Science大型低成本，外顯子測序成果

日期：2012-11-16 08:00:53

來自華盛頓大學醫學院，霍德華休斯醫學院等處的研究人員利用一種新型技術，完成了多達2446個樣品外顯子測序分析，找到了自閉癥譜系障礙（ASD，Autism Spectrum Disorder）的多個頻發突變，不僅為治療ASD疾病提供了新思路，而且也提出了一種低成本，多基因測序新方法。相關成果公布在Science雜志上。

領導這一研究的是華盛頓大學醫學院Jay Shendure副教授，以及Evan E. Eichler教授，第一作者為Brian ORoak，這一研究組致力于自閉癥的分子機理研究。

自閉癥譜系障礙（ASD，Autism Spectrum Disorder）是根據典型自閉癥的核心癥狀進行擴展定義的廣泛意義上的自閉癥，既包括了典型自閉癥，也包括了不典型自閉癥，又包括了阿斯伯格綜合癥、自閉癥邊緣、自閉癥疑似等癥狀。

讓人擔心的是，目前此類疾病的患病概率很高——據相關報告顯示：平均每88個兒童中就有一個兒童患病。幾十年來，科學家們一直在討論遺傳與環境因素對自閉癥的影響，而關于基因成分與自閉癥關系的討論卻是近幾年才開始的。

之前的三個研究組，包括Eichler教授研究組在內發現了引起兒童大腦變異從而導致其社交問題的上百種，甚至上千種基因突變，但是要在大規模樣品基礎上，進行精確的重測序，尋找致病基因依然不容易，而且成本高。

在最新這篇文章中，研究人員改進了分子倒置探針（Molecular Inversion Probe，MIP）技術，從而研發出了一種新型多重靶向測序方法，這種方法成本低，精確度高，是基因測序技術的又一新發展。

分子倒置探針技術與線性探針序列相比，能夠指數級減少由于線性引物序列所引起的交叉反應及二聚體現象，具備了分子掛鎖探針的優點。這種探針由7部分序列組成：2個內切酶識別位點，可利用限制性內切酶處理探針序列，2段目的基因互補序列，以及2段通用引物序列以及1段特異性標簽序列。

利用這種技術，研究人員對兩千多位受到不同類型ASD影響的患者進行了多基因分析，完成了四十四種基因的測序，在其中十六種基因中發現了27種隨機突變。并且研究人員發現了6種頻發突變：CHD8，DYRK1A，GRIN2B，TBR1，PTEN和TBL1XR，這些基因高頻發生突變，可能是造成1%偶發性的自閉癥譜系障礙的病因。

這項研究結果揭示了自閉癥譜系障礙的分子病理機制，并提出了一種低成本，多基因測序新方法，這種方法可以用于可能是由隨機破壞性的突變風險造成疾病的遺傳分析。

外顯子組測序的機遇與挑戰

2009年，基因組定向捕獲工具的出現，讓外顯子組的捕獲成為可能。科學家們普遍認為外顯子組測序比全基因組測序更有優勢，特別是對罕見的單基因疾病。不僅僅是費用更低，數據的闡釋也更為簡單。因此，外顯子組測序去年也被Science雜志評為年度十大突破。

Jay Shendure副教授曾對此發表過一篇綜述性文章，評述了這一領域發展的機遇和挑戰：他認為，外顯子組測序未能解決相當大比例的孟德爾表型，即使是在遺傳結構已清楚的模式生物中。如果我們希望解決所有的孟德爾遺傳病，那么了解這些失敗的基礎將是至關重要的。同時，人們很想了解稀有變異對常見病的作用。許多研究都從外顯子組測序開始，但是仍在進行中，因為需要大量的樣本，才具有說服力。

外顯子組測序鑒定出大約2萬個變異，而全基因組測序鑒定出400萬個變異。盡管蛋白改變的變異與其他變異的分離優先被證明是有用的，但無疑也是粗略的。從外顯子組轉移到基因組，為了未知的信號增加，我們要承擔100倍的噪音增加。因此，我們需要更精密的方法，為編碼和非編碼變異分配更加適當的“先驗值”。

不過盡管如此，Shendure也依然認為外顯子組測序代表了“高產的遺傳學”，通過較少樣本的外顯子組測序和適中的投資，就可以明確鑒定新的疾病基因。隨著分析成本的進一步降低和分析精密度的提高，這種模式的生產力也會提高。

基因組水平的DNA甲基化研究新方法

Jay Shendure與其研究組今年還發表了另外一篇方法技術的原創性成果，報道了一種新的亞硫酸氫鹽測序方法。

全基因組亞硫酸氫鹽測序帶來了高分辨率且全面的甲基化模式檢測，但它需要大量的起始材料。在構建文庫時，通常需要5μg以上的基因組DNA。因此，對于起始材料有限的樣本，這種甲基化分析方法不適用。

相比之下，低代表性的亞硫酸氫鹽測序需要的起始DNA要少一些，但同時犧牲了全面性。與分析整個基因組不同，這種方法聚焦于基因組的特定區域。而對于癌癥和發育等領域的研究人員來說，起始材料往往有限，這也就限制了分析方法的選擇。

而Shendure的方法方法僅需1ng起始DNA，但仍然能提供全基因組DNA甲基化模式的全面分析。其秘訣在于文庫構建方法，這種稱為“tagmentation”的方法比連接法更高效。基于tagmentation的全基因組亞硫酸氫鹽測序方法利用Tn5轉座子將DNA片段化，并同時摻入接頭。與連接方法相比，轉座子方法更加高效，也減少了所需的DNA起始量。