科研 | 约翰霍普金斯大学：代谢组学非裔美国人肾脏疾病和高血压研究中血清代谢物的全基因组关联研究
编译：微科盟红烧大肥鸥，编辑：微科盟Tracy、江舜尧。
微科盟原创微文，欢迎转发转载。
论文ID
原名：Genome-wide association study of serum metabolites in the African American Study of Kidney Disease and Hypertension译名：非裔美国人肾脏疾病和高血压研究中血清代谢物的全基因组关联研究
期刊：Kidney International
IF：8.945发表时间：2021.04通讯作者：Shengyuan Luo
通讯作者单位：约翰霍普金斯大学彭博公共卫生学院
实验设计
实验结果
1. 参与者特征
有遗传和代谢组学数据的619名AASK参与者的平均年龄为55±11岁，平均体重指数为30±7 kg/m2（表1）。在这些参与者中，有232名（38%）是女性，有182名（29%）是当前吸烟者，有336名（54%）有心脏病史。平均测量的GFR为45±13 ml/min每1.73 m2，尿蛋白与肌酐的中位数为31 mg/g（四分位数间距为29-382 mg/g）。
表1 参与者特征
a一种ARIC研究报告了尿液白蛋白与肌酐的中值之比。b GFR是在AASK中测量的GFR，在ARIC研究中是估算的GFR（使用肌酐和半胱氨酸蛋白酶抑制剂C）。
2. 基因组位点-代谢物关联与基因定位
本研究共评估了652种代谢物，其中40种代谢物在10%~50%的参与者中丢失，27种代谢物在50%~75%的参与者中丢失，3种代谢物在75%~80%的参与者中丢失。在对652种代谢物血清水平的GWAS分析中，研究发现38种代谢物与32个指数SNPs之间有42个独特的变异-代谢物关联。在38种有显著关联的代谢物中，30种在<10%的样品中缺失，36种在<50%的样品中缺失，所有的代谢物缺失均<75%。这32个指数SNPs代表了23个基因组位点，23个基因组位点中，16个与1种代谢物相关，4个与2种代谢物相关，1个与3种代谢物相关，1个与4种代谢物相关，1个与11种代谢物相关。
3. AASK患者与普通人群等位基因频率的差异
32个已识别的指数SNPs的次要等位基因频率在0.01~0.46之间。10个指数SNPs在次要等位基因频率上均小于0.05。为了评估本研究人群的遗传背景是否与其他代谢物GWAS研究中使用的不同，我们比较了32个指数SNPs的等位基因频率与欧洲血统人群的等位基因频率；27个等位基因频率的差异>50%。
4. 重大基因组关联的代谢物途径
与至少1个SNP显著相关的代谢物属于以下超通路之一：氨基酸(184个代谢物中有24个是显著的)、脂质(349个代谢物中有8个是显著的)、核苷酸(34个代谢物中有3个是显著的)、辅因子和维生素(23个代谢物中有2个是显著的)和肽(35个代谢物中有1个是显著的)。在这些超通路中，氨基酸更有可能存在显著的关联(Fisher Exact，P=7E-06；置换，P=0.005)。
5. 已发表代谢物GWAS的文献检索
文献搜索确定了28项已发表的涉及循环代谢物水平的GWAS研究。我们的GWAS调查了89种代谢物，这些代谢物在这些研究中没有被报道为已知的代谢物(图1)。在42个变异-代谢物组合中，在与以前的GWAS进行比较的基础上22个被确定为新的，其中14个涉及以前的代谢关联不包括在前面的代谢物GWAS中(表2)。在ARIC研究中，19种代谢物中有17种可用于验证工作，从而可以对19种变异-代谢物相关性进行评估。
图1 本研究中的652种代谢物与先前使用Metabolon和/或Broad和/或Biocrates平台进行的全基因组关联研究（GWAS）中包含的代谢物重叠图
表2 已确定的SNP代谢物关联（无论以前是否曾被报道过）以及对定性的潜在贡献因子
AASK，非洲裔美国人肾脏疾病和高血压研究；GFR，肾小球滤过率；SNP，单核苷酸多态性。
6.ARIC研究中复制的新关联
818位接受ARIC访问的代谢谱分析的非洲裔美国人平均年龄为75±5岁，平均体重指数为30±7 kg/m2。在这些参与者中，有532位（65%）是女性，有49位（6%）是目前吸烟的人，有84位（10%）有心脏病史，全部都是非洲裔美国人。平均估计GFR为67±21 ml/min每1.73 m2（35.6%的估计GFR < 60 ml/min每1.73 m2），尿白蛋白与肌酐的中位数比为11 mg/g（四分位间距6–31 mg/g）。在ARIC研究中可用的19种代谢物中，有6种在10%~50%的样本中缺失，而1种在> 50%的样本中缺失。本研究复制了19个新变体-代谢物关联中的11个，涵盖8个基因组位点和11个代谢物（表3）。
表3 在ARIC研究中复制的AASK中8个不同的基因组基因座与11个血清代谢物之间的全新关联
7. 最有可能的致病基因
对于11个复制的新型变体-代谢物关联，我们使用评分系统选择了8个基因的子集作为最可能的潜在因果基因。该评分系统可量化证据，例如基因是否具有已知导致单基因疾病的变体或SNP是否位于基因附近。基因本身内的转录起始位点是错义变体或与蛋白质水平有关。在这8个基因中，有7个编码酶。11个变体-代谢物关联中的9个涉及ACY1，ACY3，NAT8，HAO2和AFMID，这表明酶-代谢物之间存在清晰的相互作用：ACY1，ACY3和NAT8与不同乙酰化氨基酸相关：ACY1的N-乙酰蛋氨酸，ACY3的N-乙酰色氨酸和N-乙酰酪氨酸，和NAT8的N-乙酰亮氨酸，N-乙酰赖氨酸，和N-乙酰精氨酸（表4和图2）。大多数可疑的致病基因，尤其是ACY1，ACY3，NAT8，HAO2和AFMID，在肝脏和肾脏中的基因表达均得到增强。
表4 新型复制基因组基因位点-代谢物关联的生物学相关性
图2 NAT8，ACY1和ACY3在近端肾脏中的可能位置和功能
8. 与GFR相互作用的新型变体-代谢物关联以及与GFR的重要代谢物的相关性
在11个复制的新型变体-代谢物关联中，有1个（rs7528838：2-羟基-3-甲基戊酸酯）具有名义上与GFR相互作用的证据（P=0.007）。rs7528838的每个次要T等位基因与2-羟基-3-甲基戊酸酯的较低水平相关，并且随着GFR水平降低，T等位基因与2-羟基-3-甲基戊酸酯的较低水平相关。11种代谢物中有9种与GFR呈负相关。
9. 灵敏度分析
在AASK的42个显著指数SNP-代谢物关联中，9个相关代谢物其中>10%的样本丢失。在排除缺失值的重复分析中，9个关联中有7个仍然具有统计学意义(P<0.05/9)。在将代谢物水平重新量化为序数变量后，相同的7个相关性仍然显著。我们使用k-最近邻法，有8个关联具有统计学意义。
讨论
在对患有CKD的非裔美国人652种血清代谢物进行的GWAS研究中，我们确定了代谢物和基因组位点之间的11个新的关联，这些关联在ARIC研究中的818名非裔美国人中重复出现。许多新的关联描述了明确的酶-代谢物相互作用。几个可能的致病基因(即ACY1、ACY3和NAT8)调节相似的代谢物池-乙酰化氨基酸-具有不同的特异性模式。因此，我们的研究确定了非洲裔美国人代谢物中具有生物学合理性的遗传决定因素，为酶调节代谢产物的血液水平以及底物特异性中的关键作用提供了新的见解。
我们的发现扩展了已知的酶-底物关系，特别是关于乙酰化氨基酸。有趣的是，这3个相关基因ACY1、ACY3和NAT8都在肾脏和肝脏高表达。NAT8被认为乙酰化α-氨基Q17形成巯基尿酸；ACY1可能参与N-乙酰化氨基酸的水解；ACY3可能是脱乙酰化巯基尿酸途径的产物。我们发现ACY1与N-乙酰甲硫氨酸相关，这与在体外测试的16种氨基酸中的观察结果一致，人乙酰转移酶1与乙酰蛋氨酸的亲和力最高。与ACY3的代谢产物缔合（即N-乙酰色氨酸和N-乙酰酪氨酸）强烈表明，乙酰转移酶3对芳香族乙酰化氨基酸具有特异性。最后，NAT8显示与多种乙酰化氨基酸相关，包括芳香族和非芳香族氨基酸。与早期报道表明N-乙酰转移酶乙酰化半胱氨酸S-缀合物而不是氨基酸相比，本文和其他报道的结果相反：体内N-乙酰基转移酶8在乙酰化广泛的氨基酸（可能在肾脏和肝脏中）中起关键作用，进而对循环水平产生重大影响。有关酶和代谢产物水平的进一步研究可能进一步阐明NAT8，ACY1和ACY3之间的关系。
其他可疑的致病基因也是代谢产物水平的生物学上看似合理的调节剂，对肾脏具有有趣的影响。HaO2编码一种在肾脏和肝脏中高度表达的蛋白质，该蛋白已知具有2-羟基酸氧化酶活性，这种蛋白质被认为定位在过氧化物酶体中，在那里它催化L-α-羟基酸和L-α氨基酸的氧化。AFMID基因编码芳基甲酰胺酶，该酶催化N-甲酰L-犬尿氨酸水解为L-犬尿氨酸，是色氨酸降解的犬尿氨酸途径中的一个步骤，并被认为是消除有毒代谢物所必需的。N-甲酰基邻氨基苯甲酸(AFMID的代谢物)是由N-甲酰犬尿氨酸和犬尿氨酸酶生物合成的一种苯甲酸。有趣的是，犬尿酸被认为是肾脏疾病炎症的促进剂和肾小球滤过率下降的预测因子。
以前对代谢物的全基因组评估也强调了酶和底物的关系。酶和底物之间的密切联系和高遗传力研究可允许使用相对较小的样本量，但一些额外的因素对我们的研究有所帮助。其中七个新的关联涉及以前未包括在代谢物GWAS中的代谢物。几乎所有的代谢物都与GFR呈负相关，其中一种变异代谢物在较低的GFR时相关性更强，这可能使我们能够在我们的CKD患者队列中检测到这一点。9个指标性SNPs的等位基因频率在AASK人群中高于欧洲人群的50%以上，突出了将不同人群纳入遗传学研究的好处。
这项研究有局限性。首先，相对较小的样本量可能限制了我们的能力。尽管如此，我们仍能够鉴定出与其他具有较大样本量的其他代谢物GWAS数量相当的关联，验证20个先前已知的关联，并从ARIC研究中复制了许多非裔美国人的新发现，表明了我们方法的实用性和有效性。其次，由于非裔美国人患有CKD的独特研究人群，我们的发现可能无法推广到所有人群，并且在CKD人群中进行的验证工作（而不是ARIC，这是一项普通人群研究）可能会产生更多的重复性结果。第三，在这项研究中确定的关联可能部分代表表观遗传效应。GWAS方法不允许量化此类影响。然而，鉴于ARIC研究中有或没有肾脏疾病的个体都能成功复制，因此这些关联不太可能仅由CKD中独有的表观遗传机制驱动。我们强调为调节代谢物血液水平的潜在关键酶可能会指导未来的表观遗传学研究。第四，某些代谢物在某些样品中无法检测到，对于这些样品，我们以最低检测值估算了代谢物的水平。为了保存低于可检测限的代谢物含量信息，我们包括了<80%样品中所有缺失的代谢物。如果缺失值确实是由低代谢物水平引起的，则此方法是适当的。但是，如果缺少值是由于其他因素引起的，则可能会引入偏差。为了解决这个问题，我们对> 10%的样品中缺失的9种代谢物进行了几项灵敏度分析。结果表明我们的发现对遗失现象具有鲁棒性，但我们确实注意到，未发现50%以上样品中缺失的代谢物具有重要的遗传变异-代谢物关联。
总之，在652名患有CKD的非裔美国人的血清代谢物中，GWAS确定了42个独特的位点-代谢物关联。一项对已发表的代谢物GWAS的系统文献综述鉴定出了 20个变异-代谢物关联，并在ARIC研究中的非裔美国人中复制了11个新关联。许多新的关联具有很强的生物学可信性，并且代表了明确的酶-底物关系。这些发现为底物特异性提供新见解(例如ACY1和ACY3)，并强烈暗示NAT8与氨基酸乙酰化有关，并共同强调了肾脏的关键作用，它不仅是一个被动的过滤器和分泌装置，而且还是一个影响全身新陈代谢的酶作用场所。
----------微科盟更多推荐----------
免费生信作图平台——生科云 | |
长按左侧二维码 进入生科云 | |
生科云所有分析工具可以免费使用，不收取任何直接或间接费用；您还可以在微信上联系微生态老师，随时获取免费的指导，帮助您解决分析时遇到的问题；专业的生信分析团队，持续添加、更新、优化生信云上的分析工具，集成多种生信分析流程，一键批量生成主流科研图，帮您节省时间，有更多的时间探究生物学意义。 |
----------微科盟精彩文章----------
科研 | 北京协和：他汀类药物疗法改善肠道菌群稳态和急性冠脉综合征患者预后（国人佳作）
科研 | 温州医科大学：代谢组学揭示非重症新冠患者康复过程性别特异性代谢并预测疾病阳性转阴性持续时间（国人佳作）
如果需要原文pdf，请扫描文末二维码，加助理获取
微科享期待与您交流更多代谢组学问题
（联系代谢组学老师即可申请入群）
请关注下列二维码
了解更多代谢组学知识