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我国遗传病致病基因的研究-协和张学主任医师
发布时间:2019-06-11

  摘要:遗传病致病基因一直是医学遗传学的核心科学问题。孟德尔病属于最经典的遗传病。1998年以来,我国遗传病致病基因研究不断取得突破。遗传性耳聋致病基因GJB3、遗传性乳光牙本质致病基因DSPP和A-1型短指症基因IHH的发现是我国学者在该领域的里程碑性贡献。随着遗传病家系资源和基因组学新技术的有效利用,我国学者批量发现了遗传病致病基因。我们课题组以遗传性皮肤和毛发疾病为重点,发现多种遗传病致病基因和基因组结构重排。

  关键词:遗传病; 孟德尔病; 致病基因;

  Abstract:Gene underlying a genetic disorder has been a key question in medical genetics.Mendelian disorders are a group of classic genetic disorders that can be transmitted in a Mendelian pattern. Many breakthrough disease gene discoveries have been made by Chinese teams since the first success of positional cloning in 1998. The cloning of the three disease genes, GJB3 for hereditary hearing loss, DSPP for dentinogenesis imperfect, and IHH for brachydactyly type A-1, represents milestones for Chinese geneticists in the field. With successful use of large Chinese pedigrees and new genomic technologies, especially exome and genome sequencing, several dozens of disease genes have been identified in China. My teams have focused on inherited skin/hair disorders and have discovered the genes for familial acne inverse and Marie Unna hereditary hypotrichosis, and the genomic rearrangements for congenital generalized hypertrichosis.

  Keyword:Genetic disorder; Mendelian disorder; Disease gene;

遗传病

  由遗传物质改变所导致的疾病统称为遗传病 (genetic disorders) .遗传病并不都是遗传性疾病 (inherited/hereditary diseases) .经典的单基因病 (monogenic disorders) 和近二十多年来发现的基因组病 (genomic disorders) 都可在家系内按孟德尔遗传方式传递,同属孟德尔病 (mendelian disorders) .前者由一个或一对等位基因突变所致,后者是微缺失、微重复等基因组重排的结果。孟德尔病病种多、危害重,常具有先天性、终生性和家族性。人类有近8 000种孟德尔病,总体患病率为2%.90%以上的孟德尔病尚无有效治疗方法。大量孟德尔病患儿出生已成为我国出生缺陷发生率居高不下的主要原因之一。

  1 单基因病致病基因研究的重要意义

  1.1 单基因病致病基因研究不断回答生物医学领域重大科学问题

  单基因病是研究生命科学许多重大问题最佳模型。对单基因病来说,发现致病基因首先能为阐明分子发病机制提供突破口;对致病基因本身而言,确定一个基因与某种单基因病的关系,可为揭示该基因的基础生物学功能 (包括正常生理学功能和发育生物学作用等) 提供关键线索。单基因病常常表现遗传异质性,多个不同基因的突变可以引起一种单基因病。此外,同一个基因不同部位或类型的突变又可导致临床表现完全不同的单基因病。因此,单基因病致病基因研究也是弄清代谢调节、器官发生和发育等生命过程的遗传控制网络的有效研究策略。

  国际上众多成功的案例都表明,罕见单基因病研究能够揭示科学大道理。一些常见重大疾病有极少一部分属于家族性的,表现为罕见的单基因遗传方式。正是在这些家系中发现致病基因和后续的功能研究才开辟了对相关常见重大疾病的发病机制的认识。例如,正是因为在家族性早发Alzheimer病发现了致病基因才有了后来对常见散发Alzheimer病分子病理机制的认识。此外,一种罕见单基因遗传病常常是某种常见复杂疾病的极端表现形式,例如,通过研究单基因高血压综合征揭示了高血压发病相关的关键分子通路。

  1.2 单基因病致病基因研究直接转化为临床精准诊疗的新靶点

  单基因病致病基因研究是转化医学的最好案例。发现单基因病致病基因可为基因诊断 (分子诊断) 、携带者筛查和产前诊断提供理论依据和技术手段,可直接转化为出生缺陷防治的实际应用,可有效防止严重、致愚、致残和致死性遗传病患儿出生。发现单基因病致病基因也可为生产基因工程治疗药物提供目的基因,最具代表性的就是遗传代谢病中酶替代疗法中重组酶类药物。发现单基因病致病基因还可为个体化、精准基因治疗提供分子靶点。目前,国际上已有多种基因治疗药物进入临床应用或临床试验阶段。

  2 我国单基因病致病基因研究取得系列重要成果

  2.1 我国早期最具国际影响的几项单基因病致病基因研究成果

  我国单基因病致病基因克隆研究起步相对较晚,经历了定位克隆 (positional cloning) 、定位候选克隆 (positional candidate approach) 和基于下一代测序 (next-generation sequencing, NGS) 的克隆三个阶段。1998年,中南大学医学遗传学国家重点实验室夏家辉团队克隆出神经性耳聋致病基因 (GJB3) ,标志着中国单基因病致病基因克隆零的突破[1].这项工作同时也证明GJB3基因突变既可导致常染色体显性耳聋也可引起别的单基因病,成为我国学者确证等位基因病 (allelic disorders) 的首例。迄今为止,上述工作是我国学者采用定位克隆策略发现单基因病致病基因唯一成功的例证。

  2001年,中国医学科学院基础医学研究所沈岩团队和中国科学院上海生命科学研究院孔祥银团队分别在1个和3个家系中发现遗传性乳光牙本质是由于牙齿涎磷蛋白基因DSPP突变所致[2,3].研究结果在同一期《Nature Genetics》上发表。杂志同期发表评论,认为定位克隆成功的故事已不再被西方学界垄断。严格从技术层面上来讲,两个团队的工作应该属于我国学者采用定位候选克隆策略发现单基因病致病基因的首例。同年,上海交通大学贺林团队克隆了A-1型短指症基因 (IHH) ,在3个家系中发现基因突变[4].A-1型短指症是文献报告的第一个常染色体显性遗传病,是人类遗传学和医学遗传学教科书的经典案例。因此,这项发现很快就被写进了人类和医学遗传学教科书。2002年,孔祥银团队又发现了先天性绕核型白内障基因HSF4,论文也在《Nature Genetics》上发表[5].

  2003年,上海同济大学陈义汉团队在1个家族性房颤家系中发现KCNQ1基因获得功能突变,获得了充分的电生理实验证据,证明KCNQ1基因获得功能突变和显性负效/丧失功能突变可导致临床表现不同的疾病 (家族性房颤和长QT综合征) ,论文在《Science》杂志上发表[6].本项工作是我国学者多学科合作在单基因病致病基因研究上取得成功的代表性案例,也是我国学者第一次在CNS杂志上发表单基因病致病基因研究成果。

  除上述代表性工作外,北京大学第一医院皮肤科杨勇等2004年发现原发性红斑肢痛症基因SCN9A[7]和山东大学医学院医学遗传学研究所龚瑶琴团队2007年发现X-连锁智力低下基因CUL4B[8]也是我国单基因病致病基因研究中有较大国际影响的。

  2.2 我国学者采用基于NGS策略发现一批单基因病致病基因

  2010年开始,随着以全外显子组和全基因组测序为代表的NGS的应用,发现单基因病致病基因的数量迅速增加而所需时间大幅度缩短,国内外学者连续不断取得突破。因此,基于NGS技术的单基因病致病基因研究 (包括未知致病基因的发现和已知致病基因的检测) 成了生物医学最前沿、最热和最活跃的研究领域之一。2010年,中南大学湘雅医院唐北沙团队利用全外显子组测序技术发现脊髓小脑共济失调基因TGM6,在2个家系中发现错义突变,论文在《Brain》上发表[9].这是我国学者利用NGS技术发现单基因病致病基因的第一个成功案例,在国际上也属于较早的,对我国临床专家利用资源优势开展单基因病致病基因研究起到了很好的带动和示范作用。次年,复旦大学吴志英团队、唐北沙团队和中国医学科学院基础医学研究所刘英-张学团队发现PRRT2基因突变可导致发作性运动诱发性运动障碍及相关疾病[10,11,12,13].其中,吴志英团队的工作在《Nature Genetics》上发表。中国学者在PRRT2基因上的发现,在神经遗传学及相关领域产生了重要影响,国内外后续跟进和延伸研究较多。

  除神经系统遗传病外,我国学者基于NGS技术发现单基因病致病基因成功案例较多的领域还突出表现在遗传性皮肤病和生殖系统遗传病。安徽医科大学张学军团队、杨勇团队和中国医学科学院基础医学研究所张学团队发现了一批遗传性皮肤病致病基因,如张学军团队发现播散型浅表性光化性汗孔角化症基因MVK[14]和杨勇团队发现单纯型大疱性表皮松解症基因KLHL24[15].上述工作和张学军团队的系列全基因组关联研究工作共同为中国在皮肤病学领域赢得了国际学术声誉。

  在生殖遗传学领域,中国学者在基础研究和转化应用领域都取得了突出成绩。除北京大学第三医院乔杰团队的基于单细胞测序技术的系列重大成果外,中南大学肖红梅团队、复旦大学王磊团队、安徽医科大学曹云霞团队和山东大学陈子江等团队都取得了出色的成绩,是国际生殖医学领域致病基因研究最活跃的中国力量。

  2.3 中国医学科学院基础医学研究所张学团队的三项代表性工作

  张学课题组与国内外专家合作,依靠临床、面向临床,以遗传性皮肤和毛发疾病致病基因研究为重点,发现多种单基因病致病基因和基因组病致病DNA重排。包括家族性反常性痤疮的3个致病基因[16]、Marie Unna型遗传性稀毛症的致病基因[17]、家族性特发性基底节钙化的致病基因[18]、V型并指和一种新型短-并指综合征的致病基因[19]、单纯毛发-指甲型外胚层发育不良的致病基因[20]、家族性发作性疼痛致病基因[21]、先天性后极性和全白内障致病基因[22]、先天性全身终毛增多症中17q24拷贝数突变[23]、X-连锁神经管畸形-脊柱侧弯-先天性全身多毛综合征中Xq27.1常染色体插入[24]和Ⅳ型并指中7q36微重复[25],在《Science》和《Nature Genetics》等著名杂志上发表系列论文。以下主要介绍三项代表性工作:一是揭示基因u ORF致病突变新机制。遗传病致病突变85%都在基因编码序列内,其余突变要么在间隔编码序列的内含子里要么就在调控序列内。半数基因转录本起始密码子ATG前的引导序列内都有 (upstream open reading frame, uORF) ,属于调控序列。新近研究表明,uORF突变的致病性可能一直就被低估了。国内外五个小组将Marie Unna型遗传性稀毛症 (Marie Unna hereditary hypotrichosis, MUHH) 致病基因定位于无毛基因HR所在的8p21区域,但都没能在HR编码区找到致病突变。张学领导的国际合作大团队在HR的5'非翻译区内发现4个uO-RF,命名为U1HR-U4HR;证明U2HR能抑制HR生理性开放读码框的翻译;在来自十个国家的19个MUHH家系中发现U2HR突变,进一步功能研究显示突变导致HR翻译水平升高[17].本项发现不仅揭示了一种全新的遗传性脱发机制,更重要的是表明抑制性uORF突变可以是某种遗传病的主要致病突变机制,不论对基础研究中发现新致病突变还是对基因诊断临床应用中提高致病突变检出率都具有普遍应用价值。二是确定"毛孩"属于基因组病。微缺失和微重复是基因组病中最常见的致病DNA重排。先天性全身多毛症俗称"毛孩".2009年,张学团队在3个先天性全身终毛增多症家系和一个重度散发个体中发现17q24微缺失和微重复,首次证明先天性全身多毛症为基因组病[23].2011年,团队又在1个X-连锁神经管畸形-脊柱侧弯-先天性全身多毛综合征家系中发现人类特异性回文序列介导的Xq27.1区域常染色体大片段DNA插入,同时在国外相关家系中验证了这种致病DNA重排新机制[24].两项工作表明:"毛孩"确实属于基因组病,并不是以往人们普遍认为的返祖现象。三是发现反常性痤疮三个致病基因。反常性痤疮 (acne inversa, AI) 又称化脓性汗腺炎或毛囊闭锁三联征,是一种慢性、反复发作的自身炎症性疾病,常形成脓肿、窦道和瘢痕,为最严重的皮肤病之一,对患者身心健康伤害极大。欧洲一般人群中,AI的发病率可高达1%.自1839年被首次报道以来,对其命名国际上长期争论,发病机制不清。家族性AI罕见,呈常染色体显性遗传,致病基因未知。张学-王宝玺-沈岩联合团队在6个家族性AI中国人家系中发现-分泌酶亚单位基因NCSTN、PSEN1和PSENEN的丧失功能突变,确定家族性AI发生的遗传机制为-分泌酶亚单位基因的单倍性不足,提出其分子病理机制为γ-分泌酶-Notch通路的功能缺陷,证明早发家族性Alzheimer病和家族性AI可以是早老素基因PSEN1不同性质突变引起的等位基因病 (allelic disorders) [16].本项发现为确定AI源于毛囊而非大汗腺提供了关键证据,为AI的治疗药物研发提供了新思路,也为重新评价基于γ-分泌酶的Alzheimer病分子病理机制和治疗策略提供了理论依据。

  3 我国单基因病致病基因研究的展望

  现在的势头已非常明确,单基因病才是人类基因组计划马上能直接受益的一类疾病,NGS很快将成为该领域的一线技术。据估算,人类基因组中至少有7 750个与单基因遗传病发生有关的"疾病基因".目前,以美国和欧洲为代表的发达国家都已启动了单基因病致病基因研究方面的重大项目,目标也都一致集中在致病基因尚未知的占总数超过三分之一的各种单基因病。我国学者已取得的研究成绩表明,只要抓住机遇,及早利用已有的遗传病资源和基因组学技术平台双重优势,积极共享人类基因组计划国际合作已有的和正在取得的成果,通过遗传学、临床各学科和生物信息学等领域研究人员的协同攻关,我国在遗传病致病基因研究领域还会取得更多的原创性成果,做出更大的贡献。

  展望未来,我国单基因病致病基因研究将呈现以下特点和趋势:一是基因组学技术优势将继续超越临床资源优势,部分宝贵家系资源的研究价值可能会得不到充分挖掘;二是以发现新致病基因为目的的研究和以确证疾病为目的的诊断性检测之间将界限模糊;三是通过跨物种复制表型来验证在单个家系或患者中发现的新基因致病性变异的情况会越来越多;四是临床医生利用资源优势主导的新致病基因研究会更多;五是通过国际和国内合作提升单个家系或病例研究价值的思路将得到广泛接受;六是通过基因编辑等新技术修正致病突变,探索遗传病基因治疗的研究和临床试验将规范开展。

  总之,单基因病致病基因以往一直是医学遗传学的核心科学问题之一,未来也一定是人类战胜单基因病的突破点!

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