定向深度测序技术让致病突变无处可逃

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今年8月，美国波士顿儿童医院的研究人员对158名脑部畸形患者的脱氧核糖核酸进行了深入检查，这些患者的病因在一项研究中无法通过临床基因测试得到证实。在高灵敏度测序的帮助下，研究小组发现了8种致病基因突变，它们只发生在每个人细胞的一小部分。它们对于传统的基因诊断测试来说太小了。

这种细胞基因变异，也称为嵌合突变，存在于每个人的身体中，并且早已为人所知。然而，基因技术现在使得“捕获”存在于少数细胞中的特定突变成为可能。10月，美国国家卫生研究院(NIH)将开始审查旨在发现脑组织基因变异的资金申请，这可能有助于解释一些神经精神疾病。与此同时，随着研究人员发现更多的嵌合突变病例，他们想知道有多少基因相关的原因仍然是看不见的，即使面对最好的临床试验。

过去，对遗传病的研究一直集中在从生殖细胞系遗传的突变上，这种突变被认为是携带者父母或卵子和精子形成过程中遗传错误留下的“遗产”。一旦胚胎开始发育，每次细胞分裂都会出现遗传错误。国立卫生研究院国家基因组研究所的遗传学家莱斯利·比塞克说，由于细胞随后会增殖并扩大其突变，每个身体都成为“微型进化测试场”具有特定突变的细胞数量取决于这些突变何时何地发生，以及它们如何改变细胞功能。这些突变中有许多是良性的，但有些会导致疾病。

导致疾病的嵌合突变的系统研究刚刚开始。比塞克说，这种现象在某些情况下是显而易见的。例如，对于多骨纤维营养不良，异常细胞可以通过人皮肤上的斑块或形状来表达。然而，任何基因疾病都可能与嵌合突变有关。研究表明，嵌合突变可以在多种条件下发生，从多种骨纤维营养不良到血友病和心律失常。

在一些疾病中，如唐氏综合征，嵌合突变产生的症状比影响全身细胞的突变少。也有由大脑过度发育引起的大头综合症。胚胎突变总是致命的。根据一项新的研究，即使是少量的突变细胞也足以引起损害人们身心健康的症状。

找到这些罕见的突变并不容易。为了检测一个特定的基因或一个完整的基因组，研究人员通常从大量的细胞中提取DNA，然后对它们进行多次测序。根据这些重复的序列，测序仪将基本上就DNA链上每个碱基的可能同一性达成一致。

为了检测普通基因组中的突变，研究人员必须增加已确定的序列数量。然而，尽管脱氧核糖核酸测序变得快速而廉价，但在测序覆盖范围(在基因组中测量多少个碱基)和深度(在基因组中测量每个碱基的次数)之间有一个权衡。波士顿儿童医院的神经学家和遗传学家克里斯托弗·沃尔什说，在全基因组测序中，通常要测量50到60次。仅在一小部分被测序列中发生的突变将被认为是序列发生器固有错误率的一部分，而不是被采样细胞之间DNA序列的真正差异。

这是沃尔什和他的同事最近在研究大脑异常患者时所做的。导致大脑畸形的已知遗传因素没有一个出现在标准临床试验中。然而，对几个候选基因区域平均进行300次深度测序，使得研究小组能够识别被误认为测序错误的突变。在这8个突变中，有5个只出现在非常少的细胞中，因此它们不能被传统的桑格DNA测序检测到，这仍然是验证突变的“黄金标准”。8月，研究小组在《新英格兰医学杂志》上发表了相关结果。沃尔什说，深度测序可能最终使科学家能够发现隐藏在一些慢性神经疾病背后的基因嵌合突变，如精神发育迟滞和自闭症。

寻找嵌合突变的其他研究人员正在寻求一种更敏感和更有针对性的方法，即基于聚合酶链式反应(PCR)的方法，这种方法可以检测存在于不到1%细胞中的突变。这种类型的测试将只显示它在设计时指向的单一突变，而不是特定基因的所有突变。然而，在最近一项对患有遗传病的儿童的健康父母的研究中，一种类似的聚合酶链反应方法被证实显示出许多突变。

起初，这些父母的基因突变被检测为阴性，而在孩子的所有细胞中检测到突变。然而，领导这项研究的贝勒医学院的遗传学家Pawel Stankiewicz说，在4%的病例中，少量的亲代细胞含有突变，这也可能发生在卵子或精子中。该结果发表在7月份的《美国人类遗传学杂志》上。然而，当基因实验室测试这些父母，看他们是否是疾病的基因携带者时，通常不可能对生殖细胞系组织取样。斯坦科维兹说精子测序是不切实际的，而获取卵子需要侵入性活检。为了更准确地为家庭提供指导，实验室需要更复杂的测试。

然而，像沃尔什和贝勒医学院团队使用的高灵敏度测序方法在大学实验室和研究医院之外并不常见。沃尔什解释说，部分原因是确认一个很少在DNA样本中发现的序列是真正的致病突变而不是测序错误非常复杂和耗时。与此同时，随着目前基因组测序的深入，人们对一系列已知候选基因或特定突变的关注越来越少，研究人员不得不局限于他们已经对遗传因素了解更多的疾病。沃尔什预测，DNA检测技术的改进将最终导致对嵌合突变的更广泛的研究。(燕杰)

《中国科学日报》(2014-10-08第三版国际版)

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