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    全外顯子測序在遺傳病臨床診斷中的應用
    2021-07-30

    全外顯子測序在遺傳病臨床診斷中的應用

    全外顯子測序是目前遺傳病基因檢測市場中最炙手可熱的檢測項目,可以說沒有之一。全外顯子測序自2017年左右開始應用于臨床,短短兩年時間,已現身于各個行業大會,并且深得部分大牛的青睞。


    圖片來源:google


    本文將從臨床應用的角度向大家剖析全外顯子測序的價值。


    基本概念


    圖片

    圖片來源:《醫學遺傳學》


    外顯子(exon)通常是指基因內的DNA編碼序列,并且最終表達為蛋白質。外顯子組是指物種基因組中所有外顯子區域的總和。人類外顯子組包括22,000余個基因,共180,000余個外顯子。整個外顯子區域長度只有全基因組的1-2%2,但是卻涵蓋了大多數的單基因病致病突變3。


    經濟角度

    臨床上大多使用panel的角度,是希望患者花最少的錢找到病因。panel價格比較友好,一般都在4000元以下,且包含了幾十到五千個不等的基因,所以NGS在臨床應用的初期,panel一度是主流檢測產品。


    圖片


    其實早在2014年,行業大牛Illumina推出了HiSeq X Ten,每臺HiSeq X儀器3天可產生1.8Tb的數據,若同時運行10臺儀器,人們每年可測序>18,000個人類基因組。這一儀器的推出使得測序成本大幅度下降,也使得傳統panel測序的優勢不再明顯。


    現在各家公司推出的WES,單人均價在7000元左右,家系10000元左右,檢測的卻是20000+基因;而傳統panel,例如一度盛行的醫學外顯子,最多檢測5000余個基因,市場價位也要在4000元左右。平攤到單個基因,傳統panel是WES的單個基因檢測成本的至少四倍多。


    檢出率角度

    在一些臨床異質性(同一基因引起不同的臨床表型)和基因異質性(同一臨床表型可以有不同的基因突變引起)極強的疾病中,如癲癇、智力障礙等,WES檢測相較于傳統panel檢測的優勢更為突出。


    今年五月份剛發表在Genetics in Medicine上的一篇文章通過對PubMed上所有關于NDDs 基因檢測的文章進行meta分析后,得出外顯子測序是檢測NDDs 的第一線方法4。


    圖片來源:Genetics in Medicine


    從這些文獻中,作者得出,對于NDDs 這種異質性極強的疾病,外顯子檢測比CMA這類檢測方式的檢出率更高(CMA的檢出率15-20%;WES的檢出率30-43%)。


    圖片來源:Genetics in Medicine


    去年,Dillon等人發表在European Journal of Human Genetcis上的一篇文章5,對145名WEST綜合征入組患兒的檢測項目以及相關花費進行對比,最終得出,WES是目前性價比最高的檢測方法。


    圖片來源:European Journal of Human Genetcis


    從上圖中可以看出,相較于嘗試多個panel才能檢出真正病因的方式,直接在首次即進行WES的檢測才是最經濟實惠并且患者高度受益的檢測方案。


    另外,見下圖,Wright等人于去年發表在Nature Genetics上的一篇review中的配圖6。


    圖片來源:Nature Genetics


    文中作者強調,選擇測序產品的診斷潛力與其實用性和成本之間存在著平衡。從上圖中可以看到,家系WGS具有最高檢出率,也是信息量最大成本最高的方法。鑒于大多數目前已知的致病突變位于基因組的編碼部分,使用家系WES雖然略微降低了檢出率,但卻大大降低了成本。


    數據價值

    遺傳病檢測市場上總能聽到這樣的說法:患者沒必要做WES,因為目前已知的只有5000余個基因與疾病相關,為什么要患者花額外的錢去檢測那些尚不明確的基因呢?


    這個說法在某種程度上得到很多人贊同,那為什么還要推WES呢?因為數據帶來的價值遠高于其它NGS產品?;颊咦隽薟ES之后,除非是動態突變或者內含子區域的變異,其它位于外顯子區域的點突變或小的缺失重復均可以通過疾病數據庫的更新進行病因的再分析。一個panel,無論是小panel還是醫學外顯子,本質上還是富集了指定基因的序列數據信息。隨著科學水平的進步以及新的致病基因的發現,這些panel在數據價值和再分析水平的表現都沒有WES的數據優秀,甚至可以說它們沒有任何再分析的價值。


    下面就用真實案例來說明WES的數據價值。


    案例一

    8月余女性患兒因疑診遺傳代謝病和發育遲緩申請進行WES檢測,2018年7月2日進行采樣,2018年7月24日出了第一份檢測報告,當時是一份陰性報告,該患兒并未檢出可以明確解釋患者表型的致病性或疑似致病性變異。


    而后,于今年的2月13日,經過基因檢測公司后臺的一些WES數據重分析,找到了致病原因。


    圖片來源:賽?;驒z測報告


    那為什么之前沒有檢出呢?

    其實之前也有檢出,但由于當時OMIM中關于CACNA1E 基因,并無任何疾病與之關聯,解讀人員將這個變異放到了基因檢測報告表二的提示表格中。


    圖片來源:賽?;驒z測報告


    無獨有偶,另一位患兒的樣本也是同樣的情況。


    9個月女性患兒因癲癇和發育遲緩申請進行WES檢測,于2018年1月12日進行采樣,2018年2月8日出了第一份基因檢測報告,也是一份陰性報告,該患兒并未檢出可以明確解釋患者表型的致病性或疑似致病性變異。


    隨后今年的2月13日,經過基因檢測公司后臺的一些WES數據重分析后,給患兒找到了致病原因。


    圖片來源:賽?;驒z測報告


    同樣由于當時OMIM中關于CACNA1E 基因并無任何疾病與之關聯,解讀人員將這個變異放到了表二的提示表格中。


    圖片來源:賽?;驒z測報告


    最后再去OMIM中看看CACNA1E 的詞條收錄日期。


    圖片來源:OMIM


    這個疾病相關的詞條就是今年年初才更新的,因此,更新之前無法真正明確該基因的致病性也在情理之中。


    如果患兒當時做的是癲癇panel或者醫學外顯子之類的產品,想要再次明確病因只能再抽血進行更新基因包后的panel檢測,并且還存在二次檢測費用二次抽血。


    案例二

    第二個案例,患者在A基因檢測公司做了癲癇panel,檢測報告為陰性。醫生經科研項目于2018年8月將全外的fastq數據給到B公司重分析,2018年9月14日,再分析結果仍為陰性。今年年初,患兒再去臨床醫生處復診,B公司又重新給患兒分析了一次,這一次檢出了致病變異。


    圖片來源:賽?;驒z測報告


    再來看看這個疾病在OMIM中的收錄日期:


    圖片來源:OMIM


    該疾病早在2008年就出現了,但是去年的12月才更新了明確致病基因,今年的4月份又更新了一次。


    因此,無論是在哪家公司做的WES,只要數據質量合乎標準,它的再分析價值就一直能體現。相對于傳統的panel,捕獲的永遠是已知的致病基因,隨著數據庫的更新,患者如果想要繼續確診又需要再做更新版本的panel,滯后性一直存在?,F在的全外價格全面下降,為何不多花兩千余元省去后續再補做panel的風險呢?


    局限性

    剛剛說了那么多WES的優點,那么是不是WES就是萬能的呢?


    答案是否定的,某些特殊類型的突變,如動態突變(脆X綜合征)、存在高度同源性的假基因的疾?。ㄏ忍煨阅I上腺皮質增生)以及某些突變類型以缺失重復為主的疾?。―MD)這些還是需要特定的檢測手段進行檢測。


    臨床醫生如果碰到以上突變類型為主的疾病,需要留意送檢的檢測類型,避免假陰性結果的產生。


    小結


    圖片來源:European Journalof HumanGenetics


    從分辨率最低的核型分析到現在可以精確到單個堿基變化的NGS測序,不同的檢測方法都有其對應的應用場景、檢測范圍和局限性,不同的檢測方法亦有其存在的合理性。由于各大開源數據庫的不斷更新以及世界各地醫療科研工作者的努力,在均衡性價比的情況下,一次性盡可能檢測更多的信息肯定讓患者受益更多,因此WES的優勢就愈加突出。


    技術革新總會帶來新的疾病認知,從21三體綜合征、CNV導致的Williams綜合征到如今單點突變導致的各種疾病等等,技術帶來的檢測范圍在不斷擴增,應用WES測序是大趨勢,panel的更新永遠跟不上數據庫的更新。


    當然最近WGS也非?;馃?,但是各家公司WGS的檢測價格仍然非常高昂,相應的算法尚未匹配,相信在不久的將來,WGS也會取代WES,這就是技術發展的驅動力吧!


    參考文獻:


    1、《醫學遺傳學》鄔玲仟,張學主編. —北京:人民衛生出版社,2016

    2、Alison M. M., Morad A., David R F., Martin S. T., Variant detection sensitivity and biases in whole genome and exome sequencing.,BMC Bioinfomatics 2014, 15:247.

    3、Cooper DN, Krawczak M, Antonarakis S. In The Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease. 7th edn. 1995:259-291.

    4、Siddharth S., et al., Meta-ananlysis and multidisciplinary consensus statement: exome sequencing is a first-tier clinical diagnostic test for individuals with neurodevelopmental disorders., Genetics in Medicine, 2019.

    5、Dillon, O. J., Lunke, S., Stark, Z., Yeung, A., Thorne, N., ... Tan, T.Y. (2018). Exome sequencing has higher diagnostic yield compared to simulated disease‐specific panels in children with suspected monogenic disorders. European Journal of HumanGenetics, 26(5), 644–651.

    6、Wright C.F., FitzPatrick D.R., Firth H.V. Paediatric genomics: diagnosing rare disease in children. Nat. Rev. Genet. 2018; 19:253–268.


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