引言
肝硬化是一種慢性肝病，表現為肝細胞的廣泛壞死和纖維化，導緻肝髒結構和功能的嚴重破壞。近年來，随着遺傳學和基因組學的發展，人們對肝硬化的遺傳基礎有了更深的了解。肝硬化的發病機制複雜，涉及多個基因和環境因素的互相作用。全基因組關聯研究（Genome-Wide Association Studies, GWAS）是研究遺傳變異與疾病相關性的一種有效方法，它通過分析大量個體的基因組資料，尋找與特定疾病相關的遺傳标記。4月17日發表于Nature Genetics上的研究“Integrative common and rare variant analyses provide insights into the genetic architecture of liver cirrhosis”，通過整合常見和罕見變異分析，探索了肝硬化的遺傳架構，旨在揭示影響肝硬化發生的主要遺傳因素。研究首先在歐洲人群中進行了一階段的GWAS meta分析，涉及9個研究，包括15,225例肝硬化病例和1,564,786名對照個體。此Meta分析顯示出遺傳多樣性的影響，其中12個基因組顯著變異（genome-wide significant variants）被識别，5個是首次在肝硬化GWAS中報道。該研究還探讨了這些變異在不同種族中的效應，發現部分變異在歐洲人群和東亞人群中存在異質性效應。研究的第二階段是跨種族GWAS meta分析，旨在探讨不同人種之間的遺傳差異。此外，研究還估計了肝硬化的遺傳力（heritability），即疾病變異中由遺傳因素所解釋的比例。遺傳力的估計有助于了解遺傳因素在疾病發展中的重要性。研究發現，盡管統計能力有限，但歐洲人和東亞人的單核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms, SNPs）基于遺傳力估計是一緻的。此外，研究還建立了基于特定SNP的多基因風險評分（Polygenic Risk Scores, PRS），并比較了這些評分在預測肝硬化風險方面的有效性。通過這些複雜的分析，該研究不僅增進了我們對肝硬化遺傳學的了解，而且提供了潛在的遺傳标記，這些标記未來可能用于預測疾病風險和發展個性化的治療政策。
Highlights
大規模多族群基因組關聯研究：研究涵蓋了18,265例肝硬化病例和1,782,047個對照個體，這是一個跨種族的大規模樣本研究，包括歐洲人、東亞人、非洲裔美國人和西班牙裔美國人，這有助于更廣泛地識别與肝硬化相關的遺傳因素。新風險位點的發現：研究發現了14個與肝硬化風險相關的新遺傳位點，這些位點中的許多位于與肝髒脂質代謝（hepatic lipid metabolism）有關的基因附近。多表型資訊增強（endophenotype-driven）的基因組發現：通過使用與肝酶水準相關的基因組關聯研究結果作為先驗資訊，研究增強了對肝硬化遺傳風險因素的識别能力。聚焦罕見編碼變異：在普通變異分析中優先考慮的基因中，罕見編碼變異在GPAM基因中發現，與較低的丙氨酸氨基轉移酶（alanine aminotransferase, ALT）水準相關，支援GPAM作為潛在的治療靶點。多因素風險評分（polygenic risk score, PRS）：開發了一種多因素遺傳風險評分，該評分與從肝硬化進展到肝細胞癌（hepatocellular carcinoma, HCC）的風險相關聯。
研究的整體設計及主要結果a. 整個研究設計，第一階段為針對歐洲群體的基因組寬泛關聯研究（GWAS） meta分析，第二階段則為跨族群的GWAS meta分析。這一設計能夠揭示不同族群之間遺傳差異對肝硬化風險的影響。b. 肝硬化GWAS的邁阿密圖（Miami plot）。橫軸顯示了單核苷酸多态性（SNPs）的染色體位置，縱軸顯示了關聯強度（以-log10(P)表示）。（Credit: Nature Genetics）
Strategies
該研究采用了整合多組學資料的方法，通過多祖源基因組關聯研究（genome-wide association study, GWAS）對肝硬化及其相關的内表型（endophenotypes）如丙氨酸氨基轉移酶（alanine aminotransferase, ALT）和γ-谷氨酰轉移酶（γ-glutamyl transferase, GGT）進行了研究。研究包括來自12個隊列的18,265個肝硬化病例和1,782,047個對照，通過對這些資料進行meta分析，旨在發現與肝硬化相關的新風險位點。首先，研究人員進行了歐洲人群的GWAS meta分析，分析了15,225個肝硬化病例和1,564,786個對照的資料。使用的分析工具包括genomic inflation factor (λGC)和連鎖不平衡得分回歸（linkage disequilibrium score regression, LDSC）來評估遺傳異質性和多基因性。在這一階段，研究人員識别出12個全基因組顯著性變異位點。在第二階段，研究人員進行了跨祖源的固定效應meta分析（cross-ancestry fixed-effects meta-analysis），包括了來自不同祖源的18,265個病例和1,782,047個對照。在這一階段，他們識别了15個變異位點，其中8個是之前未報道過的。此外，通過将肝酶GWAS關聯作為先驗資訊，研究人員增強了基因組發現的能力，分析了多達100萬歐洲血統個體的資料，識别出與ALT和GGT有關的獨立基因組信号。最後，該研究還利用了多變量Mendelian随機化（multivariable Mendelian randomization, MVMR）技術，評估了非酒精性脂肪肝病（non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD）在肥胖和酒精攝入量與肝硬化風險關系中的潛在中介作用。
Behind the Scenes
肝硬化肝硬化（cirrhosis）是一種慢性肝髒疾病，其主要特征是肝髒結構的永久性改變，包括正常肝組織的廣泛纖維化（fibrosis）和異常結節（nodules）的形成。這些改變導緻肝髒功能喪失，進而影響整個身體的健康狀态。根據全球疾病負擔研究（Global Burden of Disease Study），肝硬化是全球死亡率高的主要原因之一。2019年資料顯示，肝硬化及其并發症每年導緻全球約120萬人死亡。肝硬化的發病率和死亡率在全球各地區均有所不同，尤其在開發中國家較高。
病理生理學基礎肝硬化的發展通常分為幾個階段，從肝細胞（hepatocytes）的輕微損傷到完全的組織結構重塑。以下是肝硬化形成的幾個關鍵步驟：肝細胞損傷與發炎反應：長期的肝髒損傷，如長期飲酒（alcohol consumption）、非酒精性脂肪肝病（NAFLD）或病毒性肝炎（viral hepatitis），會導緻肝細胞死亡。死亡的肝細胞引發發炎反應，吸引免疫細胞到損傷部位，促進發炎細胞因子（inflammatory cytokines）的釋放。纖維化形成：慢性發炎促使肝星狀細胞（hepatic stellate cells）活化，這些細胞轉化為纖維化細胞（myofibroblasts），産生大量膠原蛋白（collagen）和其他細胞外基質蛋白（extracellular matrix proteins），導緻肝組織硬化并形成纖維帶（fibrous bands）。血流動力學改變：随着肝組織結構的改變，肝髒的血管也會受到影響。肝内血管阻力增加導緻門靜脈高壓症（portal hypertension），這是肝硬化最嚴重的并發症之一。門靜脈高壓可以導緻脾腫大（splenomegaly）、腹水（ascites）和食管靜脈曲張（esophageal varices）等嚴重問題。肝功能衰竭：随着肝硬化的進展，肝髒的解毒、代謝和合成功能逐漸減退。這可能導緻多種代謝異常，包括蛋白質合成下降、凝血功能障礙（coagulopathy）和膽汁代謝異常（bilirubin metabolism）。肝癌的風險增加：慢性肝炎和持續的肝細胞再生過程增加了肝細胞癌（hepatocellular carcinoma, HCC）的風險。這種癌症通常發生在已經有肝硬化基礎的患者身上。
遺傳易感性與肝硬化研究發現，在歐洲人群中，SNP（單核苷酸多态性）基礎的遺傳度估計顯示，遺傳變異解釋了肝硬化表型變異的5.1%（置信區間：3.5%-6.8%）。在東亞人群中，這一數字為2.7%（置信區間：-2.7%-8.1%）。這表明遺傳因素在不同種族間對肝硬化的影響存在一定差異。
主要遺傳變異與肝酶水準特定的遺傳變異如PNPLA3 rs738409 和TM6SF2 rs58542926，與肝酶水準高（Alanine aminotransferase, ALT）和肝硬化風險顯著相關。例如，TM6SF2 rs58542926變異每增加一個等位基因，ALT水準上升0.10标準差（置信區間：0.07–0.13），同時與肝硬化風險顯著相關（風險比：1.09，置信區間：1.06–1.12）。
遺傳風險評分（Polygenic Risk Scores, PRS）與肝病結果通過建構多個遺傳風險評分（PRS），該研究評估了這些PRS與肝癌（Hepatocellular carcinoma, HCC）和肝硬化等肝病結果的關聯。PRS15-SNP顯著提高了HCC的風險預測能力。在英國生物銀行（UK Biobank, UKB）中，擁有高PRS15-SNP得分（PRS分布的頂部20%）的肝硬化患者，其10年HCC風險為15.0%（置信區間：9.7%–22.0%），顯著高于PRS分布底部80%的患者（5.8%，置信區間：4.3%–7.6%）。
肝病機制與遺傳變異通過PheWAS分析，該研究進一步探索了特定遺傳變異如PNPLA3 p.Ile148Met（rs738409）的表型廣泛影響。該變異與肝硬化、非酒精性脂肪肝病（Non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD）和酒精性肝病（Alcoholic liver disease, ALD）之間顯示出比例效應。此外，該變異與高酒精攝入、肥胖（Body Mass Index, BMI > 30 kg/m^2）和2型糖尿病（Type 2 diabetes, T2D）等環境因素的互動作用顯著，增加了肝細胞癌和所有原因肝病的風險。
稀有編碼變異對肝硬化的影響稀有編碼變異（Rare coding variants）通常指的是那些在人群中出現頻率較低的遺傳變異，這些變異通常涉及基因編碼區域的突變，可能導緻蛋白質結構或功能的改變。
稀有變異的疾病關聯性分析在分析肝硬化的遺傳基礎時，研究團隊特别關注那些可能通過改變肝髒代謝或免疫反應等關鍵生理過程來增加肝硬化風險的稀有變異。例如，PNPLA3基因中的p.Ile148Met（rs738409）變異就是一種已知的與肝脂肪沉積和肝髒疾病進展密切相關的稀有編碼變異。此外，研究還發現TM6SF2基因中的稀有變異與肝酶水準升高（ALT）和肝硬化風險增加相關（OR: 1.09，95% CI: 1.06–1.12）。
功能性和表型寬度的探讨通過定位影響基因表達的分子定量性狀位點（molecular QTLs），如表達量定位（eQTL）和蛋白水準定位（pQTL），研究人員進一步探究了稀有變異與疾病特征之間的聯系。例如，通過比較表達量QTL分析與肝硬化的關聯資料，研究人員可以推斷出哪些基因在肝硬化的發展中可能起到關鍵作用。此外，利用共定位分析，研究人員能夠評估肝硬化風險位點和特定基因表達之間的因果關聯。
潛在的局限性樣本分布不均衡（Imbalanced Sample Distribution） 研究中，歐洲後裔的樣本占比最高，而非洲裔美國人和西班牙裔美國人的樣本相對較少，導緻無法有效估計這些群體的遺傳易感性。樣本分布的不均衡可能會影響研究結果的推廣性，限制了發現與其他種族特有的遺傳變異的可能性。
遺傳異質性（Genetic Heterogeneity） 研究發現某些遺傳變異在不同種族中的表現形式不同，如ALDH2和SERPINA1基因的變異在東亞人群中較為常見，而在其他種族中則較罕見。這種遺傳異質性可能導緻跨種族研究的複雜性增加，使得針對特定遺傳變異的疾病風險預測和治療政策的制定變得更加困難。
研究設計與執行限制（Study Design and Execution Limitations） 盡管采用了多個隊列和大規模的樣本來提高研究的統計力，但該研究仍面臨一些設計和執行上的限制。例如，部分資料集中遺傳變異的資訊不全（如ALDH2 rs671變異在非東亞人群中缺失），影響了對這些變異與肝硬化風險關系的全面評估。
統計能力限制（Statistical Power Limitations） 非歐洲後裔的樣本量較小，可能限制了在這些群體中進行的遺傳易感性研究的統計力，導緻無法準确估計遺傳變異對肝硬化風險的影響。此外，多元修正（Multivariable Mendelian Randomization）分析的結果可能由于樣本量不足而受到影響，不能完全排除遺傳變異通過非直接途徑影響肝硬化風險的可能性。
結果的可重複性與可驗證性（Reproducibility and Verifiability） 雖然研究中的某些遺傳變異與肝硬化的關聯在複制隊列中得到了驗證，但仍有一部分變異的效應未在複制分析中達到統計顯著性。這可能表明部分發現具有偶然性，需要在更大、更多樣化的群體中進行進一步驗證。
表型定義的複雜性（Complexity of Phenotypic Definitions） 肝硬化作為一種複雜疾病，其發病機制涉及多種因素。該研究雖然嘗試通過PheWAS探索遺傳變異與其他健康狀況的關聯，但表型的定義和測量可能存在差異，影響了對遺傳變異作用機制的全面了解。
潛在的研究方向基因和環境因素的互動作用分析（Analysis of Gene-Environment Interactions）随着遺傳風險因子與環境因素如酒精攝入、肥胖和2型糖尿病之間的互動作用對肝硬化風險的影響日益明顯，未來的研究可更深入探讨這些互動作用。通過更廣泛的人群和更詳細的環境資料，研究可以更準确地揭示這些因素如何共同作用于肝硬化的發生與發展。
多組學和表型關聯研究（Multi-Omics and Phenome-Wide Association Studies）多組學（multi-omics）資料的整合和表型關聯研究（phenome-wide association study, PheWAS）可以為肝硬化的遺傳研究提供新的視角。通過結合基因組、蛋白質組和代謝組資料，研究者能夠更全面地了解肝硬化的生物機制，并可能發現新的生物标記物和治療靶點。
再驗證與治療靶點的發現（Replication and Discovery of Therapeutic Targets）雖然已識别出多個與肝硬化相關的遺傳變異，但是這些發現需要在更大的、多樣化的樣本中進行驗證。此外，基于這些關聯的遺傳變異，未來的研究應着重于開發新的治療方法，尤其是那些可以在早期階段阻斷疾病程序的靶向藥物。
基因型與環境因素的綜合預測模型（Integrated Predictive Models of Genotype and Environmental Factors）建構包含遺傳和環境因素的綜合預測模型，可以更準确地預測個體發展肝硬化的風險。這種模型将有助于實作個體化的預防政策和早期幹預，特别是在高風險人群中。
遺傳多樣性的廣泛研究（Extensive Research on Genetic Diversity）目前的研究主要集中在歐洲後裔上，需要擴充到其他種族和地理區域的人群，以確定研究結果的普遍适用性和有效性。探索不同人群的遺傳差異将有助于全面了解肝硬化的遺傳結構，并可能揭示特定人群中的獨特風險因素。
原文連結
Ghouse J, Sveinbjörnsson G, Vujkovic M, Seidelin AS, Gellert-Kristensen H, Ahlberg G, Tragante V, Rand SA, Brancale J, Vilarinho S, Lundegaard PR, Sørensen E, Erikstrup C, Bruun MT, Jensen BA, Brunak S, Banasik K, Ullum H; DBDS Genomic Consortium; Verweij N, Lotta L, Baras A; Regeneron Genetics Center; Mirshahi T, Carey DJ; Geisinger-Regeneron DiscovEHR Collaboration; VA Million Veteran Program; Kaplan DE, Lynch J, Morgan T, Schwantes-An TH, Dochtermann DR, Pyarajan S, Tsao PS; Estonian Biobank Research Team; Laisk T, Mägi R, Kozlitina J, Tybjærg-Hansen A, Jones D, Knowlton KU, Nadauld L, Ferkingstad E, Björnsson ES, Ulfarsson MO, Sturluson Á, Sulem P, Pedersen OB, Ostrowski SR, Gudbjartsson DF, Stefansson K, Olesen MS, Chang KM, Holm H, Bundgaard H, Stender S. Integrative common and rare variant analyses provide insights into the genetic architecture of liver cirrhosis. Nat Genet. 2024 Apr 17. doi: 10.1038/s41588-024-01720-y. Epub ahead of print. PMID: 38632349.
https://www.nature.com/articles/s41588-024-01720-y
責編|探索君
排版|探索君
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