东亚血统人群中脑出血的遗传风险因素

背景和目标：自发性脑出血（Intracerebral hemorrhage, ICH）是一种致死率很高的破坏性神经急症。ICH亚型的分布因血统而异，叶状ICH在欧裔个体中更常见，而深部ICH在东亚血统人群中更常见，这可能反映了不同的遗传易感性。然而，东亚血统人群中ICH的遗传基础仍未得到充分探索，部分原因是缺乏具有充分基因组数据的大型血统特异性队列。 方法：研究人员进行了一项全基因组关联研究（Genome-wide association study, GWAS）荟萃分析，纳入了来自台湾和日本生物样本库（Biobank Japan, BBJ）队列的3375名ICH病例和334,926名东亚血统对照。由于缺乏影像学数据，ICH病例的识别依赖于经过验证的国际疾病分类编码算法。为了优先处理遗传信号，研究人员使用了功能注释、全转录组关联分析（Transcriptome-wide association study, TWAS）和基于基因的方法。 结果：研究在4q21.1和12q24.13基因组区域发现了2个与ICH相关的具有全基因组显著性的新基因位点（p< 5 × 10−8）。基因优先级排序和功能注释强调了4q21.1位点的成纤维细胞生长因子5 (fibroblast growth factor 5, FGF5)和12q24.13位点的HECTD4，这两个基因先前均被证实与血压调节（ICH的一个关键风险因素）有关。此外，TWAS揭示了肾脏皮层中与ICH相关的FGF5基因表达，提示了疾病风险中潜在的血管通路。这些关键发现在调整了人群结构和临床协变量的敏感性分析中仍然稳健。研究还发现了PRDM8、BMP3和ABO与ICH的关联，尽管它们对风险贡献的证据说服力较弱。 讨论：研究结果强调了东亚血统人群中ICH的新遗传风险位点，并提示了包括高血压相关通路在内的共同血管机制。尽管在该数据集中无法进行基于影像的亚型分型，但这些结果为未来整合神经影像、复制队列和功能验证的研究奠定了基础。

研究背景、问题与动机

脑出血（Intracerebral hemorrhage, ICH）是一种高发病率和高死亡率的破坏性神经急症，约占全球所有中风的10%-30%。在解剖学分布上，ICH通常分为叶状脑出血（lobar ICH, LICH）和深部脑出血（deep ICH, DICH）。流行病学研究显示，东亚血统人群的ICH发病率显著高于欧洲血统人群，其中深部ICH更为常见，通常与高血压性小血管病（hypertensive small vessel disease, SVD）相关。尽管已知高血压、年龄等因素是ICH的风险因素，但仍有相当一部分风险无法用临床和生活方式因素解释，据估计高达30%的ICH易感性可归因于遗传变异。然而，此前发现的多个ICH易感基因位点（如1q22, APOE等）主要来自欧洲血统人群的队列，针对亚洲人群的大规模全基因组关联研究仍然有限。为了弥补东亚血统人群ICH遗传研究的空白，研究人员开展了此项大样本量的全基因组关联研究荟萃分析。

研究概要、结论与意义

本研究整合了来自中国医药大学附设医院（China Medical University Hospital, CMUH）临床研究资料库和日本生物样本库（Biobank Japan, BBJ）的队列，对东亚血统人群的脑出血遗传风险因素进行了大规模的GWAS荟萃分析。研究旨在识别东亚血统人群中与ICH相关的新遗传位点，并探索其发病机制中涉及的潜在生物学通路。研究发现并验证了2个新的与ICH显著相关的基因位点（4q21.1和12q24.13），其邻近基因FGF5和HECTD4均与血压调节相关，提示了ICH风险中共同的血管机制，特别是高血压相关通路。此外，转录组关联分析揭示了肾脏皮层中FGF5基因表达与ICH的关联，暗示了潜在的肾脏-血管调控通路。这项工作为未来整合神经影像、进行功能验证的研究奠定了基础，并强调了针对特定血统人群进行遗传研究以理解疾病异质性的重要性。本研究成果发表于《Neurology Genetics》期刊。

主要研究方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   样本队列与病例识别：研究整合了两个东亚血统人群队列的数据。一个是来自中国台湾地区的CMUH临床研究资料库（CMUH-CRDR）的184,823名参与者（包括1,919名ICH病例和182,904名对照）。另一个是来自日本生物样本库（BBJ）的153,478名参与者（包括1,456名ICH病例和152,022名对照）。ICH病例的识别依赖于国际疾病分类（International Classification of Diseases, ICD）编码算法，并通过严格的排除标准（如脑肿瘤出血、血管病变、外伤性出血等）进行了筛选。
2. 2.
   基因分型、质量控制与归因：对CMUH队列使用了定制的TWBv2 SNP芯片进行基因分型，并进行了严格的质量控制，包括剔除低检出率的样本和单核苷酸多态性（Single-nucleotide polymorphism, SNP）、剔除低次要等位基因频率（minor allele frequency, MAF）的SNP、去除不符合哈代-温伯格平衡（Hardy-Weinberg equilibrium, HWE）的SNP，并利用主成分分析剔除非东亚血统的个体。随后使用SHAPEIT2进行基因型定相，并使用IMPUTE2工具，以1000 Genomes Project Phase 3的东亚参考单倍型为参考，对SNP进行了归因分析。
3. 3.
   全基因组关联分析与荟萃分析：对CMUH队列的GWAS分析采用了REGENIE这一机器学习两步法，并以年龄、性别和前6个主成分作为协变量。随后，将CMUH队列的GWAS结果与来自BBJ PheWeb的ICH GWAS汇总数据进行了荟萃分析，采用固定效应逆方差加权法，全基因组显著性阈值设定为p< 5 × 10⁻⁸。
4. 4.
   功能注释与基因集富集分析：使用多功能基因组注释分析（Multimarker Analysis of GenoMic Annotation, MAGMA）软件对GWAS结果进行功能注释、基因集和组织的富集分析，以理解关联信号背后的生物学通路。使用转录组关联分析（Transcriptome-wide association study, TWAS）工具S-MultiXcan，整合GTEx数据库的表达数量性状位点（expression quantitative trait locus, eQTL）数据，进行基于基因的组织特异性关联检验。
5. 5.
   临床验证：为验证FGF5和HECTD4基因附近变异与中风亚型的临床关联，在CMUH临床验证数据集中，针对6个接近FGF5和10个接近HECTD4的SNP，计算了它们与出血性中风（ICH和蛛网膜下腔出血）及缺血性中风亚型的优势比。

研究结果

Demographic of ICH Cohort：在CMUH队列中，ICH参与者与非ICH参与者在年龄、性别比例、体重、体重指数、血压、胆固醇水平、血糖以及高血压或糖尿病合并症方面存在显著差异。ICH组使用抗凝剂的比例也更高。

Meta-Analysis of GWAS：将CMUH和BBJ的GWAS数据进行荟萃分析后，样本量达到338,301人（3,375例ICH，334,926例对照）。基因组膨胀因子为1.04。研究发现了位于4号染色体（4q21.1）和12号染色体（12q24.13）上的6个具有全基因组显著性的SNP。通过连锁不平衡（Linkage disequilibrium, LD）聚类，确定了2个独立的先导SNP：rs16998073和rs2074356。基因定位显示，FGF5是rs16998073最邻近的基因，HECTD4是rs2074356最邻近的基因。

Gene Prioritization With eQTL Mapping：通过将ICH相关SNP映射到GTEx v8数据库的表达数量性状位点数据，发现小脑中骨形态发生蛋白3（Bone morphogenetic protein 3, BMP3）和PR结构域蛋白8（PR domain protein 8, PRDM8）的表达与ICH风险相关。此外，肾脏皮层中的BMP3和FGF5表达也与ICH相关SNP存在关联。

Gene-Based Associations Using Multitrait Analysis Results of ICH：基于S-MultiXcan的基因水平关联分析结果显示，有两个基因的表达与ICH存在实验范围内的显著关联：肾脏皮层组织中的FGF5表达和冠状动脉中的ABO表达。但HECTD4未达到实验范围显著性。

Pathway Analysis Enrichment of ICH-Associated Loci：通过MAGMA进行的通路富集分析发现，与ICH相关的顶级基因集（校正前p< 0.05但校正后未达显著）包括内皮细胞分化的调节和一氧化氮合酶结合，这两者均与脑血管疾病相关。

Clinical Validation of Variants in FGF5and HECTD4Genes：临床验证分析显示，对于ICH，有3个FGF5SNP和1个HECTD4SNP显示出显著性关联，其中FGF5rs34623167的风险最高，HECTD4rs75267571显示出保护效应。对于蛛网膜下腔出血，也有2个FGF5SNP和1个HECTD4SNP显著。与缺血相关亚型的关联则较弱。然而，在进行邦弗朗尼校正后，这些关联均未达到统计学显著性。

讨论与结论总结

研究人员讨论部分总结如下：

本研究发现的ICH风险基因位点FGF5和HECTD4，与先前在韩国、日本和中国人群中这两个基因与高血压的关联证据一致。这尤其相关，因为高血压是亚洲人群深部ICH的主要原因。成纤维细胞生长因子信号在脑发育、维持和修复中起关键作用，FGF5可能通过影响血管重塑、内皮功能和炎症等机制增加ICH风险。HECTD4则被识别为ICH的保护因子，其编码的泛素-蛋白酶体系（ubiquitin-proteasome system）组分可能通过调节内皮一氧化氮（Nitric oxide, NO）产生等通路来调控血管稳态和血压。功能注释和基因富集分析结果提示了内皮细胞分化和一氧化氮合酶结合等与脑血管完整性相关的通路。基于组织的基因表达分析中，肾脏皮层FGF5和冠状动脉ABO表达的显著关联，分别提示了肾脏-血管调控通路和系统性血管风险。ABO血型系统与非O型血与较高的促血栓因子水平相关，可能增加心血管疾病风险。

本研究也存在一些局限性。首先，研究结果对非东亚血统人群的普遍性尚不确定，特别是考虑到欧洲队列中发现的特定亚型关联。其次，缺乏独立的遗传数据集进行复制验证。第三，只有两个基因达到全基因组显著性，限制了通路富集分析的统计效力。第四，依赖ICD编码进行病例确认，缺乏神经影像学确认，无法对ICH病例进行关键的亚型（叶状与深部）分层，这同样影响了小血管病的定义。第五，当前数据集缺乏详细的生活信息，无法纳入基因-环境交互作用分析。最后，结论基于生物信息学分析，缺乏实验验证。

研究结论：本研究确定了与ICH相关的关键遗传因素和通路，为理解其复杂的病理生理学提供了新的见解。值得注意的是，研究人员强调了东亚血统人群中自发性ICH的潜在关联位点，其最邻近的基因为FGF5和HECTD4。虽然这些基因目前未被公认为与ICH相关，但它们与高血压（东亚血统人群中深部ICH的主要病理生理驱动因素）的强关联性，为进一步研究提供了一个引人注目的方向。这些发现增进了我们对ICH遗传易感性的理解，但进一步的机制和功能研究对于验证这些关联并阐明它们在疾病过程中的作用至关重要。纳入基因-环境交互作用分析并强调在精准医学中的应用，可以显著提高该领域未来研究的临床相关性和影响力。