預計到 2045 年全球糖尿病負擔將增至 7 億人，使之成為全球範圍內增長最快的疾病之一。這種代謝疾病是目前導致微血管和大血管疾病的主要原因，會導致腎衰竭、失明、心臟病和下肢截肢等嚴重後果。理解糖尿病的遺傳貢獻將有助於增進對潛在生物通路的理解，識別風險個體，並指導更有效的精準治療。為此，來自英國的科研團隊進行了相關研究，並將研究成果發表在了Science子刊 Science Advance 上，文章題為Human genetics uncovers MAP3K15 as an obesity-independent therapeutic target for diabetes。研究人員利用UK Biobank的454796個外顯子測序資料，識別出攜帶MAP3K15基因的特定變體與降低糖尿病風險相關。該研究為糖尿病提出了新的治療靶點，或可對糖尿病臨床治療帶來深遠影響。
研究背景
糖尿病作為一類嚴重的代謝疾病，其全球影響力與日俱增。根據國際糖尿病聯盟的資料，預計到2045年，全球糖尿病患者人數將增加至7億，這使糖尿病成為全球範圍內增長最快的慢性病之一。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變導致，即機體的免疫系統破壞胰腺中的胰島β細胞，導致胰島素分泌不足。相較之下，T2DM主要由於體內的胰島素抵抗性增強所致，進而影響葡萄糖的代謝和利用。無論哪種型別的糖尿病，長期的血糖異常都會導致一系列嚴重併發症，例如視網膜病變、腎衰竭、心血管疾病甚至截肢，這無疑嚴重影響患者的生活質量和壽命。儘管當前的醫療手段中存在多種藥物治療方式，例如GLP1（胰高血糖樣肽-1）受體激動劑和DPP4（二肽基肽酶-4）抑制劑對T2DM的治療顯示出了良好的效果，但這些藥物很大程度上依賴於胰腺β細胞的殘餘功能來分泌胰島素。而對於許多患者來說，隨著病程進展，最終可能仍需依賴每天的外源性胰島素注射。這凸顯了在糖尿病治療中尋找新的、獨立於胰島素分泌機制的治療靶點的迫切需求。
鑑於基因組關聯研究（GWAS）為我們識別了眾多與糖尿病相關的遺傳位點。特別是在近幾十年來，研究者們透過大規模的GWAS研究識別了多個與T1DM和T2DM相關的位點。然而，大多數已識別的變異位於非編碼區，儘管它們顯示了與疾病的關聯性，但因缺乏明確的候選基因，難以直接用於治療靶向開發。此外，GWAS研究多聚焦於群體中常見的變異，其效應量相對較小，而許多潛在的影響更為複雜的稀有變異常被遺漏。因此，研究者透過全外顯子測序技術，解析人類蛋白編碼序列的完整變異譜，從而捕獲一些罕見或極罕見的變異，尤其是功能缺失變異。這些變異若能透過基因功能缺失來保護個體抵禦糖尿病，則為藥物開發提供了人類驗證的切實可能。MAP3K15基因，即是一項來自英國科研團隊利用UK Biobank等資源所做出的重大發現。研究人員透過分析來自不同群體的外顯子測序資料，識別出MAP3K15基因的特定變異與降低糖尿病風險相關，且與體重指數無關，表明即使在肥胖情況下該基因也能保護個體免受胰島素抵抗的影響。這為糖尿病的治療提供了一個新的視角，即，胰島素通路之外的潛在干預靶點也為精準醫療的策略提出了新的可能方向。
方法
樣品來源及方法
這項研究主要樣本來自英國生物樣本庫（UKB），包含454796份參與者的外顯子測序資料，這些資料與其健康記錄相聯。研究還在來自墨西哥城前瞻性研究（MCPS）的96811名美洲混血個體和來自芬蘭基因組研究（FinnGen）專案的芬蘭人群中複製了這些發現。其中，來自UKB和MCPS的外顯子測序資料是透過因美納NovaSeqTM 6000 測序平臺生成的。
針對獲取的外顯子測序結果，應用基因水平的變異集合分析框架，納入了10種非同義變異集合分析模型，來測試每種糖尿病表型的蛋白編碼關聯。使用相同的方法對歐洲、南亞、東亞和非洲四個血統人群進行分析，隨後進行了變異泛血統分析，透過Cochran-Mantel-Haenszel（CMH）檢驗彙總了所有四個祖先群體的結果。此外，研究團隊還加入了分層分析，即，僅在不攜帶拉美裔富集的SLC16A11風險單倍型的個體中，對MAP3K15的保護作用進行分析。
研究中的表型資料來自多種全國健康登記，包括住院和門診記錄、死亡原因、藥品購買記錄等。使用這些資料構建了深入的臨床終點，並藉助國際疾病分類標準進行了表型定義。
結果
圖1：UK Biobank中歐洲血統參與者的糖尿病及相關性狀的遺傳關聯
Figure 1 展示了UK Biobank歐洲血統參與者的糖尿病及相關性狀的遺傳關聯。圖中包含幾個重要資料點：首先，基因水平的變異集合分析和ExWAS（Exome-Wide Association Studies）分析顯示，MAP3K15基因與自我報告糖尿病之間存在顯著關聯，其ORs和等位基因頻率提示其在保護機制中的潛在作用。其次，隱性非同義 MAP3K15 變異也與較低的HbA1c（糖化血紅蛋白）水平顯著相關，表明這種保護效應可能透過降低血糖實現。此外，圖中還展示了在雜合子女性和半合子男性MAP3K15 PTV（蛋白截斷變異）攜帶者中，糖尿病和高血壓的風險降低，這種效應在男性中更為顯著，提示了MAP3K15基因缺失的保護作用具有劑量依賴性。綜合分析表明，MAP3K15的功能缺失在降低糖尿病風險及相關代謝性狀上表現出了顯著的保護作用。
表1：UK Biobank歐洲血統參與者中與糖尿病顯著相關的基因
表 1 展示了在UK Biobank歐洲血統參與者中透過基因水平的變異集合分析發現的與糖尿病顯著相關的基因。其中GCK、GIGYF1和HNF1A在之前的研究已經報道了與糖尿病風險增加相關，而此研究新發現了MAP3K15與糖尿病風險降低有關，且這些關聯都具有高度的統計學顯著性。綜合來看，Table 1的資料反映了MAP3K15基因的特定變異與降低糖尿病風險的強關聯，且在這四個基因中MAP3K15是唯一顯示出保護作用的基因。這為該基因作為糖尿病創新治療靶點提供了有力證據。
圖2：MCPS和FinnGen中MAP3K15的複製分析
Figure 2 展示了MAP3K15在墨西哥城前瞻性研究（MCPS）和芬蘭基因組研究專案（FinnGen）中複製分析的結果，進一步驗證了該基因作為糖尿病治療靶點的潛力。具體來看，在MCPS中，MAP3K15的隱性變異集合分析揭示了其顯著的保護效應，與降低糖尿病風險密切相關，同時顯示了其與較低HbA1c水平的顯著關聯。進一步的邏輯迴歸和分層分析表明，在不攜帶SLC16A11風險單倍型的個體中，MAP3K15基因的隱性非同義變異具有很強的保護作用，而在攜帶該風險單倍型的個體中，則不存在這種保護作用，提示兩者可能影響代謝的不同方面。在FinnGen中，研究發現芬蘭人群特有的Arg1122* MAP3K15 PTV對1型和2型糖尿病均具有保護作用，從而在獨立人群中驗證了MAP3K15與糖尿病的遺傳關聯。這些資料整體上加強了MAP3K15作為潛在糖尿病治療靶點的學術和臨床意義，並揭示了其在不同遺傳背景中的效應差異，為精確醫學提供了可能的研究路徑。
圖3：MAP3K15的組織表達譜
Figure 3 研究了MAP3K15在不同組織中的表達情況，以揭示其在糖尿病中的潛在機制。首先，GTEx資料庫中的資料展示了MAP3K15在多個人類組織中均有表達，尤其是在腎上腺中表現出最高的表達水平，而在胰腺、腎臟、脾臟和垂體中也有顯著表達，這提示該基因可能在這些關鍵代謝和內分泌組織中發揮重要作用。接著，透過對單細胞RNA測序資料的分析，發現MAP3K15在胰腺中α細胞、β細胞和δ細胞等特定胰島細胞亞群中具有較強表達，這可能涉及胰島素分泌或細胞功能的調節。此外，在小鼠胰島β-TC-6細胞系中，對Nkx6-1相關變體進行的研究表明，MAP3K15基因的表達在這些變體中顯著上調，強烈提示其在糖尿病病理生理中可能具有功能作用。這些資料共同描繪了MAP3K15的組織表達譜，支援其作為潛在糖尿病干預靶點的可能性。
圖4：MAP3K15的定量性狀和疾病特徵
Figure 4 進一步分析了MAP3K15的定量性狀和疾病關聯特徵，以探索其在糖尿病中的潛在角色。使用Gene-SCOUT進行資料關聯統計分析，發現了鋅轉運蛋白基因SLC30A8是與MAP3K15 定量性狀譜最相似的基因。此外，線性迴歸係數分析顯示，SLC30A8基因對HbA1c和葡萄糖水平的影響與MAP3K15也高度相似。之前的研究發現，SLC30A8基因在胰島細胞中表達明顯，其特定變異對2型糖尿病具有保護作用，這與此次關於MAP3K15的發現相似。使用Mantis ML機器學習框架進行的疾病預測分析進一步指出，MAP3K15與“二氮嗪耐藥性瀰漫性高胰島素血癥”和“高胰島素血癥性低血糖”等疾病有高度關聯，雖然具體的因果關係需要進一步研究，但這些結果有力地證明了MAP3K15與糖尿病相關生物學有關。這些資料不僅揭示了MAP3K15的關鍵生物路徑角色，還為其作為糖尿病治療靶點提供了重要的科學證據和啟示。
總結
該研究探討了MAP3K15基因在糖尿病中的作用及其潛在的治療意義。MAP3K15基因的蛋白截斷變體（PTVs）可使患糖尿病的風險降低35%，並顯著降低糖化血紅蛋白（HbA1c）水平和血糖水平。透過大規模的全外顯子測序分析和多樣本佇列的重複驗證表明，雖然這些變體在2型糖尿病中的保護作用更為明顯，但在1型糖尿病也觀察到了積極的效應。這表明儘管1 型糖尿病和2 型糖尿病的病因不同，但它們最終仍存在一些共同的病理生理途徑。本研究為1 型糖尿病和2 型糖尿病之間建立了遺傳關聯，將它們共同的臨床表現——高血糖及其諸多不良健康後果聯絡了起來。
此外，MAP3K15缺失的保護作用與體重指數無關，只對降低血糖和HbA1c起作用，這表明其在代謝調節中可能涉及不同的分子通路。之前的研究發現MAP3K15在調節細胞應激和凋亡中的作用，這提示該基因可能在胰島素訊號及胰腺細胞功能中扮演角色，從而影響糖尿病的發生發展。
儘管動物研究曾經指出MAP3K1缺失可能導致血壓升高，但本研究在人體中並未發現支援這一觀點的證據。相反，MAP3K15的某些變體似乎還可能對高血壓提供保護作用。這進一步支援MAP3K15基因是一個安全的糖尿病治療靶點。它在開發安全有效的糖尿病治療方法方面具有巨大潛力。
本論文的原文連結：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add5430
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