编者按：
抑郁症是一种常见的精神疾病，但目前的治疗方法只对一小部分人有效。为了确定新的治疗靶点，美国埃默里大学医学院神经内科Thomas S. Wingo与Aliza P.Wingo团队合作，利用全蛋白质组关联分析（PWAS）寻找新的抑郁症相关蛋白，结果于2021年4月12日在Nature Neuroscience上发表。本文将抑郁症全基因组关联研究(GWAS)的结果(N= 500,199)与人类大脑蛋白质组(N= 376)数据整合在一起，进行抑郁症的PWAS分析，确定了19个基因可通过调节其脑蛋白丰度参与抑郁症的发病。使用独立的抑郁症GWAS (N= 307,353)和另一个独立的人类大脑蛋白质组数据集(N= 152)重复鉴定到了其中的9个基因。发现集和验证集的蛋白质组学数据PWAS meta分析得到了25种与抑郁症相关的蛋白质，其中20种为本研究首次发现与抑郁症有关。总之，本研究提出的抑郁症全蛋白质组关联研究，为抑郁症的进一步机制研究和治疗提供了有希望的新靶点。
研究结果：
1. 抑郁症的PWAS分析
本文整合了人类脑蛋白质组数据与最新的抑郁症GWAS结果，包含8356个蛋白质，其中1468个蛋白具有极显著的基于单核苷酸多态性(SNP)的遗传性。 PWAS鉴定出24个顺式调控的脑蛋白质丰度与抑郁症相关的基因 (图1，表1)。这24个基因定位间隔都>500 kb。接下来，作者进一步评估了这24个基因的遗传变异和抑郁症的相关性，经SMR和HEIDI筛选后确定了19个基因与抑郁症存在因果关系，可能通过顺式调控的脑蛋白丰度参与抑郁症发病(表1)。
随后，作者又使用了其他独立的脑蛋白质组学数据和抑郁症GWAS结果对以上结果进行了验证，由于蛋白质测序技术存在一定的随机性，19个抑郁症相关蛋白中检测到17个，其中13个具有基于单核苷酸多态性(SNP)的遗传性，9个与抑郁症的相关性得到重复验证（表2）。
图1. 抑郁症的PWAS分析
表1. PWAS发现抑郁症相关基因
表2. 抑郁症的PWAS验证结果
2. 抑郁症的PWAS发现和可复制的meta分析
Meta分析得到38个与抑郁症相关的蛋白(FDR q<0.05)，根据SMR和HEIDI的结果(表3)，其中25个蛋白符合抑郁症的因果关系(表3)，其中12个蛋白是PWAS发现的19个潜在因果蛋白的一部分。为了分析25个蛋白之间的相关性，文章使用GeNets，一个基于网络的基因组分析平台。发现了两个蛋白群落，每个群落里的蛋白联系更紧密，第一个群落蛋白包含CSE1L, CTNND1, SLC25A12 和 PSMB4，第二个包含LYRM4 和GMPPB。对PPI网络中的基因进行集富集分析发现这25个基因分别与肌萎缩性脊髓侧索硬化(CCS, PPP3CC)、钙信号传导(PPP3CC, P2RX7, ADCY3)、扩张性心肌病(CACNA2D2, ADCY3)、卵母细胞减数分裂(ADCY3, PPP3CC)和氨基酸及衍生物代谢(HIBADH, PSMB4)等相关（图2）。
图2. PWAS meta分析确定的25种抑郁症相关蛋白的PPI网络分析
表3. 抑郁症的PWAS 发现和验证集的meta分析结果
3.抑郁症PWAS结果的特异性
为了证明结果的特异性，文章选取了与抑郁症相关的遗传特征：神经过敏症、体重指数（BMI）和腰臀比（WHRadjBMI）进行GWAS和PWAS分析，对显著差异的基因通过SMR和HEIDI过滤后，最终确定46个基因与神经过敏症相关，其中11个被PWAS鉴定到；216个基因与BMI相关，117个基因与WHRadjBMI相关，其中分别有4个与PWAS鉴定到的19个基因重叠。
4. mRNA水平上检测潜在的导致抑郁的蛋白质
为了了解PWAS鉴定到的19个相关基因在mRNA水平上是否也顺势调控抑郁症，文章使用一个888人的大脑额叶皮层样本转录组数据进行TWAS分析，确定73个基因，其顺式调节的mRNA表达与抑郁症相关，经过SMR和HEIDI进一步筛选，最终鉴定到47个基因，通过调节其控制的大脑mRNA的表达，引起抑郁症的发病。PWAS发现的19种抑郁症相关基因，13种顺式调控mRNA水平与抑郁显著相关。重要的是，19个抑郁症相关基因中，7个在TWAS上未被鉴定到（表1，无星号基因），但是其中4个（CTNND1, PSMB4, P2RX7 和CACNA2D2）却在PWAS分析中显示显著相关且可被重复被鉴定到（表 2）。说明PWAS发现了比TWAS更多的与抑郁症相关的信息，为抑郁症的发病机制提供了新的见解。
5. 抑郁症相关基因表达的细胞特异性
文章还分析了PWAS鉴定的19个抑郁症相关基因是否在特定的脑细胞类型中富集，使用人类单细胞RNA测序数据分析发现5个基因（CACNA2D2、CDH13、CNNM2、NEK4和SLC25A12）在抑制性神经元中高表达，3个基因(CDH13、CNNM2和SLC25A12)在兴奋性神经元中表达丰富。此外，3个基因在星形胶质细胞中高表达(CTNND1、TKT和TRPT1)， 1个基因在少突胶质细胞(P2RX7) 1个基因在小胶质细胞中高表达(LMBRD1，图3 a)。在meta分析得到的25个潜在的致病基因中，13个富集于一种或多种细胞类型，5个富集于兴奋性神经元，5个富集于抑制性神经元，6个富集于星形胶质细胞，2个富集于小胶质细胞，1个富集于少突胶质细胞(图3b)。
图3. 抑郁症相关基因的细胞类型特异性
研究结论
本研究的优势：
1）使用了最大和最深度的参考人类脑蛋白质组和抑郁症最新的GWAS数据进行了PWAS分析。
2）使用PWAS和TWAS分析了与抑郁症相关的mRNA和蛋白水平的一致性。
3）使用独立的GWAS和独立的参考人脑蛋白质组学及遗传数据进行PWAS重复性分析。
在本研究中，作者试图鉴定与抑郁症发病机制有关的脑蛋白，以寻找潜在的新的治疗靶点。通过PWAS分析确定了19个可能的致病基因，它们通过调节大脑蛋白质丰度发挥作用。这19个基因中的9个在独立的PWAS分析中被重复鉴定到，具有更高的可信性。在这9个基因中，有5个(CNNM2、FAHD2B、HIBADH、SLC25A12和CDH13)在mRNA水平上也受TWAS的顺式调控，说明mRNA和蛋白质水平的一致性。值得注意的是，这9个基因中的4个(CTNND1, P2RX7, PSMB4和CACNA2D2)只被PWAS鉴定到，而没有被TWAS鉴定到，说明蛋白质组学分析的重要性，可以发现比TWAS更多的抑郁症相关的大脑蛋白质。总之，本研究确定了19个基因通过调节其脑蛋白丰度参与抑郁症的发病机制，并可能成为未来机制和治疗研究的潜在靶点，以找到有效的抑郁症治疗方法。
参考文献:
Thomas S. Wingo, Yue Liu, Ekaterina S. Gerasimov. et al. Brain proteome-wide association study implicates novel proteins in depression pathogenesis[J]. Nature neuroscience， 2021 .
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