基因测序应用系列三|在遗传性疾病研究及诊断中的应用

遗传病指由于基因或基因组的结构或功能改变所导致的疾病。近年来靶向测序全外显子组测序(whole exome sequencing, WES)得到广泛认可,逐渐成为辅助医生进行遗传病诊断的重要工具。但是其在检测结构变异 (structural variations,SV) 等方面存在一定的限制。

全基因组测序(WGS)可有效避免在对相关基因组区域进行靶向富集时产生的技术偏差不仅可以检出单核苷酸变异 (single nucleotide variations,SNV),还可以对SV进行分析,并常规性地对线粒体基因组(mitochondrial genome DNA,mtDNA)变异进行分析。同时其操作步骤相对简化,能更加快速地获得更完整的基因组信息。因此,WGS应用于临床遗传诊断有望提高诊断率,缩短诊断流程,节省时间及降低诊疗费用。

  • 在癌症中的应用

有些癌症具有家族遗传性,因此在家族中有一个人患癌,可能造成传代亲属的患癌风险上升高通量测序技术特别是全基因组测序对癌症中体细胞突变的鉴定,疾病的诊断与治疗提供了最直接有效的方法之一,并得到了广泛应用。通过全基因组测序, 许多癌症已经被广泛研究, 并取得了一系列的研究成果。详情请参看本系列往期文章《基因测序应用系列二|肿瘤的筛查诊断与预后》 

  • 在神经与精神疾病中的应用

全基因组测序技术也逐步被应用到其他常见遗传病中, 尤其是神经与精神疾病。全基因组测序在结构变异的鉴定方面存在无可比拟的优势, 可以准确的找到断点位置,精确定位致病基因。如:Talkowski [1]等对具有神经发育障碍的患者进行全基因组测序并鉴定到 33 个区域。这些区域的致病基因可以归类为 4 种类别:(1)已知的致病基因(AUTS2、 FOXP1 和 CDKL5); (2)单个基因的区域(SATB2、 EHMT1); (3)新的候选基因与区域(CHD8、 KIRREL3 和 ZNF507); (4)同其他神经精神疾病相关的基因(TCF4、ZNF804A、PDE10A、GRIN2B和 ANK3)。他们的研究表明多个基因可能共同作用,并产生多种多样的表型。


 全基因组测序在神经精神疾病的运用才刚刚开始, 更多的基因组测序将被完成。例如, 中美科研机构将合作完成“万人自闭症基因组研究计划”。这个项目有助于更全面地了解、发现绝大多数自闭症儿童患病原因, 并能应用于对自闭症儿童的早期临床诊断和家庭的产前筛查, 最终了解自闭症的发病机理并开发出有效治疗方法。总之, 全基因组测序将在神经精神疾病中得到更为广泛的应用。 

  • 在产前诊断中的应用


目前, 大多数的产前诊断都是基于有创性侵入检查手段, 如羊膜腔穿刺术、胎儿脐带血穿刺等。这种侵入性技术孕妇以及婴儿都存在一定的伤害, 甚至可能导致流产。 

全基因组测序已在无创产前诊断(Non-invasive prenatal testing, NIPT)领域显现雏形。一方面, 可通过全基因组测序技术, 非侵入性检查染色体非整倍异常, 为 21 三体综合征、 18三体综合征等的准确诊断提供了一个有效的解决方案。另一方面, 还可通过全基因组测序, 非侵入性诊断诸如癌症等基因异常性疾病。 

全基因组测序仍存在一定的局限性:(1)涉及高度重复或同源的基因组区域的检测及分析可能不准确。(2)对于mtDNA变异识别存在局限性,需用特异性高的mtDNA检测方法进行验证。原因是线粒体基因组变异有杂质性的特点(3)人类基因组参考序列仅来源于有限个体,部分基因组区域还存在参考序列的误差和空白间隙,变异识别可能出现假阳性和假阴性。(4)鸟嘌呤和胞嘧啶占比高区域的覆盖可能不完全。WGS的覆盖均一性虽较捕获测序有显著改善,但由于基因组构型的复杂性,高鸟嘌呤和胞嘧啶含量区域的变异评估应谨慎。(5)部分变异类型,如环状染色体等复杂结构变异,WGS的检出率及准确性仍有待进一步的确认。 

值得一提的是,上述讨论的局限性并非一成不变,由于技术及算法的改进,这些局限性相关的问题在将来可能得到解决,目前, 全基因组测序技术已在疾病研究和临床诊断中得到日益广泛的应用, 特别是对妊娠过程中母体血浆中存在游离的胎儿 DNA (Fetal DNA)。总之,全基因组测序的时代已经到来, 将会在遗传性疾病的研究和临床诊断中发挥更重要的作用。 

参考文献: [1] Talkowski ME, Rosenfeld JA, Blumenthal I, Pillalamarri V,ChiangC, Heilbut A, Ernst C, Hanscom C, Rossin E,Lindgren AM, Pereira S, Ruderfer D,Kirby A, Ripke S,Harris DJ, Lee JH, Ha K, Kim HG, Solomon BD,Gropman AL,Lucente D, Sims K, Ohsumi TK, BorowskyML, Loranger S, Quade B, Lage K, Miles J,Wu BL, ShenY, Neale B, Shaffer LG, Daly MJ, Morton CC, Gusella JF.Sequencingchromosomal abnormalities reveals neurodevelopmental loci that confer riskacross diagnostic boundaries. Cell, 2012, 149(3): 525–537.

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