심방 세동(Atrial Fibrillation)의 cross-ancestry genome-wide analysis를 통한 질병의 생물학적 요인 파악 및 심장 색전 위험 예측
![[EzV] [Nature Genetics] Cross-ancestry genome-wide analysis of atrial fibrillation unveils disease biology and enables cardioembolic risk prediction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/02/EzV-Nature-Genetics-Cross-ancestry-genome-wide-analysis-of-atrial-fibrillation-unveils-disease-biology-and-enables-cardioembolic-risk-prediction.png)
Abstract
심방세동(Atrial Fibrillation; AF)은 뇌졸중의 위험을 증가시키는 대표적인 심장 부정맥입니다. 굉장히 유전적인 병인론에도 불구하고, AF의 유전적 구조에 대한 이해는 불완전한 상태로 남아 있습니다.
이 논문에서는 150,272명의 환자 중 9,826명의 환자와 AF와 관련된 동아시아 특정 희귀 변종으로 구성된 일본 인구의 게놈 전체 연관 연구를 수행했습니다. 77,690명의 사례를 포함하여 100만 명 이상의 개인에 대한 교차 조상 메타 분석에서 35개의 새로운 감수성 위치를 식별했습니다. Transcriptome-wide association analysis를 통해 IL6R을 추정 원인 유전자로 식별하여 면역 반응의 관여를 시사합니다. ChIP-seq 데이터와의 통합 분석 및 인간 유도 만능 줄기세포 유래 심근세포를 사용한 기능 평가는 ERrg가 AF 관련 유전자의 전사 조절에 핵심적인 역할을 한다는 것을 입증했습니다. 교차 조상 메타 분석에서 도출된 다유전학적 위험 점수는 진단되지 않은 AF 환자에서 심혈관계 및 뇌졸중 사망률의 증가 위험을 예측하고 심장 색전성 뇌졸중을 가진 개인을 분리하여 분류할 수 있었습니다.
이들의 결과는 AF 유전학에 대한 새로운 생물학적 및 임상적 통찰력을 제공하고 임상 적용에 대한 잠재력을 제안합니다.
Figure
![[Fig1] [Nature Genetics] Cross-ancestry genome-wide analysis of atrial fibrillation unveils disease biology and enables cardioembolic risk prediction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/02/Fig1-Nature-Genetics-Cross-ancestry-genome-wide-analysis-of-atrial-fibrillation-unveils-disease-biology-and-enables-cardioembolic-risk-prediction.png)
[Figure 1] 연구의 전체적인 흐름
연구의 전반적인 진행 과정을 보여주는 모식도입니다. 연구 범위 내에 BBJ first cohort를 가진 일본인 GWAS(9,826 AF cases / 140,446 controls) 및 BBJ second cohort를 통한 replication study(4,602 cases / 44,075 controls), 대규모 유럽 GWAS와의 cross-ancestry 메타분석 결과 및 downstream analysis가 포함되어 있습니다.
![[Fig2] [Nature Genetics] Cross-ancestry genome-wide analysis of atrial fibrillation unveils disease biology and enables cardioembolic risk prediction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/02/Fig2-Nature-Genetics-Cross-ancestry-genome-wide-analysis-of-atrial-fibrillation-unveils-disease-biology-and-enables-cardioembolic-risk-prediction.png)
[Figure 2] Cross-ancestry 메타분석의 Manhattan plot
Cross-ancestry 메타분석의 결과(77,690 AF case, 1,167,040 control)를 보이는 그림입니다. 각 유전적 위치(hg19 기준)에 따른 log10BF 값을 보여주고 있습니다. 범유전자적으로 유의한 정도의 신호를 보이는 요소들(log10BF > 6)은 기존에 보고되었을 경우 파란색으로, 새로 발견되었다면 빨간색으로 칠했습니다.
![[Fig3] [Nature Genetics] Cross-ancestry genome-wide analysis of atrial fibrillation unveils disease biology and enables cardioembolic risk prediction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/02/Fig3-Nature-Genetics-Cross-ancestry-genome-wide-analysis-of-atrial-fibrillation-unveils-disease-biology-and-enables-cardioembolic-risk-prediction-1024x822.png)
[Figure 3] Transcriptome-wide association 분석 결과
(a) TWAS 상 각 유전자의 effect size(x축) 및 -log10Pvalue(y축)을 보이는 volcano plot입니다. (왼쪽)Atrial appendage (오른쪽) left ventricular tissues. 유의한 유전자들은 빨간색(AF에서 더 많은 발현을 보인 유전자) 및 파란색(AF에서 더 적은 발현을 보인 유전자)으로 나타내었습니다.
(b) 유전자와 가깝게 분포된 lead variants(빨간색), TWAS에서 발견된 genes(파란색), 그리고 두 가지 모두 해당되는 경우(초록색)를 나타냈습니다.
(c) 예측 모델에 포함된 AF 관련 변이체에서 TWAS에 의해 식별된, 각 후보 유전자에 대한 표준 전사체의 TSS까지의 물리적인 거리 분포입니다.
![[Fig4] [Nature Genetics] Cross-ancestry genome-wide analysis of atrial fibrillation unveils disease biology and enables cardioembolic risk prediction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/02/Fig4-Nature-Genetics-Cross-ancestry-genome-wide-analysis-of-atrial-fibrillation-unveils-disease-biology-and-enables-cardioembolic-risk-prediction.png)
[Figure 4] iPSCMs를 활용한 ERRg의 functional analysis
(a) Volcano plot 분석입니다. 각 점은 ChIP-seq 실험 하나를 의미합니다. 각 점의 색깔에 따라 심혈관세포(빨강), induced pluripotent stem cell(iPSCM) 유래 심장세포(초록), 근육세포(파랑) 및 기타 세포(회색)을 나타냅니다.
(b) GSK5192(ERRg의 역작용제)의 처리 유무에 따른 iPSCM의 유전자 발현 변화를 나타냅니다.
(c, d) iPSCM의 motion analysis 결과로, SI8000 Cell Motion Imaging System을 활용했습니다. (c) GSK5182를 처리한 iPSCM은 자발적 박동수 및 불균일성의 감소를 보였습니다. (d) 해당 시스템을 이용한 박동수 및 수축 지속력을 측정했습니다.
(e-g) (e) iPSCM의 Calcium handling analysis 결과입니다. (f) peak count(박동률)의 평균값을 측정했으며, 80% 재분극 시의 정상값 지속률(PWD80)을 측정했습니다. (g) 박동률의 증가를 isoproterenol 처리 전후로 측정했습니다.
![[Fig5] [Nature Genetics] Cross-ancestry genome-wide analysis of atrial fibrillation unveils disease biology and enables cardioembolic risk prediction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/02/Fig5-Nature-Genetics-Cross-ancestry-genome-wide-analysis-of-atrial-fibrillation-unveils-disease-biology-and-enables-cardioembolic-risk-prediction.png)
[Figure 5] 일본 코호트(2,954 case, 21,194 control)에서의 PRS 성능(Nagelkerke’s pseudo R) 확인
(왼쪽) 하나의 GWAS에서 도출한 3가지 fPRS model에서의 성능을 비교했습니다.
(오른쪽) meta-GWAS를 통해 얻은 4가지의 PRS model의 결과를 보입니다.
![[Fig6] [Nature Genetics] Cross-ancestry genome-wide analysis of atrial fibrillation unveils disease biology and enables cardioembolic risk prediction](https://scienceeasyview.com/wp-content/uploads/2023/02/Fig6-Nature-Genetics-Cross-ancestry-genome-wide-analysis-of-atrial-fibrillation-unveils-disease-biology-and-enables-cardioembolic-risk-prediction.png)
[Figure 6] AF-PRS가 관련 phenotype 및 long-term 사망률에 미치는 영향
(a) AF-PRS 및 AF 시작 나이 간의 관련성을 보이는 box plot입니다.
(b) AF-PRS 및 AF 미보유 환자들의 stroke phenotype 간의 연관성을 보입니다.
(c) (위)심혈관 질환, (아래)뇌졸중의 치명률에 대한 Kaplan-Meier 누적 발생 예측치입니다.
(d) AF-PRS가 long-term 사망률에 가지는 효과를 보여줍니다.
Disscussion
이 연구진들은 일본인 코호트에서 약 10,000명의 AF 사례를 가진 대규모 GWAS를 수행했고, AF와 관련된 31개의 게놈 전체의 중요한 위치를 식별했습니다. 여기에는 SYNE1과 FGF13 loci에서 질병과 관련된 희귀하고 매우 동아시아 특유의 변이가 발견된 5개의 새로운 loci가 포함되며, 이는 AF의 기초가 되는 메커니즘으로서 핵 외피 및 이온 채널의 기능적 변화의 관여를 시사합니다. SYNE1은 spectrin-1 단백질을 암호화하고 Sad1p/UNC84 도메인 함유 단백질(SUN1/2)과 함께 핵 소포 단백질 복합체를 구성합니다. LMNA와 SYNE1의 돌연변이는 심각한 근육위축증과 확장된 심근증을 가진 환자에서 확인되었습니다. SYNE1의 돌연변이는 핵 형태학, 근아세포 분화 및 심장 발달에 결함을 유발하여 심방 부정맥 생성에서 구조적 기질에 기여하는 핵 외피 단백질 복합체를 변화시킵니다. FGF13은 광범위한 유사분열 및 세포생존 활성을 갖는 섬유아세포 성장인자 계열의 구성원을 암호화합니다. FGF13은 병균에서 주요 심장 나트륨 채널(NaV1.5)의 C-terminus에 직접 결합하며, rat의 심근 세포에서 FGF13 knockdown은 NaV1.5 감소 Na+ 전류 밀도, Na+ 채널 가용성 감소 및 비활성화에서 NaV1.5 감소, Na+ 전류 회복 속도 저하를 보였습니다. 심근 세포에서 전도 장애의 증거는 FGF13이 AF와 관련된 중요한 표적 유전자임을 나타냅니다.
또한, 이들은 지금까지 AF에 대해 가장 큰 규모의 교차 조상 메타 분석을 수행했는데, 여기서 150개의 게놈 전체에 걸쳐 유의미한 위치가 확인되어 35개의 새로운 위치가 발견되었습니다. 이러한 위치를 전사체 및 후생유전학 데이터와 통합함으로써, 이들은 AF와 관련된 후보 유전자 및 전사 인자에 우선순위를 부여합니다. 전사체 전체 분석은 AF 관련 위치를 표적 유전자와 연결하고, 특히 IL6R을 AF와 관련된 후보 유전자로 밝혀냈습니다. AF 병태 생리학에서 염증의 역할에 대한 증거가 증가하고 있음에도 불구하고, IL6R과 AF 사이의 암시적인 연관성(P = 5.0 × 10-4)만 보고되었으며, AF 발달에 대한 염증 과정의 유전적 기여는 완전히 설명되지 않았습니다. 연구진들의 전사체 전반의 분석은 IL6R과 AF 발달 사이의 중요한 연관성을 밝혀냈고, AF의 발병과 치료 대상의 핵심 경로로서의 염증 신호를 밝혀냈습니다. 또한 ChIP-seq 데이터 세트를 기반으로 한 우리의 접근 방식은 ERrg를 AF와 관련된 후보 전사 인자로 분명히 연관시켰습니다. 이전 연구에서 ERRg 녹다운 마우스는 미토콘드리아 에너지 전달, 수축 기능 및 이온 전달에 관련된 유전자의 전사 조절을 통해 심장 성숙 정지와 함께 심근증을 나타냈지만, AF와 ERRg 간의 연관성은 완전히 조사되지 않았습니다. iPSCM을 사용한 기능 연구의 결과는 AF의 병태 생리학에서 ERrg에 의해 조정된 새로운 전사 네트워크를 나타냅니다.
지난 10년 동안, 유전자 데이터를 사용하여 복잡한 질병이나 형질을 예측하는 것에 대한 관심이 지속되어 왔습니다. PRS는 질병 위험 예측을 향상시키기 위한 임상적 유용성을 제공할 것으로 기대되는 반면, 이전 연구는 확립된 위험 예측 모델과 동등하거나 그보다 덜한 성능과 약한 PRS의 추가 효과를 입증했습니다. 또한, PRS의 교차 조상 이식성의 부족함은 현재 GWAS에서 유럽계 개인의 지배적인 비율로 인해 보고된 바 있습니다. 본 연구에서는 AF 관련 변이체의 공통 대립 효과와 일본과 유럽 인구 간의 유전적 상관관계를 발견했습니다. 따라서, 연구진들은 예측 성능을 극대화하기 위해 다양한 GWAS와 여러 매개 변수의 조합을 사용하여 AF-PRS를 철저히 조사했습니다. AF-PRS는 (1) 단일 파생-GWAS 범주의 표본 크기에 관계없이 파생-GWAS 모집단과 동일한 모집단에 적용될 때 더 높은 성능을 달성했습니다. 또한 (2) 파생-GWAS의 표본 크기가 비슷하거나 작더라도 일본인이 아닌 인구의 메타-GWAS에서 파생된 것과 비교하여 일본인 인구를 포함한 교차 조상 메타-GWAS에서 파생된 것일 때 더 높은 성능을 달성했으며, 나아가 (3) 일본인 인구를 포함한 교차 조상 메타-GWAS에서 파생된 것일 때 가장 큰 규모의 샘플 사이즈에서 최고의 성능을 보였습니다. 또한, 최근 연구는 진단 개선 및 질병 진행 예측과 같은 다양한 임상 환경에서 PRS의 잠재적 유용성을 보여주었습니다. 이들의 연구는 또한 AF 자체에 대한 예측 능력 외에도 AF-PRS가 AF 및 심혈관계 뇌졸중의 조기 발병과 같은 AF 관련 표현형을 가진 개인과 장기 심혈관 및 뇌졸중 사망 위험이 증가한 개인을 분리했다는 것을 보여주었습니다. 이는 AF에 대한 누적 유전적 위험이 뇌졸중의 주요 예방으로 위험에 처한 개인의 항응고를 포함하여 조기 치료 개입의 지표가 될 수 있음을 시사합니다. 종합적으로, 해당 연구팀의 결과는 미래 정밀 의학의 실현을 위한 단서가 될 AF-PRS의 임상적 유용성에 대한 몇 가지 시사점을 가지고 있습니다.
마지막으로, MR 분석은 임상 관찰 연구의 결과를 뒷받침하는 AF와 관련 질병 또는 형질 사이의 인과 관계의 증거를 밝혔습니다. 특히 동맥경화 및 대사 관련 형질 중 유의미한 인과관계를 보이는 형질은 혈압이 유일했는데, 이는 혈압이 중요하며 동시에 수정이 가능한 위험인자임을 나타내며, 혈압을 집중적으로 관리하면 AF 발병 위험이 줄어들 수 있음을 시사합니다.
결론적으로, 해당 연구팀의 대규모 일본 및 조상 간 유전 분석은 35개의 새로운 위험 위치를 식별하고 일본과 유럽인 사이에서 AF의 구별되고 공유된 유전 구조에 대한 통찰력을 제공했습니다. 전사체와 후생유전자 데이터의 통합 분석은 후보 유전자를 강조하고 질병 발생 메커니즘에 관련된 전사 인자를 포함했습니다. 나아가, 질병 예측과 장기 생존의 분석은 AF-PRS의 임상적 유용성을 입증했습니다. 이러한 데이터는 임상 환경에서 AF 유전학의 중요성을 강조하고 게놈 의학의 구현에 유용한 증거를 제공합니다.
