基因技術的進步使得我們能夠以更低的成本和更高的效率去確診罕見疾病，以及發(fā)現(xiàn)新疾病。在各種基因測序項目穩(wěn)步推進的大背景下，不管是福音也好，或者是雙刃劍也罷，這一次，我們真的迎來了個人診療的新時代嗎？本文作者Linda Geddes，原文標題Solving the genome puzzle。

來源：Studio Lennarts and De Bruijn

Evie Walker坐在她媽媽的腿上，玩著一種她似乎永遠都不會厭倦的游戲：把媽媽的手一圈一圈地轉呀轉呀，撫摸著，觀察著。當她環(huán)顧四周時，會像嬰兒一樣張大嘴巴，露出好奇和敬畏的表情。盡管目前Evie還只會“嗯嗯啊啊”，但在過去的幾個月里，她開始在沒人幫助的情況下站了一小會兒，這種進步足以讓她的父母感到無比自豪了，甚至連對未來的信心也進一步增強了。

盡管舉止像個嬰兒，但Evie已經8歲了。她患有普拉綜合癥（Pura syndrome）——一種罕見的發(fā)育障礙，會影響兒童正常的身心發(fā)育。說出來你也許不信，但這種病直到4年前才登記在冊。而在此之前，Evie的病癥只是被籠統(tǒng)地稱為“發(fā)育障礙”——這一語焉不詳的總稱指的是一系列可能導致多種病況的癥狀。

然而，由于基因組測序技術的進步，舊疾病的確診和新疾病的發(fā)現(xiàn)水平又上了一個臺階，而且為那些過去似乎無法治愈的疾病提供了潛在治療方法——起碼對于Walker一家來說，病癥的確診使得他們對未來有了更加清晰的認識。

這項技術不僅改變了患有發(fā)育障礙的兒童的生活。2018年10月，英國國家醫(yī)療服務系統(tǒng)（NHS）將啟動基因醫(yī)學項目，13個基因醫(yī)學中心將為未確診的罕見疾病和癌癥患者提供全基因組測序。

通過揭示驅動腫瘤生長的確切基因組變化，醫(yī)生可以選擇更有效的治療方法。NHS表示，如此一來英國將成為世界上第一個定期提供“全面、公平地獲取整個國家最新基因組檢測和管理信息的國家之一，而不考慮人們的生活條件和居住地”。患有發(fā)育性疾病和癌癥的人將首先受益，但隨著我們對遺傳學的理解不斷加深，其他疾病的檢測基礎設施也將就位，比如早發(fā)性癡呆（early onset dementia）或多發(fā)性硬化（multiple sclerosis），這些疾病可能是由多種基因變異引起的。

自從人類基因測序的第一份草稿公布后，科學家和政治家們就一直宣稱，我們即將進入一個個人化基因組醫(yī)學的新時代?，F(xiàn)在這個時代真的到來了嗎？

測序技術進步，福音來到？

Evie是Alison Walker的第二個孩子，比她第一個孩子晚出生15個月。Evie降生之初，看上去身體健康，而且睡眠充足。但是有點反常的是，她睡得太多了，Walker夫婦不得不叫醒她，后來情況發(fā)展到了不得不去醫(yī)院的地步，Evie在重癥監(jiān)護室里待了一周。

但即使Evie回家了，她仍然不停地睡啊睡啊。后來，她逐漸長大，但發(fā)育明顯與年齡不相稱。她定期返回醫(yī)院，接受檢測、腦部掃描以及常見遺傳性疾病的基因檢測。Walker夫婦天真地認為，這么多測試總能找出Evie的病因所在。“但后來我們開始意識到，我們不僅不能解決問題，甚至連問題出在哪兒都不知道，”他們表示。

來源：Studio Lennarts and De Bruijn

當Evie兩歲時，醫(yī)院方面表示，它們懷疑Evie的病情可能會加重。盡管醫(yī)學檢查結果都正常，但Evie連抬頭低頭，說話走路都做不到。

Walker一家的經歷是痛苦的，但也是普遍的。根據歐盟的定義，罕見疾病的發(fā)病率不到萬分之五。目前已知的罕見病有6000至8000種，每周醫(yī)學文獻中都會出現(xiàn)5種新疾病。從眾所周知的遺傳性疾病，如囊性纖維化（cystic fibrosis）和亨廷頓氏癥（Huntington’s disease），到兒童癌癥和不明的發(fā)育障礙，如普拉綜合征。大約四分之三的罕見疾病會發(fā)生在兒童身上，而這些兒童中有三分之一活不到五歲。

據估計，80%的罕見疾病是由遺傳引起的，但盡管近幾十年來在了解人類基因組方面取得了巨大進展，但在單個患者身上尋找罕見疾病的病因并不像聽起來那么簡單。

DNA測序技術不能一次測序整個基因組。相反，DNA被切成大約150個左右的短片段，然后讀取這些片段的序列，將它們與參考序列進行比對。而新一代測序技術能夠使數十萬到數百萬甚至數十億的DNA測序反應同時進行，效率大大提高。只有在過去幾年里，研究人員才能夠以一種節(jié)約成本的方式對整個基因組進行測序。

疾病確診新途徑

Helen Firth是劍橋大學醫(yī)院的臨床遺傳學家，她的職業(yè)就是幫助那些罕見疾病的患者。她說：“確診之后，你就可以試著向其他患有這種疾病的病人了解未來可能會發(fā)生什么?！彼€補充說，這樣你就可以嘗試調整將來的治療方案，同時“向其他家庭提供準確建議”。然而，盡管Firth盡了最大的努力，多年來她只能診斷四分之一到三分之一的病人。Firth所在的遺傳學家群體使用了一種叫做染色體核型分析的辦法，對所有染色體進行配對和排列，發(fā)現(xiàn)其中不同的結構變化。

目前，染色體核型分析仍然是一種確定大型異常結構的有效技術。隨著陣列技術的發(fā)展，基因學家的工作變得更容易了。陣列技術可以在5 – 10萬對堿基對的分辨率下檢測出更小的異常。然而，這兩種技術都無法發(fā)現(xiàn)更為微?。ǖ浅Ｖ匾┑淖兓?。若想要更進一步，就得采用DNA測序，這是20世紀70年代首次開發(fā)的技術。第一次人類基因組測序的花了13年，費用超過20億英鎊。從那以后，這個過程變得越來越快，也越來越便宜。

即便如此，后來的臨床遺傳學家每次也只能對一個基因進行測序。到了2010年，陣列技術改善和基因組測序成本的下降，使得遺傳學家們相信自己可以診斷更多的病人——如果這些技術推廣應用的話。

因此，他們與NHS遺傳學和其他幾個研究小組合作，招募了12000多名患有發(fā)育障礙的英國兒童和成人，對他們DNA中的所有基因編碼區(qū)域進行測序。研究小組還對患者父母的DNA進行了測序，以識別在卵子或精子產生過程中或患者還是早期胚胎時發(fā)生的突變。

本次研究的負責人Hurles表示：“這些患者家庭一直想知道，為什么家里只有一個孩子會患病，其他孩子卻很健康。在對這些孩子進行診斷之后，我們發(fā)現(xiàn)主要是基因突變的原因?！?/p>

Evie Walker也是測序對象之一。她和她的父母都提供了唾液樣本，但研究結果還是沒有揭示出Evie的病因之所在。對于Evie和像她一樣在本次研究中沒有被診斷初病因的人，研究人員轉而研究她的其他基因——那些與疾病沒有已知聯(lián)系的基因——尋找含有明顯過量的新生突變的基因。

然后他們就發(fā)現(xiàn)了普拉基因——Evie和另外兩個女孩的普拉基因出現(xiàn)了問題，研究人員認為這是導致她們患病的原因。

迄今為止，近1500個基因中的罕見變異已被證明會導致發(fā)育障礙。到目前為止，研究團隊已經確認了30個與發(fā)育障礙相關的新基因，并確診了14個全新的疾病——盡管數據仍在分析中，可能還會出現(xiàn)更多。

普拉基因現(xiàn)形

在澳大利亞的墨爾本，六歲的Sarah Anderson也在等著病因的診斷結果——她在出生36個小時后，無法保持體溫，身體非常松軟，也沒法進食，甚至會暫時停止呼吸。

隨著年齡的增長，Sarah無法正常發(fā)育，在14個月大的時候，她患上了嚴重的癲癇，一天發(fā)作20次，這讓她筋疲力盡，其他癥狀甚至更嚴重。盡管此次測序沒有立刻得出病因，但是將搜索范圍縮小到了大約20個基因——其中一個就是普拉基因。

2014年秋天，一篇描述三個英國女孩以及Sarah的普拉基因變異的文章發(fā)表。與此同時，一個美國小組發(fā)表了一份研究報告，描述了另一組相似基因突變的兒童。這些家庭見面了，他們同意建立一個基金會。然后，他們聯(lián)系了任何研究過普拉基因或其編碼蛋白的研究人員。

其中一位是慕尼黑結構生物學研究所的Dierk Niessing。在職業(yè)生涯的早期，Niessing一直致力于弄清楚普拉蛋白質的結構，并希望對其有更多的了解。缺乏普拉基因的老鼠的大腦和神經系統(tǒng)中出現(xiàn)了嚴重的缺陷，同時伴有進食、呼吸和行走困難的傾向。

Niessing表示，“我猜它是一種重要的蛋白質，也許在某個時候會導致新的疾病?！?/p>

2014年的論文發(fā)表后，他被證明是正確的。2016年，普拉綜合癥基金會在倫敦附近舉行了第一次會議?！斑@就像遇到了一個失散多年的姐妹，” Walker一家表示，“一開始，想到這么多人都經歷了和我們一樣的事情，我真的很難過，但也很高興地知道，終于有人能夠理解你了?！?/p>

“10萬基因組”項目

2012年，時任英國首相David Cameron啟動了“10萬基因組”項目，他的兒子Ivan生來就患有一種罕見的神經障礙并最終奪去了他的生命。該項目的目標是完成10萬個癌癥患者的基因組測序并尋找潛在的治療方案。到目前為止，已經有超過7.5萬個基因組進行了測序——其中大多數來自未被診斷出病因的罕見疾病的家庭——大約有四分之一的病因得到了確診。

其中一名男嬰患有嚴重的免疫缺陷和神經系統(tǒng)疾病，在4個月大時夭折了。“他的父母非?？鄲?，盡管想再要一個孩子，但非常害怕下一個孩子也會遭此橫禍，所以他們想要參加這個項目，”項目的交付負責人Mark Caulfield表示。

來源：Studio Lennarts and De Bruijn

除了對個體和家庭，該項目對衛(wèi)生系統(tǒng)也有潛在的好處。Caulfield說：“如果能在基因測序中發(fā)現(xiàn)病因所在，整個醫(yī)療成本也會有所下降?！?/p>

前景雖然樂觀，但基因組測序并不能找到所有答案。Paul Arvidson 9歲的女兒Nenna參加了上述兩個項目，卻仍然沒能找到病因所在——至少現(xiàn)在還沒有。對于這個家庭來說，最困難的是無法制定長期計劃——“因為我們還沒有確診病因，也根本不知道她目前的患病情況是否意味著她無法長大成人。我們希望能夠為此做好準備，以便在不幸真的降臨在我們頭上的時候不會覺得措手不及?！?/p>

到目前為止，基因測序已經為大約35%-40%的家庭找到了病因所在。但那些由于尚未診斷出來還不清楚病因的家庭該怎么辦呢？我們不禁要問，為什么這部分人的病因確診如此困難？這可能是因為本次測序項目只關注基因組的蛋白質編碼區(qū)域和調控序列。為了為更多的患者確診病因，測序項目已經向“10萬基因組”項目申請使用它們的數據。

但正在進行全基因組測序的大型項目（包括“10萬基因組”項目）也遭遇了很大的瓶頸。其中一個問題是，盡管它被稱為全基因組測序，但有些DNA區(qū)域是“不可讀”的。Caulfield說：“目前看來，如果是高質量的基因組，可讀的比例大概是97.3%，但有些基因組很難讀懂，因為有些片段在你試圖重組的時候無法還原。這就帶來了很多限制?！?/p>

此外，雖然目前的DNA測序技術在識別DNA序列中的單個字母變化方面非常容易，但它在識別多個字母變化、插入或刪除等方面卻較為困難。而那些非常罕見的疾病無法確診，也可能是沒有足夠的樣本數量，無法獲取具有相足夠同種類的基因突變來進行檢測。

“到目前為止，我們只發(fā)現(xiàn)了大約30%的會導致人們患病的基因，對于這些基因會造成怎樣的疾病，我們或許有大體了解。但是還有更多的基因在致病方面扮演著什么樣的角色，還有待發(fā)現(xiàn)，”Firth說，“我們將繼續(xù)重新分析測序項目中招募的家庭提供的序列數據，大概還會持續(xù)4到5年。如此一來，我們還能夠對更多的患病兒童進行診斷，因為對引起發(fā)育障礙的基因的認知是會隨著我們自己和其他人的研究而不斷增長的?！?/p>

一把“雙刃劍”

但DNA測序帶來的不僅僅是認識的提升，還有風險的提升?；蚪M測序具有檢測與正在研究的疾病無關的基因變異的潛力，但這可能會帶來嚴重的健康后果及風險。有些人可能想知道自己將來患嚴重疾病的風險是否很高——特別是如果盡早發(fā)現(xiàn)會有降低風險的機會的話——但有些人可能寧愿不知道。故而測序項目有意識地決定不報告這種“次要發(fā)現(xiàn)”。

然而“10萬基因組”項目卻為參與者提供了一項選擇——參與者可以自愿選擇發(fā)現(xiàn)自己是否攜帶有在未來會導致他們有大概率患某些癌癥（如乳腺癌和卵巢癌，這都與BRCA1和BRCA2基因變異有關）或者使得后代患有囊性纖維化等罕見疾病的變異基因。

“10萬基因組”項目明確區(qū)分了你可以采取行動干預的基因變體（比如BRCA，如果你攜帶高風險的基因變體，你可以加強篩查或進行預防性手術）和你不能采取行動干預的變異基因。例如，ApoE基因的某些變體在日后的生活中很容易誘發(fā)阿爾茨海默氏癥（Alzheimer’s disease），但是盡管你知道自己攜帶這種變異基因，卻也對防止自己未來得阿爾茨海默氏癥無計可施。

然而，在美國，更多可能改變生活的結果被報道出來。2013年，美國 College of Medical Genetics and Genomics發(fā)布了一份最低限度的基因問題列表，推薦將臨床基因組測序過程中的“次要發(fā)現(xiàn)”進行交流。此后，這份列表又新曾了59個具有醫(yī)學活性的基因。

如果你是一位孩子患有罕見疾病、而且正在為孩子的疾病尋找病因的家長，你可能會覺得為了確診而獲得的好處大于發(fā)現(xiàn)這些額外信息的壞處。越來越多的新生兒重癥監(jiān)護病房的嬰兒正在接受基因組測序，這意味著被診斷出患有普拉綜合征等罕見疾病的兒童的年齡越來越低。也許這么做能夠產生一些幫助，因為它消除了早年未知疾病的不確定性，并且能夠在某些情況下盡早采取治療手段。即使是在普拉綜合癥這種當前并無治療手段的情況下，為人父母也可以從其他人那里了解到孩子的病情、未來可能的發(fā)展以及如何應對由此帶來的一些問題，這是一個巨大的安慰。

“即使是我們幾年前才發(fā)現(xiàn)的基因，比如普拉基因，以及由這些基因引發(fā)的罕見病癥，也足以成為兒童疾病預防的里程碑了，同時勾勒出了未來疾病防治的新輪廓，”Firth表示道，“我們在相關支持團體的幫助下寫了類似罕見疾病的傳單，為那些遭遇罕見疾病的家庭提供一些幫助和建議?！?/p>

然而對于普拉綜合癥，我們還有很多問題需要找出答案。首先，為什么患有普拉綜合征的不同病人之間的癥狀如此不同？Niessing表示：“我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)有12名患者在基因片段的同一個位置出現(xiàn)了同樣的病變，但他們彼此之間的癥狀卻非常不同。”

對于Alison Walker來說，最大的問題是自己女兒的未來會去往何處。到目前為止，只有少數成年人被診斷出患有普拉綜合征，造成這一點的原因尚不清楚這是由于患有該疾病的兒童無法活到成年，還是因為幾乎沒有成年人進行過相關測試。

在2016年基金會組織的那次會議上，Walker一家遇到了另外一個家庭，他們的女兒比Evie還小，但是她能夠自己站起來，而且還能走路，讓我們得以一窺Evie在得到正確治療和幫助的情況下可能會取得怎樣的成就。

基金會的發(fā)起者個成員們——包括Walker一家，Anderson一家——都希望家庭彼此之間能夠繼續(xù)分享信息，并增加對普拉綜合征的研究，這將有助于找到一種對患病孩子們有利的治療方法。迄今為止，全世界約有250人被確診患有這種疾病，而這種疾病在四年前甚至還不曾正式存在過。隨著每一個新病例的出現(xiàn)，關于這類疾病的認識——以及對未來治愈它的希望——都在增長。

來源：36kr