今天小编和大家分析一篇2024年10月发表在《Scientific Reports》（IF:3.8）期刊上的文章《A genetic study to identify pathogenic mechanisms and drug targets for benign prostatic hyperplasia: a multi-omics Mendelian randomization study》。
背景：
良性前列腺增生（BPH）是泌尿外科的常见疾病，男性下尿路症状（LUTS）多由BPH引起。LUTS包括排尿和储尿症状，如尿流微弱、尿急、尿频、夜尿和排尿困难等，严重影响患者的生活质量。此外，BPH还会增加急性尿潴留和尿路感染的风险。随着社会老龄化的加剧，BPH的发病率和流行率也在迅速上升，因此迫切需要对BPH进行有效的预防和治疗。然而，药物和手术治疗BPH仍存在一些弊端，同时加之BPH病理生理学的复杂性，导致药物治疗研究发展缓慢。因此，我们需要进一步探索BPH的相关风险因素。尽管BPH是一种常见的男性疾病，但人们仍然认为它与遗传因素有关，与BPH相关的遗传因素仍有待进一步探讨。BPH被认为是一种慢性炎症性疾病，免疫途径对BPH有重要影响。性激素水平波动和代谢综合征导致的循环代谢物水平紊乱也是BPH的危险因素。然而，免疫途径和循环代谢物与BPH之间的因果关系仍有待阐明。
本研究采用了多组学孟德尔随机化（MR）分析方法，并以公共数据库为基础，旨在为进一步探索BPH的发病机制和治疗靶点提供信息，同时消除传统观察性研究的偏倚。
方法及流程图：
1，TWAS基因及其功能注释
2，高置信度基因
3，DNA甲基化位点
4，SMR发现的与BPH相关的可药用基因
5，PheWAS阐明了可药用基因对健康的潜在影响
6，MR分析确定了免疫通路对BPH的影响
7，通过MR分析确定代谢组学对BPH的影响
研究结果：
（一）TWAS基因及其功能注释
在本研究中，利用FUSION将BPH的GWAS和血液及前列腺组织的基因表达权重汇总在一起，探索了与BPH相关的基因表达特征。经Bonferroni校正后，发现血液中有17个基因（P < 6.28 × 10-6）、前列腺组织中有14个基因（P < 1.15 × 10-5）与BPH显著相关（图2A和B）。结果发现 ARPC1AP4（血液：TWAS Z score = -5.06027, TWAS P = 4.19 × 10-7；前列腺：TWAS Z score = -4.4888，TWAS P = 7.16 × 10-6）、BTN3A2（血液：TWAS Z score = 5.02912，TWAS P = 4.93 × 10-7；前列腺：TWAS Z score = 4.89，TWAS P = 1.01 × 10-6）和C4A（血液：TWAS Z score = 4.90754，TWAS P = 9.22 × 10-7；前列腺：TWAS Z score = 5.084，TWAS P = 3.70 × 10-7）与BPH显著相关。
利用GO分析探讨了TWAS基因的生物学功能，图2C和D分别显示了血液和前列腺组织中TWAS基因所涉及的生物学过程、细胞成分和分子功能。结果发现，血液中的TWAS基因主要与清除凋亡细胞、分泌雄激素和激活免疫系统有关。前列腺组织中的TWAS基因主要与代谢过程和酶活性有关。这些基因的功能可能与前列腺增生症的发生有关。此外，进行了联合/条件分析、置换检验和共定位分析，发现TWAS基因中，绝大多数通过了联合/条件分析，表明基因与BPH有独立的关联（血液中11/17个，前列腺组织中8/14个）。此外，只有1个血液中的TWAS基因未通过置换检验，9个前列腺组织中的TWAS基因通过了置换检验。然而，由于置换检验是高度保守的，因此未通过置换检验的TWAS基因仍然值得关注。最后，我们发现大多数TWAS基因与BPH有共定位，这表明基因表达与BPH共享SNPs。
（二）高置信度基因
接下来，使用SMR和FOCUS进一步探索与BPH相关的高置信度基因，首先，对血液和前列腺组织中的顺式-eQTLs进行了SMR分析，发现血液中有16个基因和前列腺组织中有7个基因与BPH相关（图2E和F）。随后，整合了血液中的TWAS基因、血液中的SMR基因、前列腺组织中的TWAS基因和前列腺组织中的SMR基因，发现了2个基因：BTN3A2和C4A（图2G）。此外，对BTN3A2和C4A进行FOCUS分析，最终确定了血液中的高置信度基因：BTN3A2（Joint P = 4.93 × 10–7, SMR PFDR = 0.001, PP.H4 = 0.979, PIP = 0.995, PHEIDI = 0.102），以及前列腺组织中的高置信度基因：BTN3A2（Joint P = 1.01 × 10–6, SMR PFDR = 0.002, PP.H4 = 0.977, PIP = 0.990, PHEIDI = 0.100）和C4A（Joint P = 3.70 × 10–7, SMR PFDR = 0.025, PP.H4 =0.983, PIP = 0.816, PHEIDI = 0.411）（图2H）。
（三）DNA甲基化位点
对高置信度基因进行了三步SMR分析，该研究表明，血液中与BTN3A2相关的SNP信号在BPH的GWAS、顺式-eQTL和顺式-mQTL数据中均具有显著性。DNA甲基化位点cg14345882位于BTN3A2的上游，对BTN3A2的表达和BPH风险有负面影响（图3A和B）。BTN3A2的表达水平与BPH风险呈正相关。同时在前列腺组织中也发现了同样的结果（图3C和D）。研究发现了BPH的潜在致病途径，即较低的cg14345882水平会上调BTN3A2的表达，从而增加BPH的风险。研究没有发现与C4A相关的潜在致病途径，可能是因为Bonferroni校正过于严格。不过，发现了几个PFDR<0.05和Bonferroni校正阈值之间的DNA甲基化位点，它们可能通过调节高置信度基因的表达而增加BPH的风险。
（四）SMR发现的与BPH相关的可药用基因
利用DGIdb数据库的数据，共发现了10639个可药用基因，还从Finan等人的基因“可药用”综述中提取了4463个可药用基因，最后总结出了10,745个独特的可药用基因。进一步分析使用了来自eQTLGen联盟的全血eQTL数据，并将其与可药用基因相交，以获得可药用基因的eQTLs。提取了位于目标基因TSS两侧1000kb范围内、与基因表达密切相关（P<5×10-8）的顺式-eQTLs，最后共纳入了662968个顺式-eQTL进行SMR分析。使用这些顺式-eQTLs作为工具变量，代表基因产物的终生暴露，并评估这些暴露对BPH风险的影响。通过SMR分析，发现了30个与BPH相关的可药用基因（图4）。其中，CCNA2、GSTO2、PTGES3和CCNE1被Finan等人定义为小分子药物、生物治疗药物和临床阶段候选药物的治疗靶点，极有可能成为BPH的靶基因。虽然目前还没有针对BTN3A2和C4A的药物，但研究为它们在BPH发病过程中的重要作用提供了有力证据，值得在今后的研究中继续探索。
（五）PheWAS阐明了可药用基因对健康的潜在影响
为了模拟BPH药物靶基因对健康的潜在影响，利用英国生物库的数据进行了PheWAS分析。重点报告了CCNA2、GSTO2、PTGES3和CCNE1的潜在副作用。CCNA2位于4号染色体上，其TSS两侧100kb范围内的SNP与酗酒风险增加有关。GSTO2位于10号染色体上，其TSS两侧100kb范围内的SNPs会增加少尿和无尿的风险。PTGES3位于12号染色体上，TSS两侧100kb范围内的SNP与心房扑动、心房颤动和高血压等循环系统疾病有关。CCNE1位于19号染色体上，PheWAS没有发现与之显著相关的表型。后续研究应注意这些基因靶向药物可能产生的副作用。
（六）MR分析确定了免疫通路对BPH的影响
为了确定与BPH相关的细胞类型，使用FUMA将scRNA-seq数据与GWAS统计摘要相结合。在血液中，发现前列腺增生症的GWAS主要富集在血小板因子4高表达的巨噬细胞、核糖体蛋白S27高表达的B细胞和血管紧张素转换酶高表达的巨噬细胞中。在前列腺组织中，没有细胞类型与BPH相关。
为了进一步阐明免疫途径对BPH的影响，对731种免疫细胞和91种炎症因子进行了MR分析。根据IVs的选择标准，纳入了10,909个免疫细胞SNPs和1,573个炎症因子SNPs。所有SNP的F均大于10。结果显示，所有SNP都是有效的强IV。结果发现，IgD上的CD20+CD38br（odds ratio (OR) = 1.03, 95% confidence interval (CI) = 1.07–1.11, PFDR = 0.10, Maximum likelihood）会增加BPH的风险，而 CD33dim 上的 HLA DR + CD11b- （OR = 0.96, 95% CI = 0.94–0.98, PFDR = 0.17, Maximum likelihood）会降低BPH的风险（图 5A）。在炎症因子中，IL-17（OR = 1.25, 95% CI = 1.09–1.43, PFDR = 0.12, Maximum likelihood）也会增加前列腺增生的风险（图 5B）。敏感性分析进一步证明了研究结果的可靠性。
（七）通过MR分析确定代谢组学对BPH的影响
为了确定循环代谢物对BPH的影响，对1,091个循环代谢物进行了MR分析。根据IVs的选择标准，纳入了20629个SNPs，所有SNPs的F均大于10。结果发现，癸二酸酯（C10-DC）水平（OR = 1.05, 95% CI = 1.02–1.08, P = 3.0 × 10–4, Maximum likelihood）、半胱氨酸二硫化物水平（OR = 1.11, 95% CI = 1.05–1.18, P = 5.18 × 10–4, Weighted median）和半胱氨酸氧化水平（OR = 1.09, 95% CI = 1.04–1.14, P = 3.87 × 10–4, Weighted median）会增加前列腺增生症的风险。此外，还发现了一系列与BPH相关的循环代谢物，包括 16-ahydroxy DHEA 3-sulfate，这与之前的观察性研究结果相同（图 5C）。敏感性分析进一步证明了结果的可靠性。