来源：Front Med (Lausanne) | 编译：DNA Lab Space
导语
膝骨关节炎（KOA）是全球最常见的关节退行性疾病之一，然而至今仍缺乏能有效延缓结构进展的疾病修饰药物。早期识别因果性生物标志物并转化为药物靶点，是扭转被动局面的关键。近日，来自中国的科研团队在《Frontiers in Medicine》发表了一项整合蛋白质组范围孟德尔随机化与初步生物学验证的研究。该工作从数千种血浆蛋白中，系统筛选出两种与KOA存在遗传因果关联的蛋白——TXNDC12和GDF2，并为其提供了共定位分析与单细胞表达层面的支持，为KOA的靶向干预带来了全新线索。
研究背景
膝关节骨关节炎的全球患病率已超过3.8%，是导致中老年人疼痛、失能和关节置换的首要原因。KOA的病理机制极为复杂，涉及软骨退变、滑膜炎症、软骨下骨重塑和机械负荷异常等多重因素，但针对这些过程的DMOADs（疾病修饰性骨关节炎药物）研发几乎全部受挫。因此，寻找与疾病发生发展存在因果关系的分子，而非仅反映疾病状态的伴随标志物，成为破局的关键。
循环血浆蛋白既是组织病理过程的“信使”，又可作为干预的直接或间接靶点。基于大规模人群队列的蛋白质数量性状位点（pQTL）数据和全基因组关联研究（GWAS）的成熟，使得以遗传变异为工具变量的孟德尔随机化（MR）方法，能够在观察性研究层面模拟自然随机对照试验，有效克服混杂与反向因果的干扰，筛查疾病因果蛋白靶点。此前的pQTL-MR研究已在阿尔茨海默病、2型糖尿病等复杂疾病中成功鉴定出新的药物靶标，但在KOA领域的系统性应用尚属空白。
基于此，研究团队利用血浆蛋白pQTL和KOA的GWAS汇总数据，开展了系统的蛋白质组范围孟德尔随机化筛选，并初步探索了候选蛋白在膝关节组织的表达特征，力图找到具备遗传学支持且具有生物学合理性的KOA防治新靶点。
研究方法
该研究采用经典的双样本孟德尔随机化设计，分析流程严谨、层层递进，主要包含四个核心环节。
第一，数据来源与工具变量筛选。血浆蛋白pQTL数据来自欧洲人群的蛋白质组GWAS，涵盖数千种血浆蛋白的顺式（cis）和反式（trans）作用遗传变异。为最大化因果推断的可靠性，研究者选择了与蛋白表达水平显著相关且位于顺式区域的强力工具变量（P < 5×10⁻⁸），并依据连锁不平衡（LD, r² < 0.001）进行去重处理。KOA的结局数据取自最大规模的骨关节炎GWAS荟萃分析，包含数十万例欧洲血统的膝关节骨关节炎患者和对照。
第二，蛋白质组范围MR分析。以血浆蛋白水平为暴露，KOA为结局，主要采用逆方差加权法（IVW）进行因果效应估计，同时辅以MR-Egger、加权中位数、简单中位数和加权模等多种方法进行敏感性与多效性检验。对MR-Egger截距项显著或Cochran’s Q检验提示异质性的蛋白进行严格剔除，确保结果稳健。
第三，共定位分析和外部验证。对MR显著信号，进一步采用贝叶斯共定位分析，检验血浆蛋白与KOA的显著遗传位点是否共享同一因果变异（后验概率PP.H4 > 0.75为强证据）。同时，在另一独立KOA数据集（FinnGen研究）和不同骨关节炎定义（如拇腕关节OA、髋关节OA）中进行外部重复验证，以确定关联的特异性和跨人群稳定性。
第四，初步生物学支持。利用公开的单细胞RNA测序数据集，分析候选蛋白编码基因在人膝关节正常与退变软骨组织中的细胞型别表达特征，为其在靶组织中的潜在作用提供初步佐证。
研究结果
经过严格的多重比较校正（Bonferroni阈值，约P < 5×10⁻⁶），研究首次鉴定出两种与KOA风险存在显著遗传关联的血浆蛋白——硫氧还蛋白结构域含蛋白12（TXNDC12）和生长分化因子2（GDF2）。
具体而言，遗传预测的血浆TXNDC12水平每增加一个标准差，KOA风险显著下降（OR = 0.88, 95% CI 0.83–0.93, P = 2.1×10⁻⁶）。多种敏感性分析方法的方向一致，未检测到明显的水平多效性或异质性。共定位分析强有力地支持该信号由同一因果变异驱动（PP.H4 = 0.96），即影响TXNDC12蛋白水平的顺式pQTL与KOA易感位点高度重合。这一保护性关联在FinnGen的KOA数据集中得到成功复现（OR = 0.90, P = 0.008），而在髋关节或手部骨关节炎中并未观察到显著效应，提示TXNDC12的保护作用具有较强的膝关节特异性。
相较之下，遗传预测的血浆GDF2水平升高则与KOA风险的增加显著相关（OR = 1.11, 95% CI 1.05–1.17, P = 1.5×10⁻⁴），经校正后仍具统计学显著性。共定位同样显示共享因果变异的证据极为坚实（PP.H4 = 0.99）。在FinnGen队列中，GDF2与KOA的风险同向关联（OR = 1.06），虽未达独立显著性（P = 0.12），但荟萃分析合并后效应方向一致且统计效力增强。同样，该关联未在髋或手部OA中发现。
在组织表达验证部分，单细胞测序分析显示，TXNDC12在正常和骨关节炎软骨的多细胞亚群中均有普遍表达，且在退变软骨的某些前肥大软骨细胞和纤维样软骨细胞亚群中表达有所上调，提示其可能在细胞应激和表型维持中起代偿性保护作用。GDF2（又称BMP9）则主要在软骨细胞和成纤维样细胞中检测到表达，尤其在骨关节炎软骨的肥大软骨细胞群中呈现显著高表达，这与已知的BMP信号在软骨肥大分化与基质降解中的促退变作用高度吻合。上述表达谱为MR发现的因果方向提供了组织细胞层面的合理性解释。
综合来看，该研究完整勾勒出一条从遗传因果推断、多方法验证、跨数据集重复到组织表达印证的证据链：血浆中TXNDC12水平降低和GDF2水平升高可能直接参与KOA的发病过程，且两者均具有成为膝关节特异性干预靶点的潜力。
讨论与展望
本研究首次将蛋白质组范围孟德尔随机化应用于KOA，鉴定的TXNDC12作为内质网应激相关蛋白，其保护作用此前在骨关节炎领域鲜有报道，开辟了新的研究方向；而GDF2为TGF-β超家族成员，尽管其下游BMP信号在软骨发育与退变中的作用已被熟知，但研究首次以高置信因果证据将其循环水平直接与KOA风险增加相联系，强化了该通路作为治疗靶点的遗传学合理性。
研究的核心优势在于利用了与蛋白质表达直接相关的顺式遗传变异，最大程度减少了水平多效性干扰，并结合共定位分析排除了连锁所带来的虚假信号。其膝关节特异性关联的发现，也暗示了局部力学与代谢微环境在蛋白致病机制中的关键作用，为精准干预提供依据。
当然，现阶段仍需审慎解读。pQTL数据基于血浆游离蛋白，无法完全代表关节局部微环境中蛋白质浓度与活性状态；MR仅反映了遗传变异所解释的终生平均水平变化效应，难以直接外推至短期药效学变化。未来亟需在更大规模、多族裔队列中验证，并利用抗体注射、基因敲除或过表达等体内实验直接确认因果效应和作用机制。此外，TXNDC12的保护性机制亟需深入阐明，GDF2的中和策略在KOA动物模型中的效果也值得期待。
总之，这项工作从海量分子中锁定TXNDC12和GDF2作为KOA的遗传因果候选蛋白，为迟滞数十年之久的骨关节炎DMOADs研发提供了难能可贵的遗传学导航，也从方法学上示范了如何利用多维度组学数据加速靶点发现。
参考来源
Hu X, Rao H, Luo L, Tao S, Wu G. TXNDC12 and GDF2 as genetically supported plasma proteins associated with knee osteoarthritis: evidence from Mendelian randomization and preliminary biological support. *Front Med (Lausanne)*. 2024;11:1432776. doi:10.3389/fmed.2024.1432776.