2015年5月4日

外顯子組定序

新的基因定序法,為罕見疾病的研究與診斷,提供前所未有的新希望。

作者/李宜恬(美國貝勒醫學院(Baylor College of Medicine)生物醫學博士)

卡爾文的故事卡爾文(Calvin)是個笑容甜美的小男孩,出生時父母對他有許多期許。但在他十個月大的時候,同年齡的小孩已經可以爬行甚至站立,他卻仍不會翻身也無法爬行,也一直有消化系統的毛病。卡爾文的父母非常擔心,帶著他四處求醫,但看了好幾個醫生、做了無數次檢查仍找不到病因。在絕望的情況下他們決定參與一項臨床基因體定序計劃。

他們將自己及卡爾文的血液提供給美國加州大學洛杉磯分校(UCLA),由奈爾森(Stan
Nelson)博士帶領的研究團隊。研究人員從他們的血液中得到DNA,將它放入基因體定序儀(請想像一台小冰箱,但旁邊多了個電腦螢幕)當中。幾天後,由A、T、C、G 四種鹼基字母組成的序列資料(平均每個樣本可定序出約10億個鹼基),就可以跟人類基因變異資料庫(Human gene mutation database)裡超過兩萬個已知的基因變異做比對。研究人員再根據病患的症狀跟家族史縮小範圍,最後由專家組成的委員會做出診斷。

在幾個禮拜內,研究人員在卡爾文的第18個染色體上的TCF4基因找到一個變異,已知會造成一種罕見疾病,其症狀包含發育遲緩及消化道問題,與卡爾文的症狀完全吻合!他的病於是有了名字:皮特霍普金斯綜合症(Pitt-Hopkins Syndrome)。這個疾病相當罕見, 全世界目前只有250個已知案例,這樣少見的疾病恐怕再有經驗的醫生都難以正確診斷。更何況像發育遲緩這種常見的症狀,可能的原因有上千種;若不是用基因定序的方式,不知道何時才能得到正確的診斷,也可能因此喪失治療的契機。

不過, 對罕見疾病的患者與家人而言,診斷只是第一步。事實上,95%的罕見疾病都是無藥可醫,而30%的罕見疾病患者會在5歲以前過世,這對父母來說無疑是個令人心碎的數字。但至少得到正確診斷後,他們清楚敵人是誰,也對未來比較有心理準備。

診斷罕見疾病新方法
2014年10月,奈爾森將他的研究成果發表在著名的醫學期刊《美國醫學會》(JAMA)。他們總共採集了814個找不到病因的病患血液樣本, 其中三分之一以上的患者有類似卡爾文發育遲緩的症狀。經過基因定序後, 有26%的患者找到了致病基因;雖然只佔全部的四分之一,但已經是一大進展。如果除了小孩之外,父母雙方也能同時提供血液樣本的話,診斷率將提高至31%, 這是因為跟父母的基因比對之後,較容易快速比對只存在於患者但不存在其健康父母的基因變異。同時,貝勒醫學院(Baylor college of medicine)也在JAMA期刊發表了類似的研究結果。由克思提那(Christine Eng)博士帶領的研究團隊搜集了2000個病患的DNA樣本, 用同樣的基因體定序法為25% 的患者找到致病基因。

奈爾森與克思提那的團隊是如何達到快速又準確的高診斷率呢?他們使用的是一種新的基因體定序方法,叫做「外顯子組定序」(exome sequencing, ES)。人的基因大約只有1%是會轉譯成蛋白質的序列(exon,稱為外顯子),但約85%的遺傳疾病都是由蛋白質的失常引起的。ES跟傳統基因定序的不同,就在於只集中定序這1%的外顯子部份, 忽略其它99%的序列, 這樣就能顯著減少時間跟成本、提高效率。

當然, 這種定序法還是有它的缺點,畢竟這些研究當中仍有四分之三的病患都沒有得到診斷。如果致病基因不位在外顯子當中,也就是說疾病不是由蛋白質引起的,那只看外顯子的部份當然就無法偵測到了。另外,有些疾病是因為某基因序列被複製或刪除所造成,但序列本身並沒有改變,這種也無法偵測。

發掘新的致病基因
其實ES一開始並不是用於診斷疾病, 而是用來發掘新的致病基因。2009年, 華盛頓大學的森爾得(Jay Shendure)博士第一次發表ES的結果, 當時採集了12個人的DNA,其中4名試驗者患有同一個罕見疾病費里曼– 謝爾登綜合症(Freeman-Sheldon syndrome)。研究者將患者的基因序列互相比對,找出只有患者有而其它人沒有的單一基因變異,而這個變異就位在已知會造成這個疾病的基因上!這個結果顯示,如果造成某個罕見疾病的基因仍未知,就能用ES的方法從幾個患有相同疾病的患者的基因序列當中尋找解答。而這個方法比過去的定序法更省時間跟金錢,從此開啟了遺傳疾病研究的新時代。

過去幾年內,已有上百個新的致病基因用ES的方式尋獲,而且還在持續增加當中。

必須注意的是,任何兩個人之間相似的基因變異可能有上千個,大部份都跟疾病沒有直接相關。即使能根據患者症狀、家族病史及相關文獻縮小範圍到幾個可能的致病基因,要能證實患者的疾病確實是某單一基因造成,還是要有許多細胞或動物實驗的佐證才行。而從找到致病基因到研發出治療的方法,也還有好長一段路要走。

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