1基因的结果突出显示以供参考，在调整完所有DRB1经典等位基因后（红色箭头），在整个3-Mb区域中没有残留关联（下面板），水平虚线表示全基因组显著性阈值（α= 5×10-8）
图2b欧洲裔队列的区域图，HLA-DQA1基因的关联信号最强（上面板），在控制了所有经典的DQA1等位基因(红色箭头)后，HLA-DRB1基因在全基因组范围内仍然显著(中面板)；在同时控制DRB1和DQA1之后，该区域(下面板)没有显著的关联，这表明这两个基因的变异可以解释整个信号
2、经典的HLA等位基因和氨基酸多态性分析
在东亚裔队列中，对经典HLA等位基因的逐步条件分析定义了两个独立的风险等位基因，DRB1*1501和DRB1*0301，东亚裔头号风险等位基因DRB1*1501在欧洲裔中没有明显的风险效应。与欧洲裔风险等位基因关联最强的是DQA1*0501。在对DQA1*0501进行条件分析后，DRB1*0301在全基因组范围内仍然显著关联，这表明这种风险等位基因在亚洲和欧洲人群中是共有的。此外，DQA1*0501和DRB1*0301处于不完全连锁不平衡，且欧洲裔的连锁强度(R2=0.40)高于东亚裔(R2=0.29)的连锁强度。在东亚裔队列中，DQA1*0501的弱效应非常明显，在对DRB1*0301进行条件分析后，该等位基因变得不显著。相反，在欧洲裔中，DQA1*0501在DRB1*0301进行条件分析后，依然表现出全基因组显著的风险效应（图2c，d）。
图2c东亚裔 病例(红色)和对照(黑色)的经典HLA-DRB1和DQA1等位基因的频率分布
图2d欧洲裔 病例(红色)和对照(黑色)的经典HLA-DRB1和DQA1等位基因的频率分布
在东亚裔多态氨基酸位点的分析中，只有两个密码子的遗传变异解释了整个HLA-DRB1信号，这些密码子编码的残基分别位于DRβ链的第13位和第71位。（图3a），并且它们的侧链在DR的β链的抗原结合口袋内彼此相邻映射（图3c）
在欧洲裔氨基酸替代性分析中，DQA1中与DQA1*0501等位基因相关的5个双等位基因位点（75Ser-107Ile-156Leu-161Glu-163Ser）与MN的风险相关性最强。该研究在HLA-DRB1的第74位发现了第二个独立的信号，氨基酸残基定义了欧洲裔DRB1*0301风险单倍型（图3b）
图3a东亚裔：利用条件性单倍型试验分析DRB1(蓝色)和DQA1(绿色)分子中的多态氨基酸位置，关联最强的多态位点位于DRB1的第13位(左面板)；在控制了这个位置之后，DRB1中的位置71仍然是全基因组的显著位置(中间面板)，对这两个位置进行控制后，没有剩余的参加关联(右面板)
图3d DQ分子的蛋白质结构包括α链(黄带)和β链(绿带)；DQA1的5个双等位氨基酸位点相互之间处于完美的LD，并定义了欧洲裔的主要风险等位基因DQA1*0501
3、PLA2R1基因座及其遗传互作
该研究对之前报道的PLA2R1位点与HLA风险单倍型进行遗传交互分析。PLA2R1风险基因型与东亚裔和欧洲裔HLA风险单倍型均表现出显著的乘性交互作用（图4bc），接下来要重复遗传交互试验来分离单个HLA风险单倍型，得出欧洲裔的遗传互作主要由DRB1*0301-DQA1*0501单倍型驱动（图4d）。同样，DQA1*0501等位基因与PLA2R1位点在东亚人群中无显著交互作用（图4e）。这些分析表明，PLA2R1位点的相互作用主要由DRB1等位基因驱动。
图4b：PLA2R1基因型与东亚裔HLA风险单倍型的交互作用（DRB1*0301 or DRB1*1501）
图4c：PLA2R1基因型与欧洲裔HLA风险单倍型的交互作用（DRB1*0301 or DQA1*0501）
图4d：PLA2R1基因型与欧洲裔DRB1*0301-DQA1*0501风险单倍型的交互作用
图4e：欧洲裔 除DQA1*0501-DRB1*0301外，PLA2R1和DQA1风险单倍型之间没有显著的交互作用
4、GRS分析以及潜在诊断意义
为了量化全基因组显著的单核苷酸多态性及其相互作用累积解释的疾病变异的比例，该研究进行了特定种族的GRS分析。GWAS位点可以解释东亚裔32%的疾病风险和欧洲裔25%的疾病风险。GRS影响的幅度可与引起孟德尔形式的肾脏疾病的罕见、高渗透性突变相媲美，与最低的十分位相比，处于最高位十分位的人患疾病的风险高30至40倍。（图5a，b），通过联合GWAS新发现的易感位点和血清PLA2R抗体建立联合疾病风险评分（CRS），该CRS在亚洲人中诊断MN的AUROC达到0.96 (95%CI: 0.95-0.98)，在欧洲人中达到0.89 (95%CI: 0.87-0.91)（图5d，e）。当GRS与血清抗PLA2R ELISA(目前临床上使用的MN的血清学测试)联合使用时，在诊断MN方面比仅用一种方法表现出更好的准确性。
图5遗传风险评分(GRS)和组合风险评分(CRS)的诊断性能
CONCLUSION
结论
本研究新报道了MN风险基因位点NFKB1和IRF4，对PLA2R1进行精细定位，报告了三个经典HLA基因座在东亚裔及欧洲裔之间的种族特异性。该研究阐明了MN的特殊遗传结构，其四个遗传位点及其相互作用可以解释约三分之一的发病风险。同时，该项研究表明血清-基因联合检测是一种有潜力的MN无创诊断方法，或能让MN患者免于肾活检。
