慢性阻塞性肺疾病的基因組學研究進展及應(yīng)用

蘇琳凡，趙紅梅，肖 毅

1中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院 北京協(xié)和醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科，北京 100730

2中國醫(yī)學科學院基礎(chǔ)醫(yī)學研究所 北京協(xié)和醫(yī)學院病理生理學系醫(yī)學分子生物學國家重點實驗室，北京 100005

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是呼吸科的常見病和多發(fā)病。隨著吸煙率增加及人口老齡化，COPD的發(fā)病率逐年上升，作為全球第三大致死疾病，給世界經(jīng)濟帶來巨大負擔[1]。COPD是多因素導致的復(fù)雜疾病，其中吸煙是環(huán)境因素中最重要的危險因素，然而吸煙者中僅有10%～20%發(fā)展為COPD，約四分之一的COPD患者終生不吸煙[2]，或同等吸煙暴露條件下患者肺功能降低的程度也不同，提示COPD的遺傳易感性。早期的COPD基因研究主要集中于家系研究和候選基因篩選，其中α1-抗胰蛋白酶缺乏(alphal-antitrypsin deficiency，AATD)是首個被證實的COPD遺傳相關(guān)因素，在COPD發(fā)病中占1%～2%[3]。近年來，研究人員應(yīng)用全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association study，GWAS)，發(fā)現(xiàn)了大量與COPD和肺功能相關(guān)的基因變異，全外顯子測序(whole-exome sequencing，WES) 進一步定位與蛋白質(zhì)功能變異相關(guān)的基因變異。COPD基因組學的研究為其發(fā)病機制和潛在治療靶點的探尋提供了新視角。本文就目前COPD相關(guān)基因組學的研究策略，研究現(xiàn)狀和進展，COPD易感基因的應(yīng)用情況進行綜述。

COPD基因的研究策略

COPD家系研究早期流行病學調(diào)查提示，COPD發(fā)病存在家族聚集現(xiàn)象，但這些家族成員往往同時存在吸煙行為聚集現(xiàn)象，因此不能完全除外環(huán)境因素的干擾。進一步研究發(fā)現(xiàn)，對于早發(fā)型重度COPD患者(除合并嚴重AATD外)，其不吸煙的直系親屬患COPD的風險相比于正常非吸煙人群無明顯增加，而吸煙的直系親屬相比于正常吸煙人群風險提升3倍，說明基因可能通過與吸煙相互作用，增加了COPD的遺傳易感性[4]。

COPD相關(guān)候選基因研究候選基因法首先選擇出可能參與COPD發(fā)病過程的基因，在病例對照研究中進一步驗證其與疾病性狀的關(guān)聯(lián)性，從而確定可能的致病基因，是遺傳學研究常用的方法。其中代表的候選基因是SERPINA1(PI)。正常情況下，SERPINA1基因編碼絲氨酸蛋白酶抑制劑，抑制中性粒細胞彈性蛋白水解保護肺組織，預(yù)防肺氣腫形成。SERPINA1等位基因純合突變(ZZ純合子)或特殊的雜合突變(Z和無效等位基因)，統(tǒng)稱為PI Z基因型，均可導致嚴重的AATD，是目前已知的增加COPD患病風險最高的易感基因[5- 6]。其他的COPD相關(guān)候選基因主要包括參與蛋白酶和抗蛋白酶、氧化損傷、炎癥反應(yīng)、氣道高反應(yīng)性等機制的基因[7]。然而，受限于樣本量不足或統(tǒng)計學方法差異，其結(jié)果不具有可重復(fù)性，在臨床研究中依然存在假陽性的問題。且該方法主要聚焦于已知的候選基因，而未覆蓋大量未知的基因，存在局限性。

GWASGWAS是基于全基因組水平，通過比較大樣本病例組和對照組人群中的單核苷酸多態(tài)性(single-nucleotide polymorphism，SNP)差異，發(fā)現(xiàn)疾病相關(guān)易感基因的遺傳研究新方法。其中SNP位點的P<5×10-8才被認為具有全基因組水平陽性[5]。近年來，隨著COPD遺傳流行病學(COPDGene)等大樣本研究開展，極大地促進了COPD基因?qū)用娴难芯?，為COPD發(fā)病機制和精準化治療提供新思路。

COPD基因組學的研究現(xiàn)狀

GWAS尋找COPD易感基因2009 年，Pillai 等[8]首次開展COPD的GWAS研究：通過對挪威823 例COPD患者和 810 名健康吸煙者開展病例對照研究發(fā)現(xiàn)：位于15q25染色體上煙堿樣乙酰膽堿受體CHRNA3/5基因座為COPD的重要風險位點。2014年，一項薈萃分析對來自4項大型GWAS隊列進行匯總分析發(fā)現(xiàn)：新的COPD易感基因座RIN3、MMP12和TGFB2，其中RIN3與中重度COPD(FEV1<80%)相關(guān)，MMP12和TGFB2與重度COPD相關(guān)(FEV1<50%)[9]。2019年，Sakornsakolpat等[10]匯總來自UK Biobank和ICGC數(shù)據(jù)庫的基因數(shù)據(jù)行GWAS分析，共發(fā)現(xiàn)了82個基因座與COPD相關(guān)，其中包括35個新位點。

GWAS和肺功能的相關(guān)研究肺功能是診斷和評估COPD必要條件，肺功能相關(guān)的基因可能也與COPD的發(fā)生相關(guān)。Castaldi等[11]首先提出與FEV1和FEV1/FVC相關(guān)的基因座可能與COPD相關(guān)，并最終確定3個基因也是COPD風險相關(guān)易感基因，包括：4q24染色體上的FLJ20184/INTS12/GSTCD/NPNT基因，6p21染色體上的AGER/PPT2基因和5q33染色體上ADAM19基因。Wain等[12]研究 UK BiLEVE樣本庫，發(fā)現(xiàn)了97個肺功能相關(guān)基因位點。雖然目前已有部分研究提示，肺功能相關(guān)的基因可能參與COPD的發(fā)生發(fā)展，但依然缺乏進一步的試驗驗證和機制研究。

GWAS探究COPD不同表型COPD是一組異質(zhì)性疾病，其臨床癥狀、急性發(fā)作頻率等存在個體差異。主要分為肺氣腫和慢性氣道炎癥等臨床表型，其基因變異與患者易感性及異質(zhì)性相關(guān)。表型組學和基因組學的聯(lián)合也是目前慢病基礎(chǔ)研究的重要策略之一，研究人員通過分析肺功能、影像學等表型的遺傳相關(guān)性來確定COPD臨床表現(xiàn)的遺傳因素，有助于實現(xiàn)臨床精準化治療。

近年來，通過對表型組學和GWAS的聯(lián)合分析也發(fā)現(xiàn)了一些COPD新的亞型。Manichaikul等[13]發(fā)現(xiàn)近SNRPF和PPT2基因位點與肺氣腫相關(guān)；中國人群的上下葉肺氣腫比例與DHX15、MGAT5B相關(guān)。Cho等[14]發(fā)現(xiàn)COPD相關(guān)基因座(HHIP、CHRNA3和AGER)參與肺氣腫的發(fā)生。Boueiz等[15]發(fā)現(xiàn)HHIP和CHRNA5基因與分布在上葉的肺氣腫相關(guān)，同時新發(fā)現(xiàn)3個與肺氣腫分布有關(guān)的基因(SOWAHB、TRAPPC9和KIAA1462)。

Lee等[16]通過比較COPD慢性支氣管炎表型患者和吸煙對照組，發(fā)現(xiàn)了位于4q22.1 的FAM13A基因和11p15.5 的EFCAB4A，CHID1和AP2A2基因SNP差異。同時對慢性支氣管炎進行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)了位于1q23染色體上1q23.3 的RPL31P11、ATF6基因變異與COPD慢性支氣管炎表型相關(guān)。

除了上述常見分型，COPD相關(guān)亞型還包括低氧相關(guān)基因(FOXG1/LINC00645、TICRR)[17]，吸煙行為/尼古丁成癮相關(guān)基因(CHRNA5/CHRNA3/CHRNB4)[5]等。

WES尋找COPD中易感基因相比于GWAS，WES主要發(fā)掘編碼蛋白質(zhì)的功能區(qū)變異，占全基因組的不到1%[5]。Stanley等[18]通過WES分析定位了在重度COPD患者中的罕見功能性變異—端粒酶反轉(zhuǎn)錄酶TERT基因，該位點的有害突變可減弱端粒酶催化活性，增加COPD和肺纖維化風險。Qiao等[19]對早發(fā)型重度COPD患者(無AATD)和吸煙對照組進行WES分析，發(fā)現(xiàn)了DNAH8、ALCAM、RARS和GBF1等編碼基因的突變，可能增加COPD易感性。Wain等[20]對100例肺功能正常的重度吸煙者行WES分析，發(fā)現(xiàn)CCDC38基因的非同義SNP可抵抗煙霧引起的氣流受限。Bruse等[21]對62例重度COPD吸煙者(吸煙高敏感組)和30例正常吸煙者(吸煙耐受組)行WES分析，對初步篩選出的差異基因進行體外細胞實驗，最終驗證2個基因TACC2和MYO1E基因可增強煙霧誘導的細胞毒性和COPD易感性。

COPD相關(guān)基因應(yīng)用

確定蛋白標記物結(jié)合全基因組學SNP和蛋白組學數(shù)據(jù)，可進一步確定與外周血蛋白濃度的數(shù)量性狀位點(quantitative trait loci，pQTL)相關(guān)的SNP位點[22]。晚期糖基化終末受體(receptor for advanced glycation end，RAGE)是種跨膜受體[23]，RAGE由AGER基因編碼[24]，既往GWAS研究證實該基因的SNP突變與COPD和肺氣腫相關(guān)。在COPDGene隊列中，AGER的SNP突變與的血漿RAGE水平降低相關(guān)[25]，可作為COPD肺氣腫的生物標記物。

預(yù)測急性加重頻繁的COPD急性加重會導致肺功能惡化，死亡率增加。相關(guān)的基因?qū)用嫜芯坑邢?。既往通對候選基因的多態(tài)性分析，發(fā)現(xiàn)SFTPB基因[26]、CCL1基因[27]等與COPD急性加重相關(guān)。Pillai 等[28]對已知的GWAS COPD相關(guān)基因分析，發(fā)現(xiàn)其中HHIP基因的SNP變異與COPD急性加重的頻率相關(guān)。

構(gòu)建動物模型為進一步探究和驗證GWAS發(fā)現(xiàn)的COPD易感基因的功能性及在COPD病理生理機制中的作用，后續(xù)研究轉(zhuǎn)向構(gòu)建基因敲除或轉(zhuǎn)基因小鼠的動物模型。Jiang等[29]通過FAM13A基因敲除小鼠模型發(fā)現(xiàn)該基因通過抑制β-catenin信號通路增加小鼠肺氣腫的風險。目前用已知的GWAS水平COPD相關(guān)基因構(gòu)建小鼠肺氣腫模型有：FAM13A、HHIP、IREB2、MMP12、MMP1、SFTPD、AGER和FBLN5[30]。

藥物靶點常見的COPD缺陷基因如SERPINA1等位基因，其純合突變導致的嚴重AATD，可針對性地進行靶點治療：通過定期靜脈注射純化α1-AT的補充性治療，維持血清α1-AT水平(≥11 μmol/L)[31]，改善PI Z基因型患者肺氣腫，目前已成為針對AATD的特異性療法。Wain等[12]揭示了CHRM3基因編碼的毒蕈堿型乙酰膽堿受體M3可作為COPD相關(guān)藥物靶點。最新研究發(fā)現(xiàn)，與COPD和肺功能相關(guān)的ABHD6，CDKL2，GSTO2，KCNC4，PDHB，SLK和TRPM7基因座也是潛在的治療靶點[10]。目前COPD基因靶向藥物還處于細胞層面的初步探索階段，還需要進一步的臨床試驗驗證。

總結(jié)與展望

盡管COPD相關(guān)基因研究獲取了大量相關(guān)基因位點，但其參與的具體病理生理機制未完全闡明，如何實現(xiàn)后續(xù)成果轉(zhuǎn)化是下一步研究的方向和重點。目前國內(nèi)尚缺乏大型的COPD基因組學研究，未來需進一步尋找疾病相關(guān)的易感基因和治療靶點，更好地實現(xiàn)COPD的精準化治療。