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高通量测序和产前组学:先进的诊断和对人类发展的新见解

2018-7-31| 编辑: 小桔灯网| 查看: 526| 评论: 0|来源: 基因检测与解读丨作者:基因游侠

摘要: 背景介绍最近基因组学进入围产医学的应用爆发已经彻底改变了产前诊断和胎儿医学,携带胎儿结构性出生缺陷的所有女性均接受羊膜穿刺术或绒毛膜绒毛取样的诊断检测。以前,接受诊断检测的女性仅限于接受G带核型,2012 ...



背景介绍

最近基因组学进入围产医学的应用爆发已经彻底改变了产前诊断和胎儿医学,携带胎儿结构性出生缺陷的所有女性均接受羊膜穿刺术或绒毛膜绒毛取样的诊断检测。以前,接受诊断检测的女性仅限于接受G带核型,2012年,Wapner等人发现在胎儿异常情况下,使用染色体微阵列芯片(CMA)超过标准核型分析提高了6%的诊断率。这项研究改变了产前诊断的临床实践,因为当诊断出胎儿异常时,所有女性现在都被提供CMA检测。在CMA检测结果仍为阴性的情况下,现在大家把注意力转向产前全外显子组测序的临床效用。外显子组的改变导至大多数单基因疾病,现在可以在特定病例中提供研究性质的产前全外显子测序(WES),而有些机构已经在临床上直接提供产前WES。由于当前难以解释基因组的内含子区域,全基因组测序虽然在科研中有所触及,但尚未在临床上应用。最后,使用RNA-seq来查询整个转录组,有望为妊娠期人类发育提供新的见解,并通过母体无浆细胞RNAcfRNA)无创地监测胎盘功能的新机会。

 

WES:应用于临床异常胎儿

先天性异常影响2-4%的所有婴儿,并导至20.4%的围产期死亡。目前,产前诊断仅限于超声检查,然后是标准核型分析和对羊膜细胞或绒毛膜绒毛进行微阵列检查(CMA)。虽然微阵列分析(CMA)提高了标准核型分析的诊断能力,70-80%具有正常核型的异常胎儿也具有正常的微阵列检测结果,因此这些胎儿仍然没有获得明确的诊断。WES现在已在疑似遗传病的成人和患有畸形特征和发育迟缓的儿科患者常规进行检测,诊断率约为30%。WES直到最近才应用于产前羊膜穿刺术和绒毛膜绒毛取样的直接胎儿标本。产前WES能够在标准基因检测(核型,微阵列和靶向PANEL)未能揭示诊断的特定病例中鉴定出致病原因。然而,尽管产前样本的全基因组和外显子组测序的技术没有问题,其仍然需要侵入性程序,而这伴随流产的风险。事实上,当分析基因组的蛋白质编码区时,只有28%不能丧失功能的基因具有与人类疾病表型相关的已知功能,甚至更少的基因在产前具有表型。许多对人类发育至关重要的基因尚未得到科学发现,出生缺陷和复发性流产的原因在很多时候是未知的,因此许多家庭对未来怀孕的复发风险存在很大的不确定性。

 

根据已发表的多个文献,显示WES在进行广泛分子诊断方面的效用存在很大的差异(6.2-57.1%)。

 

 

由于样本的选择偏倚,需要进行前瞻性研究以确定是否在更大的样本队列中观察到如此高的诊断率,最近在英国队列中以406个具有各种胎儿结构异常(具有正常核型和CMA结果)的胎儿的摘要中呈现前瞻性数据,所有样本进行trio WES寻找致病变异,这些数据显示整体诊断率为6.2%。同样,在具有各种结构异常的前瞻性美国队列中,7.7%(13/168)获得了了WES的分子诊断。在具有多系统异常的胎儿中更容易找到致病性/可能致病性变异(英国队列中16%和美国队列中15.9%)。在具有孤立异常(包括脑畸形)的胎儿中,较难获得明确诊断。随着有关产前WES诊断能力的更多信息,将该技术纳入临床实践的具体应用场景与策略需要进一步研究。最大的挑战涉及变异的解读和测试前后的遗传咨询。

 

图1 产前测序的特别考虑因素

 

在选择其他诊断方法无法获得诊断的产前病例中,提供WES可能是合适的。此类病例的实例包括使用核型和微阵列的标准基因检测是正常的,复发性或多发性先天性异常。产前WES在父母为近亲结婚或基因芯片显示胎儿为UPD时也是合适的。如果胎儿呈现的疾病是高度遗传异质性的,WES也可能比使用靶向PANEL测序更具成本效益。

 

 

图2 产前外显子组测序选择策略和变异解读的方法

 

针对不同疾病的针对性PANEL

在结构异常具有良好表征的表型时,替代WES的另一种方法是特异性PANEL,有许多研究显示这种方法的临床成功应用,与WES相比,PANEL具有更高的性价比,更短的周转时间和更易获得。缺点是许多产前表型没有很好地描述,因为在许多情况下仅通过超声鉴定表型是有限的。

 

利用WES发现新致病基因

产前使用WES让科学家们产生了发现人类发育至关重要的基因的兴趣。一些作者通过使用产前WES鉴定了新的候选基因,并证明了使用极端的产前表型进行基因新发现的效用。这些作者认为,在对极端产前表型进行测序时,可能在具有直系同源胚胎致死动物模型中得到验证。为了增加对基因因果关系的信心,建议使用动物模型进行跨物种表型分析,并使用体内和体外动物模型进行功能研究,以验证该基因在胚胎发育中的作用。

 

使用产前WES发现新候选基因的实例包括发现KIF作为胎儿血管性痴呆和acrocallosal综合征的致病原因,两种多重畸形病症具有重叠特征,包括多指畸形,脑异常和腭裂。Putoux等利用纯合子比对和靶向测序的组合来鉴定四个亲缘亲本胎儿的截短变体,并在八个散发的胎儿中发现相同基因的不同截短变体。然后该基因在斑马鱼中建模并且斑马鱼结果与作者的假设一致,即该基因参与纤毛功能,因为结果显示KIF影响了sonic hedgehog通路。托马斯等人使用相同的方法将TCTN3鉴定为orofaciodigitalOFD)综合征IVMohr-Majewski综合征)的致病基因。

 

产前WES鉴定了极端产前表型的其他新候选基因,包括以下疾病(1)短肋多指征综合征(WDR60);(2)出现宫内生长受限,严重小头畸形,肾囊性发育不良/发育不全,复杂脑和泌尿生殖系统畸形的综合征(KIF14);(3)极端小头畸形(MKL2)。(提前预告:上海寻因与上海福君即将推出助力临床发现新基因活动,敬请期待!

 

一个主要挑战是目前没有共享的产前数据库,其中包含基因型和表型信息。 如果存在多个具有基因型/表型相关性的家族,共享数据库将使研究人员能够搜索相似的表型并增加追求新基因发现功能研究的信心。与ClinGenMatchmaker等产后数据库类似,鼓励进行产前测序的研究人员将所有数据存入共享的匿名数据库,目前,不存在可以存放和公开分享产前基因型/表型的数据库,但资助机构应该考虑这种资源对科学界的重要性并优先考虑其创建。

 

产前表型的扩充

产前WES将不可避免地扩充以前未在产前阶段描述的表型。例如,Vora等确定了头皮耳乳头综合征(KCTDN1)的胎儿表现,最近发现了由WDR81基因致病变异引起的小脑性共济失调,精神发育迟滞和不平衡综合征2的产前表现。产前表现包括发育不全的小脑,异常的小脑延髓池,Arnold-Chiari畸形,脐膨出,大拇指,囊性水肿和腹水。用产前WES鉴定这些变异代表该疾病进入产前期的表型扩充。 值得注意的是,最近描述了这种综合征的另一个产前病例,其中通过外显子组测定终止妊娠,发现患有脑积水和全脑畸形的胎儿具有纯合的Gly282Gly WDR81致病变异。这些病例说明了产前WES的能力,以阐明出生后诊断的综合征在产前的临床表型

 

产前WES的挑战

与产前WES相关的多个挑战包括(1)有限的产前表型信息,(2)变异解释的困难,(3)咨询困境,(4)当前的高成本,以及(5)缺乏具有遗传学专业知识的提供者以提供充分的咨询和知情同意。表型分类通常仅基于产前超声和/或胎儿磁共振图像MRI结合,准确的基因型-表型相关性是改善产前诊断的基础,但单独使用超声检查的胎儿表型分析限制了产前WES的使用,因为胎儿期表型通常不完全发育,因此,使用胎儿尸检对胎儿进行畸形和病理评估至关重要。当与胎儿尸检和使用各种方式的产前成像相结合,形态学检查对于准确的表型分类非常有益,这可以提高我们识别致病变异的能力。

 

产前全基因组测序

全基因组测序(WGS)已应用于选择的部分科研产前病例以显示可行性,但由于难以解释基因组的内含子/调节区域而未在临床上应用。然而,WGS提供了对所有外显子的完全覆盖,而WES在某些编码外显子的不充分覆盖,此外WGS还能更准确地检测拷贝数变异(CNV)、结构变异(SV)以及动态突变。最近的研究报告称,WGS可以检测到WES缺失的蛋白质编码变异,这些变异占总变异的3%。 例如,WGS研究发现自闭症的编码和非编码区域存在更多的致病变异。WGS的临床应用有多种挑战,包括如何应用这项技术来改善产前护理以及如何快速解释大型数据集。

 

RNA-seq部分略过,感兴趣的朋友可以看原文。

 

游侠点评

全外显子测序在产前的应用是一个全新的领域,特别适合那些先天多发畸形而基因芯片正常的患儿,考虑到胎儿表型的不确定,推荐trio WES。随着全外测序的价格越来越低,产前应用WES是迟早的事情,对于第三方检测机构来说是个不错的机遇,但是相对儿科而言,风险也更大一些,在前期阶段,收集好临床表型与致病基因的相关性,在后期的市场竞争中会有很大的技术优势。对于科研来说,毕竟是新领域,也是容易发文章的,发现新候选致病基因或扩充已知疾病的产前临床表型都是不错的科研思路



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