热议基因组|“垃圾”DNA究竟是垃圾还是宝藏

自DNA被发现以来就一直被誉为“生命天书”,对这本无字天书的完全解读也成为了无数科学家毕生追求的梦想。但随着人们对书中内容不断探索,却意外发现那些影响我们高矮胖瘦、生老病死等关键信息的基因只占基因组DNA的极少部分,而绝大部分看似不会编码蛋白质的DNA,有的人形容它们为“垃圾”DNA。但这个充满功利性的命名也就此引起了一场愈演愈烈的讨论。最近在《Cell》上发表的一篇重磅文章[1],不仅将“‘垃圾’DNA究竟是基因组垃圾堆还是珍贵的宝藏”这个议题拉回大众视野,而且也隐隐预示着一场盛大的“淘金运动”正悄然进行。

“垃圾”DNA的前世今生

19世纪60年代,孟德尔(Gregor Mendel)通过实验预示了基因的存在。随后分别于1869年和1944年,DNA被首次提取和证明为构成基因的基础物质。DNA即脱氧核糖核酸,而基因则是具有遗传效应的特定DNA序列,通俗地讲,基因就是一段编码某种蛋白质的DNA。

到了20世纪60年代后期,越来越多人发现,真核生物的DNA包含了数量庞大的重复DNA,而且这些DNA似乎并不会编码蛋白质。1972年,大野乾(Susumu Ohno)正式将基因组中的非编码DNA命名为“垃圾”DNA。这个充满负面情感的名字也充分体现了当时科学家对于这些非编码DNA的看法,人们甚至认为这些序列没有积极功能,只是一些自私的DNA序列并热衷于自我扩张,这一理念也在1989年随着道金斯(Richard Dawkins)成名作《自私的基因》的大卖而广为人知。

众人皆醉我独醒,在大部分人都将“垃圾”DNA弃如敝履的时候,那些独具慧眼的人总能从“垃圾堆”中发现何氏之璧,隋侯之珠。经过这些科学家孜孜不倦地探索,从20世纪90年代初开始,人们对于“垃圾”DNA的看法才慢慢有了转变。在完成了“人类基因组计划(HGP)”的草图之后,科学家发现人类基因只有2-3万个左右,占基因组总长度仅约1%,而剩余的99%均为非编码DNA,也就是人们通常所说的“垃圾”DNA。这99%的“垃圾”DNA犹如斯芬克斯之谜一样一直困扰着人们。直到2012年,一项名为“DNA元件百科全书(Encyclopedia of DNA Elements,ENCODE)”的项目[2]接连用多篇科学论文向人们宣布,在人类基因组中超过80%的DNA都是有功能的!从此,人们更加相信“垃圾都是放错地方的资源”,只是我们没有全面了解“垃圾”DNA起作用的真正方式,并纷纷开始尝试挖掘“垃圾堆”中被掩藏的瑰宝。

“垃圾”DNA——有待发掘的宝藏

所谓的“垃圾”DNA其实是个相当笼统的称呼,它的真实内涵十分丰富,包括了非编码的功能RNA、顺式/反式调控元件、内含子、假基因、端粒、中心粒以及含量最多的转座子和串联重复序列等。随着人们逐步深入地探索,也发现了它们各不相同的真实功能。

目前关于“垃圾”DNA的研究,主要分成两大方向,一个方向主要是关注“垃圾”DNA的各种特殊功能及其对生理进程的影响。

“垃圾”DNA中可能潜藏癌症病原[3]
随着测序成本直线下降,极大地促进了个人基因组测序的发展。要从海量DNA变异数据中筛选出有用信息是一项意义重大的挑战,尤其是在癌症基因组中,许多的关键DNA变异体更是处在非编码的“垃圾”DNA区域。研究人员通过结合“千人基因组项目(the 1000 Genomes Project)”和ENCODE的数据,开发出一套分析流程,并成功鉴定了那些隐藏在“垃圾”DNA中可能导致癌症发生的DNA变异体。

“垃圾”DNA还能决定你的盛世美颜[4]
人脸的外形是人类最显著的特征之一,面部形态的差异在社会互动、心理学、法医和临床遗传学等领域都有着重要的意义。颅面部形状是高度遗传的,包括形态变异的正常谱以及主要颅面部出生缺陷的易感性。有研究者利用染色质免疫共沉淀技术及测序技术对小鼠胚胎面部组织的发育过程进行研究,探讨了转录增强子在颅面部复合体发育中的作用。这种增强子可以在距离其靶基因数百Kb的地方,远距离调控靶基因表达的空间模式、水平和时间。

Fig.1 颅面发育增强子对颅面形态有一定的作用

“垃圾”DNA通过编码lncRNA参与调控抑制致癌基因[5]
“垃圾”DNA编码产生的长非编码RNA(IncRNAs)具有调节基因表达的作用。研究者使用多个小干扰RNA(siRNAs)来沉默GNG12-AS1基因表达。研究发现,当大多数siRNAs沉默GNG12-AS1转录后,siRNA互补于GNG12-AS1的第一个外显子抑制其转录。在转录过程中,GNG12-AS1的沉默会引起DIAS3(抑瘤因子)的上调,证明其在转录干扰中的作用。

Fig.2 siRNA抑制转录干扰

“垃圾”DNA成员LTR被异常激活会触发原癌基因[6]
哺乳动物基因组中包含大量重复序列,其中长末端重复(long terminal repeats,LTRs)一直以来都被认为可能与肿瘤发生有关。这篇文章表明LTRs的脱抑制化作用与人类淋巴瘤的发病机制有关,这一发现具有十分重要的诊断、预警和治疗意义。

“垃圾”DNA编码的microRNA能促进胚胎发育[7]
严格控制内胚层、中胚层和外胚层的分离对于所有物种的正常胚胎发育都至关重要。研究者通过对全基因组microRNA文库进行系统性扫描,发现其中两个microRNA家族会以牺牲内胚层为代价促进中胚层的生长,这意味着“垃圾”DNA编码的microRNA在胚层规划中具有十分关键的作用。
“垃圾”DNA是一种精心设计的基因表达控制机制[8]
人们普遍认为内含子保留(Intron Retention,IR)是由于信使RNA前体错误剪切内含子序列导致的。研究者通过对转录组和蛋白质组的数据进行生物信息学分析,发现在正常血液白细胞分化的过程中,内含子保留其实是一种通过触发无义介导的衰变途径(nonsense-mediated decay,NMD pathway)进行基因表达控制的生理机制。

“垃圾”DNA可能改变基因的剪切方式[9]
为了更深入了解基因的剪切调控机制,研究者通过一种基于细胞的筛选方法,从内含子中鉴定了10个能抑制剪切的不同模体结构。所有模体结构都表现出了外显子剪切增强或沉默的活性,依据它们的分布进一步将其进行分组分析,最后发现分组产生的集群具有明显的内容依赖(context-dependent)作用模式。

“垃圾”DNA影响表观遗传的稳定性
这篇文章深入阐释了人类基因组中的“垃圾”DNA之一,HSATII(high-copy satellite II)可以结合并影响核染色质调控蛋白的分布,这往往导致癌症的发生[10]。另外,DNA甲基化精密地调控基因组织特异性表达及关键的生物进程。然而,缺乏可靠手段检测基因组中庞大的DNA甲基化信息成为系统分析其功能的一大阻碍。另一篇文章的研究者通过利用一个深度学习模型网络研究DNA甲基化的调控编码规则,并利用此网络预测序列变异对CpG附近位置DNA甲基化的影响[11]。由此可见,另一个方向的主要关注点则是如何快速高效获取“垃圾”DNA序列信息,编码规则和预测模式等结构意义上的研究。

“垃圾”DNA可能形成具有转录活性的功能基因
研究者通过“蛋白-转录组”方法(proteo-transcriptomics approach)结合RNA测序及蛋白组学数据,证明大量的Alu外显子具有转录活性,且能产生灵长目特异,甚至人类特异的亚型蛋白,揭示了“垃圾”DNA参与基因异构体(isoforms)形成的潜在机制[12]。另一篇综述文章则着重讨论了近几年关于新出现基因的鉴定和验证等问题,并预测该领域将来的研究方向可能集中在新蛋白编码基因的功能、结构解析以及其出现机制等[13]

Fig.3 蛋白质组学Ribo-seq数据证明Alu-外显子能够编码蛋白质

10 高速发展的测序技术结合多种研究方法助推“垃圾”DNA的深入探索
研究者提出,结合基因组和转录组数据能有效促进孟德尔疾病遗传机理的研究。另外,许多研究已表明,“垃圾”DNA会参与转录剪切和调控进程,因此作者也提醒,在分析相关内容时,一定要注意研究对象的生长时期,以及微小的调控效应,这些因素可能会对研究结果产生明显的影响[14]。正如本文最开始提及的那篇重磅《Cell》文章所描述的,“垃圾”DNA代表之一的LINE1基因会在小鼠胚胎早期发育过程中的胚胎干细胞有高表达,这一特殊时期的奇异现象引起了研究者的重视,才诞生了这篇意义重大的文章,同时也为“垃圾”DNA的正名提供了强有力的证据。“垃圾”DNA不仅不是垃圾,相反它是生命体不可或缺的重要部分,假如没有LINE1序列,受精卵将永远停留在两细胞的状态,无法完成复杂的生长分化过程[1]另一篇文章利用第二代测序技术鉴定了与神经系统疾病相关的“垃圾”DNA变异体。了解神经发育和神经精神障碍的遗传因素是医学研究的一个主要的挑战[15]。虽然大规模的基因组测序在这一领域取得了重大进展,但对许多疾病来说,其遗传基础仍是十分复杂且知之甚少的秘密,特别是对于占基因组绝大部分的“垃圾”DNA区域,其结构复杂、重复率高等特点都严重阻碍了二代测序对该区域DNA有效信息的获取和利用。随着第三代测序的不断发展,测序通量不断提高,测序错误率不断下降,拥有超长读长、有效覆盖重复序列、无GC偏好性且能直接检测DNA甲基化等诸多优点的第三代测序技术简直就是解决这一难题的完美工具,相信已经有许多研究者正着手利用这些新兴技术攻克围绕“垃圾”DNA的各种难关。如果说第一代测序和第二代测序催生了以“人类基因组计划”为代表的基因挖掘运动,那么第三代测序所推动的将是一场涉及多技术共同协作,规模空前盛大的“淘金运动”。希望组拥有PacBio SMRT、Oxford Nanopore、BioNano光学图谱等技术平台,并于2016年完成了首个基于三代测序的亚洲人基因组“华夏一号”,拥有丰富的三代测序项目经验,三代研究文章已有多篇发表于国际知名期刊。目前,希望组已重磅推出“华夏万人SV”,旨在构建中国健康人群高分辨基因组结构变异图谱、单碱基精确度的DNA甲基化图谱,弥补目前基因组数据库的空白,进而通过对大规模的疾病群体进行基因组结构变异分析,明确广泛的疾病和病症相关的罕见遗传变异,这将对中国人群基因组学研究、遗传性疾病研究、精准医疗应用等领域产生重要的科学及临床价值。

参考文献

[1] Percharde M, Lin C J, Yin Y, et al. ALINE1-Nucleolin Partnership Regulates Early Development and ESC Identity[J].Cell, 2018.

[2] https://www.encodeproject.org/

[3] Khurana E, Fu Y, Colonna V, et al.Integrative annotation of variants from 1092 humans: application to cancergenomics[J]. Science, 2013, 342(6154): 1235587.

[4] Attanasio C, Nord A S, Zhu Y, et al. Finetuning of craniofacial morphology by distant-acting enhancers[J]. Science,2013, 342(6157): 1241006.

[5] Stojic L, Niemczyk M, Orjalo A, et al.Transcriptional silencing of long noncoding RNA GNG12-AS1 uncouples its transcriptionaland product-related functions[J]. Nature communications, 2016, 7: 10406.

[6] Lamprecht B, Walter K, Kreher S, et al.Derepression of an endogenous long terminal repeat activates the CSF1Rproto-oncogene in human lymphoma[J]. Nature medicine, 2010, 16(5): 571.

[7] Colas A R, McKeithan W L, Cunningham T J,et al. Whole-genome microRNA screening identifies let-7 and mir-18 asregulators of germ layer formation during early embryogenesis[J]. Genes &development, 2012.

[8] Wong J J L, Ritchie W, Ebner O A, et al.Orchestrated intron retention regulates normal granulocyte differentiation[J].Cell, 2013, 154(3): 583-595.

[9] Wang Y, Xiao X, Zhang J, et al. A complexnetwork of factors with overlapping affinities represses splicing throughintronic elements[J]. Nature structural & molecular biology, 2013, 20(1):36.

[10] Lin L, Jiang P, Park J W, et al. Thecontribution of Alu exons to the human proteome[J]. Genome biology, 2016,17(1): 15.

[11] Schmitz J F, Bornberg-Bauer E. Fact or fiction:updates on how protein-coding genes might emerge de novo from previouslynon-coding DNA[J]. F1000Research, 2017, 6.

[12] Zeng H, Gifford D K. Predicting the impactof non-coding variants on DNA methylation[J]. Nucleic acids research, 2017,45(11): e99-e99.

[13] Hall L L, Byron M, Carone D M, et al.Demethylated HSATII DNA and HSATII RNA foci sequester PRC1 and MeCP2 intocancer-specific nuclear bodies[J]. Cell reports, 2017, 18(12): 2943-2956.

[14] Valente E M, Bhatia K P.Solving Mendelian Mysteries: The Non-coding Genome May Hold the Key[J]. Cell,2018, 172(5):889.

[15] Devanna P, Chen X S, Ho J, et al. Next-gensequencing identifies non-coding variation disrupting miRNA-binding sites inneurological disorders[J]. Mol Psychiatry, 2018, 23(5):1375-1384.

部分图片来源于网络,侵删

这个6月不止有世界杯,还有6.28国际癫痫关爱日

在2006年10月第二届北京国际癫痫论坛上,中国抗癫痫协会发起创办“国际癫痫关爱日”的倡议,并得到国际抗癫痫联盟、国际癫痫病友会、世界卫生组织以及多个国家和地区的支持。与会者选定以1997年在爱尔兰都柏林举行的国际癫痫大会通过“全球抗癫痫运动”的日子,即6月28日为“国际癫痫关爱日”,旨在全球改善对癫痫的认识、治疗、服务与预防。

 

今年是第十二个“国际癫痫关爱日”,主题是“癫痫与脑科学——癫痫打开探索人脑秘密的大门”,宣传癫痫在脑科学研究中的地位和重要性,呼吁政府相关部门、科研机构及广大民众,认识癫痫疾病、重视癫痫研究。

癫痫(Epilepsy)是仅次于脑卒中的常见慢性神经系统疾病,以脑神经元过度放电导致反复性、发作性和短暂性的中枢神经系统功能失常为特征。癫痫可以发生于任何年龄,但是小孩和老人的发病率更高。

遗传因素是导致癫痫、尤其是经典的特发性癫痫的重要原因。据报道,超过50%的癫痫患者是由于基因突变导致,其中约1—2%的患者是单个基因突变造成,还有大部分患者是由于多基因和环境因素的相互作用。

随着高通量测序技术的发展及应用,越来越多的癫痫的致病基因被发现,基因检测技术尤其是全外显子组测序已成为重要的临床检测手段,不仅可以从分子水平上明确病因,早发现、早干预,更可以指导科学婚育、促进药物与治疗方法的开发,具有重要的科学价值与临床意义。

但基于二代测序技术的全外显子组检测由于读长短、对基因组覆盖不均匀等局限,主要对SNVs和InDels进行检测,对重复序列、结构变异等复杂区域的检测通常无能为力。有文献报道,良性成人家族性肌阵挛性癫痫(benign adult familial myoclonic epilepsy,BAFME)[1]、有听觉症状的常染色体显性遗传癫痫(Autosomal dominant epilepsy with auditory features,ADEAF)[2]等疾病是由结构变异如倒位、易位、重排、拷贝数变异等导致的,因此二代等测序技术可能会导致癫痫致病变异的漏检或错检。

长读长测序技术,也被称为第三代测序技术,凭借长读长、无PCR过程、可轻松跨越基因组重复区域、高GG区域等优势,弥补了传统测序技术对结构变异的漏检,为揭秘更多的癫痫疾病提供了更有力的支持,为更多的患者带来了新的希望。Nature Genetics杂志发表一篇文章[1],采用了Oxford Nanopore和PacBio SMRT测序技术对良性成人家族性肌阵挛性癫痫(BAFME)患者进行检测,结果发现,基因非编码区的TTTCA和TTTTA的异常扩张是导致BAFME的致病原因。

我们相信,随着国家脑科学研究的深入,癫痫学科发展将更加迅速,今天难治性癫痫,明天就可能被攻克,脑科学研究进展,必将为癫痫患者带来崭新的希望和光明的前景。

目前,希望组已重磅推出“华夏万人SV”,旨在构建中国健康人群高分辨基因组结构变异图谱、单碱基精确度的DNA甲基化图谱,弥补目前基因组数据库的空白,进而通过对大规模的疾病群体进行基因组结构变异分析,明确广泛的疾病和病症相关的罕见遗传变异,这将对中国人群基因组学研究、遗传性疾病研究、精准医疗应用等领域产生重要的科学及临床价值。

参考资料

[1] Ishiura H et.al. Expansions of intronic TTTCA and TTTTA repeats in benign adult familial myoclonic epilepsy. Nat Genet. 2018 Apr;50(4):581-590.

[2] Leonardi E et.al. CNTNAP2 mutations and autosomal dominant epilepsy with auditory features. Epilepsy Res. 2018 Jan;139:51-53.

全国爱眼日 | 以基因检测之力,守护您的“睛”彩

你是我的眼

带我领略四季的变换

你是我的眼

带我穿越拥挤的人潮

你是我的眼

带我阅读浩瀚的书海

因为你是我的眼

让我看见这世界

就在我眼前

······

如果光明就是希望

那么眼睛就是我们

通往光明、看见希望的最好伙伴

今天是第23个全国爱眼日

让我们一起来了解一下“眼科遗传性疾病”

做到早发现、早预防、早治疗!

敲黑板,划重点
眼科遗传性疾病是一大类由遗传基因缺陷导致的视觉疾病,是临床上常见且危害严重的遗传性致盲疾病。目前已知的遗传性眼科疾病有600种以上,如先天性近视、先天性白内障、色盲、黄斑变性、Leber先天性黑朦、视网膜色素变性等。据世界卫生组织 (WHO) 发布的数据显示,白内障、青光眼、黄斑变性、角膜病、儿童眼病等是致盲的主要原因[1],其中约一半的儿童期致盲与遗传因素相关[2]。单基因遗传性眼病患者约占总人口4%,多基因眼病则更多见。

2010年全球致盲因素统计分析

眼科遗传性疾病包含的疾病种类繁多,具有高度的临床异质性和遗传异质性。某些疾病表型非常相似,难以鉴别诊断。此外,同一疾病可见于不同年龄段且临床表现可能不同,仅依据发病的临床特征进行诊断容易误诊或漏诊

随着高通量测序技术的发展及应用,越来越多的眼科遗传性疾病的致病基因被发现,基因检测技术尤其是全外显子组测序已成为重要的临床检测手段,不仅可以从分子水平上明确病因,早发现、早干预,更可以指导科学婚育、促进药物与治疗方法的开发,具有重要的科学价值与临床意义。

但是全外显子组测序等二代测序技术由于读长短、对基因组覆盖不均匀等局限,主要对SNVs和InDels进行检测,对重复序列、结构变异等复杂区域的检测通常无能为力。有文献报道,年龄相关性黄斑变性[3]、视网膜色素变性[4]等眼科遗传性疾病是结构变异如倒位、易位、重排、拷贝数变异等导致的,因此二代等测序技术会导致眼科遗传性疾病致病变异的漏检或错检。

长读长测序技术,也被称为第三代测序技术,凭借长读长、无PCR过程、可轻松跨越基因组重复区域、高GG区域等优势,弥补了传统测序技术对结构变异的漏检,为揭秘更多的眼科遗传性疾病提供了更有力的支持,为更多的患者带来了新的希望。

目前,希望组已重磅推出“华夏万人SV”,旨在构建中国健康人群高分辨基因组结构变异图谱、单碱基精确度的DNA甲基化图谱,弥补目前基因组数据库的空白,进而通过对大规模的疾病群体进行基因组结构变异分析,明确广泛的疾病和病症相关的罕见遗传变异,这将对中国人群基因组学研究、遗传性疾病研究、精准医疗应用等领域产生重要的科学及临床价值。

参考资料

[1] WHO. Global Data on Visual Impairments 2010(WHO/NMH/PBD/12.01).

[2] Br J Ophthalmol 1999;83:929–932.

[3] Cantsilieris S, et al. Recurrent structural variation, clustered sitesof selection, and disease risk for the complement factor H (CFH) gene family.Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 May 8;115(19):E4433-E4442.

[4] Geoffroy V, et al. Whole-genome sequencing in patients withciliopathies uncovers a novel recurrent tandem duplication in IFT140. HumMutat. 2018 Apr 24.

世界血友病日|分享知识,让我们变得更强

为了纪念世界血友病联盟发起人─加拿大籍的法兰克‧舒纳波先生(Mr.Frank Schnabel ) 对于血友病患者的贡献以及唤起大众对于血友病的正确认知

世界帕金森病日 | 一起走进“颤抖侠”的世界

你是否经常手抖

你是否运动迟缓、走路容易跌倒

你是否面部表情没有以前那么丰富

你是否有患帕金森病的亲属

如果答案是肯定的

那么很不幸

你很有可能患有帕金森病

欧洲帕金森病联合会从1997年开始,将每年的4月11日确定为“世界帕金森病日”(World Parkinson’s Disease Day)。这一天是帕金森病的发现者——英国内科医生詹姆斯·帕金森博士的生日。在今天这个特殊的日子里,小编带大家一起走进“颤抖侠”的世界!

什么是帕金森病?
帕金森病(Parkinson’s Disease,PD)是一组以不自主运动、肌张力障碍和姿势步态异常等为主要表现的神经系统疾病。全球PD患者超过1000万,中国占比约为30%,我国每年新增PD患者10万例。PD多发于60岁以上的人群,但近年来,PD患者逐渐呈年轻化趋势,不乏低于40岁发病的青年PD患者。

帕金森病的致病原因
PD的致病与多种因素有关,目前公认PD与遗传因素有关,约15%的PD患者的一级亲属也患有此病[1],且5-10%的PD患者是由于基因突变导致的[2],PD不同的遗传形式及症状也与特殊的基因突变具有相关性,但其中具体的生化途径仍不清楚,目前认为与相关的基因突变引起氧化应激损伤、谷氨酸兴奋性毒性、线粒体功能障碍、神经炎症和细胞凋亡等导致神经细胞损害有关。此外年龄、环境等因素也可导致PD的产生。
随着PD研究的不断深入,越来越多的PD致病基因被发现和确认。包括PD的重要危险因素GBAMAPTEIF4G1 ;导致迟发型常染色体遗传性PD的VPS35(空泡蛋白分型35 )和与伴有黑质纹状体-苍白球神经退变及路易小体形成的常染色体遗传性PD相关的ATP13A2MAPTEIF4G1等;此外,还有一些易感基因也是导致PD产生的原因[2-5]。根据在线人类孟德尔遗传数据库(Online Mendelian Inheritance in Man,OMIM),PD不同亚型的致病基因相关信息如下所示:

如何诊断帕金森病
帕金森病是继老年痴呆症之后,发病率居于第二位的神经退行性疾病。该病种类繁多,临床表型复杂,多种疾病之间存在症状重叠,临床上难以区分,且起病和发展缓慢,患者往往会误认为是身体的正常衰老,容易忽视,从而延误治疗。影像学检查、血糖血脂、生化检查可以确诊部分患者,但仍有大部分患者无法被确诊。随着高通量测序技术的发展及应用,越来越多的PD致病基因被发现,基因检测技术尤其是全外显子组测序已成为重要的临床检测手段。基因诊断不仅可以从分子水平上明确病因,早发现、早干预,更可以指导科学婚育、促进药物与治疗方法的开发,具有重要的科学价值与临床意义。

有文献报道[6-8],某些PD是基因组结构变异如倒位、易位、重排、拷贝数变异等导致的,基于二代测序技术的全外显子组测序等检测手段由于读长太短,对多样性和复杂性SVs的检出率较低,假阳性率较高。而三代测序、光学图谱成像技术凭借超长读长、无GC偏好性、直接检测甲基化修饰等优势,突破二代等测序技术瓶颈,可以很好的检测SVs/CNVs、STRs和甲基化修饰等变异类型,极大的提高了PD的检出率和准确度。

如何治疗帕金森病

中华医学会神经病学分会帕金森病及运动障碍学组制订的《中国帕金森病治疗指南(第三版)》明确提出,对PD的运动症状和非运动症状采取全面综合治疗的理念,同时强调了“早诊断、早治疗”的用药原则。治疗方法和手段包括药物治疗、手术治疗、运动疗法、心理疏导及照料护理等。药物治疗为首选,且是整个治疗过程中的主要治疗手段,手术治疗则是药物治疗的一种有效补充。目前应用的治疗手段,无论是药物或手术治疗,只能改善患者的症状,并不能阻止病情的发展,更无法治愈。因此,治疗不仅要立足当前,并且需要长期管理,以达到长期获益。

此外,基因疗法有望为PD提供革命性的治疗方案 。2017年11月,伦敦大学学院(UCL)与Synpromics公司宣布合作,为中枢神经系统(CNS)生成一系列合成基因启动子,开发治疗PD的基因疗法。此外,专注于开发针对严重神经疾病的基因治疗公司VoyagerTherapeutics研发了基因治疗载体VY-AADC,该载体由腺相关病毒-2衣壳和启动AADC基因表达的巨细胞病毒启动子组成,可以将AADC基因直接递送至多巴胺受体所在的壳核神经元中,将左旋多巴转化为多巴胺,从而有效治疗PD患者。相信随着基因测序、分子机制研究的逐渐深入,基因治疗会成为PD控制的一个方向和新的突破,为广大PD患者带来福音!

参考文献

[1] Samii A, Nutt JG, Ransom BR . “Parkinson’s disease”. Lancet. 2004,363 (9423):1783–93.

[2] Lesage S, Brice A . “Parkinson’s disease: frommonogenic forms to genetic susceptibility factors”. Human MolecularGenetics. 2009,18 (R1):R48–59.

[3] Kalia LV, Lang AE. “Parkinson’s disease”. Lancet.2015,386 (9996): 896–912.

[4] Trinh J,Farrer M.Advances in the genetics of Parkinson disease.Nat Rev Neurol. 2013,9 (8): 445 -454.

[5] Hamza, T. H., Zabetian, C. P., Tenesa, A., Laederach, A.,Montimurro, J., Yearout, D., Kay, D. M., Doheny, K. F., Paschall, J., Pugh, E.,Kusel, V. I., Collura, R., Roberts, J., Griffith, A., Samii, A., Scott, W. K.,Nutt, J., Factor, S. A., Payami, H. Common genetic variation in the HLA region is associated with late-onset sporadic Parkinson’s disease. NatureGenet. 2010,42: 781-785.

[6] Bandrés-CigaS, Ruz C, Barrero FJ, Escamilla-Sevilla F, PelegrinaJ, Vives F, Duran R. Structural genomic variationsand Parkinson’s disease. Minerva Med. 2017 Oct;108(5):438-447. 

[7] Chiba-Falek O. Structural variants in SNCA gene andthe implication to synucleinopathies. Curr Opin Genet Dev. 2017Jun;44:110-116.

[8] Murthy MN, Veerappa AM, SeshachalamKB, Ramachandra NB. High-resolution arrays reveal burden of copy numbervariations on Parkinson disease genes associated with increaseddisease risk in random cohorts. Neurol Res. 2016 Sep;38(9):775-85.

世界自闭症日 | 解密“星星的孩子”

我们身边有一群“星星的孩子”

    他们有正常的视力,却被“黑夜”遮蔽了双眼

他们不聋不哑,却只愿自言自语

他们就像黑夜中孤独的星星

远离我们现实的生活

一人一世界

他们就是“自闭儿”

2007年12月,联合国大会通过决议:从2008年起,将每年的4月2日定为“世界自闭症日”,以提高人们对自闭症的相关研究以及对自闭症患者的关注。

什么是自闭症

自闭症(autism)又称孤独症,全称孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder,ASD),是一组以社交沟通障碍、兴趣或活动范围狭窄以及重复刻板行为为主要特征的比较严重的神经发育性障碍,病程可持续一生。自闭症不仅严重损害儿童身心健康,也成为家庭和社会的沉重负担。

自闭症大数据

调查结果显示,自闭症一般发病于 3 岁以前,发病率为1%-4%,多见于男性儿童,男女比例高于4:1,且发病率呈不断上升趋势。根据2016年《中国自闭症教育康复行业发展状况报告Ⅱ》蓝皮书显示,我国自闭症发生率至少为1%,也就是说,在我国13亿人口中,可能有超过1000万的自闭症人群、200万的自闭症儿童,并以每年将近20万的速度增长。

此外,有数据显示,工程师、科学家、程序员和数学家等有理科头脑的高科技人才或其子女患自闭症的概率明显偏高,因此有学者推测,自闭症相关基因可能与技术天赋相关的基因重叠。Simon等于1997年在英国开展的一项涉及近2000个家庭的研究结果显示,12.5%自闭症患儿的父亲是工程师,而非自闭症患儿的父亲中只有5%是工程师。

什么导致自闭症

很多人误认为自闭症是因为家长给予子女的关心和爱护太少,导致孩子性格孤僻或内向,属于一种心理障碍。其实不然,孤独症是广泛性发育障碍的一种亚型,而非后天形成。美国精神病学家 Kanner在 1943 年首先报道了自闭症,70 多年来,人们就自闭症开展了大量的研究,但到目前为止,自闭症的病因仍无一致结论。目前的研究成果表明,自闭症是由多种因素共同作用所引起的,这些因素主要包括:遗传、感染与免疫和孕期理化因子刺激等。遗传因素大约能够解释 10%~30%的自闭症成因,且有文献显示,异卵双生子同病率约 5%,而单卵双生子同病率高达 60%,  甚至90%。

致病因素示意图[11]

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自闭症的致病基因

自闭症属于多基因病,受遗传和环境的双重影响。自闭症数据库(Autism Database,AutDB)截止到2017年12月份的数据显示,目前存在990个基因、2225个拷贝数变异CNVs与自闭症有关(链接: http://autism.mindspec.org/autdb/Welcome.do)。根据在线人类孟德尔遗传数据库(Online Mendelian Inheritance in Man,OMIM),自闭症不同亚型的致病基因主要有26个,相关信息如下所示:

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2007年4月,威格勒和他同事乔纳森•塞拜特发现了自闭症患者的新发突变(de novo mutations,DNMs)远高于其他正常人,DNMs不是从父母那里遗传得到的,而是自发产生的。有文献报道,自闭症等神经发育性障碍疾病患者的父亲年龄越大,孩子越容易发生DNMs。DNMs可以从单碱基变异(SNVs)到大片段(> 50kbp)基因组缺失、重复及重排等,具体信息如下表所示:

DNMs变异类型总结[12]

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如何诊断自闭症

目前,儿童 ASD 的诊断标准主要参考美国精神病学会出版的《精神障碍诊断和统计手册》第四版、世界卫生组织关于精神与行为障碍的诊断标准以及中华精神科学会中国疾病分类诊断标准。国外常用的诊断工具为自闭症诊断访谈量表和儿童自闭症评定量表,国内常用的诊断工具是儿童自闭症评定量表和儿童自闭症行为量表,主要涉及行为特征、心理特征等问题,进而初步诊断自闭症患者。

基因检测技术也能辅助诊断部分患者。加拿大纽芬兰纪念大学遗传医学院的研究团队发表一篇论文,证明染色体微阵列分析和全外显子组测序能够筛查与自闭症相关的基因,帮助家长和医生更好的了解孩子患自闭症的几率,相关研究结果发表于《JAMA》。同时,Amy等写道,虽然基于二代测序的全基因组测序(WGS)是目前诊断自闭症较好的方法,但是,人类基因组变异不仅仅包括单碱基变异(SNVs),还存在大量的结构变异(SVs/CNVs)、串联重复序列(STRs)和碱基甲基化修饰,而基于二代测序的WGS由于读长较短,并不能有效检测重复区域的基因组变异,从而漏掉了大量的这些类型的变异,如漏掉了大于65%的SVs。Oxford Nanopore和Pacific Biosciences等长读长技术凭借超长读长、无PCR过程、无GC偏好性、直接检测碱基甲基化修饰等优势,可以突破二代测序技术瓶颈,有望解决这些诊断难题。目前,虽然学者们已经发现了许多自闭症相关的致病基因和致病突变,但还有大量尚未发现的基因和变异需要更全面的基因组评估,以充分理解自闭症的生物学基础。

如何治疗自闭症

越来越多的实例表明,早期诊断和早期干预对于减轻自闭症患儿症状、最大程度发挥其潜能、提高其功能水平以及争取较好的预后是非常重要的。同时,通过研究人们发现盐酸氟苯丙胺、制真菌素、羟吗啡酮等药物能够用于自闭症的治疗,但这些药物一般只能缓解某一种症状。此外,由于自闭症病因复杂多样,涉及基因、神经系统、内分泌、免疫、心理等各个层面,单一的药物治疗难以对自闭症的康复起到决定性的作用。因此,人们开始研究用应用行为分析治疗法、综合治疗模式等行为干预的方式对自闭症患者进行治疗,均在一定程度上缓解自闭症症状。相信随着基因测序、自闭症分子机制研究的逐渐深入,基因治疗也会成为自闭症控制的一个方向和新的突破,为广大自闭症患者带来福音!

参考文献:

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2  Blumberg S J, Bramlett M D,  Kogan M D, et al. Changes in prevalence of parent-reported  autism spectrum disorder in school-aged U.S. children: 2007 to 2011–2012. Centers for Disease  Control of USA, 2013, http://www.cdc.gov/nchs/data/nhsr/ nhsr065. pdf

3、Anagnostou E, Zwaigenbaum L, Szatmari P, et al. Autism spectrum disorder: advances in evidence-based practice. CMA J, 2014, 186: 509–519.

4、 Bassett Ken,Green Carolyn J,Kazan jian Arminée.Autism and Lovaas treatment:a systematic review of effectiveness evidence. Canada:British Columbia Office of Health Technology Assessment ,2000.17- 20.

5、Odom S.L,Boyd,B.,Hall,L.J.Evaluation of comprehensive treatment models for individuals with autism spectrum disorders. Journal of Autism Developmental Disorders, 2010, 40:425- 436.

6、Odom S.L,Boyd,B.,Hall,L.J.Evaluation of comprehensive treatment models for individuals with autism spectrum disorders. Journal of Autism Developmental Disorders, 2010, 40:425- 436.

7、Rutter M. Aetiology of autism: findings and questions. J Intellect Disabl Res, 2005, 49: 231–238.

8、Rosenberg R E, Law J, Yenokyan G, et al. Characteristics and concordance of autism  spectrum disorders among 277 twin pairs. Arch Pediatr Adolesc Med, 2009, 163: 907–914.

9、Charles, J. M., Carpenter, L. A., Jenner, W., & Nicholas, J. S. (2008).  Recent  advances  in  autism spectrum disorders. International Journal of Psychiatry in Medicine, 38, 133–140.

10、陈顺森,白学军,张日昇.自闭症谱系障碍的症状、诊断与干预. 心理科学进展, 2011, Vol. 19, No. 1, 60–72.

11、段云峰,吴晓丽,金锋. 自闭症的病因和治疗方法研究进展. 中国科学: 生命科学,2015 年   第45卷第9期: 820 ~ 844.

12、Amy B. Wilfert1†, Arvis Sulovari, et al. Recurrent de novo mutations in neurodevelopmental disorders: properties and clinical implications. Genome Medicine (2017) 9:101.

NanoMod 发布,适配于纳米孔测序数据的碱基修饰检测工具

DNA碱基修饰在DNA复制起始、错配修复、细菌中寄主控制的修饰与限制以及转座子的失活等过程中对维持遗传信息的稳定性发挥着重要的作用。目前检测DNA甲基化的常规方法是亚硫酸氢盐测序法等,近年来三代单分子测序技术的发展也让通过测序实时读取DNA碱基修饰信息成为可能(PacBio 通过荧光信号出现的间隔时间识别[1],Nanopore通过特征性电流变化识别[2])。

从Nanopore数据中识别碱基修饰,难度比PacBio大,对算法拟合的精确度要求更高。为了提高碱基修饰信息识别的准确度,希望组首席科学家王凯老师课题组开发了一种新的计算工具——NanoMod,关于NanoMod的测评分析文章已经预印(bioRxiv,2018)[3]。以下是文章内容简单介绍。

Fig. 1 NanoMod工作流程图

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研究中使用NanoMod软件处理两组有碱基修饰和无碱基修饰的DNA样本的原始信号数据(Nanopore raw data),提取信号强度,基于参考序列执行碱基校正(Fig. 2),然后通过对比两个样本的原始信号分布鉴定修饰碱基(“邻域效应”)。

Fig. 2 基于NanoMod的缺失错误校正(A);基于NanoMod的插入错误校正(B)

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研究者在基于不同的碱基修饰类型和不同程度的邻域效应的模拟数据集上评估NanoMod,发现NanoMod在识别已知碱基修饰方面优于其他方法。此外,研究者还展示了NanoMod在E.coli数据集中鉴定5-mC(5-甲基胞嘧啶)的优越性能(Fig. 3)。

Fig.3 使用NanoMod对E.coli进行DNA修饰分析(DS1代表非甲基化样本,DS2代表甲基化样本)

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相比于现存的一些基于Nanopore测序数据的DNA修饰检测工具,NanoMod的优势在于不需要大量的training data和后续的补偿算法即可完成对DNA修饰的检出,真正实现对DNA修饰的de novo检测。

总之,NanoMod是一种可用Nanopore测序的原始信号实现以单碱基分辨率检测DNA修饰的灵活工具,这将大大促进基于核苷酸修饰的大规模功能基因组学研究的发展,同时也体现了Nanopore测序技术在功能基因组学研究中的应用价值。

参考文献

[1] Flusberg B A, Webster D R, Lee J H, et al. Direct detection of DNA methylation during single-molecule, real-time sequencing[J]. Nature methods, 2010, 7(6): 461. 

[2]Schatz M C. Nanopore sequencing meets epigenetics[J]. Nature methods, 2017, 14(4): 347.

[3]Liu Q, Georgieva D C, Egli D, et al. NanoMod: acomputational tool to detect DNA modifications using Nanopore long-read sequencing data[J]. bioRxiv, 2018: 277178.

宇宙之王“抗冻”55载!谨以此文缅怀天才霍金

据《卫报》、BBC、天空新闻频道等多家外网消息,斯蒂芬·霍金今天去世,享年76岁。据悉,他的家人已经确认,霍金教授的子女露西、罗伯特和蒂姆在一份声明中表示:“我们深爱的父亲已于今日辞世,我们为此感到极度伤心。

史蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking),英国著名物理学家和宇宙学家。霍金的主要研究领域是宇宙论和黑洞,证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理,提出了黑洞蒸发现象和无边界的霍金宇宙模型。霍金是继牛顿和爱因斯坦之后最杰出的物理学家之一,被世人誉为“宇宙之王”。

霍金17岁便获得牛津大学一等荣誉学位,正在他意气风发,准备大展宏图之时,噩耗降临了。1963年,21岁的他不幸被诊断出患有肌萎缩性侧索硬化症(ALS)。该病临床上表现为上、下运动神经元合并受损的混合性瘫痪。逐渐蔓延的肌萎缩以及肌无力的临床表现,看起来好像是被冰冻了,因此该病又称渐冻人症,曾经风靡全球的冰桶挑战即是为这类患者进行募捐的慈善行动。

医生曾断言霍金只能活两年,可他坚强的与肌萎缩侧索硬化对抗了55年,并完成无数举世震惊的科研工作。

那么,渐冻人症到底有没有那么可怕?

渐冻人症是一种致死性的神经退化性疾病,通常累及大脑皮质、脑干和脊髓前角的上、下运动神经元,导致肌肉无力和萎缩、言语困难及呼吸功能障碍。渐冻人症多于30-50岁发病,缓慢起病,呈进行性发展,多无感觉障碍。以上肢周围性瘫痪,下肢中枢性瘫痪,上下运动神经云混合性、对称性损伤为特点。倘若没有进行有效的临床干预,患者多在患病3-5年后因呼吸困难,肺部感染和全身衰竭而死亡[1-6]

渐冻人症的确切病因迄今不明,发病机制涉及遗传因素、氧化损伤、神经细丝异常聚集、细胞内钙离子异常堆积、神经营养因子缺乏、线粒体功能缺陷以及细胞凋亡等多种学说。流行病学调查显示:遗传、环境和衰老是渐冻人症发病的易感因素,其中遗传在家族性ALS(FALS)中具有明确的作用[4-7]。近年来,随着检测手段的日益进步,越来越多的致病基因被发现,人们战胜渐冻人症的希望也越来越大。

目前,渐冻人症面临的最大挑战是明确的诊断。渐冻人症起病隐匿,在临床上,诊断的假阳性率约8%,假阴性率约44%。由于没有特异性的检测方案,早期易被误诊,特别是容易和肯尼迪病、多灶性运动神经病或重症肌无力混淆而错过最佳治疗时机。据文献统计,渐冻人症患者确诊时间需要11-12个月,甚至更久,30%-50%的患者至少有一次误诊,确诊之前至少要看3位大夫[8-10]

尽管患者的临床表现和病情的进展速度存在相当程度的个体差异,但无一例外呈现进行性加重,早期诊断、早期治疗,可明显延长患者的生命。利鲁唑是唯一由美国食品药品监督管理局获准的渐冻人症治疗药物,可以延长存活期和/或推迟气切时间 [2,11,12]。霍金与病魔抗争了55年,除了他惊人的毅力,精确的诊治也必不可少。

霍金老人家

您是天才

是巨人

是不屈的斗士

您在物理学上的成就

帮助人类探索未知世界

您与病魔的抗争

让更多人们了解ALS罕见病

鼓舞人们勇敢面对疾病、热爱生命

无论是科学还是生活

您都给了我们无限力量

您的精神和思想是自由的

穿越时光,穿越历史

愿您永远属于宇宙星辰

愿您一路走好

我们永远怀念您

参考文献:

[1] 樊东升.神经病学[M] .5版.北京:人民卫生出版社, 2004:221 -224.

[2] Lacomblez L,Bensimon G,Leigh PN,Guillet P,Meininger V. Amyotrophic Lateral Sclerosis/Riluzole Study Group II. Dose-ranging study of riluzole in amyotrophic lateral sclerosis. Lancet 1996;347(9013):1425–1431

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[10] Williams JR, Fitzhenry D, Grant L, Martyn D, Kerr DA. Diagnosis pathway for patients with amyotrophic lateral sclerosis: retrospective analysis of the USMedicare longitudinal claims database.BMC Neurol 2013;13:160

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[12] Groeneveld GJ, van Kan HJ, Lie-A-Huen L, Guchelaar HJ, van den Berg LH. An association study of riluzole serum concentration and survival and disease progression in patients with ALS. Clin Pharmacol Ther 2008;83(5):718–722