兒科基因組學：在兒童罕見病診斷中的應用連載（四）

新聞 03-01

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導讀

前幾篇推送中分別介紹了兒科基因組學從傳統的基因診斷檢測轉向NGS檢測的益處、數據分析中的問題以及全外顯子測序（WES）或全基因組測序（WGS）在目前臨床上應用的主要適應症，今天這篇文章我們主要探討兒科基因組學的未來。

展望

兒科基因組學是一個快速發展的領域，對疾病分子基礎更深入的理解已經開始改善目前我們可提供疾病治療的質量。未來很可能會形成更優化的工作流程，可以找到更廣泛的臨床應用，並帶來新的治療選擇。

兒科基因組工作流程實施的改進

兒科基因組學尚處於起步階段，如果以兒童發育水平作類比的話，也許它正處於幼兒階段。在這個階段，新技能的探索和獲取與頻繁的挫折和失敗將會交相出現。通過多學科小組會議和專家臨床評估等對變異解讀的協助，基因組診斷將越來越多地應用於許多兒科細分專業。然而，在有效的基因組醫學服務所需分析流程的幾乎每一個方面都尚在不斷發展時，優化實施方案是非常具有挑戰性的。臨床醫生正在學習在患者臨床檢查流程中最合適的時機和地方應用基因組檢測；測序公司正在開發讀長更長的測序技術；生物信息學家正在不斷優化對不同變異類型進行識別的演算法；人群資料庫無論是在深度，還是在代表不同種族的樣本上都在不斷增加；致病基因的發現，無論是鑒定與疾病有關的新基因，還是越來越多地認識到的基因遺傳多效性方面，都在持續快速發展；儘管基因變異資料庫和文獻報道仍然會有錯誤致病性判讀的嚴重污染，但它們仍在不斷增長並持續改善。這些參數中的每一個都有可能影響到檢測性能，特別是靈敏度和特異性。關鍵目標是要優化變異的檢測識別和過濾，以便該過程最大限度地增加真實診斷的可能性，同時最大限度地減少任何檢測所帶來的誤診或過度診斷；成功的診斷，需要集中關注患者的臨床探查、表型、導致疾病的相關變異類型的全面檢測、基因panel的選擇以及適當的專業知識。因此，在遺傳醫學安全和有效的實踐中，生物信息學家、臨床科學家和臨床專家都發揮著重要的作用。

集成多元數據以提高診斷能力

NGS技術為其他全基因組技術如轉錄組學、表觀基因組學、代謝組學和蛋白質組學的應用鋪平了道路，這些組學技術可用以研究遺傳變異對特定組織的功能影響。雖然這些方法還沒有在臨床診斷中常規地實施，但它們會越來越多地用於確定基因組變異的致病性。例如，對兒童神經肌肉疾病患兒結合WGS和肌肉活檢樣本的轉錄組學分析，能夠對基因外顯子區和非編碼區的候選剪接位點突變進行驗證，並確定可變剪切體，從而使總體診斷率達到35％。此外，使用轉錄組學數據指導基因組數據的再分析，可能使原先從WGS或WES檢測結果中未找到明確候選變異的患者的21%得到診斷。在許多情況下，更深層次的表型、或標準圖像、或生化和電生理檢測，對於確定特定基因組變異的功能性影響是至關重要的。儘管CFTR的序列在1989年就已被確定,且囊性纖維化和CFTR相關疾病在罕見病中還屬於最普遍的一些疾病，即使到了2017年，CFTR基因中鑒定發現的約2,000種變異中的大多數也還都是罕見的或孤立的。目前正努力地大規模地全面評估CFTR變異的基因型、表型和功能，這些均表明未來任務的艱巨性。

在胎兒、新生兒和成人疾病診斷中的應用

兒科學在遺傳醫學領域中佔據主導地位，而基因組學對它的影響比其他學科更大，原因有很多。例如，對胎兒和新生兒進行疾病的基因組學診斷就會出現挑戰，因為與發育後期相比，發育前期的臨床表型特徵較少，且不特異；因此，這種情況的表型評估通常就會較弱，而且需要基於表型進行候選變異之間區別的能力減弱，從而對診斷結果產生不利影響。將基因組學應用於成人醫學和老年人護理也相當具有挑戰性，但原因不同。在成人中，基因型信息通常比兒童更難解讀，因為不完全外顯和年齡相關性的外顯常常導致致病性變異在人群數據集中以相當高的頻率出現。此外,在成人中，多基因導致疾病發生的比例可能高於兒童，尤其是常見病。此外，環境暴露因素可能在成人疾病中影響比兒童疾病更重要，且年齡相關性的體細胞變異是遲髮型疾病的重要原因。由於這些原因的存在，兒科群體可能仍然處於基因組醫學的前沿。然而，隨著我們的認識不斷增加，外顯率不高的單基因疾病將會變得更易處理，基因組學在其他年齡段人群中的應用將會變得更加可行。

從診斷到治療

目前，兒科基因組學的主要目標是實現對罕見病基因診斷的一種安全實施的方法，但越來越多令人鼓舞的例子表明，疾病的特定遺傳基礎知識也會帶來直接的治療干預。WGS啟發了一種治療患有嚴重肌張力障礙的雙胞胎的合理方法，當這對雙胞胎患兒使用左旋多巴治療時僅表現出輕微的改善；測序分析顯示，這對雙胞胎患兒攜帶SPR基因的雙等位變異，這使得神經遞質多巴胺和5-羥色胺合成減少，用左旋多巴結合5-羥色氨酸的補充療法，使這對雙胞胎患兒的病情得到顯著改善。另一個令人興奮的例子則是SMA。對於絕大多數SMA患者（＞95％），SMN1基因外顯子7的純合缺失導致功能性存活運動神經元（SMN）蛋白的缺乏。另一個基因SMN2也編碼SMN蛋白，但SMN2轉錄本的不正確剪接會產生一個無功能的截短的SMN蛋白。反義藥物nusinersen就是專門設計用於改變SMN2前體mRNA的剪接以增加有功能的SMN蛋白的量。最近的一項臨床試驗表明，接受鞘內注射nusinersen的嬰兒中，有51％的嬰兒出現運動-里程碑反應（motor-milestone response），而對照組則沒有。基因組測序也可用於對患者進行分層治療；例如，對於F508del-CFTR純合突變的患者，用lumacaftor和ivacaftor聯合治療用於肺功能改善，與相對應的註冊對照組相比，ppFEV1（1秒內用力呼氣量的預測百分值；肺功能的量度指標）下降速率減慢了42％。基於特定基因診斷對兒科罕見病進行分層治療，以及通過藥物再利用和創新開發有效且患者負擔得起的治療方法，這些都是兒科基因組學振奮人心的應用，這在不久的將來可能會成為常規應用。長期而言，使用CRISPR-Cas9基因組編輯技術對孟德爾疾病進行糾正性治療將成為現實，現在該方法使用離體試驗已經是可行的。最近的技術進展如Cas9介導的腺嘌呤鹼基編輯和Cas13介導的RNA編輯等的發展將進一步改善CRISPR技術的潛力和應用範圍。

結論

目前兒科基因組學的應用實踐主要側重於基因診斷，即利用基因組技術顯著提高的診斷能力來解釋兒科罕見病。基因診斷在兒科各種疾病表型中都具有廣泛的適用性，包括神經發育障礙性疾病、多發性先天性畸形、嬰兒型癲癇性腦病和極度肥胖等等。

罕見的遺傳病通常是嚴重的、終身的，有時是致命的，所以適度的專家臨床評估方面的是合理的，以確保基因組分析所提示的診斷在臨床上是正確的。以前未解決的兒科病例，經基因組測序的診斷率已經達到40%左右 (儘管這個數字隨著臨床指標的變化而變化)，隨著人類知識的增長，該數字還將繼續增長。目前仍然有許多未知有待發現，甚至關於疾病的根本致病原因，目前約有70%的編碼蛋白的基因還沒有確定人類疾病表型。然而，我們對兒科罕見病的基因組結構和各種單變異或組合變異導致疾病的多種機制的理解，都可能會持續豐富。進一步深入了解大多數罕見病的分子基礎，也將帶來治療效益：治療方案將被簡化，現有的藥物可能被重新使用，新的靶向療法將被開發出來。囊性纖維化疾病的最近研究表明通過分子遺傳學基礎對疾病進行分層，可以進行更嚴格的臨床試驗來評估新療法。通過一款簡易的軟體更新，能快速地將新發現實施到WGS/WES臨床檢測中，每次更新便可將一個新的基因添加到panel中，從而避免了重新設計、測試和銷售一個新的檢測產品。此外，從基因組數據的綜合性本質可以看出，它已成為所有兒童常規護理不可分割的一部分。基因組數據可用於促進新生兒篩查, 的改善，通過鑒定對特定的感染的易感性來進行靶向免疫，並協助風險分級管理和個性化的治療。這些方面不僅對兒科罕見病可以實施，也可應用於常見的兒科疾病。

儘管，顯而易見，通過計算機模擬分析無疑可以改進基因變異的解讀，但基因型所引起表型本身所固有的生物複雜性，在很大程度上對僅依靠自動化功能預測的嘗試帶來挫敗。努力記錄臨床基因型-表型之間的關聯對於支持基因組醫學的安全實踐至關重要。需要進一步調研來評估影響基因組診斷可靠性的因素和臨床效用。此外，還需要更多的研究來確定，安全實施基因組診斷所需的表型信息的數量和類型，並且在診斷流程中最好將這些信息都納入。儘管如此，隨著這些領域的不斷進步，隨著測序成本的不斷下降以及人類相關知識的積累，我們可以期待未來幾乎所有患有嚴重罕見遺傳病的兒童都能夠獲得精準且特異的基因診斷。

回顧前文：

智因東方速遞| 兒科基因組學：在兒童罕見病診斷中的應用

智因東方速遞| 兒科基因組學：在兒童罕見病診斷中的應用連載（二）

智因東方速遞| 兒科基因組學：在兒童罕見病診斷中的應用連載（三）

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