孟德尔随机化揭示丁酰肉碱与神经母细胞瘤风险的因果关联

《Hormones & Cancer》：Causal associations between circulating metabolites and risk of neuroblastoma: a bidirectional Mendelian randomization study

为解决循环代谢物与神经母细胞瘤(NB)风险间因果关联不明的问题，研究人员利用双向两样本孟德尔随机化(MR)方法，对486种血液代谢物进行了系统分析。研究发现，丁酰肉碱(Butyrylcarnitine)水平升高可显著降低NB风险(OR=0.485, 95% CI: 0.285-0.826, P=0.008)，而鸟苷(Guanosine)和3-甲基-2-氧代丁酸酯(3-methyl-2-oxobutyrate)水平则受NB发病的因果影响。该研究为NB的病因学、诊断及潜在治疗靶点提供了新的遗传学证据。

　　

神经母细胞瘤(NB)是儿童最常见的颅外实体肿瘤，起源于交感神经系统的神经嵴组织，其发病与发育障碍和神经元分化迟缓密切相关。尽管临床治疗不断进步，但高危神经母细胞瘤患者的5年无事件生存率仍徘徊在50%左右，预后堪忧。肿瘤细胞的一个关键特征是代谢重编程，它们会调整自身的代谢状态以适应微环境，导致细胞代谢物水平异常变化，并影响基因表达和细胞表型。其中，脂肪酸代谢，特别是线粒体脂肪酸β-氧化(FAO)，在促进癌细胞存活和进展中扮演着重要角色。然而，循环代谢物与神经母细胞瘤风险之间是否存在因果关联，以及这种关联的方向性如何，目前尚缺乏系统性的遗传学证据。

为了解决这一科学问题，来自复旦大学附属妇产科医院、三亚市妇女儿童医院等机构的研究团队在《Discover Oncology》上发表了一项题为“Causal associations between circulating metabolites and risk of neuroblastoma: a bidirectional Mendelian randomization study”的研究。该研究首次利用双向两样本孟德尔随机化(MR)方法，系统性地评估了486种血液代谢物与神经母细胞瘤风险之间的因果关联，为理解神经母细胞瘤的代谢病因学提供了新的视角。

关键技术方法

本研究主要采用了双向两样本孟德尔随机化(MR)分析。研究数据来源于公开的基因组关联研究(GWAS)汇总数据。暴露数据为来自欧洲人群(总样本量N=7,824)的486种血液代谢物GWAS数据；结局数据为来自北美儿童肿瘤学组(COG)的神经母细胞瘤GWAS数据，包含1,627名患者和3,254名对照。研究首先以代谢物为暴露、神经母细胞瘤为结局进行正向MR分析，随后以神经母细胞瘤为暴露、代谢物为结局进行反向MR分析。主要采用逆方差加权(IVW)法进行因果效应估计，并辅以MR-Egger回归、加权中位数估计(WME)和加权众数法进行验证。同时，研究还进行了异质性检验、水平多效性检验和留一法敏感性分析，以确保结果的稳健性。

研究结果

1. 双向MR分析揭示丁酰肉碱与神经母细胞瘤的因果关联

研究首先对486种血液代谢物进行了正向MR分析，以评估代谢物水平对神经母细胞瘤风险的因果效应。结果显示，丁酰肉碱(Butyrylcarnitine)是唯一与神经母细胞瘤风险显著相关的暴露因素。具体而言，基因预测的血液丁酰肉碱浓度(log₁₀)每增加一个单位，神经母细胞瘤的发病风险显著降低51.5% (IVW OR=0.485, 95% CI: 0.285-0.826, P=0.008)。加权中位数估计(WME)和加权众数法也得出了一致的结果，进一步支持了丁酰肉碱的保护性作用。

在反向MR分析中，研究评估了神经母细胞瘤风险对486种代谢物水平的因果效应。分析发现，神经母细胞瘤风险增加一个单位(log odds)会导致9种代谢物水平升高，3种代谢物水平降低。其中，鸟苷(Guanosine)和3-甲基-2-氧代丁酸酯(3-methyl-2-oxobutyrate)与神经母细胞瘤的关联在多重检验校正后仍具有统计学意义。具体而言，神经母细胞瘤风险增加会导致鸟苷水平显著降低(IVW Beta± SE: -0.042±0.015, P=0.004)，同时导致3-甲基-2-氧代丁酸酯水平显著升高(IVW Beta± SE: 0.010±0.004, P=0.011)。值得注意的是，反向MR分析未发现神经母细胞瘤对丁酰肉碱水平存在显著的因果效应。

2. 丁酰肉碱对神经母细胞瘤因果效应的敏感性分析

为了验证丁酰肉碱对神经母细胞瘤因果效应的稳健性，研究团队进行了一系列敏感性分析。Cochran's Q检验显示，IVW和MR-Egger方法均未发现显著的异质性(P=0.918)。MR-Egger截距项(P=0.430)和MR-PRESSO全局检验(P=0.916)均未发现水平多效性的证据。此外，所有工具变量(IVs)的F统计量均大于10，表明不存在弱工具变量偏倚。留一法分析显示，逐一剔除单个单核苷酸多态性(SNP)后，因果效应估计值保持稳定，未发现对结果有过度影响的SNP。方向性分析(Steiger test)也证实了因果关系的方向是从丁酰肉碱指向神经母细胞瘤(P<0.001)。这些结果共同表明，丁酰肉碱对神经母细胞瘤的保护性因果效应是稳健且可靠的。

3. 神经母细胞瘤对丁酰肉碱因果效应的敏感性分析

在反向MR分析中，研究也评估了神经母细胞瘤对丁酰肉碱水平因果效应的稳健性。Cochran's Q检验未发现显著的异质性(P=0.881)。MR-Egger截距项(P=0.381)和MR-PRESSO全局检验(P=0.878)均未发现水平多效性的证据。留一法分析证实了结果的稳健性。方向性分析同样支持了因果关系的方向是从神经母细胞瘤指向代谢物(P<0.001)。这些分析进一步证实了反向MR结果的可靠性。

研究结论与讨论

本研究通过双向两样本孟德尔随机化分析，首次提供了遗传学证据，表明血液中丁酰肉碱水平升高是神经母细胞瘤的保护性因素。同时，研究也发现神经母细胞瘤的发病会因果性地导致血液中鸟苷水平降低和3-甲基-2-氧代丁酸酯水平升高。

丁酰肉碱是肉碱的衍生物，在细胞能量代谢中扮演着基础角色，主要负责将脂肪酸转运至线粒体进行β-氧化。研究推测，丁酰肉碱可能通过两种机制发挥保护作用。首先，丁酰肉碱能够抑制短链酰基辅酶A脱氢酶的活性，这是线粒体脂肪酸β-氧化通路中最易受影响的酶。因此，丁酰肉碱水平升高可能会抑制脂肪酸氧化过程，导致癌细胞能量供应不足，从而抑制肿瘤发生。其次，丁酰肉碱可能通过提供酰基，与调控神经母细胞瘤细胞分化和增殖的关键蛋白相互作用，从而促进细胞分化并抑制恶性增殖。

在反向MR分析中发现的代谢物变化则反映了神经母细胞瘤的代谢特征。鸟苷是核苷酸合成的前体，肿瘤细胞的快速增殖会导致核苷酸消耗增加，从而引起血液中鸟苷水平降低。而3-甲基-2-氧代丁酸酯是支链氨基酸(BCAA)分解代谢的中间产物，其水平升高反映了神经母细胞瘤中支链氨基酸代谢的重编程。

综上所述，本研究不仅揭示了丁酰肉碱作为神经母细胞瘤潜在保护因子的遗传学证据，还识别了受神经母细胞瘤因果影响的代谢标志物。这些发现为理解神经母细胞瘤的代谢病因学提供了新的视角，并为该病的预防、诊断和预后评估提供了潜在的生物标志物和干预靶点。