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基于孟德尔随机化的双相情感障碍潜在药物靶点研究

申报人:刘子川 申报日期:2025-03-27

基本情况

2025创新项目
基于孟德尔随机化的双相情感障碍潜在药物靶点研究 学生申报
创新训练项目
医学
临床医学类
学生来源于教师科研项目选题
二年期
双相情感障碍(Bipolar Disorder, BD)是一种常见的精神障碍,其典型特征为躁狂症和抑郁症的交替发作,对我国民众的身心健康构成严重威胁。遗传因素在BD的发病中扮演着关键角色,据估算,该病的遗传度约为60%~80%。值得注意的是,BD并非单基因遗传疾病,而是一种多因素复杂疾病,其遗传模式极为复杂。 全基因组关联研究(Genome-wide association study,GWAS)已成为研究BD等复杂疾病的重要手段。然而,GWAS所发现的易感区域中的致病性遗传变异仍需进一步确认,其易感位点/基因的生物学功能也有待深入阐明。近年来,随着各组学技术的快速发展,多组学数据不断积累和丰富,为深入探索BD的易感基因与药物靶点之间的关联性提供了更多的理论依据和技术支持。 本项目拟综合运用分子人类遗传学、生物信息学和神经生物学等多种研究手段,对GWAS数据、蛋白数量性状位点数据(Protein Quantitative Trait Loci Database,eQTL)和表达数量性状位点数据进行分析与筛选

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校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
刘子川 精神卫生学院 精神医学(本科) 2023 研究设计、数据整理,数据分析和文章撰写
张翔冠 精神卫生学院 精神医学(本科) 2024 资料整理,数据分析
季洋洋 精神卫生学院 精神医学(本科) 2023 资料整理,数据分析

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
郁昊 精神卫生学院

立项依据

       本研究旨在应用 MR 分析方法及贝叶斯共定位分析方法,通过整合多个公开数据库以及其他多组学信息,系统性地识别和验证在遗传上与 BD发病风险显著相关的易感基因位点,深入探究 BD 易感基因与潜在药物靶点之间的关联性
   1)通过筛选与可用药物靶点强相关的工具变量(包括血、脑、蛋白的 eQTL 和 pQTL),与来自 PGC 联盟中已公开的双相情感障碍 GWAS研究结果进行跨种族人群整合分析。通过软件对数据进行 MR 分析,以发现 BD 与药物靶点基因的因果关系。
 
   2)通过贝叶斯共定位分析确定 BD 的病发风险与药物靶点所引起的基因表达水平变化两种表型是否由同一单核苷酸(SNP)所驱动。进而发现治疗 BD 的潜在药物靶点。
       BD 是严重危害我国民众身心健康的常见重性精神疾病,该病致残高,疾病负担沉重,严重影响患者生活质量, 同时给家庭和社会带来沉重负担,BD 的遗传率高达 70%,并伴有心理社会障碍,复发率高达90%。虽然目前的药物干预,如情绪稳定剂(如锂药物治疗)和抗精神病药物,提供症状缓解,但它们的疗效有限,因此迫切需要能够在疗效和耐受性之间取得平衡的创新治疗方法。GWAS 已成为研究 BD 等复杂疾病的重要手段, 但是其所发现的易感区域中的致病性遗传变异与药物靶点是否有关联仍有待进一步确认[1]。因此,GWAS 研究与药物靶点 MR 分析的综合分析能够有效评估治疗靶点的潜力并为个性化治疗靶点的确定提供重要见解[2]。

       1.双相情感障碍的全基因组关联相关研究GWAS 研究探索 BD 的遗传和分子基础单核苷酸多态性(SingleNucleotide Polymorphism, SNP)基因型已被广泛应用, 全基因组关联分析成为研究 BD 等复杂疾病寻找易感位点/基因的重要策略。最近, 国际精神病基因组学联盟(Psychiatric Genomics Consortium, PGC)开展了迄今为止最大的多祖先 GWAS 荟萃分析。该文献分析了来自欧洲、东亚、非裔美国人和拉丁裔参与者的数据(n= 158036 例 BD 病例,280 万例对照),并结合临床、社区和自我报告的样本,确定了 337 个连锁不平衡独立,且能够映射到 298 个位点的全基因组显著变异。其中在东亚(EAS)祖先荟萃分析中,确定了两个与 BD 相关的位点,其中一个是具 有 祖 先 特 异 性 索 引 变 异 的 新 位 点 (rs117130410,4:105734758 ,BuildGRCh37)[3]。在由 Panagiotaropoulou, G, Hellberg, KG 等人带领的研究中,对 51 149 名个体(15532 名 BPD 患者、12920 名 MDD 患者和22697 名对照)组成的队列进行 GWAS 分析并发现了显著的芯片遗传性,证明了由此产生的多基因风险评分(PRS)能够有效区分 BD 和重度抑郁症[4]。同时,国内有关 GWAS 研究在近年来呈明显上升趋势。广西医科大学一项关于中国汉族女性的 BD 易感性位点研究发现了 rs12966547 位点多态性与女性 BD 易感性之间存在显著关联而在男性 BD 患者中未发现显著相关性[5]。中国科学院和云南省动物模型与人类疾病机制重点实验室通过整合 1263 种可操作蛋白质的脑源性分子数量性状基因座(mRNA 表达和蛋白质丰度数量性状基因座)全基因组 MR 分析数据和来自大规模GWAS 的遗传发现,确定了 7 个 BD 基因,并结合大脑蛋白质组数据确定了 PRKCB 基因可用于治疗 BD[6]。昆明医科大学第一附属医院在 eQTL 分析以及从 PGC 联盟获取的有关 BD 的 GWAS 分析的基础上进行全转录组关联研究(Transcriptome-Wide Association Study TWAS) 分析,鉴定出362 个显著关联的基因,其中 18 个基因经 Bonferroni 校正后仍然显著,如SEMA3G 基因、ALOX5AP 基因和 PLEC 基因[7]。BD 的全基因组关联研究已经鉴定出多个易感位点/基因为深入揭示该病的发病机制提供重要线索。但是, 由于受到研究对象的纳入排除标准、临床亚型、种族背景等临床异质性因素影响, 研究项目往往只将特定人群纳入受试实验,最大限度地减少潜在偏差,但可能会对检测其他潜在因果关联的能力起到限制性作用。因此,纳入更大的规模的样本量将更有希望为 BD 易感基因/位点提供更加可信的理论依据

       2.基于双相情感障碍全基因组关联研究的整合分析BD 是复杂多基因疾病, 绝大多数 GWAS 研究所发现的 BD 易感位点的效应值(Effective size)较小。因此,仅仅依赖于遗传学数据很难阐明这些鉴别到的 BD 易感位点/基因如何影响双相情感障碍的发生。整合来自不同层面的研究数据(如转录组、可变剪切、蛋白组、模式动物、神经影像数据)为研究者了解 BD 发病机制提供重要手段GWAS 研究识别出数十万种与人类各种复杂性状/疾病相关的遗传变异。复杂疾病易感位点常出现在富含调控元件和分子数量性状位点(Molecular quantitative trait loci, xQTL) 的基因组区域中,通过探索易感位点是否影响分子表型(如转录水平、甲基化水平和蛋白水平等)成为了解易感位点-复杂疾病关联的潜在机制的重要手段[8]。通常对 xQTL 的分析中,顺式 QTL(cis-QTL,基因表达水平受基因近端影响的 SNP)和反式QTL(Trans-QTL,顺式 QTL 之外的 SNP)数据为主要的 QTL 类型。特别是顺式 QTL,已被广泛用于解释 GWAS 发现的变异调控机制。反式QTL 虽然通常与顺式 QTL 相比具有更小的效应量,但反式 QTL 可能与复杂疾病性状有关,也就是说与受强 QTL 影响基因相比,受弱 QTL影响的基因对表型的影响更大。弱反式 QTL 具有鉴定性状相关基因的潜力,且已被用于确定可能导致疾病的基因的优先级。为了更加全面,有效地诠释易感位点与复杂疾病之间的关联性[9][10],有研究通过对 eQTL 开放数据库的持续更新,采用静态 QTL 覆盖图方法从而进一步提高 eQTL
在解释复杂性状的遗传关联方面的效用[11]。MR 分析方法的出现为全基因组关联研究和分子数量性状位点的整合分析提供了新思路。MR 分析是一种用于评估可改变暴露或风险因素与临床相关结果之间因果关系的方法。MR 分析已被广泛应用于通过整合来自疾病 GWAS 和 QTL 研究的汇总数据来重新利用已批准的药物和发现新的治疗靶点[12]。四川大学华西医院进行了 TWAS 和 MR 分析。确定了 14 种与 BD 相关的蛋白质,其中包括常见基因 NEK4、HARS2、SUGP1 和 DUS2,利用转录组全关联研究和 MR 分析证实了 BD 的显著风险基因 NEK4[13]。安徽省智能传感实验室通过整合编码可药物蛋白的 4479个可操作基因的 eQTL 以及来自精神疾病 GWAS 的遗传汇总统计数据,进行了全基因组 MR 分析。 在对大脑 MR 结果进行共定位分析后获得了 31个有希望的精神疾病药物靶点,其中就包括 7 个 BD 基因[14]。北京大学第六医院大脑中对现有 eQTL 和 pQTL 的汇总数据以及公共疾病全基因组关联研究进行了两个样本孟德尔随机化 (Two sample MR,TSMR)。该统计数据涵盖六种精神疾病,涉及 9,725-500,199 人。研究发现杏仁核中 TPMT(奥沙拉嗪的靶标)表达与 BD 风险之间存在因果关系[15]。国外 MRC 综合流行病学部门对脑组织中测量的基因表达采用 MR 分析以来确定涉及神经和精神疾病的药物靶。使用阿尔茨海默病加速药物伙伴关系联盟和CommonMind 联盟 (CMC) 数据进行荟萃分析,其中 80 个 eQTL 显示了因果效应的 MR 证据,最终确定了五个药物靶点基因(ACE、GPNMB、KCNQ5、RERE 和 SUOX)与 BD 等 12 种神经和精神疾病相关联[16]。 由此可见,整合 GWAS 数据与分子表型对于发现 BD 等复杂疾病相关分子表型和推断复杂疾病潜在的遗传机制至关重要[17]。

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1.项目特色
 
   目前 BD 的遗传学研究大多集中在鉴别易感基因/位点方面,以GWAS 分析为主导方向,但是对于 BD 的致病机理的研究仍相对较少。因此,研究者对于遗传变异是否影响基因功能进而导致 BD 发生这一科学问题尚不完全清楚。本项目结合人类遗传学、生物信息学和分子细胞生物学等诸多生物学手段,系统地研究 BD 易感基因/位点和多组织药物靶点这两表型的关联以确定潜在的药物靶点。

2.创新点

   研究选题:BD 是最常见的精神疾病之一,已经成为严重影响人类健康的重大问题之一。BD 的发病机理目前仍不清楚且缺乏有效的治疗方法。基于项目组前期研究结果,本项目将重点研究 BD 易感基因/位点与三种不同组织的药物靶点数据之间是否存在共用位点。本研究的结果将系统阐明 BD 的易感基因与药物靶点基因是否存在共同位点从而在基因表达水平上影响 BD 的发生,因此具有选题上的创新性。

   研究思路:项目组前期研究表明整合有关 BD 研究的 GWAS 数据对解析 BD 的遗传机制和致病机理具有重要意义。本研究从遗传变异,转录学分析,蛋白组分析以及 BD 的发生等不同层面发现 BD 易感基因并验证其与药物靶点基因之间的关联性进行深入研究,揭示治疗 BD 的潜在药物
靶点。
   
   研究方法:利用人类遗传学手段,项目组首先筛选血,脑,蛋白组织中强相关联 eQTL 和 pQTL 数据,再分别与有关 BD 的 GWAS 数据进行同质化和 MR 分析,最后采用贝叶斯共定位方法进行对 BD 易感位点和三种组织药物靶点数据的归因分析,从而确定 BD 发生的风险基因,并为治疗BD 提供潜在药物靶点。
1.拟解决的问题
   药物靶点引起的基因表达变化是否对 BD 有疗效作用这一问题还有待完善。本项目重点解决“BD 易感基因在不同组织中的表达是否影响基因表达水平进而导致 BD 的危险发生”这一核心科学问题。项目组从不同分析层面的数据发掘药物靶点所影响的基因表达与 BD 的易感基因/位点有无关联

2.预期结果
   本项目通过对三种不同组织的药靶基因数据和来自 PGC 联盟中关于BD 的 GWAS 数据进行 MR 分析和贝叶斯共定位分析,旨在发现 BD 中的易感基因/位点与药物靶点基因的因果关系,并以此为依据发掘治疗 BD 的潜在药物靶点。在项目执行期间, 本课题组预计在核心期刊公开发表项目研究相关学术论文 1-2 篇,力争在 SCI 收录杂志发表论文 1 篇。summernote-img
2025 年 4 月- 2025 年 5 月
查找药物靶点 MR 分析相关文献资料,摘录并学习相关研究方法(包括 TSMR 分析、贝叶斯共定位分析等);同时筛选合适的 GAWS 数据库作为数据分析的前期重要准备。

2025 年 6 月- 2025 年 11 月
使用 TSMR 分析得到 BD 易感基因/位点(作为暴露数据)与药物靶点 GAWS 之间的因果关系,进一步采用 COLOC 共定位对两者进行同一归因分析,判断二者是否由共用同一遗传变异位点。最后得出双 BD 的潜在药物靶点。

2025 年 12 月- 2026 年 5 月
对得到数据的过程进行重复验证以确保数据真实性,并结合前期已有基础进行本项目的论文撰写。撰写过程中保持对前沿研究发现的积极度,了解与本项目相关的发展动态。

2026 年 6 月- 2026 年 11 月
论文投稿:负责人将选择合适的期刊,通过查阅期刊官网或已发表文章了解其关注领域,确保论文主题与期刊的范围相符并根据研究的重要性和创新程度选择合适的影响因子。确保论文结构完整,逻辑清晰,包含引言、文献综述、研究方法、结果、讨论和结论等部分且严格遵循期刊的投稿指南,包括字体、行距、参考文献格式等。

2026 年 12 月- 2027 年 4 月
书写结题报:简要概述项目的研究背景、目标、主要研究内容、取得的成果以及结论。通过阐述相关领域的现状、存在的问题或研究空白,引用相关文献,说明研究的必要性。详细描述项目采用的研究方法,如实验法、调查法、理论分析等。说明每种方法的具体应用过程和步骤,采用绘制技术路线图的方法,展示研究的整体流程。说明各阶段之间的逻辑关系和衔接方式。
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
本项目前期整合了最大有关 BD 的 GWAS 数据集(BD 病例数 = 41917, = 371 549)和单独整合来自三个组织(脑、血浆和脑脊液)的pQTL 数据集,通过一系列综合分析,包括 TSMR、Steiger 滤波分析、贝叶斯共定位和全现象 MR 分析。分析显示,16 个基因的蛋白丰度改变与 BD 相关,其中包括大脑(brain)中的 DNM3、MCTP1、ABCB8、DFNA5 和 PDF;脑脊液(CSF)中的 IL36A、FRZB、AGRP、CTSF、LRP8 ;血浆(plasma )中的 LMAN2L 、CX3CL1 、PI3 、NCAM1 、TIMP4 和 ITIH1 。 ( 图 1. )summernote-img
同时,为了确认 MR 分析发现的 BD 和 pQTL 之间的关联是否由共享的因 果 SNP 驱 动 , 本 项 目 进 行 了 贝 叶 斯 共 定 位 分 析 。 在 大 脑 中 ,DFNA5、MCTP1、DNM3 和 PDF 具有与 BD 和蛋白质丰度相关的相同遗传变异。CSF 中 CTSF、AGRP、FRZB、LRP8 通过贝叶斯共定位分析,血浆中 LMAN2L、NCAM1、CX3CL1、TIMP4 成功验证(表 1.)summernote-img
同样的,通过依次整合脑源性分子数量性状位点的 1263 个可操作蛋白(被批准的药物或临床开发阶段的药物靶向)、pQTL 数据(ROSMAPpQTL ) 、 eQTL 数 据 [Genotype-Tissue expression (GTEx) eQTL 、PsychENCODE eQTL]和 GWAS 数据的遗传发现,并进行全基因组孟德尔随机化分析,为 BD 确定了 7 个可操作的目标。采用 GTEx eQTL 作为遗传工具鉴定 CACNA1C(图 2 a.),采用 PsychENCODE eQTL 鉴定5 个 基 因 ( DCLK3 、 SRPK2 、 DAGLA 、 PSMD3 和 STK4 ) ( 图 2b.),还鉴定了 1 种蛋白(PRKCB)的显著 MR 结果(图 2 c.)。其中CACNA1C 的遗传变异和 BP 有很强的相关性,表明 CACNA1C 在作为BD 治疗靶点中的关键作用。因此,该基因是治疗 BD 的有希望的药物靶点。summernote-imgsummernote-img
(1) 已具备的条件
     团队成员情况:团队成员主要为济宁医学院本科学生,目前已接受过精神和心理学实验的科学训练及相关科学方法,具备进行心理测量和心理实验的能力,以及整合、分析、处理实验数据的能力。团队成员对BD病因、发病机理以及预防、治疗和康复等一系列问题有较深入了解,并且学习态度端正、认真刻苦、做事踏实。若本项目得到资助,团队成员将保证认真完成任务。
     团队指导老师情况:郁昊博士一直从事精神疾病相关研究,目前以第一作者身份或通讯作者身份共发表 SCI 论文 20 余篇,代表性论著发表在精神病学杂志 Lancet psychiatry, Molecular Psychiatry, Schizophrenia Bulletin 等杂志。同时,其目前担任精神医学系副主任和山东省精神医学医药卫生重点实验室副主任。该实验室配备完善的基础研究设施和一批较高水平的研究人员, 研究人员由精神医学、行为医学、脑电学、医学影像学、神经病学、生物医学等方面的专业人士及研究生组成。该实验室与北京大学第六医院、上海交通大学等有关课题组有良好的协作关系

(2) 尚缺少的条件及解决方法:
     尚缺少的条件: 本研究主要采用多组学整合分析方法,该方法尚存在不足。比如难以发现合适的遗传工具变量,并非所有 SNP 都适宜作为工具变量。遗传工具变量的选择会对本研究的结果产生影响。因此需要设计相关流程避开这个相关因素。
     解决方法:在此项研究中,项目组成员通过积极翻阅资料来加深对基础医学和生物医学的理解,增加对药物靶点MR分析相关样本分析案例的关注度。并且本项目组成员还大量查阅有关全基因组关联研究相关方面的文献。通过此方法来找到合适的遗传工具变量

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 20000.00 用于研究支持 4800.00 15200.00
1. 业务费 18000.00 2800.00 15200.00
(1)计算、分析、测试费 1600.00 计算分析数据 800.00 800.00
(2)能源动力费 400.00 实验仪器运作 400.00 0.00
(3)会议、差旅费 2000.00 乘坐交通工具 1000.00 1000.00
(4)文献检索费 2000.00 用于文献检索 600.00 1400.00
(5)论文出版费 12000.00 用于论文出版 0.00 12000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 2000.00 印刷调查问卷 2000.00 0.00
结束