哮喘药物基因组学的全基因组关联研究进展

Advances in Genome-Wide Association Study on Asthma Pharmacogenomics

摘要: 支气管哮喘(简称哮喘)是一种复杂的多因素疾病。哮喘患者对药物的治疗反应具有个体差异，部分原因由遗传因素决定。药物基因组学主要是研究人类基因组信息与药物反应之间的关系。全基因组关联研究(GWAS)可以分析大样本量及复杂疾病与基因的关联，是药物基因组学研究的新方法。目前，哮喘的GWAS已经指出一些具有潜在希望的基因变异。本文就抗哮喘药物治疗反应性相关GWAS的研究进行综述，以介绍哮喘药物基因组学的进展。

Abstract: Bronchial asthma is a complex multifactorial disease. Individual differences in the therapeutic response to medications in asthmatics are partly determined by genetic factors. The focus of pharmacogenomics is on the relationship between human genomic information and drug response. Genome-wide association studies (GWAS), which can analyze the relationship between complex diseases and genes in large sample sizes, are a novel approach to pharmacogenomic research. GWAS have identified some potentially promising genetic variants for asthma. This article provides a review of studies on GWAS related to therapeutic responsiveness to anti-asthma medications in order to present advances in asthma pharmacogenomics.

1. 引言

哮喘是一种常见的慢性气道炎症性疾病 [1] ，全球疾病负担(GBD)研究指出，2019年约有2.62亿人患有哮喘，46.1万人死亡 [2] 。2017年我国调查结果显示城区哮喘总体控制率为28.5% [3] ，低于其他发达国家和地区。哮喘主要使用药物治疗，但药物疗效存在个体差异。药物的吸收、作用、代谢、清除受到编码人体内药物代谢酶、转运体、受体等蛋白的一系列基因调控，药物基因组学通过确定与药物疗效相关的特定遗传位点并进一步揭示这些位点影响药物反应的分子机制，以此指导疾病个体化用药 [4] ，例如有队列研究发现在rs1042713携带A等位基因的患儿使用LABA的哮喘恶化风险比使用LTRA者更高 [5] 。因此，哮喘药物相关的药物基因组学研究对于哮喘的个体化治疗具有重大指导意义。

2. 哮喘药物基因组学GWAS概况

自基因多态性研究开展以来，发表了许多评估哮喘治疗反应性的病例对照研究及meta分析。随着遗传学的发展及基因测序技术的进步，全基因组关联研究(GWAS)成为疾病遗传学研究的新方法 [6] 。GWAS通过对大规模的群体DNA样本进行全基因组高密度遗传编辑分型，从而寻找与复杂疾病相关的遗传因素 [7] 。在GWAS的贡献下，研究人员将其与可能的药物靶点联系起来开发新的靶点药物，且能帮助预测靶点的“副作用” [8] 。

3. 哮喘药物基因组学GWAS进展

目前国内外在哮喘药物基因组学领域的研究主要涉及三类常见的抗哮喘药物，包括吸入性皮质类固醇、β2肾上腺素受体激动剂及白三烯调节剂。

3.1. 吸入性皮质类固醇(ICS)相关GWAS

ICS是控制症状和预防恶化最常用、最有效的药物，大多数患者对糖皮质激素的反应良好，约5%~10%患者反应不明显，导致哮喘难以控制，被称为激素抵抗性哮喘患者 [9] [10] ，迫切需要找到有效的替代治疗策略，了解遗传多态性对治疗反应的影响可以帮助提高他们的疗效和生活质量。

最早关于ICS反应的GWAS主要在高加索人群中进行，2011年Tantisira等 [11] 发表了第一个ICS药物基因组学GWAS，发现糖皮质激素诱导的转录物1 (GLCCI1)基因的rs37972与ICS治疗后肺功能的变化有关，并且验证了rs37972会下调GLCCI1在淋巴细胞中的表达。2012年发表的第二个GWAS [12] 没有发现一个SNP达到全基因组阈值，但在成人验证队列中鉴定出了位于T基因功能区的rs3099266、rs1134481和rs2305089与FEV1%的变化有关。2014年发表的第三个GWAS [13] 发现LOC728792基因的rs2388639、F-box和富含亮氨酸重复蛋白7 (FBXL7)基因的rs10044254以及横纹肌肉瘤2相关转录物(RMST)基因的rs1558726与儿童患者哮喘症状评分变化有关，但在成人队列中没有得到验证。另外，Wu等 [14] 的GWAS报告锌指蛋白基因(ZNF432)的rs3752120可调节高加索儿童FEV1反应。2015年第一个将哮喘恶化作为结果的GWAS [15] 发现帽甲基转移酶1 (CMTR1)基因是使用ICS的高加索患者哮喘恶化的新候选基因。这些基因里鉴定出的SNP中，rs10044254是唯一达到全基因组意义的SNP。

2017年，Mosteller等 [16] 发表了一项以欧洲人群为主的大规模GWAS，却没有发现一个SNP满足全基因组阈值。2019和2021年，Hernandez-Pacheco等先后对儿童和青少年哮喘患者进行ICS反应的GWAS [17] [18] ，分别以肺功能和哮喘恶化作为结局指标，共发现25个SNP与混合人群的ICS反应相关，其中位于编码载脂蛋白B信使核糖核酸编辑催化多肽3 (APOBEC3B-APOBEC3C)基因间区域内的rs5995653和位于编码α-2/δ亚基和WNT家族成员5A (CACNA2D3-WNT5A)基因间区域内的rs67026078在欧洲人群中得到验证，但在拉丁裔/西班牙裔、非裔美国人或亚洲人中没有得到验证。

目前没有发现亚洲人群中有关ICS的大规模GWAS。2014年Park等 [19] 用GWAS评估189名韩国成人哮喘患者，发现尿囊素酶(ALLC)基因的rs11123610与FEV1%变化有关，并在验证队列中还发现了另外5个有关的SNP (rs17017879、rs7558370、rs6754459、rs17445240和rs13418767)。

另外，Wang等 [20] 利用GWAS的药效学模型，分析源自健康协会哮喘资源项目(SHARP)的数据，观察到了5个位点对ICS剂量依赖性反应之间的全基因组意义关联，强调了最佳ICS剂量对于基于患者基因组成的个性化哮喘治疗的重要性(如表1)。

Table 1. ICS-related GWAS

表1. 关于ICS反应的GWAS

3.2. 短效β2受体激动剂(SABA)相关GWAS

哮喘患者的SABA反应性通常由支气管扩张剂反应(BDR)来衡量。遗传关联研究报告了很多BDR有关的候选基因，包括β2肾上腺素受体(ADRB2) [21] 、促肾上腺皮质激素释放激素受体2 (CRHR2) [22] 、基质金属蛋白酶9 (MMP9) [23] 、精氨酸酶1 (ARG1) [24] 等。

在以欧洲血统为主的哮喘队列中进行的GWAS确定了多个基因，如：第一个用于BDR的GWAS [25] ，在非西班牙裔白人患者中发现位于智人精子发生相关的富含丝氨酸2类(SPATS2L)基因附近的rs295137最显著相关。随后Duan等 [26] 发现10号染色体上的rs11252394与非西班牙裔白人患者的BDR有关。虽然这两个GWAS鉴定出的一些常见变异在独立队列中被复制，但没有一个达到全基因组意义。近期，Israel等 [27] 确定了位于染色体2p16.2上的4个SNP与BDR有全基因组水平关联，由此鉴定出第一个具有全基因组意义的新基因座，编码锚蛋白重复序列和含有细胞因子信号抑制因子(SOCS)盒的蛋白3的基因(ASB3)。

拉丁美洲人群的GWAS [28] 重复了一些发现，确定了新型人群特异性关联，特别是在溶质载体基因(SLC)中的两个罕见变异rs1281748和rs1281743与墨西哥人BDR增加有关。此外，该研究还通过外加剂图谱鉴定出一种在肺和支气管上皮细胞中表达的新候选基因SLC22A15。

在非裔美国人中的第一个BDR的GWAS [29] 确定了一种新的基因SPATA13-AS1，但它没有在欧洲血统人群被验证，这也表明BDR可能部分由人群特异性变异决定。随后Spear等 [30] 发现染色体9q21上的rs73650726 G等位基因与非裔美国人BDR增加有关。Mak等 [31] 在非裔美国人和拉丁裔队列中确定了位于5p15.2的罕见变异rs35661809与BDR有全基因组关联，还检查了之前报道的BDR相关变异，没有发现显著的关联 [32] 。值得注意的是这些研究提示了人群特异性的影响，但是我们没有检索到针对亚洲人群的BDR相关GWAS (如表2)。

Table 2. SABA-related GWAS

表2. 关于SABA反应的GWAS

3.3. 长效β2受体激动剂(LABA)相关GWAS

对于低剂量ICS控制不佳的患者，GINA指南建议增加ICS剂量或加用LABA，不建议单独使用LABA [33] [34] 。遗传因素也被认为在决定LABA的反应中起重要作用，目前已发表的LABA药物遗传学研究主要是候选基因研究，包括ADRB2 [35] 、腺苷酸环化酶9型(ADCY9) [36] 、崩解素和金属蛋白酶33 (ADAM33)基因 [37] 等。

2021年，Slob等人 [38] 进行GWAS的meta分析，合并六个哮喘队列，没有发现SNPs对儿童使用LABA期间哮喘恶化的影响，但确定了3个提示性SNP，其中两个独立的SNPs靠近T盒转录因子3 (TBX3)和肾上腺素A型受体7 (EPHA7)基因，有研究报告这两个基因与SABA反应有关。据我们所知，这篇研究包含的所有GWAS以前从未发表过，且目前尚未检索到更多关于LABA的GWAS。

3.4. 白三烯调节剂(LTM)

白三烯调节剂(LTM)包括白三烯受体拮抗剂(LTRA)和白三烯抑制剂两种。LTRA阻止白三烯与半胱氨酸白三烯受体1结合，比白三烯抑制剂更常用于哮喘的治疗。关于LTM反应的候选基因研究最初集中在白三烯途径内的基因 [39] ，例如编码5-脂氧合酶(ALOX5)、白三烯A4水解酶(LTA4H)、白三烯C4合酶(LTC4S)和半胱氨酸白三烯受体1 (CysLTR1)的基因。

Dahlin等 [40] 2016年发表的GWAS是对LTM临床反应的首次全基因组分析，评估了两项齐留通试验和两项孟鲁司特队列的数据，发现rs517020与对孟鲁司特和齐留通的不良反应相关，而rs12436663仅与对齐留通的反应较差有关，携带两种变异等位基因的患者在使用齐留通治疗后显示肺功能恶化，而仅携带一个或没有变异等位基因的患者表现出肺功能增加(如表3)。

Table 3. LTM-related GWAS

表3. 关于LTM反应的GWAS

3.5. 靶点药物

目前已研发出针对炎症介质的单克隆抗体和小分子化学合成药物，包括奥马珠单抗、美泊利单抗、度普利尤单抗等在临床取得较好的疗效 [41] 。El-Husseini等 [42] 总结了2007~2019年发表的哮喘GWAS的所有发现，这些研究主要是以欧洲血统人群为主，共报告了128个哮喘相关的SNP，利用表达数量性状位点(eQTL)定位和编码变异，将SNP与可能的药物靶点联系起来，通过药品重新定位，最终确定了22个靶点，其中10个是哮喘的新靶点：3个靶点的药物已经上市，分别为靶向HDAC3的tucidinostat和vorinostat，靶向IL6R的sarilumab和tocilizumab，以及靶向SLC22A5的诺氟沙星；1个靶点(APOA2)的药物处于3期临床试验；5个靶点处于2期临床试验，分别靶向ERBB3、NOD2、TLR6、LTA、PSMB9；1个靶点(EP300)的药物处于1/2期临床试验。针对某种靶向药物，哪些特定的患者能获益仍需要更多大样本临床研究进行验证。

4. 总结与展望

我们的综述列出了10个评估ICS反应、7个评估SABA反应、1个评估LABA反应、1个评估LTM反应的GWAS，这是比较全面的，但在近5年没有新的关于抗哮喘药物的GWAS发表。根据可获得的信息，我们没有发现有足够证据支撑的药物反应基因位点。在已发现的潜在基因中，GLCCI1基因可能在提示ICS治疗反应具有较大潜力，GLCCI1可能是糖皮质激素诱导细胞凋亡的早期标志物 [43] ，rs37973导致GLCCI表达降低可能会减少炎症细胞凋亡，导致对吸入性糖皮质激素的临床反应降低，并且有相关的候选基因研究对GWAS结果进行验证，在中国 [44] 和日本 [45] 患者中得到阳性的结果。ADRB2基因与SABA/LABA反应的关系是候选基因研究的热点 [46] [47] ，这与GWAS结果不一致，同样还有许多在候选基因研究中评估的SNPs都没有在GWAS中被鉴定出来，这可能是GWAS的样本量较小或者某些SNP在GWAS中没有进行分型。另外，我们的综述虽然没有发现显著的种族差异，但部分研究提示了治疗反应的人群异质性，大部分研究都是针对欧洲人群，几乎没有在亚洲人群中进行的GWAS，因此在以后需要其他种族参与者的更大规模的研究 [48] [49] 。

GWAS的出现为探索人类基因与疾病的关联提供了一个全新的途径，具有可以识别低频变异和快速分析大规模基因序列数据的优点，能发现从前的研究中未发现的基因及染色体区域，可以为研究疾病发病机制、新药研发等提供线索，但是从已发表研究中可以看出GWAS也存在很多的不足，处理大样本数据的同时也带来人群混杂的缺点，会导致假阳性、假阴性结果的出现。GWAS研究结果只提示表面的联系，不能提供完整的信息，不一定能确定因果变异，结果不稳定，不同的研究方法或人群均有可能产生不同的结果，且无法解释基因变异与表型之间的机制 [50] 。GWAS之后的后续分析和验证也非常重要，即使GWAS鉴定出有关联的基因但很少能有阳性的验证结果，故目前能提供的临床预测价值有限。

哮喘是复杂的多基因疾病，GWAS为哮喘的发病及治疗反应上提供了众多的线索，在哮喘的药物基因组学方面还没有明确的发现，基于基因检测来预测哮喘药物不良反应有可能实现哮喘的个性化治疗，这是未来重要的研究方向，还需要保证GWAS数据来源及统计学方法的精确性来提供更为准确的信息，以及设计完善的验证性试验，这些都还具有挑战性。

基金项目

重庆市教委科学技术研究项目(KJZD-M202200404)。

NOTES

^*通讯作者。