IF31.7｜全基因组测序基因负荷分析揭示代谢健康新基因

WGS捕获更多编码变异，发现IRS2、UBR3等新基因与BMI/T2D及肾病相关。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

大规模人群遗传研究已发现许多与代谢健康相关的常见变异，但多数位于非编码区，因果基因难以确定。基于外显子测序的基因负荷检验通过聚合罕见蛋白质编码变异，能更可靠地识别因果基因及效应方向。近年来，全基因组测序在大型人群队列中广泛应用，除了覆盖非编码区，还能比外显子测序捕获更多功能性编码变异。本研究利用UK Biobank和All of Us两个大型队列的全基因组测序数据，针对体重指数和2型糖尿病进行基因负荷分析，旨在发现新的罕见蛋白质编码变异关联。

科学问题

卡在哪里： 此前基于外显子测序的研究已发现多个与BMI或T2D相关的基因，但样本量有限，且外显子测序对某些编码区域的覆盖不足，可能遗漏重要变异。此外，多数研究局限于欧洲人群，跨种族验证不足。

本文要回答： 利用大规模全基因组测序数据，识别与BMI和T2D相关的新的罕见蛋白质编码变异，并在独立队列中验证，探索其表型效应和生物学机制。

技术路线

作者主要用了：全基因组测序、基因负荷检验、BOLT-LMM、PheWAS、多队列验证。

作者在UK Biobank约49万人的全基因组测序数据中，对19,457个蛋白质编码基因进行基因负荷检验，聚合罕见（MAF<0.1%）高置信度蛋白质截短变异和错义变异（REVEL>0.5或0.7），以BMI和T2D为表型，使用BOLT-LMM进行关联分析。随后在All of Us约22万人中验证新发现，并进行敏感性分析、表型组扫描和机制探索。图1展示了全基因组基因负荷检验的曼哈顿图，标注了达到外显子组显著性阈值的基因。

图 1　Fig. 1。图1展示了BMI和T2D的全基因组基因负荷检验曼哈顿图。横轴为染色体位置，纵轴为-log10(P值)。达到外显子组显著性阈值（P<6.15×10⁻⁷）的基因被标注，不同颜色代表不同的变异掩码（PTV、错义REVEL>0.5或0.7）。图中可见多个已知和新发现的基因，如BMI的MC4R、RIF1，T2D的GCK、IRS2等。

核心亮点

亮点 1｜发现RIF1、UBR3等新BMI基因

在BMI分析中，新发现三个基因：RIF1、UBR3和TNK2。其中RIF1的蛋白质截短变异对BMI有显著影响（效应2.66 kg/m²，P=3.7×10⁻¹⁰），该基因参与DNA双链断裂修复。UBR3的PTV同时增加BMI和T2D风险，且对T2D的效应仅部分依赖于BMI（校正后OR=2.5，P=2.7×10⁻⁴）。TNK2附近存在已知的BMI GWAS位点，且eQTL共定位支持其因果性。

图 2　Fig. 2。图2比较了UK Biobank和All of Us中特定基因的效应估计。左图为BMI效应，右图为T2D风险（log10 OR）。每个基因用点表示，误差线为95%置信区间。在AoU中成功复制的基因以粗体标注，如RIF1、UBR3、IRS2、HNF4A。可见效应方向在两个队列中一致，但效应大小可能不同。

亮点 2｜IRS2 PTVs大幅增加T2D风险

在T2D分析中，新发现七个基因，其中IRS2的蛋白质截短变异效应最强（OR=6.4，95%CI 3.7-11.3，P=9.9×10⁻¹⁴，携带者中T2D患病率34%）。IRS2编码胰岛素信号通路中的关键接头蛋白。该关联在All of Us中成功复制（OR=3.68）。此外，IRS2 PTVs还与较低的eGFR和较高的CKD风险相关（OR=4.0，P=3.1×10⁻⁴），且独立于糖尿病状态，提示IRS2在肾脏健康中具有保护作用。

图 3　Fig. 3。图3展示了与BMI或T2D显著相关的基因变异在79个性状上的表型组扫描结果。每个点代表一个基因-表型关联，颜色按表型类别着色，三角形方向表示效应方向。可见IRS2 PTVs与eGFR降低、CKD风险增加相关；HNF4A错义变异与SHBG降低相关；RMC1 PTVs与甘油三酯升高、HDL降低相关。

亮点 3｜IRS1与IRS2功能差异保守

比较IRS1和IRS2 PTV携带者的表型发现：IRS1 PTVs与身高降低和去脂体重减少相关，但对T2D风险影响较小；IRS2 PTVs则显著增加T2D风险，但不影响身高和去脂体重。这与小鼠模型中的表型一致：Irs1敲除小鼠体型小但血糖异常较轻，Irs2敲除小鼠体型正常但因β细胞衰竭出现严重高血糖。表明IRS1主要介导IGF1信号对生长和瘦体重的作用，而IRS2对葡萄糖稳态更为关键。

图 4　Fig. 4。图4展示了IRS2 PTVs对肾功能指标的影响。左图显示对三种eGFR估算方法（基于肌酐、胱抑素C或两者结合）的效应，均为负值且置信区间不包含零。右图显示对CKD风险的OR约为4，且在校正T2D状态后仍显著。表明IRS2功能丧失对肾脏健康有独立于糖尿病的不利影响。

亮点 4｜UBR2与UBR3对代谢的不同影响

UBR2和UBR3是相关的E3泛素连接酶，但功能不同。UBR2的PTV仅与BMI增加相关，而UBR3的PTV同时增加BMI和T2D风险。UBR3对T2D的效应仅部分由BMI介导，且UBR3 PTV携带者高血压风险显著增加，效应约为UBR2的两倍。UBR3在感觉组织中高表达，可能通过影响食物摄入或能量平衡发挥作用。

图 5　Fig. 5。图5比较了IRS1和IRS2 PTVs对连续性状和T2D风险的影响。IRS1 PTVs与身高和去脂体重降低相关，但对T2D风险影响较小；IRS2 PTVs则显著增加T2D风险，但不影响身高和去脂体重。这反映了IRS1和IRS2在胰岛素/IGF1信号通路中的功能分工。

亮点 5｜WGS相比WES提升编码变异发现能力

与之前的外显子测序分析相比，WGS在相同基因中平均卡方值增加29%，在同时具有WGS和WES数据的样本中，WGS比WES多识别21%的变异，且额外识别的变异具有功能相关性。以IRS2为例，WGS比WES多识别15个PTV（增加79%），使该基因的携带者数量增加近50%。这证实了WGS在捕获编码变异方面的优势。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： 全基因组测序、基因负荷检验、BOLT-LMM、PheWAS、多队列验证
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 从事代谢遗传学、罕见变异分析或大规模队列研究的科研人员。

带走一句

全基因组测序比外显子测序能发现更多编码变异，提升基因负荷检验的效力，应优先用于罕见变异关联研究。