멘델 무작위화, 공간 공간화, 요약 데이터 기반 멘델 무작위화 및 약물 예측을 사용하여 심부전의 표적 탐색

Huiling Zhu; Suxin Luo

doi:10.3791/71544

Method Article

멘델 무작위화, 공간 공간화, 요약 데이터 기반 멘델 무작위화 및 약물 예측을 사용하여 심부전의 표적 탐색

DOI:

10.3791/71544

⸱

July 10th, 2026

Huiling Zhu¹ , Suxin Luo¹

¹Department of Cardiovascular Medicine, Cardiovascular Research Center, The First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 유전자 분석을 통해 심부전에 대한 8가지 잠재적 약물 표적을 확인하고, 이러한 식별된 표적과 연관된 후보 치료 화합물을 탐구했습니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

심부전(HF)은 심각한 심혈관 질환으로 고급 단계에서 삶의 질을 현저하게 저하시킵니다. 현재 다양한 치료 전략에도 불구하고, HF의 질병 부담은 여전히 중요합니다. 따라서 새로운 치료 표적을 탐색하는 것이 시급합니다. 이 연구에서는 멘델 무작위화(MR)를 활용하여 약물 치료 가능 유전자와 HF 사이의 인과 관계를 평가하였습니다. 공간 분석과 요약 데이터 기반 멘델 무작위화(SMR)를 통해 그들 사이의 관계를 더욱 검증하였습니다. 마지막으로, 8개의 잠재적 치료 표적(CYP11A1, GALT, KCNH2, METRN의 4가지 위험 요소와 APOM, CHD4, IL11RA, LPAR5의 4가지 보호 요소)이 확인되었습니다. GO 농축, KEGG 농축 및 단백질-단백질 상호작용(PPI) 네트워크 분석에 따르면 이러한 유전자는 주로 대사 조절 및 심장 전기생리 과정에 관여하는 것으로 나타났습니다. 또한, 약물 예측 및 분자 도킹을 통해 이러한 표적을 대상으로 하는 잠재적 약물들이 확인되었는데, 여기에는 미토탄, Adehl, 벤조푸란, 1,3-Di-o-tolylguanidine, 96-69-5, 브로모에놀 락톤 등이 포함됩니다. 더 나아가, PCR 결과에 따르면 미토탄이 CYP11A1 및 KCNH2와 관련이 있을 수 있음이 입증되었습니다. 이러한 잠재적 치료 표적을 기반으로 설계된 약물은 더 높은 성공률을 보이고 임상 결과를 개선할 수 있을 것입니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

심부전(HF)은 심실 충전 또는 심근 수축 기능의 장애로 정의되는 빈번한 심혈관 증후군으로, 대사 요구를 충족하기에 불충분한 심박출량을 초래합니다¹^,²^,³. 임상적으로 HF는 폐 및 전신 충혈, 조직 저관류, 그리고 호흡곤란, 피로, 말초부종과 같은 증상으로 특징지어집니다¹^,⁴^,⁵. 치료 발전에도 불구하고 HF는 전 세계적으로 주요 질환 및 사망 원인으로 남아 있으며, 글로벌 질병 부담(GBD) 연구에 따르면 6,400만 명 이상이 영향을 받고 있습니다⁶^,⁷^,⁸. 질병의 상당한 부담은 새로운 치료 전략의 시급한 필요성을 강조합니다.

현재 HF에 대한 약물 및 장치 기반 개입은 효능 및 부작용의 부적절함으로 제한되어 있으며, 지속적으로 높은 재입원 비율과 삶의 질 저하에 기여합니다⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹². 따라서 HF 발병 메커니즘에 대한 원인 관계를 갖는 새로운 분자 표적을 식별하는 것이 임상 결과 개선을 위해 매우 중요합니다. 약물 발견에 유전체학을 통합하는 것은 효율성 향상을 위한 매우 효과적인 전략으로, 유전적으로 검증된 치료법은 임상 시험에서 상당히 높은 성공률을 보여줍니다¹³^,¹⁴^,¹⁵. 더 나아가, 이러한 작용 가능한 유전자에 의해 암호화된 단백질은 소분자 및 단일클론 항체 모두에 대한 주요 치료 표적으로 작용합니다¹⁶^,¹⁷.

최근 인간 유전체학의 발전은 게놈 폭 연관 연구(GWAS) 및 발현 정량형질 위치(eQTL) 데이터의 통합 분석을 통해 약물 표적의 우선순위를 설정하는 데 도움을 주었습니다. 멘델 무작위화(MR)는 유전 변이를 계기 변수로 활용하여 인과 효과를 추정하고, 관찰 연구에 내재된 교란 및 역인과를 최소화합니다¹³^,¹⁴. 공간 공유 및 요약 기반 MR(SMR)과 결합할 때, 이 접근법은 질병 위험에 영향을 미칠 수 있는 유전자의 우선순위를 확실하게 설정하며, 표적 발견을 위한 유전적으로 고정된 전략을 제공합니다¹⁸^,¹⁹^,²⁰. 기존의 연관 연구와 비교할 때, MR, SMR 및 공간 공유를 통합하는 것은 교란 및 역인과를 극복하여 확고한 인과 추론을 수립합니다. 더 나아가, 이러한 틀은 연관성 불균형을 통해 거짓 양성 신호를 걸러내고, 유전자 발현과 심부전 위험이 동일한 인과 변이를 공유하도록 함으로써 표적 우선순위 설정을 최적화합니다. 심장 조직은 높은 특이성을 갖지만, 이 연구는 주로 통계적 힘을 극대화하기 위해 대규모 혈액 cis-eQTL 데이터를 활용하고 있습니다. 이러한 접근 방식은 HF에 고유한 조직 특이적 메커니즘을 완전히 포착하지 못할 수도 있지만, 혈액으로부터 유래한 변이는 접근 가능한 바이오마커로 작용하며 질병의 전신적 유전 드라이버에 대한 견고한 통찰을 제공합니다.

이 연구에서는 대규모 GWAS 및 eQTL 데이터셋을 사용하여 약물 가능 유전자가 심부전 위험에 미치는 인과 효과를 평가했습니다. 유의미한 연관성은 공간 공유 및 SMR 분석을 통해 추가로 검증되었습니다. 우선순위 표적의 생물학적 기능을 설명하기 위해, 유

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

본 연구에서 사용된 모든 데이터셋은 이전에 발표된 연구에서 윤리적 승인을 받아 얻었습니다. 사용된 시약 및 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.

1. 연구 설계

본 연구의 워크플로는 그림 1에 설명되어 있습니다. 첫째, 약물 투여 가능 유전자의 시스-eQTL로부터 노출 데이터를 얻었습니다. 둘째, MR 분석을 통해 약물 투여 가능 유전자와 심부전 사이의 인과 관계를 조사하였습니다. 후보 치료 표적은 공간 공유 및 SMR 분석을 통해 심부전에 대한 후보 치료 표적을 식별하였습니다. 이어서, 유전자 풍부 분석 및 PPI 네트워크 구성을 수행하였습니다. 마지막으로, 약물 예측 및 분자 도킹을 통해 약물의 유전자에 대한 친화성을 탐색하였습니다.

2. 데이터 소스

총 6,888개의 약물 투여 가능 유전자가 두 곳에서 식별되었습니다. 한 데이터셋에는 이전에 발표된 연구에서 여러 데이터 소스를 통합한 4,463개의 유전자가 포함되었습니다¹⁷. 다른 데이터셋에는 약물-유전자 상호작용 데이터베이스(DGIdb)에서 5,012개의 유전자가 포함되었습니다²¹. 상세한 정보는 웹사이트(https://www.dgidb.org/)에 설명되어 있습니다. 중복을 제거하고 병합 후, 분석을 위해 6,888개의 고유한 약물 투여 가능 유전자가 유지되었습니다.

시스-eQTL 데이터는 eQTLGen 컨소시엄(https://eqtlgen.org/cis-eqtls.html)에서 얻었습니다. 여기에는 31,684개의 혈액 샘플로부터 얻은 발현 프로파일이 포함되어 있으며, 16,987개의 유전자를 포함합니다²².

심부전 요약 통계는 FinnGen 데이터베이스의 R12 릴리스²³에서 얻었으며, 여기에는 37,653건의 사례와 462,695건의 대조군이 포함되었습니다. 심부전 진단은 국제 질병 분류(ICD)에 기반하여 이루어졌으며, ICD-10—I11.0, I13.0, I13.2, I50, ICD-9—4029B|428, ICD-8—42700|42710|428|7824를 포함합니다. 모든 참가자는 유럽계 혈통입니다. 상세한 정보는 FinnGen 웹사이트 및 원본 논문(https://www.finngen.fi/en/access_results)에서 확인할 수 있습니다.

3. 멘델 무작위화 분석

계기 변수(IV)는 세 가지 핵심 MR 가정²⁴에 기반하여 선택되었습니다. 첫째, IV는 노출 요인과 직접 연관되어 있습니다. 둘째, IV는 섞임 요인과 연관되지 않습니다. 셋째, IV는 노출을 통해서만 결과에 영향을 미칩니다. 근접 eQTL이 목표 유전자에 대해 더 즉각적이고 견고한 조절 통제를 행사한다는 사실을 감안할 때, MR은 생물학적 근접성을 최대화하기 위해 유전자의 100 kb 영역 내에 위치한 SNP만을 사용했습니다. SNP 선택에는 엄격한 기준이 적용되었습니다. 선택된 모든 SNP는 각 약물 투여 가능 유전자의 전사 시작 부위 100 kb 상류와 전사 종결 부위 100 kb 하류에 위치했습니다. 게놈-전체 유의성(p < 5×10^-8)을 갖는 SNP만 포함되었습니다²⁵. 연관 불평형(LD)을 최소화하기 위해, LD 클러핑은 r² 임계값 0.001 및 클러핑 거리 10,000 kb를 사용하여 수행되었습니다²⁶. F-통계값이 10을 초과하는 SNP만 보존되었으며, 이는 다음 공식을 사용하여 계산되었습니다: F = [R²(N−k−1)]/[k(1−R²)]²⁷. SNP 정보는 부록 표 1에 제공되어 있습니다.

주요 분석 방법은 역 분산

Results

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Mendelian randomization
멘델리안 무작위화 결과는 치료 가능한 유전자 발현과 심부전 간의 인과 효과를 평가하는 결과로 보조 표 3에 제시되었습니다. FDR 조정된 P 값이 0.05 미만인 경우 통계적으로 유의하다고 간주되었습니다. 심부전과 유의미한 인과 관계를 갖는 11개의 유전자가 확인되었습니다(그림 2). 그 중 6개의 유전자는 심부전의 위험 증가와 관련이 있었는데, 이는 CDKN1A(P_FDR: 0.03, OR: 1.293), CYP11A1(P_FDR: 0.034, OR: 1.494), GALT(P_FDR: 0.042, OR: 1.074), KCNH2(P_FDR: 0.018, OR: 1.163), LST1(P_FDR: 0.03, OR: 1.112), METRN(P_FDR: 0.018, OR: 1.115) 입니다. 나머지 5개의 유전자는 심부전 위험 감소와 관련이 있었는데, 이는 APOM(P_FDR: 0.03, OR: 0.773), CAMK2G(P_FDR: 0.018, OR: 0.699), CHD4(P_FDR: 0.018, OR: 0.811), IL11RA(P_FDR: 0.018, OR: 0.947), LPAR5(P_FDR: 0.021, OR: 0.915)입니다.

이 연구에서는 민감도 분석을 수행하였고, 결과는 유의미한 이질성이나 수평 플레이오트로피가 검출되지 않았음을 보여주었습니다(표 1), 그리고 MR 추정치는 어떤 단일 SNP에 의해 영향을 받지 않았습니다(보조 그림 1).

공간 분석
공간 분석은 11개의 식별된 유전자에 대해 수행되었습니다(그림 3 및 표 2). 9개의 유전자는 심부전과 인과 변이를 공유하는 강한 증거를 보여주었는데, 이는 APOM(PP.H4: 0.923), CHD4(PP.H4: 0.942), CYP11A1(PP.H4: 0.91), GALT(PP.H4: 0.967), IL11RA(PP.H4: 0.967), KCNH2(PP.H4: 0.815), LPAR5(PP.H4: 0.938), LST1(PP.H4: 0.913), METRN(PP.H4: 0.907) 입니다. PP.H4가 0.8 미만인 경우 추가 분석에서 제외된 두 개의 유전자는 CDKN1A 및 CAMK2G입니다.

SMR 분석
유전자-질병 연관성을 더욱 검증하기 위해 9개의 공간 유전자에 대해 SMR 분석이 수행되었습니다(표 2). SMR 분석 결과, 8개의 유전자가 심부전과 유의미하게 연관되어 있는 것으로 나타났습니다. 심부전과 부정적으로 연관된 4개의 유전자는 APOM(P_SMR: 0.018, P_HEIDI: 0.115, OR: 0.838), CHD4(P_SMR: 5.45E-05, P_HEIDI: 0.458, OR: 0.732), IL11RA(P_SMR: 1.00E-04, P_HEIDI: 0.388, OR: 0.938), LPAR5(P_SMR: 3.71E-05, P_HEIDI: 0.168, OR: 0.889)입니다. 심부전과 긍정적으로 연관된 4개의 유전자는 CYP11A1(P_SMR: 5.68E-04, P_HEIDI: 0.056, OR: 1.81), GALT(P_SMR: 1.02E-04, P_HEIDI: 0.726, OR: 1.085), KCNH2(P_SMR: 2.76E-04, P_HEIDI: 0.162, OR: 1.236), METRN(P_SMR: 1.55E-05, P_HEIDI: 0.068, OR: 1.103)입니다. 비록 LST1(P_SMR: 4.61E-05, P_HEIDI: 0.025, OR: 1.135)가 심부전 위험 증가와 연관이 있었지만, HEIDI 검정은 연관성이 연관 불균형에 의해 야기될 수 있음을 지시했습니다. 따라서 LST1은 제외되었습니다.

풍부성 분석
MR, 공간, 그리고 SMR 분석을 통해 식별된 8개의 유전자는 GO 풍부성 분석과 KEGG 풍부성 분석에 제출되었습니다(그림 4A–E). BP

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 MR을 사용하여 HF 위험에 대한 약물 유전자의 인과 효과를 체계적으로 평가하여 8가지 잠재적 치료 표적을 식별했습니다. 여기에는 4가지 보호 요인(APOM, CHD4, IL11RA, LPAR5)과 4가지 위험 요인(CYP11A1, GALT, KCNH2, METRN)이 포함되었습니다. 이러한 연관성은 공간 분석 및 SMR에 의해 추가로 지원되었습니다. GO, KEGG 농축 및 PPI 네트워크 분석을 통한 기능 주석은 이러한 유전자가 주로 대사 및 전기 생리학과 관련된 경로를 통해 HF에 영향을 미칠 수 있음을 제안했습니다. 또한, 약물 예측 및 분자 도킹 연구는 이러한 표적의 번역 잠재력을 강조했습니다.

APOM은 HF에 대한 보호 요인으로 확인되었습니다. APOM은 스핑고신-1-인산(S1P)에 결합하여 TNF-α 발현을 감소시키고, 단핵구-내피 부착을 제한하고, 내피 장벽 무결성을 유지하여 염증 유도 심근 손상을 완화하는 항염증 효과를 나타냅니다⁴²^,⁴³^,⁴⁴. 또한, APOM은 심근 세포 생존 및 증식을 지원하고 세포사멸을 감소시키며 심장 구조 및 기능을 보존합니다. 그 결핍은 이러한 발견과 일치하는 부정적인 심장 결과와 연관되어 있습니다⁴²^,⁴⁵. 그러나 APOM과 HF를 연결하는 기본 메커니즘에 대한 추가 조사가 필요합니다.

CHD4는 또 다른 보호 유전자로 확인되었으며, 뉴클레오솜 리모델링 및 탈아세틸화효소(NuRD) 복합체의 핵심 구성 요소이며 심장 발달 및 심근 성장에 필수적인 역할을 합니다⁴⁶^,⁴⁷^,⁴⁸. CHD4 상실은 부적절한 미오필라멘트 단백질이 심장 사르코머에 통합되어 구조적 및 기능적 이상, 포함 챔버 확장 및 심실 발달 장애를 초래합니다. 이 결과는 CHD4가 정상적인 심장 기능을 유지하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 강화합니다.

이 연구에서는 IL11RA가 HF 위험을 감소시킬 수 있음이 밝혀졌습니다. IL11RA는 IL-11 수용체 복합체의 주요 리간드 결합 서브유닛입니다. IL-11이 심장의 섬유화 반응을 유도하는 것으로 밝혀졌지만, IL11RA의 특정 역할은 불명확합니다⁴⁹. 이 연구에서 관찰된 보호 효과는 IL11RA가 특정 조건에서 섬유화를 제한하기 위해 문맥 의존적 기능을 발휘하거나 다른 신호 전달 성분과 상호 작용할 수 있음을 시사합니다⁵⁰. 이러한 명백한 불일치는 HF 발병 기전에서 IL11RA의 기능적 역할을 명확히 하기 위한 추가 메커니즘 연구의 필요성을 강조합니다.

이 연구는 LPAR5가 HF 위험 감소와 관련이 있음을 보여주었습니다. LPAR5는 리소포스파티딜산(LPA) 수용체입니다. LPA는 일반적으로 염증 유발로 간주되며 부정적인 심장 리모델링과 관련이 있지만, 개별 LPA 수용체는 서로 다른 역할을 할 수 있습니다⁵¹^,⁵². 예를 들어, LPA 신호는 Gα12/13 및 Gαq/11 경로를 통해 세포골격 스트레스 섬유 형성을 조절하여 심근 세포 형태, 수축 기능 및 신호 전달을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다⁵³^,⁵⁴. 그럼에도 불구하고, LPAR5의 HF 병리 생리학에서의 정확한 역할은 추가 조사가 필요합니다.

이 조사는 CYP11A1이 HF의 위험 요인임을 지시했습니다. CYP11A1은 스테로이드 호르몬 생합성의 속도 제한 효소를 암호화합니다⁵⁵^,⁵⁶. 스테로이드 호르몬, 특히 알도스테론의 과다 생산은 나

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자들은 경쟁 이해관계가 없음을 선언합니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

FinnGen 연구의 참가자 및 조사자들이 인정됩니다. eQTLGen 컨소시엄, DGIdb 및 이 분석을 위해 공개적으로 데이터를 제공한 다른 연구자들도 감사의 말씀을 전합니다. 이 작업은 충칭 의대 제1임상의학원(CYYY-SSCX202516)의 석사 연구 혁신 프로젝트 및 심부전의 표준화된 진단 및 치료(2025cyjstg006)에 의해 지원되었습니다.

저자 기여
Huiling Zhu는 개념화, 자금 확보, 조사, 방법론, 자원, 소프트웨어, 감독, 검증, 원본 초안 작성 및 원고의 검토 및 편집에 기여했습니다. Suxin Luo는 자금 확보, 방법론, 감독 및 원고의 검토 및 편집에 기여했습니다.

Materials

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List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number
2× Universal SYBR Green Fast qPCR Mix	Abclonal	RK21203
AC16	HyCyte	TCH-C119
AC16 세포 특이적 배양 배지	HyCyte	TCH-G119
cDNA 역전사 키트	Abclonal	RK20400
CFX96™ 실시간 시스템	Bio-Rad Laboratories
미토탄	TargetMol	T1199
팔미트산	TargetMol	T2908
RNA 추출 키트	Abclonal	RK30120

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