2014年--遺傳學外文翻譯---因優(yōu)先途徑以確定復雜遺傳疾病的亞型（譯文）

1、<p><b>　　中文8280字</b></p><p>　　出處：Stessman H A, Raphael B, Eichler E E. A genotype-first approach to defining the subtypes of a complex disease.[J]. Cell, 2014, 156(5):872-877.</p><

2、;p>　　因優(yōu)先途徑以確定復雜遺傳疾病的亞型</p><p>　　HA Stessman，B Raphael，EE Eichler</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　醫(yī)學遺傳學通常意味著對患者表型的詳細描述及隨后進行的基因分型，以期發(fā)現該表征所對應的基因或突變。在這里，我們提出，針對與孤獨癥等復雜疾病相關的遺傳

3、變異所進行的系統(tǒng)研究正不斷取得進展，而目前研究階段下，使用逆向策略對多種不同基因的致病效果進行編配，以確定特定基因型是否表現為臨床上可識別的特定表型，或許卓有成效。這種針對復雜疾病所進行的“基因優(yōu)先”的診斷方式的實現，必須要研究人員、臨床醫(yī)生、患者家庭等所構成的高度集成大規(guī)模網絡的發(fā)展，以及向不同患者亞群所作的改進療法的保證。</p><p><b>　　正文</b></p>

4、<p>　　復雜疾病的遺傳研究歷來是困難的，研究者們所遭遇的多數是有限的成功，甚而在病人護理方面更少的治療進展。不像孟德爾疾病，復雜疾病被定義為并非由單一基因突變決定表型，而是在多個獨立的基因事件影響下，受環(huán)境因素顯著調控而產生的表型。復雜的遺傳疾病的性質，使病人護理困難，因為對臨床醫(yī)生而言，任何兩個病人具有的基因突變都幾乎不可能完全相同，因此，他們也具有完全不同的潛在遺傳病因。經典的方法復雜疾病研究方法已經確定了患者相似的表

5、型，并試圖通過關聯(lián)研究的方法找出這類相似表型所對應的共同致病突變。雖然在過去的10年中，已經有大量的基因位點被研究公布，但在大多數情況下，許多復雜疾病的遺傳度仍然沒有得到解決（Manolio等人，2009）。針對復雜的神經認知與神經行為疾病的成功案例則更為數目稀少，但為了探明遺傳風險中的一小部分而所使用的全基因組關聯(lián)研究（GWAS）方法，則需要數目龐大的患者群體（McCarroll和海曼， 2013）。復雜的神經發(fā)育障礙，如孤獨癥，精神

6、分裂癥，雙相性精神障礙，智力障礙（ID）和發(fā)育延遲（DD），需要更優(yōu)秀的方法來匹配基因型與表型。在這篇文章中，我們專注于自閉癥譜系障礙（ASD</p><p>　　最近的外顯子研究中產生的數據爆炸（Iossifov等人，2012年，尼爾等人，2012年，O'Roak等，2012b和桑德斯等人，2012）以及先前對大型拷貝數變異所進行的研究（CNVs）（德Vries等人，2005，Sebat等人，2007和

7、Sharp等，2006），都強調了零星截斷突變對ASD的重要性，揭示了患者中的遺傳異質性達到一個令人驚訝的水平。據這些數據估計，大于500個獨立的基因位點都可能與在ASD病因相關，從而推測出一個零星的編碼蛋白質基因突變的模型。而有趣的是，二十多年以前，Percy聲稱，根據他的觀察，相當一部分患有脆性X綜合征、Rett綜合征以及結節(jié)性硬化綜合征的個體都具有自閉癥特征（珀西等，1990），因此他推測一種“依賴于潛在病因的多類型自閉綜合征”可

8、能存在。而在檢測由共同突變基因控制的自閉癥小亞群方面，傳統(tǒng)的遺傳學方法則完全是動力不足，新一代測序技術的出現，使人們有可能開始對ASD的基因亞型進行系統(tǒng)分類，并進一步研究這些基因亞型是否決定了ASD的不同臨床表型。這篇文章的目的在于，我們將定義一個“基因亞型”，將其作為一個對患者造成過量負擔的回復突變，并與控制組對</p><p>　　我們認為，由自閉癥所例證的基因遺傳的極端異質性，表明復雜神經系統(tǒng)疾病的遺傳學研

9、究方法需要轉向。我們建議大力發(fā)展從基因層面上檢測疾病亞型的技術，并應用于可實現臨床回訪的病人群體，而不是作為減少基因遺傳異質性的第一步去全面詳盡地研究疾病表型。我們從自閉癥的角度大致提出概述遺傳亞型的三個理論步驟：（1）待測基因的發(fā)現和致病性確定，（2）豐富的臨床表型，和（3）遺傳背景效應的解決方法（圖1）。</p><p>　　有一些識別ASD基因亞型的替代方法，包括通過對現有的行為數據集進行建?；驅εR床記錄的

10、分析，以導出ASD患者群體。（Bitsika等人，2008，多希-薩斯等人，2014和薩科等人，2012），而這將繼續(xù)促進亞型鑒定。然而，我們現在已經能夠識別同一個基因罕見的破壞性回復突變，這項技術已經發(fā)展到從統(tǒng)計學意義上識別ASD患者的程度（O'Roak等，2012A），并且這僅僅是個開始。隨著該方法對越來越多的患者進行分析，我們將開始識別ASD遺傳亞型的真正范圍。合理的下一步將是研究這些遺傳亞型是否決定了不同的臨床個體。如果

11、得以實現，這將為今后的功能學研究和治療方案建立掃清道路，并且惠及以共同的基因亞型為基礎的ASD病人團體。</p><p>　　圖1.基因型優(yōu)先方法研究ASD示意圖</p><p>　?。ˋ–C圖）在臨床上復雜的神經發(fā)育疾病的診斷后，第一步是實施新一代測序（外顯子組或整個基因組）來識別高表達的罕見或新生突變體（S）的個體。經過對大量個體的篩選，將某個基因或位點的復發(fā)突變作為ASD或DD的診斷

12、證據。這些候選人一般為了有針對性的測序而被篩選，使用高通量、高性價比的技術對他們進行檢測。例如，分子倒置探針（MIP）技術被應用到成千上萬的個體中，通過比較對照組與先證者的突變積累，從而確定ASD或DD相關的基因。這種基因是最有可能導致疾病的病因，并代表未來的治療干預目標。這些具有基因突變的患者家庭被回訪，并被帶回診所進行更全面的表型檢測（第二步）?？赡軙l(fā)現一些控制共同、強大的，單一的臨床表型基因，但是，這些可能是罕見的。有可能是那些

13、個體的基因型，影響同一功能通路（分子亞型），導致類似的或潛在的對立的表型（如，大頭與小頭畸形）（B）。一些突變，即使處于相同的基因中，也可以有多個相關的臨床表型（C），這表明與高變異突變相關的基因的功能和/或不完全外顯率。后者尤其需要更深入地研究遺傳背景效應（步驟三）。這種方法將基于基因型或突變基因的將患者最大限度地集中起來。具有相同遺傳病因的患者群</p><p><b>　　基因發(fā)現與致病性<

14、/b></p><p>　　最重要的一步是首先確定基因及其最高滲透度的基因突變類型。對于自閉癥等遺傳異質性疾病，做到這一點需要一個前所未有的大規(guī)模協(xié)調與樣品采集。對ASD患者進行的外顯子測序正在有條不紊地進行中，10000名以上的患者有望在明年完成外顯子測序（Buxbaum等人，2012）。至少對于單純的自閉癥而言，近期的研究已經表明假定的功能損失突變所具有的明確重要性（Veltman和布魯納，2012）。

15、然而，大部分在外顯子與基因組測序工程中被發(fā)現的新發(fā)突變所具有的生物學意義現在依然不明。該位點的基因異質性導致需要對更大的患者群體重新測序才能證明其致病性。如果以CNV研究為導向，將需要成千上萬的患者，才能夠針對特定位點得出具有統(tǒng)計學意義的研究成果。而正因為約逾50%的臨床上診斷為ASD的患者個體也伴隨著智力障礙，ID和DD患者群體為額外的新發(fā)ASD突變的發(fā)現與確認提供了豐富的資源（La馬爾法等人。，2004和馬特森和鞋匠，2009）。事

16、實上，在西蒙斯單一數據庫（SSC）中發(fā)現的復發(fā)性截斷突變個體中，超過一半的智商均低于70（o'roak等人，2012a）。同樣，被認為與“自閉癥”的最為密切相關的基因拷貝數變異（</p><p>　　如此大數量的患者處理構成了重大障礙。首先，它要求高吞吐量、高性價比的再測序的策略。罕見的個有變體，無法使用全基因組關聯(lián)方法（GWAS）輕而易舉地估算，而是必須直接檢測——如與ASD有關的拷貝數變異的案例研究。

17、分子倒置探針（MIP）提供了一種迅速對待測候選基因進行重新測序的方法，具有高靈敏度和特異性（Turner等人，2009）。目前的估算表明，利用有限的原料，這種方法能夠以低于$ 1元每基因/樣本的成本對大約50個基因進行測序（O'Roak等，2012A）。第二個主要障礙是樣品本身。大多數個體樣本集合數目不足，因此也不足以達到統(tǒng)計學意義。這種認識導致了財團，如自閉癥測序協(xié)會（ASC）的形成（布克斯鮑姆等，2012）和自閉癥/智力殘疾

18、網絡（ASID）的組建，代表著研究人員和臨床醫(yī)生團體已在原則上同意共享樣本、技術和測序結果以便更快地（圖2）查明遺傳風險因素。雖然這種合作是向前邁出的重要一步，單純地合并樣本集或簡單地對病例對照設計結果進行排序仍然存在不足之處。</p><p>　　圖2.自閉癥譜系/智力障礙網絡</p><p>　　自閉癥譜系/智力殘疾網絡（ASID），由來自世界各地的21個基礎研究和臨床實驗室組成，儲存

19、有超過15000例患者病歷，以便于基因測序。該網絡比自閉癥測序協(xié)會（ASC），即以病人的共患疾病為標準收集ASD、ID、癲癇，或DD患者的信息網絡收集了更多的患者。該網絡的重點是父母的DNA是能夠被查詢的，病人也能夠被回訪，從而可以準確地了解表型基因型的相關性。該網絡包括了在世界各地的臨床研究實驗室（藍色方塊）和位于美國的實驗室（紅點）招募家庭作為SSC的一部分，使得在廣泛的IRB審查后患者仍能夠被回訪。擁有共同基因突變的患者亞群被重新

20、評估，以確定這些突變能否定義臨床亞型。</p><p>　　隨著測序變得更加常規(guī)，針對特定的分子損傷而建立的更加綜合的患者-床醫(yī)生-研究人員網絡應當出現在人們的構想中，類似于研究者們通過西蒙斯個體變異（VIP）項目（協(xié)會，2012 ）和Unique http://www.rarechromo.org/html/home.asp）模型對特定CNV所進行的研究。西蒙斯VIP側重于對帶有提升發(fā)育障礙發(fā)病風險的特定CNV

21、的個體進行深入研究。該項目包括通過一個在線門戶網站建立社交網和教育，從而發(fā)展病人所在的社區(qū)。最初被確定的CNV是16p11.2，而隨著更多的CNV被確立，如今額外的拷貝數變異已經被包含在項目中（例如，1q21.1）。居住在社區(qū)中的家庭也獲得了參與包括全面的行為表型檢測、體檢，并在臨床方面進行成像評估在內的多種實驗研究的機會。一個由在線門戶網站、廣泛招聘、多站點協(xié)作和快速的數據共享政策所組成的結合，提高了在短時間內對16p11.2位點的確

22、實和重復的理解速度。UNIQUE是一個專注于教育、增強防患病意識，并為罹患罕見的染色體疾病的家庭提供支持的在線門戶網站。通過這個網上門戶，家庭和執(zhí)業(yè)醫(yī)師得以連接，促進了研究成果的翻譯，教育的提供，家庭也獲</p><p>　　建立致病性的最后一個障礙是對適當控制的評價。一些最有趣的突變可能以較低的發(fā)病頻率潛伏在普通人群中。大數目的、精準的表型控制，甚至比病人群體更加有限。來自外顯子組測序項目（例如，外顯子組測序計

23、劃[ESP]）的“人口平均”控制的專案使用，而非DNA和個人可以重新附加分析特定疾病的控制，是有問題的。</p><p><b>　　綜合臨床表型</b></p><p>　　一旦特定的基因已被確定的復發(fā)性和/或結構的突變，關鍵的下一步就是探索與零星突變相關的表型。一旦突變被發(fā)現，就需要臨床水準的重新評估，因為與自閉癥有關的基因數目似乎非常巨大。此外，外顯子組或基因組

24、測序很可能成為常規(guī)診斷，被不可避免地摻入到電子醫(yī)療記錄中，并且一旦病例報告建立，臨床評估能夠以更定向的方式繼續(xù)進行。我們應該有兩個目標：（1）在嚴格檢查相同的突變基因引起的不同病例的基礎上確定ASD的臨床基因亞型；（2）評估新發(fā)突變是否具有高度滲透性。雖然數目稀少，但這種做法還是確定了一些拷貝數變異（例如，17q21.31和15q24.3缺失），這些變異可能是疾病發(fā)生得充分必要條件。（即，所有的病例都是新發(fā)的，并且在針對普通人群的大型調

25、查中沒有發(fā)現任何與這些突變相關的實例）。如果有超過500個的基因都與ASD的發(fā)病有關——每個患者家庭都對應不同的基因——那么即使是ASD領域的專家也無法在長達25年的研究中遇見兩例相同的病例。新一代測序提供了必要的篩子，在分子水平下的少數高度相關的臨床表型能夠像大海撈針一樣被發(fā)現。只有通過基因型方法，才有可能匯集10–20例嚴格、詳細的分型常見的遺傳病患者。因此，</p><p>　　重新聯(lián)系病人和通過大公會進行

26、縱向評估是進行分析的重點。具有諷刺意味的是，現有的大多數人，甚至是那些都進行了詳細的表型篩查并為今后的工作做好了準備的人（例如，SSC），他們的信息都沒有被以一種能夠立即重新聯(lián)系患者的方式收集。重新聯(lián)系患者和公會團體等方式都可以被建立，但需要大量時間和協(xié)調機構審查委員會（IRB）以確保適當關注研究對象保持隱私的意愿（圖2）。然而，即使只有有限的表型數據，重要的基因型表型的數據還是開始出現。例如，最近的表征例復發(fā)性突變在β-連環(huán)蛋白/ W

27、nt信號通路的一個子集與巨腦畸形有關（例如，PTEN），另一個子集與小頭畸形有關（例如，DYRK1A）（圖3）雖然由于患者數量較少、所需額外的相關變量也較少，所以這些結果是初步的。數據表明，極端的遺傳異質性（即，大于 500種不同的基因），有可能根據限制性的基因表型（例如，分子表型）被歸類為數量更少的生物相關的網絡（或蛋白表達網絡）。這個通路和基因和與之相關的分子可能會成為識別由神經祖細胞的增殖和凋亡缺陷引起的ASD分子或臨床亞型的重要

28、第一步。</p><p>　　圖3.自閉癥亞型的潛在遺傳定義</p><p>　　自閉癥兒童在人群中被描述為頭圍大小增加（HCZ）的分布（Courchesne等人，2003）。這一結果是在SSC中儲存的ASD患者的信息中觀察到的，其中HCZ呈正偏態(tài)（藍色箭頭）相較于正常的分布（左）。重新選擇在β-連環(huán)蛋白/ Wnt信號轉導網絡有新發(fā)突變的患者（紅色）——并將他們定義為這些新發(fā)突變的先證者，

29、在中央CTNNB1節(jié)點使用STRING或新通路分析富集集群（n = 26人）——再進一步轉化成雙峰分布（右），結果表明相應的巨頭癥與小頭癥和在這個通路的新發(fā)突變有關。</p><p>　　由于患者和家屬都能夠被回訪并從事后續(xù)評價，患者的表型后處理，應加強，并應包括在ASD的核心領域的行為認真評估：對相關癥狀和行為，如情感，注意力，或行為障礙的關鍵性評價，以及認知和適應功能的標準化測試。它應包括標準化評估與合并的醫(yī)

30、療條件（如智力障礙，癲癇，神經精神疾病，癌癥風險等），仔細審查病史，腦成像，以及針對畸形進行體格檢查。這種方法已經在我們目前的100例16p11.2染色體微缺失檢驗中得到了有效應用，其中我們發(fā)現語音障礙，動作協(xié)調障礙，以及醫(yī)療問題，如遺尿和癲癇發(fā)作癥狀。更一般地，病人回訪在特定的拷貝數變異有關的新癥狀的識別中非常重要。而另外一個挑戰(zhàn)是，這個過程必須是動態(tài)和迭代的。也就是說，指數的情況下（用于建立工作臨床表型的第一個版本的原始家庭）將被要

31、求幫助建立一套標準和清單，以便能夠在新發(fā)現的病人家庭就診時，與臨床醫(yī)生和心理咨詢師一起參與咨詢。</p><p>　　通過嚴格的臨床標準鑒定亞型的一個關鍵問題是，特定的表現可能依賴于在特定時間點對病人的評估。如果ASD作為主要的神經系統(tǒng)發(fā)育障礙，那么這是非常關鍵的。隨著動態(tài)發(fā)展軌跡變化，一個兩歲的ASD患者可在僅一年之后存在明顯不同的表現。也就是說，基于發(fā)展背景的明顯不同，同樣程度的同齡人社交功能障會對一個3歲的

32、學齡前兒童和一個6歲的一年級學生造成完全不同的影響?；拥膬仍葱院屯庠葱砸蛩氐挠绊懀沟迷诎l(fā)展方面至關重要的復雜的神經發(fā)育障礙精確的行為表型評估有多個結果。因此，縱向隨訪是必要的，以確定患者年齡與病程的關系。在一個關鍵的自閉癥基因的遺傳變異，提供了比較客觀的角度進行參考，并進行研究與比較。</p><p>　　遺傳背景效應與表型異質性</p><p>　　基于大型拷貝數變異的經驗，我們預計

33、將有多個類別的高度滲透突變，將構成ASD的遺傳亞型。首先，也許是最令人滿意的，是那些在疾病中表達最多并且具有和遺傳背景緊密相連的遺傳特征的基因突變（圖1A）。這種突變能夠被直接診斷，并將促進新類型的孤獨癥的定義。然而，這些突變的證據將最終取決于表型的富集程度，或這種突變亞型是否在患者中存在具有特定臨床特征的患者群體。遺憾的是，大多數突變并不是這么簡單的。第二類突變是指那些通過共同的蛋白相互作用途徑或功能網絡彼此聯(lián)系的基因，而這些基因的突

34、變能夠導致在臨床水平上沒有明顯區(qū)別的不同基因表型（圖1B）。例如，有人認為在β連環(huán)蛋白/ Wnt信號途徑中的不同基因發(fā)生得新發(fā)突變都可能導致患有自閉癥的大頭畸形或小頭畸形個體。雖然更復雜，但是這些突變也可以定義ASD癥狀的不同類型，并且在確定類型后提高病人護理的質量。仍然會有其他的突變基因和與之相關的協(xié)同基因出現，并且乍看上去幾乎沒有明顯的表型變化，和/或只有很低的表達率。例如發(fā)生在ARID1B基因上的突變，已經在Coffin-Siri

35、s綜合征、ID綜合征和ASD的患者中被發(fā)現（Halgren等人，2012年和參天等，2</p><p>　　即使是在明顯的基因多效性的情況下，我們預測，隨著被研究病人的數量越來越大，正如在多種可表達的CNV中已經被觀察到的那樣，更小的子類型將會出現，其中其中一個特別敏感的遺傳背景可能讓位給觀察癥因額外的遺傳修飾，否則將基因沉默。在1q21缺失的情況下，例如，若干亞型開始出現（例如，多例白內障，其他具有結構心臟缺陷

36、，還有一些與認知缺陷）后的鑒定患者更大數目（Mefford等人，2008年）。我們認為在“主”突變（例如，1q21缺失）分組允許對可變表現度的該病變其中臨床表現的子集可變得顯而易見的全部范圍的更定向研究?；蛐停谝环N方法提供了手段，探索雙方多效性和可變的表現力（圖1C）。對于變體，這將是關鍵的了解改性劑對表型的潛在影響。雖然我們可能永遠不會獲得具有統(tǒng)計學意義的結果，以確定一個單一的遺傳修飾在一個特定的基因。例如，較高的負擔的已知和未知

37、的致病意義的CNV的合計化合物疾病呈現的嚴重程度的患者與16p12.1微缺失（Girirajan等人，2012）。這些信息對于疾病和患者咨詢切實可行的管理最終是至關重要的。</p><p>　　我們必須強調，一個顯著的關聯(lián)信號和一個大的影響規(guī)模并不能證明他們之間的因果關系。事實上，存在著這樣一個令人不安的趨勢，即在假定的CNV或初步的致病原因被確認的時候，更長遠的DNA分析被阻礙了。我們認為，這樣的樣品應該受到更

38、深入的遺傳審查，以便了解表型多樣性的遺傳基礎和潛在的有害等位基因的完整頻譜。例如，全基因組測序，將導致在表征復雜的基因組區(qū)域內對小型CNVs的描述，以及發(fā)現突變的保守調節(jié)區(qū)。這種突變可能為解釋這種情況下的表型變異提供所需的證據。研究以患者家庭為背景的基因突變，例如，對未發(fā)病的攜帶者父母進行基因組測序，也能夠提供一些重要的線索。大量證據表明，與遺傳多樣性、多點位基因突變有關的遺傳背景的關鍵，是可能導致特定結果的化合物（girirajan和

39、Eichler，2010和沙夫等人,2011）。重要的一點是，一個共同的遺傳病變的患者群體，以及從一個客觀的起點評估其他改性劑的效果。這不僅包括遺傳，而且還包括那些可能會影響一個特定突變和自閉癥的表型結果的表觀遺傳因素和環(huán)境因素。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　隨著基因測序變得越來越便宜，以及逐漸成為首選的前沿診斷試驗（約翰遜等人，20

40、11），研究人員現在已經處在了能夠有效揭開ASD面紗的境地。相對于千變萬化的精神疾病分類定義（例如，DSM-5 [美國精神病學協(xié)會，2013 ]）而言，我們建議將分子亞型測試作為一個優(yōu)秀的分類器。事實上，NIMH已經做出了承諾，致力于為依照在臨床發(fā)展中形成的共識而產生的診斷標準劃定界限。（Insel等人，2010）。系統(tǒng)地將基因破壞性事件按照重要性劃分次序、迅速并經濟地對從成千個體中選出的參與者進行測序的技術、對患者家庭的背景進行監(jiān)控并

41、識別對突變有高危影響的重大因素，是目前我們所急需的。正是因為在ASD、ID和癲癇之間有眾多的共同之處，更廣泛的、不具有典型的ASD診斷指證的患者群體也應該被考慮進來。具有相同的基因背景的患者應該被重新評估以識別共同的臨床特征，不管他們最初的診斷是何種疾病。（例如，ASD、ID、癲癇）。這能夠有效地控制認知上的偏見，并發(fā)現真正對疾病有重要影響的基因，并且更廣泛地定義神經發(fā)育疾病基因。</p><p>　　這種基因型

42、優(yōu)先的診斷角度還能夠為病人提供短期和長期的好處。ASD的遺傳亞型鑒定（尤其是那些突變被認為表達最多的基因）提供了一個快速的網絡以連接患者家庭、研究人員和臨床醫(yī)生。對于患者家庭來說，這將轉化為更好的診斷，咨詢，并形成以病人為導向的支持團體，通過會議和互動網站，連接世界各地擁有共同的遺傳病因的患兒的家庭。這樣的網絡，如果應用得當，可以有效地推動和促進臨床表型基因型的相關性研究，并進一步了解基礎的形成并發(fā)展專門的研究領域（例如，西蒙斯VIP）

43、。</p><p>　　從長遠的角度來看，我們認為會導致自閉癥亞型的遺傳分類可以更廣泛地應用于復雜疾病的基因型檢測，如精神分裂癥，ID，DD和雙相情感障礙。有新出現的證據表明，這些看似不同的臨床診斷可能在某些情況下有基因聯(lián)系。突變基因的發(fā)現，以及存在于這些不同的疾病之間的通路，不僅將徹底改變我們對生命的理解，也可能導致針對突變而不是分類學定義的治療方式發(fā)展。這一研究方法也承諾了更好的臨床干預和精準醫(yī)學的全面實現。