基因技術(shù)的進(jìn)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(cè)序項(xiàng)目穩(wěn)步推進(jìn)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(gè)人診療的新時(shí)代嗎？本文作者Linda Geddes，原文標(biāo)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(yuǎn)都不會(huì)厭倦的游戲：把媽媽的手一圈一圈地轉(zhuǎn)呀轉(zhuǎn)呀，撫摸著，觀察著。當(dāng)她環(huán)顧四周時(shí)，會(huì)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(huì)“嗯嗯啊啊”，但在過去的幾個(gè)月里，她開始在沒人幫助的情況下站了一小會(huì)兒，這種進(jìn)步足以讓她的父母感到無比自豪了，甚至連對(duì)未來的信心也進(jìn)一步增強(qiáng)了。

盡管舉止像個(gè)嬰兒，但Evie已經(jīng)8歲了。她患有普拉綜合癥（Pura syndrome）——一種罕見的發(fā)育障礙，會(huì)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(cè)。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?shù)目偡Q指的是一系列可能導(dǎo)致多種病況的癥狀。

然而，由于基因組測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，舊疾病的確診和新疾病的發(fā)現(xiàn)水平又上了一個(gè)臺(tái)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(duì)于Walker一家來說，病癥的確診使得他們對(duì)未來有了更加清晰的認(rèn)識(shí)。

這項(xiàng)技術(shù)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(wù)系統(tǒng)（NHS）將啟動(dòng)基因醫(yī)學(xué)項(xiàng)目，13個(gè)基因醫(yī)學(xué)中心將為未確診的罕見疾病和癌癥患者提供全基因組測(cè)序。

通過揭示驅(qū)動(dòng)腫瘤生長(zhǎng)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(gè)定期提供“全面、公平地獲取整個(gè)國家最新基因組檢測(cè)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(duì)遺傳學(xué)的理解不斷加深，其他疾病的檢測(cè)基礎(chǔ)設(shè)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(cè)序的第一份草稿公布后，科學(xué)家和政治家們就一直宣稱，我們即將進(jìn)入一個(gè)個(gè)人化基因組醫(yī)學(xué)的新時(shí)代。現(xiàn)在這個(gè)時(shí)代真的到來了嗎？

測(cè)序技術(shù)進(jìn)步，福音來到？

Evie是Alison Walker的第二個(gè)孩子，比她第一個(gè)孩子晚出生15個(gè)月。Evie降生之初，看上去身體健康，而且睡眠充足。但是有點(diǎn)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(hù)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(zhǎng)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(cè)、腦部掃描以及常見遺傳性疾病的基因檢測(cè)。Walker夫婦天真地認(rèn)為，這么多測(cè)試總能找出Evie的病因所在。“但后來我們開始意識(shí)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(dāng)Evie兩歲時(shí)，醫(yī)院方面表示，它們懷疑Evie的病情可能會(huì)加重。盡管醫(yī)學(xué)檢查結(jié)果都正常，但Evie連抬頭低頭，說話走路都做不到。

Walker一家的經(jīng)歷是痛苦的，但也是普遍的。根據(jù)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(xué)文獻(xiàn)中都會(huì)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(huì)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(jù)估計(jì)，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(jìn)展，但在單個(gè)患者身上尋找罕見疾病的病因并不像聽起來那么簡(jiǎn)單。

DNA測(cè)序技術(shù)不能一次測(cè)序整個(gè)基因組。相反，DNA被切成大約150個(gè)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(jìn)行比對(duì)。而新一代測(cè)序技術(shù)能夠使數(shù)十萬到數(shù)百萬甚至數(shù)十億的DNA測(cè)序反應(yīng)同時(shí)進(jìn)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(duì)整個(gè)基因組進(jìn)行測(cè)序。

疾病確診新途徑

Helen Firth是劍橋大學(xué)醫(yī)院的臨床遺傳學(xué)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(huì)發(fā)生什么?！彼€補(bǔ)充說，這樣你就可以嘗試調(diào)整將來的治療方案，同時(shí)“向其他家庭提供準(zhǔn)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(xué)家群體使用了一種叫做染色體核型分析的辦法，對(duì)所有染色體進(jìn)行配對(duì)和排列，發(fā)現(xiàn)其中不同的結(jié)構(gòu)變化。

目前，染色體核型分析仍然是一種確定大型異常結(jié)構(gòu)的有效技術(shù)。隨著陣列技術(shù)的發(fā)展，基因?qū)W家的工作變得更容易了。陣列技術(shù)可以在5 – 10萬對(duì)堿基對(duì)的分辨率下檢測(cè)出更小的異常。然而，這兩種技術(shù)都無法發(fā)現(xiàn)更為微小（但往往非常重要）的變化。若想要更進(jìn)一步，就得采用DNA測(cè)序，這是20世紀(jì)70年代首次開發(fā)的技術(shù)。第一次人類基因組測(cè)序的花了13年，費(fèi)用超過20億英鎊。從那以后，這個(gè)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(xué)家每次也只能對(duì)一個(gè)基因進(jìn)行測(cè)序。到了2010年，陣列技術(shù)改善和基因組測(cè)序成本的下降，使得遺傳學(xué)家們相信自己可以診斷更多的病人——如果這些技術(shù)推廣應(yīng)用的話。

因此，他們與NHS遺傳學(xué)和其他幾個(gè)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(duì)他們DNA中的所有基因編碼區(qū)域進(jìn)行測(cè)序。研究小組還對(duì)患者父母的DNA進(jìn)行了測(cè)序，以識(shí)別在卵子或精子產(chǎn)生過程中或患者還是早期胚胎時(shí)發(fā)生的突變。

本次研究的負(fù)責(zé)人Hurles表示：“這些患者家庭一直想知道，為什么家里只有一個(gè)孩子會(huì)患病，其他孩子卻很健康。在對(duì)這些孩子進(jìn)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(cè)序?qū)ο笾?。她和她的父母都提供了唾液樣本，但研究結(jié)果還是沒有揭示出Evie的病因之所在。對(duì)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(zhuǎn)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(gè)女孩的普拉基因出現(xiàn)了問題，研究人員認(rèn)為這是導(dǎo)致她們患病的原因。

迄今為止，近1500個(gè)基因中的罕見變異已被證明會(huì)導(dǎo)致發(fā)育障礙。到目前為止，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確認(rèn)了30個(gè)與發(fā)育障礙相關(guān)的新基因，并確診了14個(gè)全新的疾病——盡管數(shù)據(jù)仍在分析中，可能還會(huì)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(jié)果——她在出生36個(gè)小時(shí)后，無法保持體溫，身體非常松軟，也沒法進(jìn)食，甚至?xí)簳r(shí)停止呼吸。

隨著年齡的增長(zhǎng)，Sarah無法正常發(fā)育，在14個(gè)月大的時(shí)候，她患上了嚴(yán)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(yán)重。盡管此次測(cè)序沒有立刻得出病因，但是將搜索范圍縮小到了大約20個(gè)基因——其中一個(gè)就是普拉基因。

2014年秋天，一篇描述三個(gè)英國女孩以及Sarah的普拉基因變異的文章發(fā)表。與此同時(shí)，一個(gè)美國小組發(fā)表了一份研究報(bào)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(gè)基金會(huì)。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(jié)構(gòu)生物學(xué)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(zhì)的結(jié)構(gòu)，并希望對(duì)其有更多的了解。缺乏普拉基因的老鼠的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)中出現(xiàn)了嚴(yán)重的缺陷，同時(shí)伴有進(jìn)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(zhì)，也許在某個(gè)時(shí)候會(huì)導(dǎo)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(huì)在倫敦附近舉行了第一次會(huì)議。“這就像遇到了一個(gè)失散多年的姐妹，” Walker一家表示，“一開始，想到這么多人都經(jīng)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。”

“10萬基因組”項(xiàng)目

2012年，時(shí)任英國首相David Cameron啟動(dòng)了“10萬基因組”項(xiàng)目，他的兒子Ivan生來就患有一種罕見的神經(jīng)障礙并最終奪去了他的生命。該項(xiàng)目的目標(biāo)是完成10萬個(gè)癌癥患者的基因組測(cè)序并尋找潛在的治療方案。到目前為止，已經(jīng)有超過7.5萬個(gè)基因組進(jìn)行了測(cè)序——其中大多數(shù)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(yán)重的免疫缺陷和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，在4個(gè)月大時(shí)夭折了?！八母改阜浅？鄲?，盡管想再要一個(gè)孩子，但非常害怕下一個(gè)孩子也會(huì)遭此橫禍，所以他們想要參加這個(gè)項(xiàng)目，”項(xiàng)目的交付負(fù)責(zé)人Mark Caulfield表示。

來源：Studio Lennarts and De Bruijn

除了對(duì)個(gè)體和家庭，該項(xiàng)目對(duì)衛(wèi)生系統(tǒng)也有潛在的好處。Caulfield說：“如果能在基因測(cè)序中發(fā)現(xiàn)病因所在，整個(gè)醫(yī)療成本也會(huì)有所下降?！?/p>

前景雖然樂觀，但基因組測(cè)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(gè)項(xiàng)目，卻仍然沒能找到病因所在——至少現(xiàn)在還沒有。對(duì)于這個(gè)家庭來說，最困難的是無法制定長(zhǎng)期計(jì)劃——“因?yàn)槲覀冞€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(zhǎng)大成人。我們希望能夠?yàn)榇俗龊脺?zhǔn)備，以便在不幸真的降臨在我們頭上的時(shí)候不會(huì)覺得措手不及?！?/p>

到目前為止，基因測(cè)序已經(jīng)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?yàn)楸敬螠y(cè)序項(xiàng)目只關(guān)注基因組的蛋白質(zhì)編碼區(qū)域和調(diào)控序列。為了為更多的患者確診病因，測(cè)序項(xiàng)目已經(jīng)向“10萬基因組”項(xiàng)目申請(qǐng)使用它們的數(shù)據(jù)。

但正在進(jìn)行全基因組測(cè)序的大型項(xiàng)目（包括“10萬基因組”項(xiàng)目）也遭遇了很大的瓶頸。其中一個(gè)問題是，盡管它被稱為全基因組測(cè)序，但有些DNA區(qū)域是“不可讀”的。Caulfield說：“目前看來，如果是高質(zhì)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?yàn)橛行┢卧谀阍噲D重組的時(shí)候無法還原。這就帶來了很多限制?！?/p>

此外，雖然目前的DNA測(cè)序技術(shù)在識(shí)別DNA序列中的單個(gè)字母變化方面非常容易，但它在識(shí)別多個(gè)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(shù)量，無法獲取具有相足夠同種類的基因突變來進(jìn)行檢測(cè)。

“到目前為止，我們只發(fā)現(xiàn)了大約30%的會(huì)導(dǎo)致人們患病的基因，對(duì)于這些基因會(huì)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(cè)序項(xiàng)目中招募的家庭提供的序列數(shù)據(jù)，大概還會(huì)持續(xù)4到5年。如此一來，我們還能夠?qū)Ω嗟幕疾和M(jìn)行診斷，因?yàn)閷?duì)引起發(fā)育障礙的基因的認(rèn)知是會(huì)隨著我們自己和其他人的研究而不斷增長(zhǎng)的?！?/p>

一把“雙刃劍”

但DNA測(cè)序帶來的不僅僅是認(rèn)識(shí)的提升，還有風(fēng)險(xiǎn)的提升?；蚪M測(cè)序具有檢測(cè)與正在研究的疾病無關(guān)的基因變異的潛力，但這可能會(huì)帶來嚴(yán)重的健康后果及風(fēng)險(xiǎn)。有些人可能想知道自己將來患嚴(yán)重疾病的風(fēng)險(xiǎn)是否很高——特別是如果盡早發(fā)現(xiàn)會(huì)有降低風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)會(huì)的話——但有些人可能寧愿不知道。故而測(cè)序項(xiàng)目有意識(shí)地決定不報(bào)告這種“次要發(fā)現(xiàn)”。

然而“10萬基因組”項(xiàng)目卻為參與者提供了一項(xiàng)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(huì)導(dǎo)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(guān)）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(xiàng)目明確區(qū)分了你可以采取行動(dòng)干預(yù)的基因變體（比如BRCA，如果你攜帶高風(fēng)險(xiǎn)的基因變體，你可以加強(qiáng)篩查或進(jìn)行預(yù)防性手術(shù)）和你不能采取行動(dòng)干預(yù)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(duì)防止自己未來得阿爾茨海默氏癥無計(jì)可施。

然而，在美國，更多可能改變生活的結(jié)果被報(bào)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(cè)序過程中的“次要發(fā)現(xiàn)”進(jìn)行交流。此后，這份列表又新曾了59個(gè)具有醫(yī)學(xué)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(zhǎng)，你可能會(huì)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(hù)病房的嬰兒正在接受基因組測(cè)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(chǎn)生一些幫助，因?yàn)樗嗽缒晡粗膊〉牟淮_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(dāng)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(yīng)對(duì)由此帶來的一些問題，這是一個(gè)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(yù)防的里程碑了，同時(shí)勾勒出了未來疾病防治的新輪廓，”Firth表示道，“我們?cè)谙嚓P(guān)支持團(tuán)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(duì)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(gè)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?！?/p>

對(duì)于Alison Walker來說，最大的問題是自己女兒的未來會(huì)去往何處。到目前為止，只有少數(shù)成年人被診斷出患有普拉綜合征，造成這一點(diǎn)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?yàn)閹缀鯖]有成年人進(jìn)行過相關(guān)測(cè)試。

在2016年基金會(huì)組織的那次會(huì)議上，Walker一家遇到了另外一個(gè)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(huì)取得怎樣的成就。

基金會(huì)的發(fā)起者個(gè)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(duì)普拉綜合征的研究，這將有助于找到一種對(duì)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(gè)新病例的出現(xiàn)，關(guān)于這類疾病的認(rèn)識(shí)——以及對(duì)未來治愈它的希望——都在增長(zhǎng)。

來源：36kr