基因突變中那些「披著狼皮的羊」 很多「致命性」基因突變正在被證實無害

圖片來源：Darren Hopes

在正常人的基因里潛伏著約54個看上去好像應該會令其攜帶者生病或死亡的突變。不過，它們並沒有。Sonia Vallabh希望，D178N是這樣一個突變。

2010年，Vallabh看著她的母親死於一種被稱為致死性家族失眠症的神秘疾病。患上該疾病後，錯誤摺疊的朊病毒蛋白會集中在一起並摧毀大腦。次年，Vallabh被檢查出攜帶朊蛋白基因PRNP的一個拷貝，而該拷貝擁有和可能引發其母親所患疾病的D178N突變相同的基因「故障」。這是名副其實的死刑判決：平均發病年齡為50歲，並且病情惡化得非常快。然而，這並非當時僅有26歲的Vallabh不用抗爭便會乖乖就範的判決。為此，她和丈夫Eric Minikel分別放棄了在法律和交通諮詢領域的事業，並成為生物學專業的研究生。他們的目標是了解關於致死性家族失眠症的一切事情以及可能採取何種措施阻止它。最重要的一項任務是弄清楚D178N突變是否明確引發了該疾病。

在若干年前，很少有人會提出這樣一個問題。不過，近年來，醫學遺傳學經歷了一些「自我反省」。自本世紀開始以來，基因組研究的快速發展使相關文獻充滿了上千個同疾病和殘疾相關的基因突變。雖然很多此類關聯證據確鑿，但研究表明，大量曾被認為危險甚至致命的突變是無害的。多虧了迄今開展的最大規模遺傳學研究之一 ——「外顯子組聚合資料庫」（ExAC），這些「披著狼皮的羊」的面具正在被揭開。

ExAC是一個簡單的概念。它將來自6萬餘人的基因組蛋白編碼區，即外顯子組的序列整合進一個資料庫，使科學家得以比較它們並了解它們的變異程度。不過，該資源庫正在對生物醫學研究產生巨大影響。除了幫助科學家剔除各種假的疾病—基因關聯，它還在產生新的發現。通過更加仔細地探究不同人群的突變頻率，研究人員進一步了解了很多基因所做的事情以及它們的蛋白產品如何發揮作用。

在挫敗中誕生

ExAC在挫敗中誕生。2012年，遺傳學家Daniel MacArthur開始在位於波士頓的馬薩諸塞州總醫院（MGH）建立自己的實驗室。他想發現導致罕見肌肉疾病的基因突變，並且需要兩樣東西：此類疾病患者的基因組序列以及未患有這些疾病的人們的基因組序列。如果和健康的對照組相比，一個突變在患有某種疾病的人群中更加常見，那麼便有理由認為，該突變是一個可能的病因。

問題在於，MacArthur無法找到來自未患病人群的足夠序列。他需要很多外顯子組。與此同時，儘管研究人員對外顯子組進行了大批量測序，但現有數據集還是不夠龐大。沒有人將足夠多的數據集整合成一個標準化的資源庫。

為此，MacArthur開始讓同事與其共享他們的數據。他很適合這項任務：很早便開始使用社交媒體，生動有趣的博客文章和尖刻的推特簡訊則使其享有對年輕科學家來說不同尋常的受歡迎程度和權威性。MacArthur還在基因組測序的「重鎮」——馬薩諸塞州劍橋布羅德研究所任職。他說服研究人員與其共享來自上萬個外顯子組的數據，而大多數人都或多或少地同布羅德研究所存在關聯。

剩下的全部工作是分析數據，但這並不是一項簡單的任務。儘管基因已被測序，但原始數據是利用各種軟體進行分析的，包括一些過時的軟體。如果一個集合中有人表現出罕見突變，它可能是真的，或者可能是各種程序在判斷所含鹼基是A、C、T還是G時因識別方式不同而導致的人工產物。MacArthur需要對這個龐大的數據集進行標準化。雖然布羅德研究所開發出基因組識別軟體，但其無法應對ExAC包含的海量數據。為此，MacArthur團隊同該研究所程序員密切合作，對軟體進行了測試並且擴展了它的能力。「那是異常恐怖的18個月。」 MacArthur回憶說，「我們遇到了能想得到的每個障礙，並且經常一籌莫展。」

重塑對遺傳危險的理解

當這一切正在進行時，2013年4月，Vallabh正在學習如何利用MGH的幹細胞，而Minikel在研究生物信息學。Minikel在吃午飯時遇到了MacArthur，並且解釋了他和Vallabh關於D178N是否在健康人群中存在的好奇心。Minikel承認自己有點被MacArthur的名氣吸引。「我在想，如果能讓他花半個小時思考我的問題，這或許將成為我整個月里最重要的事情。」 Minikel夫妻上樓，來到MacArthur的實驗室。在這裡，生物信息學家Monkol Lek搜索了迄今被分析過的ExAC數據——約2萬個外顯子組。他們並未發現Vallabh的突變。這不是個好消息，但對進一步探究這些數據持有樂觀態度的Minikel加入了MacArthur的實驗室。

2014年6月，MacArthur團隊及其合作者擁有了來自60706人的外顯子組數據集。這些人代表了各個族群，並且符合特定的健康門檻。當年10月，該團隊在於加州聖地亞哥舉行的美國人類遺傳學協會年會上發布了ExAC。很快，研究人員和內科醫生意識到，這些數據能幫助他們重塑對遺傳危險的理解。

很多疾病關聯研究，尤其是近年來的研究，將突變認定為具有致病性。這僅僅是因為對患有某種疾病的人群進行分析的科學家發現了看上去像是罪魁禍首的突變，但並未在健康人群中發現它們。不過，還有可能研究人員沒有認真尋找，或者未對合適的人群進行分析。基礎的「健康」遺傳數據往往主要來自歐洲後裔人群，而這會導致結果出現偏差。

今年8月，MacArthur團隊在《自然》雜誌上發表了對ExAC數據進行的分析。研究發現，很多被認為有害的突變可能並非有害。在一項分析中，該團隊辨認出192個此前被認為具有致病性但最終證實相對常見的變異體。科學家回顧了關於這些變異體的文章，以便尋找它們實際上會引發疾病的可信證據，但只發現了針對9個變異體的確鑿證據。根據美國醫學遺傳學與基因組學學會設定的標準，大多數變異體其實是良性的，而且很多已被重新歸類為良性變異體。

成為醫學遺傳學標準工具

ExAC正在悄然成為醫學遺傳學的標準工具。如今，全世界的臨床實驗室在告訴病人基因組中的某個特定「故障」可能導致其生病前，都會先檢閱一下ExAC。如果該突變在ExAC中很常見，它不可能是有害的。美國國家人類基因組研究所遺傳學家Leslie Biesecker表示，他的實驗室在每天的病人護理中都會用到ExAC。「它是我們在研究每個變異體時要考慮的關鍵因素。」

ExAC還證實了Goldstein和其他研究人員多次闡明的一個觀點：無法將來自亞洲、非洲、拉丁美洲和其他非歐洲血統的人群包括在內，正通過限制觀察人類基因的多樣性，妨礙著對基因如何影響疾病的理解。目前，已有科學家推動將代表性不足的群體包括進諸如美國精準醫學計劃等規劃中的將遺傳學和大規模人群的健康信息聯繫起來的研究。

對於Vallabh和Minikel來說，雖然ExAC提供了令人沮喪的確認信息，但也提供了一些有希望的見解。Minikel的研究發現，ExAC中有3人攜帶著應當會使朊蛋白基因兩個拷貝中的其中一個沉默的突變。如果他們能在發揮作用的蛋白數量有限的情況下活下來，或許能生產出一種令Vallabh體內的缺陷蛋白沉默的藥物，從而在不產生危險的副作用的情況下防止朊蛋白累積和疾病惡化。Minikel同其中一人取得了聯繫。他生活在瑞典，並且同意捐獻一些細胞用於研究。目前，Minikel和Vallabh加入了布羅德研究所生物化學家Stuart Schreiber的實驗室。在那裡，他們正竭盡全力地尋找治療朊蛋白疾病的藥物。

本公眾號由中國科學院微生物研究所信息中心承辦

微信公眾號：中國生物技術網

TAG:中國生物技術網 |

※那些罕見的基因突變病歷
※那些令人罕見的基因突變病歷
※什麼是基因突變 基因突變的生物長什麼樣
※這些基因突變可能是被冤枉的
※基因突變不是啥好事兒：直接讓人變笨
※雙頭怪魚最近很讓人吃驚，基因突變還是無聊惡搞？
※雙頭怪魚震驚世人，基因突變還是無聊惡搞？
※狼人之謎，他們是怪獸還是基因突變
※基因突變使人類變笨，修復該基因突變是人類智力變得更高
※讓人心情複雜的怪異動物，到底是基因突變還是人為因素？
※肺癌是什麼基因突變導致的，潛在的治療藥物有哪些？
※影響睡眠的兩種基因突變被發現
※你晚睡的原因可能是基因突變了
※基因突變與染色體畸變的動物，將成為另一個不同的物種，有點害怕
※粉色蝗蟲你們絕對沒見過，它們也能基因突變！
※一巴掌導致耳聾 或是基因突變惹的禍
※我們為什麼不能基因突變成蜘蛛俠？
※基因突變造成它們的獨一無二
※關鍵基因突變致不孕 女性不孕的原因