一、研究背景
 

1、全基因组关联研究(GWAS)已经确定了许多腔隙性卒中的风险基因，但破译它们如何赋予疾病风险具有挑战性。蛋白质是最有效的生物标志物和治疗靶点，因为它们代表细胞和生物过程的主要功能成分以及基因表达的最终产物，研究脑功能障碍相关的风险蛋白是至关重要的。

2、目前，复杂组织高通量蛋白质组测序的突破是人类大脑蛋白质组大规模量化的重要一步，蛋白质组全关联研究(PWAS)新框架的建立，将疾病基因与蛋白质数据的结合分析，有利于发现潜在的致病性蛋白质及疾病机制。

 

二、研究手段
 

① 首先，从脑组织和腔隙性卒中GWAS中获得的两个蛋白质定量性状位点(protein Quantitative Trait Loci,pQTL)数据集进行PWAS分析。

② 其次，使用独立孟德尔随机化(MR)分析来验证PWAS显著基因。

③ 第三，使用COLOC整合GWAS数据和使用贝叶斯共定位分析的脑pQTL，以探索两个水平上的变化是否与共享的因果变量一致。

④ 第四，利用基因表达数据在转录水平上探索驱动GWAS信号的重要基因。
 

三、研究结果

1、腔隙性脑卒中PWAS的发现和复制

PWAS鉴定了7个基因(ICA1L、CAND2、ALDH2、MADD、MRVI1、CSPG4和PTPN11)的顺式调节脑蛋白水平与腔隙性卒中相关，4个基因(ICA1L、CAND2、ALDH2和MADD)可以在腔隙性卒中的独立PWAS中复制，提供了较高的置信水平。其他3个不能在确认的PWAS中检测，其中，2个蛋白(CSPG4和PTPN11)没有被测得，MRVI1被测得但没有很大的遗传力，这可能是样本量较小的原因（图1，表1）。

图1  腔隙性卒中PWAS曼哈顿图

表1

2.脑细胞类型特异性分析

为研究PWAS识别的风险基因是否富集在特定的脑细胞类型中，使用来自Cell Types数据库的人类单细胞RNA-seq数据进行分析。结果表明，7个致病基因的表达存在细胞类型特异性富集，MRVI1和ALDH2在星形胶质细胞中更丰富，而ICA1L、PTPN11和MADD仅在谷氨酸能神经元中发现，GABA能神经元中CAND2和ALDH2水平较高（图2）。

 

图2 风险基因细胞特异性富集分析

 

 

3.MR通过脑pQTL验证4个与腔隙性卒中相关的基因

MR通过脑pQTL进一步证实这些生物标志物（ICA1L、CAND2、ALDH2和MADD）是揭示与腔隙性卒中GWAS相关的有力证据（表2）。

表2

4.脑腔隙性卒中风险基因与pQTL的共定位

基于H4≥75%和PP4/(PP3+PP4)≥0.75，为七个基因中的ICA1L、CAND2和ALDH2提供了基因共定位的证据(表2)。这表明这三个蛋白质在腔隙性卒中的病理生理中发挥重要作用。

5.腔隙性卒中PWAS结果的特异性

为了解腔隙性卒中PWAS结果是否具有特异性，对其他脑相关生物学特征进行PWAS，并预测重要基因的重叠程度与其遗传关系大致相关。缺血性脑卒中PWAS鉴定出4个基因，而大动脉粥样硬化性脑卒中和脑微出血PWAS均未鉴定出。腔隙性脑卒中PWAS发现1/4 (ALDH2;25%)缺血性脑卒中基因与7个腔隙性脑卒中PWAS显著基因重叠，反映了两者高度的遗传相关性。大动脉粥样硬化性中风、脑微出血和腔隙性中风之间没有基因重叠（图3）。

图3  PWAS结果特异性分析

6.基于mRNA水平检测潜在的腔隙性卒中致病蛋白

将腔隙性卒中GWAS数据与人脑转录组相结合，使用FUSION进行转录组全关联研究(TWAS)。结果表明，顺式调控的7个基因的脑mRNA表达与腔隙性卒中相关，值得注意的是，ICA1L在PWAS发现中被确定，这是PWAS和TWAS在腔隙性卒中病因学中发挥作用的联合证据（表3）。

表3

 

四、结论

总之，研究结果支持三种新的脑蛋白(ICA1L, CAND2和ALDH2)与腔隙性卒中相关，且ICA1L在mRNA水平上得到进一步验证。这些发现为腔隙性脑卒中的遗传和生理过程提供了信息，有利于识别新的治疗靶点。


 

 

参考文献：

Zhang C, Qin F, Li X, Du X, Li T. Identification of novel proteins for lacunar stroke by integrating genome-wide association data and human brain proteomes. BMC Med. 2022 Jun 23;20(1):211.