慢性阻塞性肺疾病的基因组学研究进展及应用

苏琳凡，赵红梅，肖 毅

1中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院呼吸与危重症医学科，北京 100730

2中国医学科学院基础医学研究所 北京协和医学院病理生理学系医学分子生物学国家重点实验室，北京 100005

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是呼吸科的常见病和多发病。随着吸烟率增加及人口老龄化，COPD的发病率逐年上升，作为全球第三大致死疾病，给世界经济带来巨大负担[1]。COPD是多因素导致的复杂疾病，其中吸烟是环境因素中最重要的危险因素，然而吸烟者中仅有10%～20%发展为COPD，约四分之一的COPD患者终生不吸烟[2]，或同等吸烟暴露条件下患者肺功能降低的程度也不同，提示COPD的遗传易感性。早期的COPD基因研究主要集中于家系研究和候选基因筛选，其中α1-抗胰蛋白酶缺乏(alphal-antitrypsin deficiency，AATD)是首个被证实的COPD遗传相关因素，在COPD发病中占1%～2%[3]。近年来，研究人员应用全基因组关联研究(genome-wide association study，GWAS)，发现了大量与COPD和肺功能相关的基因变异，全外显子测序(whole-exome sequencing，WES) 进一步定位与蛋白质功能变异相关的基因变异。COPD基因组学的研究为其发病机制和潜在治疗靶点的探寻提供了新视角。本文就目前COPD相关基因组学的研究策略，研究现状和进展，COPD易感基因的应用情况进行综述。

COPD基因的研究策略

COPD家系研究早期流行病学调查提示，COPD发病存在家族聚集现象，但这些家族成员往往同时存在吸烟行为聚集现象，因此不能完全除外环境因素的干扰。进一步研究发现，对于早发型重度COPD患者(除合并严重AATD外)，其不吸烟的直系亲属患COPD的风险相比于正常非吸烟人群无明显增加，而吸烟的直系亲属相比于正常吸烟人群风险提升3倍，说明基因可能通过与吸烟相互作用，增加了COPD的遗传易感性[4]。

COPD相关候选基因研究候选基因法首先选择出可能参与COPD发病过程的基因，在病例对照研究中进一步验证其与疾病性状的关联性，从而确定可能的致病基因，是遗传学研究常用的方法。其中代表的候选基因是SERPINA1(PI)。正常情况下，SERPINA1基因编码丝氨酸蛋白酶抑制剂，抑制中性粒细胞弹性蛋白水解保护肺组织，预防肺气肿形成。SERPINA1等位基因纯合突变(ZZ纯合子)或特殊的杂合突变(Z和无效等位基因)，统称为PI Z基因型，均可导致严重的AATD，是目前已知的增加COPD患病风险最高的易感基因[5- 6]。其他的COPD相关候选基因主要包括参与蛋白酶和抗蛋白酶、氧化损伤、炎症反应、气道高反应性等机制的基因[7]。然而，受限于样本量不足或统计学方法差异，其结果不具有可重复性，在临床研究中依然存在假阳性的问题。且该方法主要聚焦于已知的候选基因，而未覆盖大量未知的基因，存在局限性。

GWASGWAS是基于全基因组水平，通过比较大样本病例组和对照组人群中的单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism，SNP)差异，发现疾病相关易感基因的遗传研究新方法。其中SNP位点的P<5×10-8才被认为具有全基因组水平阳性[5]。近年来，随着COPD遗传流行病学(COPDGene)等大样本研究开展，极大地促进了COPD基因层面的研究，为COPD发病机制和精准化治疗提供新思路。

COPD基因组学的研究现状

GWAS寻找COPD易感基因2009 年，Pillai 等[8]首次开展COPD的GWAS研究：通过对挪威823 例COPD患者和 810 名健康吸烟者开展病例对照研究发现：位于15q25染色体上烟碱样乙酰胆碱受体CHRNA3/5基因座为COPD的重要风险位点。2014年，一项荟萃分析对来自4项大型GWAS队列进行汇总分析发现：新的COPD易感基因座RIN3、MMP12和TGFB2，其中RIN3与中重度COPD(FEV1<80%)相关，MMP12和TGFB2与重度COPD相关(FEV1<50%)[9]。2019年，Sakornsakolpat等[10]汇总来自UK Biobank和ICGC数据库的基因数据行GWAS分析，共发现了82个基因座与COPD相关，其中包括35个新位点。

GWAS和肺功能的相关研究肺功能是诊断和评估COPD必要条件，肺功能相关的基因可能也与COPD的发生相关。Castaldi等[11]首先提出与FEV1和FEV1/FVC相关的基因座可能与COPD相关，并最终确定3个基因也是COPD风险相关易感基因，包括：4q24染色体上的FLJ20184/INTS12/GSTCD/NPNT基因，6p21染色体上的AGER/PPT2基因和5q33染色体上ADAM19基因。Wain等[12]研究 UK BiLEVE样本库，发现了97个肺功能相关基因位点。虽然目前已有部分研究提示，肺功能相关的基因可能参与COPD的发生发展，但依然缺乏进一步的试验验证和机制研究。

GWAS探究COPD不同表型COPD是一组异质性疾病，其临床症状、急性发作频率等存在个体差异。主要分为肺气肿和慢性气道炎症等临床表型，其基因变异与患者易感性及异质性相关。表型组学和基因组学的联合也是目前慢病基础研究的重要策略之一，研究人员通过分析肺功能、影像学等表型的遗传相关性来确定COPD临床表现的遗传因素，有助于实现临床精准化治疗。

近年来，通过对表型组学和GWAS的联合分析也发现了一些COPD新的亚型。Manichaikul等[13]发现近SNRPF和PPT2基因位点与肺气肿相关；中国人群的上下叶肺气肿比例与DHX15、MGAT5B相关。Cho等[14]发现COPD相关基因座(HHIP、CHRNA3和AGER)参与肺气肿的发生。Boueiz等[15]发现HHIP和CHRNA5基因与分布在上叶的肺气肿相关，同时新发现3个与肺气肿分布有关的基因(SOWAHB、TRAPPC9和KIAA1462)。

Lee等[16]通过比较COPD慢性支气管炎表型患者和吸烟对照组，发现了位于4q22.1 的FAM13A基因和11p15.5 的EFCAB4A，CHID1和AP2A2基因SNP差异。同时对慢性支气管炎进行关联分析，发现了位于1q23染色体上1q23.3 的RPL31P11、ATF6基因变异与COPD慢性支气管炎表型相关。

除了上述常见分型，COPD相关亚型还包括低氧相关基因(FOXG1/LINC00645、TICRR)[17]，吸烟行为/尼古丁成瘾相关基因(CHRNA5/CHRNA3/CHRNB4)[5]等。

WES寻找COPD中易感基因相比于GWAS，WES主要发掘编码蛋白质的功能区变异，占全基因组的不到1%[5]。Stanley等[18]通过WES分析定位了在重度COPD患者中的罕见功能性变异—端粒酶反转录酶TERT基因，该位点的有害突变可减弱端粒酶催化活性，增加COPD和肺纤维化风险。Qiao等[19]对早发型重度COPD患者(无AATD)和吸烟对照组进行WES分析，发现了DNAH8、ALCAM、RARS和GBF1等编码基因的突变，可能增加COPD易感性。Wain等[20]对100例肺功能正常的重度吸烟者行WES分析，发现CCDC38基因的非同义SNP可抵抗烟雾引起的气流受限。Bruse等[21]对62例重度COPD吸烟者(吸烟高敏感组)和30例正常吸烟者(吸烟耐受组)行WES分析，对初步筛选出的差异基因进行体外细胞实验，最终验证2个基因TACC2和MYO1E基因可增强烟雾诱导的细胞毒性和COPD易感性。

COPD相关基因应用

确定蛋白标记物结合全基因组学SNP和蛋白组学数据，可进一步确定与外周血蛋白浓度的数量性状位点(quantitative trait loci，pQTL)相关的SNP位点[22]。晚期糖基化终末受体(receptor for advanced glycation end，RAGE)是种跨膜受体[23]，RAGE由AGER基因编码[24]，既往GWAS研究证实该基因的SNP突变与COPD和肺气肿相关。在COPDGene队列中，AGER的SNP突变与的血浆RAGE水平降低相关[25]，可作为COPD肺气肿的生物标记物。

预测急性加重频繁的COPD急性加重会导致肺功能恶化，死亡率增加。相关的基因层面研究有限。既往通对候选基因的多态性分析，发现SFTPB基因[26]、CCL1基因[27]等与COPD急性加重相关。Pillai 等[28]对已知的GWAS COPD相关基因分析，发现其中HHIP基因的SNP变异与COPD急性加重的频率相关。

构建动物模型为进一步探究和验证GWAS发现的COPD易感基因的功能性及在COPD病理生理机制中的作用，后续研究转向构建基因敲除或转基因小鼠的动物模型。Jiang等[29]通过FAM13A基因敲除小鼠模型发现该基因通过抑制β-catenin信号通路增加小鼠肺气肿的风险。目前用已知的GWAS水平COPD相关基因构建小鼠肺气肿模型有：FAM13A、HHIP、IREB2、MMP12、MMP1、SFTPD、AGER和FBLN5[30]。

药物靶点常见的COPD缺陷基因如SERPINA1等位基因，其纯合突变导致的严重AATD，可针对性地进行靶点治疗：通过定期静脉注射纯化α1-AT的补充性治疗，维持血清α1-AT水平(≥11 μmol/L)[31]，改善PI Z基因型患者肺气肿，目前已成为针对AATD的特异性疗法。Wain等[12]揭示了CHRM3基因编码的毒蕈碱型乙酰胆碱受体M3可作为COPD相关药物靶点。最新研究发现，与COPD和肺功能相关的ABHD6，CDKL2，GSTO2，KCNC4，PDHB，SLK和TRPM7基因座也是潜在的治疗靶点[10]。目前COPD基因靶向药物还处于细胞层面的初步探索阶段，还需要进一步的临床试验验证。

总结与展望

尽管COPD相关基因研究获取了大量相关基因位点，但其参与的具体病理生理机制未完全阐明，如何实现后续成果转化是下一步研究的方向和重点。目前国内尚缺乏大型的COPD基因组学研究，未来需进一步寻找疾病相关的易感基因和治疗靶点，更好地实现COPD的精准化治疗。