预计到 2045 年全球糖尿病负担将增至 7 亿人，使之成为全球范围内增长最快的疾病之一。这种代谢疾病是目前导致微血管和大血管疾病的主要原因，会导致肾衰竭、失明、心脏病和下肢截肢等严重后果。理解糖尿病的遗传贡献将有助于增进对潜在生物通路的理解，识别风险个体，并指导更有效的精准治疗。为此，来自英国的科研团队进行了相关研究，并将研究成果发表在了Science子刊 Science Advance 上，文章题为Human genetics uncovers MAP3K15 as an obesity-independent therapeutic target for diabetes。研究人员利用UK Biobank的454796个外显子测序数据，识别出携带MAP3K15基因的特定变体与降低糖尿病风险相关。该研究为糖尿病提出了新的治疗靶点，或可对糖尿病临床治疗带来深远影响。
研究背景
糖尿病作为一类严重的代谢疾病，其全球影响力与日俱增。根据国际糖尿病联盟的数据，预计到2045年，全球糖尿病患者人数将增加至7亿，这使糖尿病成为全球范围内增长最快的慢性病之一。糖尿病主要包括1型糖尿病（T1DM）和2型糖尿病（T2DM）。T1DM大多由自身免疫性病变导致，即机体的免疫系统破坏胰腺中的胰岛β细胞，导致胰岛素分泌不足。相较之下，T2DM主要由于体内的胰岛素抵抗性增强所致，进而影响葡萄糖的代谢和利用。无论哪种类型的糖尿病，长期的血糖异常都会导致一系列严重并发症，例如视网膜病变、肾衰竭、心血管疾病甚至截肢，这无疑严重影响患者的生活质量和寿命。尽管当前的医疗手段中存在多种药物治疗方式，例如GLP1（胰高血糖样肽-1）受体激动剂和DPP4（二肽基肽酶-4）抑制剂对T2DM的治疗显示出了良好的效果，但这些药物很大程度上依赖于胰腺β细胞的残余功能来分泌胰岛素。而对于许多患者来说，随着病程进展，最终可能仍需依赖每天的外源性胰岛素注射。这凸显了在糖尿病治疗中寻找新的、独立于胰岛素分泌机制的治疗靶点的迫切需求。
鉴于基因组关联研究（GWAS）为我们识别了众多与糖尿病相关的遗传位点。特别是在近几十年来，研究者们通过大规模的GWAS研究识别了多个与T1DM和T2DM相关的位点。然而，大多数已识别的变异位于非编码区，尽管它们显示了与疾病的关联性，但因缺乏明确的候选基因，难以直接用于治疗靶向开发。此外，GWAS研究多聚焦于群体中常见的变异，其效应量相对较小，而许多潜在的影响更为复杂的稀有变异常被遗漏。因此，研究者通过全外显子测序技术，解析人类蛋白编码序列的完整变异谱，从而捕获一些罕见或极罕见的变异，尤其是功能缺失变异。这些变异若能通过基因功能缺失来保护个体抵御糖尿病，则为药物开发提供了人类验证的切实可能。MAP3K15基因，即是一项来自英国科研团队利用UK Biobank等资源所做出的重大发现。研究人员通过分析来自不同群体的外显子测序数据，识别出MAP3K15基因的特定变异与降低糖尿病风险相关，且与体重指数无关，表明即使在肥胖情况下该基因也能保护个体免受胰岛素抵抗的影响。这为糖尿病的治疗提供了一个新的视角，即，胰岛素通路之外的潜在干预靶点也为精准医疗的策略提出了新的可能方向。
方法
样品来源及方法
这项研究主要样本来自英国生物样本库（UKB），包含454796份参与者的外显子测序数据，这些数据与其健康记录相联。研究还在来自墨西哥城前瞻性研究（MCPS）的96811名美洲混血个体和来自芬兰基因组研究（FinnGen）项目的芬兰人群中复制了这些发现。其中，来自UKB和MCPS的外显子测序数据是通过因美纳NovaSeqTM 6000 测序平台生成的。
针对获取的外显子测序结果，应用基因水平的变异集合分析框架，纳入了10种非同义变异集合分析模型，来测试每种糖尿病表型的蛋白编码关联。使用相同的方法对欧洲、南亚、东亚和非洲四个血统人群进行分析，随后进行了变异泛血统分析，通过Cochran-Mantel-Haenszel（CMH）检验汇总了所有四个祖先群体的结果。此外，研究团队还加入了分层分析，即，仅在不携带拉美裔富集的SLC16A11风险单倍型的个体中，对MAP3K15的保护作用进行分析。
研究中的表型数据来自多种全国健康登记，包括住院和门诊记录、死亡原因、药品购买记录等。使用这些数据构建了深入的临床终点，并借助国际疾病分类标准进行了表型定义。
结果
图1：UK Biobank中欧洲血统参与者的糖尿病及相关性状的遗传关联
Figure 1 展示了UK Biobank欧洲血统参与者的糖尿病及相关性状的遗传关联。图中包含几个重要数据点：首先，基因水平的变异集合分析和ExWAS（Exome-Wide Association Studies）分析显示，MAP3K15基因与自我报告糖尿病之间存在显著关联，其ORs和等位基因频率提示其在保护机制中的潜在作用。其次，隐性非同义 MAP3K15 变异也与较低的HbA1c（糖化血红蛋白）水平显著相关，表明这种保护效应可能通过降低血糖实现。此外，图中还展示了在杂合子女性和半合子男性MAP3K15 PTV（蛋白截断变异）携带者中，糖尿病和高血压的风险降低，这种效应在男性中更为显著，提示了MAP3K15基因缺失的保护作用具有剂量依赖性。综合分析表明，MAP3K15的功能缺失在降低糖尿病风险及相关代谢性状上表现出了显著的保护作用。
表1：UK Biobank欧洲血统参与者中与糖尿病显著相关的基因
表 1 展示了在UK Biobank欧洲血统参与者中通过基因水平的变异集合分析发现的与糖尿病显著相关的基因。其中GCK、GIGYF1和HNF1A在之前的研究已经报道了与糖尿病风险增加相关，而此研究新发现了MAP3K15与糖尿病风险降低有关，且这些关联都具有高度的统计学显著性。综合来看，Table 1的数据反映了MAP3K15基因的特定变异与降低糖尿病风险的强关联，且在这四个基因中MAP3K15是唯一显示出保护作用的基因。这为该基因作为糖尿病创新治疗靶点提供了有力证据。
图2：MCPS和FinnGen中MAP3K15的复制分析
Figure 2 展示了MAP3K15在墨西哥城前瞻性研究（MCPS）和芬兰基因组研究项目（FinnGen）中复制分析的结果，进一步验证了该基因作为糖尿病治疗靶点的潜力。具体来看，在MCPS中，MAP3K15的隐性变异集合分析揭示了其显著的保护效应，与降低糖尿病风险密切相关，同时显示了其与较低HbA1c水平的显著关联。进一步的逻辑回归和分层分析表明，在不携带SLC16A11风险单倍型的个体中，MAP3K15基因的隐性非同义变异具有很强的保护作用，而在携带该风险单倍型的个体中，则不存在这种保护作用，提示两者可能影响代谢的不同方面。在FinnGen中，研究发现芬兰人群特有的Arg1122* MAP3K15 PTV对1型和2型糖尿病均具有保护作用，从而在独立人群中验证了MAP3K15与糖尿病的遗传关联。这些数据整体上加强了MAP3K15作为潜在糖尿病治疗靶点的学术和临床意义，并揭示了其在不同遗传背景中的效应差异，为精确医学提供了可能的研究路径。
图3：MAP3K15的组织表达谱
Figure 3 研究了MAP3K15在不同组织中的表达情况，以揭示其在糖尿病中的潜在机制。首先，GTEx数据库中的数据展示了MAP3K15在多个人类组织中均有表达，尤其是在肾上腺中表现出最高的表达水平，而在胰腺、肾脏、脾脏和垂体中也有显著表达，这提示该基因可能在这些关键代谢和内分泌组织中发挥重要作用。接着，通过对单细胞RNA测序数据的分析，发现MAP3K15在胰腺中α细胞、β细胞和δ细胞等特定胰岛细胞亚群中具有较强表达，这可能涉及胰岛素分泌或细胞功能的调节。此外，在小鼠胰岛β-TC-6细胞系中，对Nkx6-1相关变体进行的研究表明，MAP3K15基因的表达在这些变体中显著上调，强烈提示其在糖尿病病理生理中可能具有功能作用。这些数据共同描绘了MAP3K15的组织表达谱，支持其作为潜在糖尿病干预靶点的可能性。
图4：MAP3K15的定量性状和疾病特征
Figure 4 进一步分析了MAP3K15的定量性状和疾病关联特征，以探索其在糖尿病中的潜在角色。使用Gene-SCOUT进行数据关联统计分析，发现了锌转运蛋白基因SLC30A8是与MAP3K15 定量性状谱最相似的基因。此外，线性回归系数分析显示，SLC30A8基因对HbA1c和葡萄糖水平的影响与MAP3K15也高度相似。之前的研究发现，SLC30A8基因在胰岛细胞中表达明显，其特定变异对2型糖尿病具有保护作用，这与此次关于MAP3K15的发现相似。使用Mantis ML机器学习框架进行的疾病预测分析进一步指出，MAP3K15与“二氮嗪耐药性弥漫性高胰岛素血症”和“高胰岛素血症性低血糖”等疾病有高度关联，虽然具体的因果关系需要进一步研究，但这些结果有力地证明了MAP3K15与糖尿病相关生物学有关。这些数据不仅揭示了MAP3K15的关键生物路径角色，还为其作为糖尿病治疗靶点提供了重要的科学证据和启示。
总结
该研究探讨了MAP3K15基因在糖尿病中的作用及其潜在的治疗意义。MAP3K15基因的蛋白截断变体（PTVs）可使患糖尿病的风险降低35%，并显著降低糖化血红蛋白（HbA1c）水平和血糖水平。通过大规模的全外显子测序分析和多样本队列的重复验证表明，虽然这些变体在2型糖尿病中的保护作用更为明显，但在1型糖尿病也观察到了积极的效应。这表明尽管1 型糖尿病和2 型糖尿病的病因不同，但它们最终仍存在一些共同的病理生理途径。本研究为1 型糖尿病和2 型糖尿病之间建立了遗传关联，将它们共同的临床表现——高血糖及其诸多不良健康后果联系了起来。
此外，MAP3K15缺失的保护作用与体重指数无关，只对降低血糖和HbA1c起作用，这表明其在代谢调节中可能涉及不同的分子通路。之前的研究发现MAP3K15在调节细胞应激和凋亡中的作用，这提示该基因可能在胰岛素信号及胰腺细胞功能中扮演角色，从而影响糖尿病的发生发展。
尽管动物研究曾经指出MAP3K1缺失可能导致血压升高，但本研究在人体中并未发现支持这一观点的证据。相反，MAP3K15的某些变体似乎还可能对高血压提供保护作用。这进一步支持MAP3K15基因是一个安全的糖尿病治疗靶点。它在开发安全有效的糖尿病治疗方法方面具有巨大潜力。
本论文的原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add5430 |