中國人是否對(duì)新冠病毒更易感?
中國人是否對(duì)新冠病毒更易感？
作者：陳瑛、單科家
太長不看版：目前并沒有證據(jù)支持東亞人對(duì)新冠病毒更易感這一觀點(diǎn)
具體解讀
截止2020年2月19日7點(diǎn)中國的新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)確診患者累計(jì)已經(jīng)超過7萬4千例，但影響新冠病毒(SARS-CoV-2)易感性的人口學(xué)因素仍不清楚。由于非典和新冠肺炎都爆發(fā)于中國，部分學(xué)者提出了東亞人更容易感染這兩種冠狀病毒的觀點(diǎn)。
SARS-CoV和SARS-CoV-2刺突蛋白與細(xì)胞膜蛋白ACE2有較強(qiáng)的結(jié)合能力，后者是這兩個(gè)病毒進(jìn)入細(xì)胞的唯一已知受體。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所錢文峰課題組的博士后陳瑛與博士生單科家通過比較不同年齡、性別和種族人群中ACE2的表達(dá)水平和遺傳多態(tài)性，嘗試尋找SARS-CoV和SARS-CoV-2的潛在易感人群。相關(guān)文章于2月18日放置于學(xué)術(shù)預(yù)印本網(wǎng)站preprints.org上，題目為“Asians and Other Races Express Similar Levels of and Share the Same Genetic Polymorphisms of the SARS-CoV-2 Cell-Entry Receptor”。
閱讀原文：https://www.preprints.org/manuscript/202002.0258/v1
如何尋找ACE2差異表達(dá)的人口學(xué)影響因素？
作為生物大數(shù)據(jù)分析背景的研究者，我們首先產(chǎn)生了兩個(gè)思路：
第一個(gè)思路是利用The Genotype-Tissue Expression Project (GTEx，基因型-組織表達(dá)研究計(jì)劃)建立的數(shù)據(jù)庫直接尋找答案。GTEx數(shù)據(jù)庫收錄了上百個(gè)人類個(gè)體多種組織的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)(樣品提供者生前已同意將這些樣品在死后用于相關(guān)的科學(xué)研究)。我們可以通過該數(shù)據(jù)直接判斷ACE2是否在亞洲人的肺部表達(dá)更高。然而，盡管GTEx項(xiàng)目收集了500多個(gè)肺轉(zhuǎn)錄組，但是其中來自亞洲人的樣品極少(~1%，見下圖)，不適合回答我們的科學(xué)問題。
(來自https://gtexportal.org/home/tissueSummaryPage)
我們的第二個(gè)思路是聯(lián)用GTEx項(xiàng)目和The 1000 Genomes Project (1KGP，千人基因組計(jì)劃)的數(shù)據(jù)開展研究。GTEx項(xiàng)目通過全基因組關(guān)聯(lián)分析已經(jīng)找到了大量決定某個(gè)基因在特定組織表達(dá)水平的位點(diǎn) (eQTL，簡而言之，可以根據(jù)該位點(diǎn)的DNA序列判斷某個(gè)基因在特定組織的表達(dá)水平)；而1KGP則收集了來自于26個(gè)分布于全球的各個(gè)種族人群的2504個(gè)個(gè)體的基因型數(shù)據(jù)(見下圖)。
(來自https://www.internationalgenome.org/home)
通過聯(lián)用GTEx和1KGP，我們可以首先查看GTEx中鑒定到的ACE2在肺部表達(dá)的eQTL，然后分析這些eQTL在1KGP中不同人群間的分布狀態(tài)，進(jìn)而推測ACE2在不同人群肺部的表達(dá)水平。然而，盡管GTEx鑒定出了一系列ACE2的eQTL(見下圖)，絕大多數(shù)都在神經(jīng)系統(tǒng)，沒有一個(gè)是決定該基因在肺部表達(dá)水平的。
(來自https://gtexportal.org/home/gene/ACE2#eQTLBlock)
既然以上兩種思路都行不通，我們開始考慮使用The cancer genome atlas (TCGA, 癌癥基因組圖譜項(xiàng)目)中的數(shù)據(jù)作為替代方案。
如何使用癌癥基因組學(xué)數(shù)據(jù)鑒定ACE2差異表達(dá)的人口學(xué)影響因素？
TCGA中收錄了594例的肺腺癌患者以及551例的肺鱗癌患者的肺部樣品。前期研究顯示肺腺癌可能與SARS-CoV與SARS-CoV-2侵染的肺細(xì)胞類型關(guān)系更為密切，而且ACE2也確實(shí)在肺腺癌樣品中表達(dá)水平更高，因此我們接下來的研究也集中于肺腺癌樣本。這些肺腺癌患者有著不同的年齡、性別和種族，潛在可以用于研究ACE2在肺部表達(dá)水平的人口學(xué)相關(guān)因素。
然而特別值得注意的是，如果ACE2表達(dá)本身受到癌癥發(fā)生的影響，則TCGA數(shù)據(jù)顯然不可以用來研究健康人群ACE2的表達(dá)。為此我們比較了這些患者的腫瘤組織和正常肺組織(癌旁組織)中ACE2基因的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)二者并無顯著差別(下圖A)。另外，ACE2的表達(dá)水平既不影響肺腺癌患者的生存概率(下圖B)，也不隨癌癥的發(fā)展而顯著變化(下圖C)。這些結(jié)果說明已有的海量癌癥轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)可以用來研究影響ACE2表達(dá)水平的人口學(xué)因素。
ACE2在癌癥發(fā)生過程中的表達(dá)水平不變
我們發(fā)現(xiàn)，ACE2的肺部表達(dá)水平和年齡存在正相關(guān)，年齡越大ACE2的肺部表達(dá)水平越高(下圖A)，這一發(fā)現(xiàn)可能可以部分解釋老年人更易感新冠肺炎的觀察。男性和女性ACE2的肺部表達(dá)水平并無差異(下圖B)，該結(jié)果與中國疾控中心發(fā)布的截止于2020年2月11日的超7萬病例的流行病學(xué)特征一致(確診病例男女比例武漢為0.99:1，全國為1.06:1)。
在TCGA的肺腺癌數(shù)據(jù)中，只有7例為亞洲人。為了擴(kuò)大亞洲人肺腺癌的樣本量，我們進(jìn)一步整合了翟巍巍課題組在新加坡收錄的來自于181個(gè)華裔肺腺癌患者的260份轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)亞洲人ACE2的肺部表達(dá)水平并沒有顯著高于其他人種(下圖C)。
年齡(A)、性別(B)和種族(C)對(duì)ACE2表達(dá)水平的影響
是否可能東亞人其他組織的ACE2表達(dá)水平的高于非洲人和歐洲人？
ACE2基因編碼血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2，本身在腎素-血管緊張素系統(tǒng)中發(fā)揮功能，只是被SARS-CoV和SARS-CoV-2借用來侵染細(xì)胞。ACE2在肺部只是中等程度表達(dá)，而更高表達(dá)于腎臟、消化道以及睪丸 (下圖，病毒感染后的癥狀上更多表現(xiàn)為肺炎可能是因?yàn)椴《究梢愿p易通過飛沫傳播接觸到肺細(xì)胞)。
(來自https://gtexportal.org/home/gene/ACE2#geneExpression)
已有報(bào)道這些ACE2高表達(dá)的組織在重癥患者中也會(huì)被SARS-CoV或者SARS-CoV-2感染。那是否可能東亞人由于在其他組織的ACE2表達(dá)水平的高于非洲人(黑人)和歐洲人(白人)而更易感呢？我們篩選了TCGA中所有ACE2表達(dá)高于肺腺癌的癌癥類型，發(fā)現(xiàn)不僅是肺部，在其他ACE2高表達(dá)的組織中，ACE2的表達(dá)水平在不同人種之間都沒有顯著差別(下圖,從左到右分別對(duì)應(yīng)頭頸、胃、胰腺、結(jié)腸、直腸、以及兩種腎組織)。當(dāng)然這還是比較初步的結(jié)果，未來需要進(jìn)一步增加亞洲人的樣本量進(jìn)行比較。
其他ACE2高表達(dá)的組織中，ACE2的表達(dá)水平在不同人種間都沒有顯著差異
是否可能東亞人中存在影響ACE2蛋白序列、翻譯、折疊或者亞細(xì)胞定位的獨(dú)特突變因而易感呢？
為了研究是否存在可以影響蛋白功能的東亞人特有遺傳多態(tài)性，我們檢測了人類群體中ACE2轉(zhuǎn)錄本區(qū)域的遺傳多態(tài)性。我們從1KGP中獲取了ACE2轉(zhuǎn)錄本區(qū)域的712個(gè)遺傳多態(tài)性位點(diǎn)(其分布下圖)。
ACE2轉(zhuǎn)錄本區(qū)域的遺傳多態(tài)性分布
我們計(jì)算了每個(gè)位點(diǎn)在東亞人群(包括北京漢族、南方漢族、西雙版納傣族、東京日本人、胡志明市越南人這五個(gè)類群)和全世界人群的等位基因頻率。影響氨基酸序列的22個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)在所有人群中頻率都很低(下圖紅點(diǎn)，重合到了一起)，因此不存在東亞人特異的ACE2蛋白序列。剩下的690個(gè)遺傳多態(tài)性絕大多數(shù)位于內(nèi)含子，不影響氨基酸序列。即使考慮它們，亞洲人與全球人群的等位基因頻率差異也不大(下圖)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)點(diǎn)分布在對(duì)角線周圍。
亞洲人與其他人種的ACE2的DNA多態(tài)性頻率
即使是差異最大的多態(tài)性位點(diǎn)之一(如上圖綠圈所示)，且不說其是否有生物學(xué)功能，在東亞人群中的分布也遠(yuǎn)談不上獨(dú)特性(如下圖所示)。
rs141554379在26個(gè)分布于全球的人群中的頻率
(Ref：參考基因組[-]；Alt：單堿基插入[A]，根據(jù)1KGP數(shù)據(jù)繪制)
結(jié)論
不論是ACE2在包括肺在內(nèi)的多個(gè)組織中的表達(dá)水平還是ACE2的遺傳多態(tài)性數(shù)據(jù)都不支持亞洲人更易感新冠病毒的觀點(diǎn)。冠狀病毒及其宿主動(dòng)物蝙蝠的高度多樣性(以及飲食文化)或許是對(duì)中國近二十年來兩次冠狀病毒爆發(fā)更好的解釋。我們警示任何使用種族來預(yù)測個(gè)體對(duì)新冠病毒易感性的行為，全球各國都需要同等水平的防護(hù)來抵御新冠病毒。
當(dāng)然，我們的研究還存在一定的局限。首先，我們目前的研究集中在轉(zhuǎn)錄水平，ACE2蛋白水平在不同人種中是否存在差異以及這些ACE2蛋白是否都位于細(xì)胞膜上都還需要進(jìn)一步研究。其次，ACE2可能只表達(dá)于部分肺細(xì)胞(例如2型肺泡細(xì)胞)，而我們分析的是混合樣品的轉(zhuǎn)錄組(盡管我們認(rèn)為無論增加表達(dá)ACE2的細(xì)胞數(shù)目還是增加ACE2的單細(xì)胞表達(dá)水平都會(huì)導(dǎo)致易感性的上升并且可以通過混合樣品的轉(zhuǎn)錄組檢測到)。第三，非典或新冠病毒是否存在其他受體也需要進(jìn)一步的研究。另外，盡管非典或新冠病毒的侵染效率與ACE2有關(guān)，決定病毒細(xì)胞內(nèi)繁殖效率的因素依然未知，有待未來進(jìn)一步探索。
Reference
Chen, Y.; Shan, K.; Qian, W. Asians and Other Races Express Similar Levels of and Share the Same Genetic Polymorphisms of the SARS-CoV-2 Cell-Entry Receptor. Preprints 2020, 2020020258 (doi: 10.20944/preprints202002.0258.v1).
文章鏈接：https://www.preprints.org/manuscript/202002.0258/v1
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