定向深度測序技術讓致病突變無處可逃
日期:2014-10-09 08:56:35
今年8月,美國波士頓兒童醫院的科研人員在一項研究中深入檢測了臨床基因測試無法確認病因的158名腦畸形患者的DNA。在高靈敏度測序的幫助下,研究團隊發現了只在每個人很少一部分細胞中發生的8個致病基因突變。對于傳統基因診斷測試來說,它們實在是太過于微小。
這類細胞基因變異又稱嵌合突變,存在于每個人的身體中,并且早就為人所熟知。不過現在,基因技術使得“抓獲”在少部分細胞中存在的特定突變成為可能。10月,國立衛生研究院(NIH)將開始評審旨在尋找腦組織中基因變異的基金申請,而這有可能幫助解釋一些神經精神病學疾病。同時,隨著研究人員發現更多關于嵌合突變的案例,他們正在懷疑到底有多少與基因相關的病因還保持著隱身狀態,即使是面對最好的臨床測試。
在過去,基因疾病研究一直關注的是通過生殖細胞系遺傳下來的突變,其被看作是身為攜帶者的父母或卵子和精子形成過程中發生基因錯誤而留下的“遺產”。一旦胚胎開始發育,每次細胞分裂時基因錯誤都有可能發生。NIH國家基因組研究所遺傳學家Leslie Biesecker介紹說,由于隨后細胞會增殖并擴展它們的突變,因此每個身體都成為一種“微型進化試驗場”。擁有特定突變的細胞數量取決于這些突變發生的時間和地點以及其改變細胞功能的方式。很多這樣的突變都是良性的,但有些會引發疾病。
對于引發疾病的嵌合突變的系統尋找才剛剛開始。Biesecker表示,這種現象在有些病例中很明顯。例如,對于多發性骨纖維營養不良癥,異常細胞會通過一個人皮膚上的斑塊或形狀表現出來。不過,任何一種基因疾病都可能與嵌合突變有關。研究表明,從多發性骨纖維營養不良癥,到血友病和心律失常,嵌合突變會在幾十種條件下發生。
在一些疾病如唐氏綜合征中,相較于影響全身細胞的突變,嵌合突變產生的癥狀要輕一些。還有一些如大腦過分發育導致的巨腦畸形綜合征,胚系突變總是致命的。根據一項最新研究,甚至很少量的變異細胞就足以引發損害人身心健康的癥狀。
找到這些稀有的突變并非易事。為檢測某一特定基因或完整基因組,研究人員通常從大量細胞中提取DNA,然后對其進行多次測序。從這些反復測定的序列中,測序儀基本上會就DNA鏈上每個堿基的可能身份達成共識。
為從普通基因組中檢測到突變,研究人員不得不增加測定的序列數量。然而,盡管DNA測序變得快速和廉價,但在測序覆蓋度(一個基因組有多少堿基被測定)和深度(基因組中每個堿基被測定的次數)之間出現了權衡問題。波士頓兒童醫院神經學家和遺傳學家Christopher Walsh介紹說,在全基因組測序中,通常會測定50~60次。只在很少一部分測定序列中出現的突變,會被看作測序儀固有誤差率的一部分,而非取樣細胞間DNA序列上的真實差異。
這就是Walsh和同事最近在研究腦畸形患者時所做的事情。引發腦畸形的已知遺傳因素中,沒有一個出現在標準臨床測試中。然而,針對少數候選基因區域進行的平均300次深度測序,使該研究團隊有能力辨別那些被誤認為測序錯誤的突變。在8個突變中,有5個只在非常少量的細胞中出現,以至于利用仍是驗證突變“黃金標準”的傳統桑格DNA測序完全檢測不到它們。8月,該研究團隊在《新英格蘭醫學雜志》上發表了相關成果。Walsh表示,深度測序或許最終可以讓科學家找到隱藏在一些慢性神經疾病,如智障和自閉癥背后的基因嵌合突變。
尋找嵌合突變的其他研究人員正在追求一種更加靈敏和有針對性的方法,即基于聚合酶鏈反應(PCR)的技術,它能探測只在不到1%的細胞中存在的突變。該類測試只會顯示其在設計時指向的某個單一突變,而不是一個特定基因所有的變異。不過,在一項針對擁有基因疾病兒童的健康父母的最新研究中,一種類似的PCR方法被證實可以顯示很多突變。
起初,這些父母的基因突變被檢測為陰性,而在孩子的所有細胞中都檢測到了突變。但領導該項研究的貝勒醫學院遺傳學家Pawel Stankiewicz介紹說,在4%的病例中,少量親代細胞含有突變,而它們也有可能出現在卵子或精子中。相關成果曾在7月份在線發表于《美國人類遺傳學雜志》。然而,當基因實驗室測試這些父母,看其是否為疾病的基因載體時,卻常常無法對生殖細胞系組織進行取樣。Stankiewicz表示,對精子進行測序是不切實際的,而獲取卵子涉及侵入性活檢。為更準確地為家庭提供指導,實驗室需要更加復雜的測試。
不過,像Walsh和貝勒醫學院團隊使用的諸如此類的高靈敏度測序方法,在高校實驗室和研究型醫院之外并不常見。Walsh解釋說,部分原因在于要想確認一個在DNA樣本中極少出現的序列是真實的致病突變而非測序錯誤,是一件非常復雜和耗費時間的事情。同時,由于目前深度測序基因組將注意力縮小到一系列已知候選基因或特定突變上,研究人員只得受限于對那些遺傳因素已了解得較多的疾病。Walsh預測,DNA測試技術的改進將最終帶來針對嵌合突變的更加廣泛的搜尋。