基因突变中那些“披着狼皮的羊”

来源:达伦·霍普

正常人的基因中大约有54个突变，这似乎使他们的携带者生病或死亡。然而，他们没有。索尼娅·瓦拉布希望178N就是这样一个突变。

2010年，瓦拉布看着她的母亲死于一种叫做致命家族性失眠的神秘疾病。患病后，错误折叠的朊病毒蛋白会聚集在一起并摧毁大脑。第二年，瓦拉布被检测出PRNP病毒的一个拷贝，该病毒携带与可能导致其母亲疾病的D178N突变相同的基因“故障”。这是一个名副其实的死刑判决:平均发病年龄是50岁，而且疾病恶化得非常快。然而，这并不是那时只有26岁的瓦拉布不战而降的结论。为此，她和丈夫埃里克·米尼克尔分别放弃了法律和交通咨询领域的职业，成为生物学专业的研究生。他们的目标是了解致命的家族性失眠的一切，以及可能采取的预防措施。最重要的任务是找出D178N突变是否确实导致了疾病。

几年前，很少有人提出这样的问题。然而，医学遗传学近年来经历了一些“自我反思”。自本世纪初以来，基因组研究的快速发展使得相关文献中充满了数以千计的与疾病和残疾相关的基因突变。尽管许多这样的关联被很好地记录下来，但是研究表明，大量曾经被认为是危险的甚至是致命的突变是无害的。多亏了外显子聚合数据库(ExoC)，迄今为止最大的遗传学研究之一，这些“披着狼皮的绵羊”的面具被揭开了。

中间件云服务器是一个简单的概念。它将60，000多人的基因蛋白质编码区序列，即外显子整合到一个数据库中，使科学家能够比较它们并了解它们的变异程度。然而，这个资源库对生物医学研究有很大的影响。除了帮助科学家消除各种错误的疾病基因关联，它还产生新的发现。通过更仔细地研究不同群体的突变频率，研究人员进一步了解了许多基因的功能以及它们的蛋白质产品是如何工作的。

因挫折而生

艾萨克生于挫折。2012年，遗传学家丹尼尔·麦克阿瑟开始在波士顿的马萨诸塞州总医院(MGH)建立自己的实验室。他想发现导致罕见肌肉疾病的基因突变，需要两样东西:患有这种疾病的病人的基因组序列和没有患这种疾病的人的基因组序列。如果突变在某些疾病患者中比在健康对照中更常见，那么有理由相信突变是一个可能的原因。

问题是麦克阿瑟无法从未感染人群中找到足够的序列。他需要很多外显子。与此同时，尽管研究人员已经进行了大量的外显子测序，现有的数据集仍然不够大。没有人将足够多的数据集整合到一个标准化的资源库中。

为此，麦克阿瑟开始让同事们与他分享他们的数据。他非常适合这项任务:他很早就开始使用社交媒体，他生动有趣的博客文章和犀利的推特信息让他在年轻科学家中享有不同寻常的声望和权威。麦克阿瑟还在马萨诸塞州剑桥的布罗德研究所工作，该研究所是基因组测序的“重镇”。他说服研究人员与他们分享数万个外显子的数据，其中大部分或多或少与布罗德研究所有关。

剩下的工作是分析数据，但这不是一个简单的任务。尽管基因已经被测序，原始数据被各种软件分析，包括一些过时的软件。如果某个集合中的某个人显示出罕见的突变，这可能是真的，也可能是不同程序判断所包含的碱基是A、C、T还是G时，不同识别模式导致的人工产物。麦克阿瑟需要对这个庞大的数据集进行标准化。虽然布罗德研究所开发了基因组识别软件，但它无法处理数据库云服务器中包含的大量数据。为此，麦克阿瑟团队与该研究所的程序员密切合作，测试软件并扩展其功能。"这是非常可怕的18个月。"麦克阿瑟回忆道，“我们遇到了我们能想到的每一个障碍，我们经常无事可做。”

重塑对遗传风险的理解

在这一切发生的同时，瓦拉布在2013年4月学习了如何使用MGH干细胞，而米尼克尔在学习生物信息学。米尼克尔在午餐时见到了麦克阿瑟，并向瓦拉布解释了他对健康人群中是否存在D178N的好奇。米尼克尔承认他有点被麦克阿瑟的名气所吸引。“我在想，如果他能花半个小时思考我的问题，这可能是整个月对我来说最重要的事情。”迷你克尔上楼去了麦克阿瑟的实验室。在这里，生物信息学科学家Monkol Lek搜索了到目前为止分析的ExAC数据——大约20，000个外显子。他们在瓦拉布没有发现突变。这不是一个好消息，但是对进一步探索这些数据持乐观态度的米尼克尔加入了麦克阿瑟的实验室。

2014年6月，麦克阿瑟团队及其合作者获得了60，706人的外显子数据集。这些人代表不同的种族群体，符合特定的健康标准。同年10月，该团队在加州圣地亚哥举行的美国人类遗传学学会年会上发布了ExAC。很快，研究人员和医生意识到这些数据可以帮助他们重塑对基因危害的理解。

许多与疾病相关的研究，尤其是近年来的研究，已经确定突变是致病的。这仅仅是因为分析患有某些疾病的人的科学家已经发现了看起来像是罪魁祸首的突变，但是在健康人身上却没有发现。然而，也有可能研究人员没有仔细搜索或者没有分析合适的人群。基本的“健康”遗传数据通常主要来自欧洲血统的人，这可能导致结果的偏差。

今年8月，麦克阿瑟的团队在《自然》杂志上发表了一篇对ExAC数据的分析。研究发现，许多被认为有害的突变可能并不有害。在一项分析中，该小组确定了192种变异，这些变异以前被认为是致病的，但最终被证实是相对常见的。科学家们回顾了关于这些变异的文章，以便找到可信的证据，证明它们确实会导致疾病，但只有9种变异有确凿的证据。根据美国医学遗传学和基因组学会制定的标准，大多数变异实际上是良性的，许多变异被重新归类为良性变异。

成为医学遗传学的标准工具

ExAC正在悄悄地成为医学遗传学的标准工具。今天，世界各地的临床实验室在告诉患者他们基因组中的某个特定“错误”可能导致疾病之前，都会对ExAC进行审查。如果这种突变在ExAC中很常见，它就不会是有害的。国家人类基因组研究所的遗传学家莱斯利·比尔塞克说，他的实验室在日常病人护理中使用了ExAC。"这是我们在研究每种变体时需要考虑的一个关键因素."

ExAC还证实了果尔德施坦因和其他研究人员反复表达的观点，即无法将亚洲、非洲、拉丁美洲和其他非欧洲血统的人包括在内，通过限制对人类基因多样性的观察，阻碍了对基因如何影响疾病的理解。目前，科学家们已经推动将代表性不足的群体纳入到项目中，如美国精确医学项目，该项目将大规模人群的遗传学与健康信息联系起来。

对于瓦拉布和明克尔来说，尽管ExAC提供了令人沮丧的确认信息，但它也提供了一些有希望的见解。米尼克尔的研究发现，ExAC中的三个人携带的突变应该会使朊病毒基因的两个拷贝中的一个沉默。如果它们能在有限数量的活性蛋白质下存活，它们可能能生产出一种药物，使瓦勒巴的缺陷蛋白质沉默，从而防止朊病毒蛋白的积累和疾病的发展，而不会引起危险的副作用。米尼克尔和其中一人取得了联系。他住在瑞典，并同意捐赠一些细胞用于研究。目前，米尼克尔和瓦拉布已经加入了布罗德研究所生物化学家斯图亚特·施赖伯的实验室。在那里，他们正在尽最大努力寻找治疗朊病毒疾病的药物。(宗华编译)

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