图片来自Genome England网站

Georgia的故事

Georgia一岁时，父母发现她的健康问题接踵而至：除了身体和精神发育迟缓，她还因为患有眼疾而影响视力，肾脏无法正常工作，语言发育也有障碍，他们甚至不知道Georgia是否能说话。传统的遗传基因检测一无所获，医生也束手无措。

在得知英国政府启动十万人基因组计划后，Georgia的父母迫不及待地申请参加，Georgia接受了全基因组水平的检测。在差不多一年后，Georgia的母亲接到了来自遗传学家Maria Bitner-Glindzicz的电话，他们找到了一个基因突变，很可能与Georgia的疾病相关，Georgia第一次得到了明确的分子诊断。

这是英国十万人基因组计划帮助的罕见病患者的其中一例。

奥巴马版精准医疗计划提出已经有一周年，当人们都在热议百万人基因组、癌症治疗的进展时，有一个重要的方向，那就是遗传病（罕见病中的绝大部分）却被忽视。事实上，在提出精准医疗计划时，奥巴马举了三个例子，其中第一个就是以欧裔中发病率最高的罕见病：“囊泡纤维化”作为例子，他的智囊团还精心安排了一位27岁的患者Bill Elder，作为第一夫人Michelle的客人出席了演说会，以表示这一事件的重要性。

为什么美国和英国这两个世界科技发达的国家要启动如此大型的计划来研究罕见病，这对我们的未来又有何影响？

罕见病不罕见

不管是按照任何一种定义，罕见病看似发病率都很低，但是实际上，如果我们把所有罕见病发病率加在一起，并用全球人口基数看，那是一个很大的数字。按照“国际基因计划”（The Global Genes Project）的估算，全球约有3亿人口受罕见病影响，这一数字相当于美国人口总和!

测序技术与罕见病的诊断

对于任何疾病而言，明确的诊断都是治疗的前提，罕见病之所以难以诊治，诊断和治疗手段同时缺乏是非常重要的原因。在美国一个罕见病患者得到最终明确诊断的平均时间需要5年，就是因为诊断方法的缺失，而相对治疗，诊断方法的缺失是最有可能快速解决的。为什么这么说呢？

既然罕见病中相当大部分是遗传病，那么遗传病的诊断技术应该可以解决罕见病的诊断问题。虽然遗传病的诊断也并非易事，但技术的飞速发展创造了可能。

1、DNA测序是遗传病诊断的金标准

遗传病既然是由遗传物质发生改变引起的，那么检测遗传物质的变化肯定是最直接有效的办法。DNA是主要的遗传物质，那么对DNA进行测序，了解DNA排列顺序的变化就是了解遗传变异的最好方法。

26年前著名的“人类基因组计划”，就是对人类的“标准”基因组DNA进行测序的计划，按照美国精准医疗协作组的工作报告，该计划花费来自六个国家的科学家十年的时间和42亿美金。所使用的技术，就是现在人们称为“传统测序技术”的Sanger测序技术。

Sanger测序的基本原理

Sanger测序技术到现在，依然是遗传病诊断的金标准。但是，因为人的基因组有30亿个碱基，而致病突变理论上可能发生在任何一个位置，但一次Sanger测序只能检测1000个碱基，因此，Sanger测序之前，要首先“猜”疾病所在的基因，缩小范围，然后通过Sanger测序进行猜想的验证。并且，对于低频的嵌合体问题，Sanger测序也无法应付。

2、高通量测序是革命性的新一代技术

高通量测序技术又称“下一代”测序技术（NGS），单次能对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定。目前的高通量测序技术，已经可以在三天内完成一个人的基因组测序，并且在数小时内完成数据解读。它的出现，让全基因组水平鉴定可能的致病突变成为现实。

2010年，用NGS外显子测序方法，Ng博士对一个米勒综合征（Miller syndrome)的家系进行了测序，米勒综合征是一种罕见的疾病，主要影响面部和四肢的发育，研究发现了米勒综合征的致病突变基因：DHODH，从而开启了通过NGS外显子测序进行单基因遗传病检测的序幕。

米勒综合征患者

基因检测不止可以帮助诊断，也可能给治疗提供信息。

2009年，一名叫Alexis Beery的美国女孩得了很严重的咳嗽症。她日夜咳个不停，有的时候，甚至会咳得呕吐。对这种情况，医生们完全没有头绪，只能给她注射肾上腺素类的药物，让她可以呼吸。

图为Alexis一家

Alexis和她的双胞胎弟弟Noah患有一种罕见的遗传病：多巴反应性肌张力失常(Dopa-responsive dystonia, DRD)。不过长期以来，他们的疾病都被控制得很好，所以当Alexis突然出现咳嗽和呼吸困难等症状时，医生并不认为这是由DRD引起的。

来自贝勒医学院Bainbridge等利用全基因组测序的方法，实现了对Alexis和Noah的DRD的诊断，将该病定位为SPR基因编码的墨蝶呤还原酶活性问题。SPR基因突变导致四氢生物蝶呤合成减少，四氢生物蝶呤是羟化酶的辅因子，是合成神经递质多巴胺和5-羟色胺所必需的。

从分析结果出发，医生开出了补充5-羟色胺的前体左旋多巴胺的治疗方案，达到了改善Alexis和Noah的临床治疗效果的目的。这一成果发表在2011年的《科学》杂志子刊《转化医学》杂志上。

3、NGS测序诊断嵌合体遗传病有优势

我们身上每个细胞的基因不是完全一样的。在遗传学中，嵌合体是指两个或两个以上的不同基因型的细胞群体同时存在于从一个受精卵发育来的一个个体。遗传嵌合体或嵌合体（ chimerism or chimera）是生物体由从不同的卵细胞融合成单个个体。

从染色体通常分为染色体嵌合体和基因嵌合体，染色体嵌合体很早就被人们熟知，通过核型分析等方法较容易检测到。而基因水平的嵌合体由于很多时候出现在一个组织，或者突变细胞含量低，在传统测序中很难被发现，这也是高通量测序优势所在。

图片来自 Garland Science

笔者曾经参与过一些遗传病的诊断，通过Sanger测序不易发现的突变，通过全基因组NGS测序则可发现，细胞嵌合比例在9%左右，但是实际上病人已经发病。

用基因组技术揪出罕见病元凶

在人类基因组测序成本已经降低到1000美元，一个人的全外显子测序仅需要数百美元之际，2012年时英国启动了十万人基因组计划，计划对来自7万人的10万个基因组进行测序，研究对象就是罕见的遗传病人及其家属，以及癌症病人。

2015年十月，十万人基因组协作组在《自然》杂志发表了第一篇文章，对十万人基因组开始阶段的4000人数据进行了总结，采用的技术是外显子测序和低覆盖度的全基因组测序，基本上确定了十万人基因组计划的技术路线图，也就是确定了用于罕见病遗传检测的技术路线图。

如果说2009年Ng等的论文只是打开了基因组学研究人类罕见病的大门，那么英国的十万人基因组计划，已经形成了通过全基因组和全外显子检测罕见病的工作流程，这相当于一个检测罕见病的“流水线”已经搭建完成，通过标准的基因组测序，结合家系分析，快速完成遗传病的检测已经称为现实。明确诊断是治疗的前提，即便目前没有治疗手段，也可能避免病人由于诊断不明确而造成的过度治疗。
 

写在最后

有人说，每个罕见病患者都是上帝留在人间的天使，这句话在基因组研究者眼里尤其准确。罕见病患者是人类了解生命法则的天然研究对象，而通过这些研究也能让罕见病患者获益。

在基因组研究技术飞速发展的今天，在“精准医疗”概念已经深入人心的今天，我们希望每一个罕见病患者都从中获益。我们相信在人类对罕见病发病机制的认识基础上，随着基因组测序技术和基因组编辑技术发展成熟，大部分罕见病得以“根治”的一天终将到来！
 

参考资料

1.http://www.genomicsengland.co.uk/first-children-recieve-diagnoses-through-100000-genomes-project/

2.Ng, S. B., et al. (2009). "Targeted capture and massively parallel sequencing of 12 human exomes." Nature 461(7261): 272-276.

3.Ng, S. B., et al. (2010). "Exome sequencing identifies the cause of a mendelian disorder." Nat Genet 42(1): 30-35.

4.Bainbridge, M. N., et al. (2011). "Whole-genome sequencing for optimized patient management." Sci Transl Med 3(87): 87re83.

5.Consortium, U. K., et al. (2015). "The UK10K project identifies rare variants in health and disease." Nature 526(7571): 82-90.

6.Strachan, Tom; Read, Andrew P. (1999). "Glossary". Human Molecular Genetics (2nd ed.). New York: Wiley–Liss

7.Rohlin, A., et al. (2009). "Parallel sequencing used in detection of mosaic mutations: comparison with four diagnostic DNA screening techniques." Hum Mutat 30(6): 1012-1020