Варіація послідовності ДНК у ACVR1C, що кодує рецептор-подібну актиназі кіназу 7, впливає на розподіл жиру в організмі та захищає від діабету 2 типу

Анотація

Вступ

Відкриття генетичних варіантів, що захищають від хвороб, може визначити нові механізми захворювання та нові терапевтичні цілі (1). Наприклад, відкриття варіантів низькочастотного кодування в PCSK9, ANGPTL3 та APOC3, які знижують рівень ліпідів у крові та захищають від ішемічної хвороби серця, каталізували розробку нових препаратів для лікування ішемічної хвороби серця (2–10). Зараз інгібітори PCSK9 схвалені для лікування ІХС (4), тоді як інгібітори ANGPTL3 (7) та APOC3 (11) знаходяться в клінічній розробці.

Розподіл жиру в організмі сильно впливає на розвиток діабету 2 типу (12–14). У менделівському рандомізованому дослідженні 296 291 особин ми раніше виявили, що генетична схильність до збільшення розподілу жиру в черевній порожнині була пов'язана з підвищеним рівнем тригліцеридів, підвищенням артеріального тиску та підвищеним ризиком розвитку ішемічної хвороби серця, незалежно від загального ожиріння (12). Крім того, генетична схильність до збільшення розподілу жиру в черевній порожнині була сильно пов'язана з розвитком діабету 2 типу. Для кожного генетичного збільшення коефіцієнта талії та стегна на 1 SD з урахуванням ІМТ (WHRadjBMI) (показник розподілу жиру в організмі) ризик діабету 2 типу збільшився на 77% (12). Ці висновки були повторені в окремому менделівському рандомізованому дослідженні (14).

Ці результати припускають гіпотезу, що генетичні варіанти, що впливають на розподіл жиру в організмі, можуть також впливати на ризик діабету 2 типу (12). Тут ми перевіряємо цю гіпотезу, аналізуючи генетичні варіації у понад 400 000 осіб у Великобританії Biobank, щоб виявити нові генетичні варіанти, що знижують WHRadjBMI та захищають від діабету 2 типу. Нижче ми демонструємо, що варіанти, які, як передбачається, призводять до втрати функції гена ACVR1C, який кодує актинатиноподібну кіназу 7 (ALK7), впливають на розподіл жиру в організмі та захищають від діабету 2 типу.

Дизайн та методи дослідження

Вивчати дизайн

У нашому аналізі відкриття ми проаналізували зв'язок 614 042 варіантів кодування з WHRadjBMI у 405 569 осіб у Великобританії Biobank. Варіанти кодування були визначені як варіанти missense або варіанти, які, як передбачається, призведуть до втрати функції білка: 1) безглузді мутації, що призвели до раннього припинення білка, 2) мутації фреймового зсуву внаслідок вставки або делеції ДНК, або 2) сплайсинг мутації сайтів, що призводять до неправильно зрощеного білка. Були проаналізовані лише варіанти, обчислені з оцінкою якості (інформаційна оцінка)> 0,3. Поріг значущості визначався як P −8 (загальногеномна значимість), а аналіз проводився за допомогою програмного забезпечення PLINK2 (15). Ми повідомили про нові варіанти, як такі, що знаходяться на відстані більше однієї мегабази від раніше визначених локусів у Консорціумі генетичного дослідження антропометричних ознак (GIANT) (16). Ми повідомляли про варіанти, розташовані за межами локусу MHC, окремо від тих, що знаходяться в локусі MHC, оскільки варіанти всередині локусу MHC, як правило, позначають алелі ризику HLA і, таким чином, асоціюються з фенотипами через нерівновагу зв'язку з алелями HLA (17). Ми спробували відтворити асоціацію нових варіантів із WHRadjBMI, використовуючи дані Консорціуму GIANT, коли варіант був доступний в Консорціумі GIANT (16).

Після виявлення варіантів ACVR1C як суттєво асоційованих з WHRadjBMI, був проведений умовний аналіз для виявлення додаткових варіантів, суттєво асоційованих (P −8). У первинному аналізі 95978 пацієнтів з діабетом 2 типу та 646985 контрольних суб'єктів ми мали 80% потужності виявити мінімальне співвідношення шансів (АБО) 1,05 при Р -8. При незначній частоті алелів 1% ми мали 80% потужності для виявлення мінімального ефекту 0,1 SD для WHRadjBMI та АБО 1,10 для діабету 2 типу при P −8 .

Щоб оцінити загальну асоціацію варіацій ACVR1C з WHRadjBMI, ми об’єднали всі варіанти, використовуючи оцінку генного ризику, зважену квадратним коренем частоти алелів (оцінюючи середньозважений ефект варіантів ACVR1C на WHRadjBMI) (28). Щоб оцінити загальну асоціацію варіацій ACVR1C з діабетом 2 типу, ми об'єднали всі варіанти в оцінку генного ризику, зважену за зв'язком кожного варіанту з WHRadjBMI (29).

Для аналізу даних секвенування екзомів проводили логістичну регресію з урахуванням статі, п’яти основних компонентів походження та фіктивну змінну для кожної когорти, щоб оцінити асоціацію передбачуваних варіантів пошкодження з діабетом 2 типу. Оцінки MIGen були об’єднані з оцінками Консорціуму T2D-GENES з використанням метааналізу зворотної зваженої дисперсії з фіксованими ефектами.

Для феноменального дослідження асоціацій усі чотири варіанти ACVR1C були об’єднані в оцінку генного ризику в UK Biobank, як описано раніше (25,30). Для кожної людини у Великобританії Biobank варіанти ACVR1C, пов'язані з нижчим WHRadjBMI, зважувались за їх впливом на WHRadjBMI та підсумовувались. Зв'язок цієї оцінки генного ризику з 31 різним захворюванням у Великобританії Biobank та трьома метаболічними ознаками був перевірений за допомогою логістичної регресії з урахуванням віку, статі, 10 основних компонентів походження та фіктивної змінної для типу масиву, що використовується при генотипуванні. Хоча дослідницький через низьку кількість пацієнтів з певними захворюваннями (наприклад, 1 707 осіб, які страждають на рак шийки матки), ми провели цей аналіз, щоб виявити можливі несприятливі асоціації ACVR1C із захворюваннями, які можуть дозволити прогнозувати несприятливі ефекти фармакологічного інгібування ACVR1C.

Аналізи проводились із використанням версії R 3.2.3 (Проект статистичних обчислень R).

Результати

Широке асоціаційне дослідження з розподілу жиру в організмі у Великобританії Біобанк

Серед 405 569 учасників у Великобританії Biobank 54% були жінками, середній вік становив 57 років, а середнє співвідношення талії та стегон, виміряне при вступі, становило 0,87 (таблиця 1). Один SD у співвідношенні талії та стегон відповідав абсолютній зміні 0,09. При аналізі 614 012 варіантів кодування в UK Biobank не було виявлено жодних доказів геномної інфляції (λ 1,08) (Додаткова Рис. 1).

Вихідні характеристики учасників у Біобанку Великобританії

Ми виявили 16 низькочастотних варіантів (5%), пов'язаних із WHRadjBMI (Додаткова таблиця 3). Ми виявили 94 незалежних варіанти, включаючи варіанти у відомих локусах (додаткові дані). З 59 нових варіантів кодування 34 варіанти були доступні для реплікації в Консорціумі GIANT (16). Спостерігалася сильна кореляція у величині ефекту асоціації варіантів із WHRadjBMI у Великобританії Biobank та GIANT (R 2 = 0,87). Загалом 24 варіанти були незалежно пов'язані з WHRadjBMI в GIANT (P 0,05), лише 3 варіанти показали докази неоднорідності між оцінками в UK Biobank та GIANT, а решта 7 варіантів показують подібні оцінки асоціації у UK Biobank та GIANT (хоча ні досягнення значущості у GIANT) (Додаткова таблиця 4).

Основним новим низькочастотним варіантом був варіант міссенсу в PNPLA2 (rs140201358, Asn252Lys), який асоціювався з підвищеним WHRadjBMI (0,09 SD, P = 3,2 × 10 −19). PNPLA2 кодує тригліцерид-ліпазу адипоцитів, яка гідролізує тригліцериди в жировій тканині для мобілізації запасів жиру (31). Було виявлено, що два варіанти низькочастотного міссенсу у ABHD15, який кодує білок 15, що містить домен альфа/бета-гідролази, пов'язані з підвищеним WHRadjBMI. ABHD15 також сильно експресується в адипоцитах і, як повідомляється, він опосередковує індуковане індуковане придушення ліполізу в адипоцитах (32). Ми також виявили низькочастотний варіант у відомому локусі (CALCRL Leu87Pro, 0,1% частота), асоційований з нижчим WHRadjBMI (-0,14 SD, P = 1,9 × 10 -11). Поширений некодуючий варіант у локусі CALCRL, що кодує рецептор, подібний рецептору кальцитоніну, раніше був ідентифікований в Консорціумі GIANT як асоційований з WHRadjBMI (16). Ідентифікація незалежного низькочастотного варіанту міссенсу в гені свідчить про те, що CALCRL може бути причинним геном у цьому локусі.

Варіація, що веде до нижнього WHRadjBMI: Локус ACVR1C

Далі ми зупинилися на нових варіантах алелей, що ведуть до нижчого WHRadjBMI. Провідний новий низькочастотний варіант, асоційований з нижчим WHRadjBMI, лежить в межах гена ACVR1C. ACVR1C Asn150His (частота алелів 1,1%), пов'язана з 0,09 SD нижчим WHRadjBMI (P = 3,4 × 10 −17). Незалежний варіант помилки в ACVR1C, Ile195Thr (AF 0,4%), також пов'язаний з нижчим WHRadjBMI (0,15 SD, P = 1,0 × 10 −9).

Після кондиціонування на цих двох варіантах ми виявили додатковий варіант кодування: Ile482Val (AF 7%), який асоціюється з 0,019 SD нижчим WHRadjBMI (P = 1,6 × 10 −5), і rs72927479, некодуючий варіант, для якого мінорний G алель (AF 5%) асоціювався з 0,035 SD нижчим WHRadjBMI (P = 2,6 × 10 −12) (Таблиця 2). Незважаючи на те, що є незалежним сигналом для WHRadjBMI, некодуючий варіант rs72927479 номінально корелює з Ile482Val (r 2 = 0,06 у UK Biobank). Жодні інші варіанти не співвідносились між собою у UK Biobank (усі r 2 Переглянути цю таблицю:

Переглянути вбудований
Переглянути спливаюче вікно

Поєднання варіантів ACVR1C з WHRadjBMI та діабетом 2 типу

Об’єднавши всі чотири варіанти із зважуванням за квадратним коренем частоти алелів, варіація ACVR1C була пов’язана з нижчим WHRadjBMI у Великобританії Biobank (-0,07 SD, P = 2,6 × 10 -35). Щоб повторити цю знахідку, ми об’єднали дані Консорціуму GIANT (в якому був доступний варіант Ile482Val, n = 224,156) з даними наборів даних ARIC та Framingham Heart Study (у яких доступні варіанти Asn150His, Ile195Thr та rs72927479, n = 13 704). Об’єднавши всі чотири варіанти в цих трьох дослідженнях реплікації, варіація ACVR1C була пов’язана зі зменшенням WHRadjBMI (-0,07 SD, P = 0,0005) (Додаткова таблиця 5).

Вивчаючи інші антропометричні риси у UK Biobank, варіація ACVR1C була пов'язана з підвищеною окружністю стегна (0,035 SD, P = 3 × 10 -8) та номінально підвищеним ІМТ (0,02 SD, P = 0,002) і не була пов'язана з окружністю талії (-0,007 SD, P = 0,20) або висота (0,005 SD, P = 0,23). В аналізі консорціуму (MAGIC) аналізу інсулінорезистентності (HOMA-IR) щодо мета-аналізу глюкози та інсулінових ознак Ile482Val (єдиний доступний для аналізу варіант ACVR1C) не асоціювався з HOMA-IR (-1,1%, P = 0,17 ) (33).

Ми дослідили, чи варіація ACVR1C також пов'язана з прямим вимірюванням абдомінального ожиріння. Загалом 4215 учасників у UK Biobank пройшли візуалізацію DEXA для оцінки маси жиру в животі. Носії варіантів ACVR1C мали нижчий відсоток жиру в животі (Р = 0,008) (рис. 1). Коли було виключено одну віддалену особу з чотирма варіантами ACVR1C (рис. 1), носії ACVR1C продовжували мати значно нижчий відсоток жиру в животі (P = 0,009).

У чотирьох генетичних варіантах ACVR1C асоціація кількості алелів, що знижують WHRadjBMI, із середнім значенням безпосередньо виміряного жиру в животі (відсотка жиру в животі від загального жиру в організмі) у 4215 учасників, які пройшли сканування DEXA у UK Biobank, з урахуванням віку, статі, 10 основних компонентів походження та тип масиву. Кількість учасників у кожній групі відображається білим кольором для кожного рядка.

Асоціація варіантів ACVR1C з діабетом 2 типу

Генетична схильність до збільшення WHRadjBMI сильно схильна до діабету 2 типу (12). Тому ми дослідили, чи захищають варіанти ACVR1C, що знижують ожиріння WHRadjBMI від діабету 2 типу. У комбінованому аналізі UK Biobank та консорціуму DIAGRAM було встановлено, що всі чотири варіанти ACVR1C незалежно захищають від діабету 2 типу (OR 0.88, P = 8.7 × 10 −5 для Asn150His; OR 0.79, P = 0.005 для Ile195Thr; OR 0.95, P = 4,8 × 10 −6 для Ile482Val; АБО 0,93, P = 0,0006 для rs72927479) (Таблиця 1). Об’єднавши всі чотири варіанти, зменшення WHRadjBMI через ACVR1C на 0,2 SD було пов’язане з 30% меншим ризиком діабету 2 типу (АБО 0,70, 95% ДІ 0,63, 0,77; P = 5,6 × 10 −13) (рис. 2) . Коли ми виключили некодуючий варіант rs72927479, який номінально корелює з Ile482Val (r 2 = 0,06 у UK Biobank), показник ризику гена ACVR1C залишався пов'язаним з ризиком діабету 2 типу (АБО 0,71, 95% ДІ 0,64, 0,79; P = 1,8 × 10 −10)

Поєднання чотирьох варіантів ACVR1C з WHRadjBMI (вісь x) та діабетом 2 типу (T2D) (вісь y).

У трьох незалежних наборах даних із даними про послідовності екзоми - MIGen, ARIC та T2D-GENES Consortium - ми дослідили, чи варіанти, передбачені для пошкодження функції гена ACVR1C, захищають від діабету 2 типу. Дев'ять екзонів гена ACVR1C були секвенувані у 55 516 осіб. Всього було виявлено 105 передбачуваних варіантів пошкодження (додаткові таблиці 6–8). Серед 16 452 пацієнтів із діабетом 2 типу частота прогнозованих пошкоджуючих варіантів ACVR1C становила 0,1% (17) порівняно з 0,2% (88) серед 39 064 контрольних суб’єктів без діабету. Загалом, наявність передбачуваного пошкоджуючого варіанту при ACVR1C було пов’язано з 54% меншим ризиком діабету 2 типу (АБО 0,46, 95% ДІ 0,27, 0,81; Р = 0,006) (рис. 3). Коли ми виключили 47 носіїв I195T (позначених як передбачуваний пошкоджуючий варіант п’ятьма з п’яти алгоритмів) в аналізі секвенування екзоми, носії передбачуваних пошкоджуючих варіантів у ACVR1C залишалися захищеними від діабету 2 типу (АБО 0,48, 95% ДІ 0,24, 0,97; P = 0,04).

Асоціація прогнозованих пошкоджуючих варіантів ACVR1C з діабетом 2 типу (T2D) із послідовностей в MIGen, ARIC та T2D-GENES Consortium (T2D Genes).

Для подальшого вивчення того, чи знижує функція ACVR1C зниження WHRadjBMI, ми дослідили, чи не кодуючий варіант rs72927479 асоціюється з експресією ACVR1C. Незначний алель rs72927479 (G, частота 5%), асоційований з нижчим WHRadjBMI (β −0,035, P = 2,6 × 10 −12) та діабетом 2 типу (OR 0,93, P = 0,0006). У наборі даних "Експресія генотипу-тканини" (GTEx) (34) незначний алель rs72927479 асоціюється зі зниженою експресією ACVR1C у підшкірній жировій клітковині (P = 0,02) та підшлунковій залозі (P = 0,02) (додаткове зображення 2).

Дослідження асоціації ACVR1C у Великій Британії за допомогою феномена

Щоб передбачити, чи може інгібування ACVR1C асоціюватися з побічними ефектами, які були спрямовані на ціль, ми провели феноменальне дослідження асоціації 31 фенотипу хвороби у UK Biobank. Ми не спостерігали жодної значущої асоціації між оцінкою ризику гена ACVR1C та 31 аналізованою хворобою (рис. 4). Оцінка ризику гена ACVR1C не пов'язана із захворюваннями ішемічної артерії (OR 1,01, P = 0,86). Ми також дослідили, чи асоціюється варіація ACVR1C із трьома метаболічними ознаками, наявними в даний час у Великобританії Біобанк: сечовий альбумін, систолічний артеріальний тиск та діастолічний артеріальний тиск. Хоча показник ризику гена ACVR1C не суттєво асоціювався з рівнем альбуміну в сечі, він асоціювався зі значно нижчим діастолічним артеріальним тиском (-0,6 мм рт.ст., Р = 0,0004) та номінально нижчим систолічним артеріальним тиском (-0,6 мм рт.ст., Р = 0,03).

Асоціація оцінки ризику гена ACVR1C з 31 фенотипом хвороби у Великобританії Biobank. ХОЗЛ, хронічна обструктивна хвороба легень.

Обговорення

У цьому дослідженні чотири генетичні варіанти ACVR1C, що мають частоту від 0,2 до 7,2%, незалежно пов'язані з нижчим WHRadjBMI та захищені від діабету 2 типу. Крім того, пошкоджуючі варіанти ACVR1C захищали від діабету 2 типу при аналізі послідовностей екзоми у 55 516 осіб. Оцінка ризику гена ACVR1C не асоціювалась з жодною з 31 додаткової хвороби у Великобританії Biobank, але номінально асоціювалась із зниженням артеріального тиску.

Ці результати дозволяють зробити кілька висновків. По-перше, фармацевтичне пригнічення ACVR1C може бути корисним при лікуванні діабету 2 типу. ACVR1C кодує ALK7, трансформуючий рецептор фактора росту -β сімейства, що сильно експресується на клітинах панкреатичних острівців (35,36) та адипоцитах (37). Надмірна експресія AKL7 індукує пригнічення росту та апоптоз β-клітин підшлункової залози (36,38), припускаючи, що він є негативним регулятором маси β-клітин. Ряд результатів модельних систем також свідчить про те, що ALK7 може бути корисним як терапевтична мішень для абдомінального ожиріння, діабету 2 типу та інших метаболічних захворювань. Повідомлялося, що миші з дефіцитом ACVR1C знижують жир у організмі при дієті з високим вмістом жиру (37,39) та покращують толерантність до глюкози та чутливість до інсуліну при ожирінні (37). Також було показано, що хімічне інгібування ACVR1C зменшує накопичення жиру та збільшує ліполіз у мишей (40). Щури з індукованим стрептозоцином діабетом демонструють підвищену експресію ALK7, а збиття ACVR1C shRNA знижує артеріальну жорсткість у цій моделі (41). У поєднанні з представленими тут генетичними результатами людини ці результати свідчать про те, що пригнічення ACVR1C може виявитися корисним для зміни розподілу жиру в організмі та зниження ризику діабету 2 типу.

Підводячи підсумок, варіанти передбачають пошкодження функції гена ACVR1C нижче WHRadjBMI та захист від діабету 2 типу. Ці висновки забезпечують генетичну перевірку людини для гена ACVR1C як терапевтичної мішені для діабету 2 типу.