基因組: 從人類到個(gè)人

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對(duì)自己身體的“基因密碼”，你感興趣嗎？在人類基因組計(jì)劃基本完成之后，基因研究的方向開始轉(zhuǎn)到對(duì)個(gè)人基因組進(jìn)行研究。有朝一日，個(gè)人基因組測(cè)序可能成為診治疾病的常規(guī)手段

想要得到一份自己的“全基因組序列”，目前還是一個(gè)奢侈的愿望。全世界已有三個(gè)人實(shí)現(xiàn)了這個(gè)愿望，他們是：美國(guó)著名基因科學(xué)家克雷格·文特爾，他是人類基因組計(jì)劃的領(lǐng)導(dǎo)者之一；諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者詹姆斯·沃森，他是發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的科學(xué)家；此外，還有一位暫未透露姓名的中國(guó)人。

最近，一對(duì)美國(guó)孿生兄妹諾亞·比里和亞歷克茜·比里的基因組也被描繪出來(lái)，對(duì)他們進(jìn)行基因組測(cè)序的目的，是為了診斷一種罕見(jiàn)的疾病。

從個(gè)人基因組追蹤病因

個(gè)人基因組的檢測(cè)是否有用？回答是肯定的。

首先，個(gè)人基因組可以確定一個(gè)人來(lái)自何方，也會(huì)揭示人的進(jìn)化歷程。例如，沃森的個(gè)人基因組表明，他的基因中含有黑人的基因，而且其所含黑人基因的數(shù)量是歐洲白人平均水平的16倍。據(jù)此可以斷定，沃森的曾祖父母中可能有非洲人。研究還顯示，沃森有9%的基因很可能源自一位亞裔祖先。因而，沃森的個(gè)人基因組也反映了一個(gè)事實(shí)——在人類進(jìn)化過(guò)程中，各個(gè)種族和不同膚色的人彼此有過(guò)親密的交融。

其次，個(gè)人基因組對(duì)于預(yù)防疾病和保健也有重要作用。例如，文特爾的基因組顯示，他患心臟病的幾率高于一般人，因此他應(yīng)該選擇高纖維、低脂肪的飲食。

諾亞和亞歷克茜的故事則顯示了個(gè)人基因組的另一個(gè)重大作用——治病救人，因?yàn)檫@對(duì)孿生兄妹的基因組為治療他們的疾病提供了線索和方法。

兩年前，這對(duì)雙胞胎中的妹妹、13歲的亞歷克茜患了一種癥狀為咳嗽和呼吸困難的疾病。她的父母非常擔(dān)心，甚至害怕她會(huì)因此病而猝死。亞歷克茜的劇烈咳嗽和嘔吐常常持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，每天不得不靠注射腎上腺素來(lái)維持呼吸。而醫(yī)生也不能確定她得的究竟是什么病。

實(shí)際上，除了新出現(xiàn)的呼吸系統(tǒng)問(wèn)題，亞歷克茜一直患有一種嚴(yán)重的疾病，而且是和自己的孿生哥哥同時(shí)患病——在他們5歲時(shí)就被診斷出一種遺傳病，稱為“多巴反應(yīng)性肌張力障礙（簡(jiǎn)稱為DRD）”。DRD是一種運(yùn)動(dòng)障礙性疾病，呈常染色體顯性或隱性遺傳。

在亞歷克茜出現(xiàn)嚴(yán)重的咳嗽和呼吸困難時(shí)，家人和醫(yī)生并沒(méi)有把她的這些癥狀與DRD聯(lián)系起來(lái)，因?yàn)樗鼈兯坪鹾敛幌嚓P(guān)。但是，由于父母都從事生物醫(yī)學(xué)信息和基因測(cè)序工作，因而他們懷疑亞歷克茜的病與遺傳有關(guān)。父親喬是加利福尼亞州一家生命技術(shù)公司的信息主管，與休斯敦貝勒醫(yī)學(xué)院人類基因組測(cè)序中心有合作關(guān)系。于是，喬和妻子雷塔想到請(qǐng)?jiān)撝行臑樾置脗z進(jìn)行個(gè)人基因組測(cè)序。

貝勒醫(yī)學(xué)院人類基因組測(cè)序中心主任理查德·吉布斯等人進(jìn)行測(cè)序后，把這對(duì)孿生兄妹的全基因組與其父母的基因組進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有三個(gè)基因可能與致病有關(guān)，并最終確認(rèn)致病基因正是他們攜帶的一種叫做“墨蝶呤還原酶（SPR）”的突變基因。這一結(jié)果不僅弄清了誘發(fā)“多巴反應(yīng)性肌張力障礙”的原因，也徹底解釋了亞歷克茜和諾亞兩人多年來(lái)先后出現(xiàn)的各種癥狀。

從誤診到確診

早在亞歷克茜和諾亞出生后不久，比里夫婦就感覺(jué)孩子的身體有異常。比如，他倆都會(huì)產(chǎn)生腹絞痛，而且一天要嘔吐好幾次。在他們兩歲時(shí)，情況變得更糟糕，并被診斷為“腦性癱瘓”——后來(lái)證明這是一次誤診。由于投入很多的精力和時(shí)間進(jìn)行治療，二人的病情似乎得到了控制。然而，在5歲半的時(shí)候，這對(duì)雙胞胎的病情再度惡化。亞歷克茜的眼球開始上翻，手無(wú)法正常下垂；諾亞則不斷地嘔吐。兄妹二人甚至無(wú)法像正常人一樣走路和說(shuō)話。

為了徹底治愈孩子的病，母親雷塔在網(wǎng)上查閱了大量的信息，她發(fā)現(xiàn)，孩子的癥狀與一種叫做“Segawa病”的疾病非常符合，這種罕見(jiàn)的疾病又叫做“多巴反應(yīng)性肌張力失常”，此外它還有“遺傳性進(jìn)行性肌張力失常”“少年遺傳性肌張力失常-帕金森癥”等名稱。

2001年，雷塔找到密歇根大學(xué)神經(jīng)學(xué)教授約翰·芬克（John Fink），在那里，兄妹倆最終被確診為“多巴反應(yīng)性肌張力障礙”。隨著用小劑量左旋多巴進(jìn)行對(duì)癥治療，一年后，兄妹倆的病情緩解了許多。

然而，2009年，亞歷克茜出現(xiàn)呼吸因難的癥狀，并變得越來(lái)越嚴(yán)重，護(hù)理人員曾兩次來(lái)到家里進(jìn)行監(jiān)護(hù)。此時(shí)，母親雷塔再次尋找治療方法。最后，通過(guò)個(gè)人全基因組測(cè)序，終于找到了致病的基因。

隨后，除了在加州圣地亞哥市雷迪兒童醫(yī)院進(jìn)行治療外，承擔(dān)基因組測(cè)序的貝勒醫(yī)學(xué)院的醫(yī)生還建議增加補(bǔ)充小劑量五羥色胺的藥物。在用新方法治療后一個(gè)月，亞歷克茜的呼吸功能得到了很大改善，不僅能自主呼吸，而且能參加田徑和球類運(yùn)動(dòng)了。而諾亞的癥狀也緩解了不少，他的書寫能力得到了改善，也能夠在學(xué)校集中精力學(xué)習(xí)了。對(duì)此，雷塔萬(wàn)分高興，認(rèn)為正是基因組測(cè)序挽救了她的一雙兒女。

從罕見(jiàn)病到常見(jiàn)病

通過(guò)個(gè)人基因組檢測(cè)而獲得對(duì)亞歷克茜和諾亞的有效治療方法，這是基因檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于臨床的一個(gè)突破。類似“多巴反應(yīng)性肌張力障礙”這樣的遺傳病是一種罕見(jiàn)的疾病，那么，個(gè)人基因組檢測(cè)是否可以應(yīng)用到一些更為常見(jiàn)的疾病上呢？例如廣泛危及人類健康的癌癥和心血管病是否可以通過(guò)查找發(fā)病基因來(lái)得以根治呢？

實(shí)際上，個(gè)人基因組檢測(cè)已經(jīng)用于指導(dǎo)癌癥和心血管病的治療，但是由于癌癥和心腦血管病都是“多基因致病”，因而個(gè)人基因組檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)還難以發(fā)揮出來(lái)。因?yàn)楹Y查多種致病基因是一件更為復(fù)雜的工作，目前的進(jìn)展還比較緩慢。這也意味著，目前個(gè)人基因組檢測(cè)最適用于那些“單基因致病”的疾病，如反應(yīng)性肌張力障礙、囊性纖維化，鐮狀細(xì)胞病等。這些罕見(jiàn)的遺傳病一般都可以查找到明確的單個(gè)致病基因。

個(gè)人基因組檢測(cè)雖然是診斷疾病的好方法，但是在能夠廣泛應(yīng)用前還需要降低費(fèi)用。現(xiàn)在，測(cè)定一個(gè)人的基因組需要花費(fèi)10000美元，這對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)都是無(wú)法負(fù)擔(dān)的。如果能降低費(fèi)用，讓更多的人使用得起，那么，在未來(lái)三四年內(nèi)，90%的單基因缺陷導(dǎo)致的疾病都可以得到準(zhǔn)確診斷，并找到適宜的治療方法。

另一種方法顯得更為可行，這種被稱為“外顯子檢測(cè)”的技術(shù)，可能比全基因組測(cè)序更實(shí)用。

外顯子是基因組中的極小部分，僅占整個(gè)基因組的1%左右，但是外顯子區(qū)域包含了合成蛋白質(zhì)所需要的信息，涵蓋了與個(gè)體基因表型相關(guān)的大部分功能性變異，這使得研究人員能夠?qū)Πl(fā)現(xiàn)的變異基因進(jìn)行分析。采用外顯子組測(cè)序，會(huì)比全基因組測(cè)序更經(jīng)濟(jì)和高效——投入相對(duì)較低的費(fèi)用即能得到基因編碼區(qū)的深度數(shù)據(jù)，也容易找到致病易感基因。

2009年9月，美國(guó)華盛頓大學(xué)的杰·申杜雷（Jay Shendure）等人對(duì)四名“弗-謝二氏綜合征”患者的外顯子組進(jìn)行了測(cè)序，找到了致病基因。他們還將這種方法應(yīng)用在“米勒綜合征”上，也發(fā)現(xiàn)了患者的致病基因二氫乳酸脫氫酶（DHODH）基因。由于外顯子測(cè)序比個(gè)人全基因組測(cè)序更省時(shí)省力，美國(guó)《科學(xué)》雜志將其評(píng)為2010年十大科學(xué)突破之一。

現(xiàn)在，外顯子測(cè)序可用于查找腦癌、肝癌、胰腺癌、結(jié)腸癌、卵巢癌、膀胱癌、心臟病、糖尿病、肥胖癥、自閉癥以及其他遺傳性疾病的致病基因或易感基因。有朝一日，如果外顯子組測(cè)序和全基因組測(cè)序的費(fèi)用能降到1000美元以下，那么，這兩種測(cè)序方式都可能成為診治疾病的常規(guī)手段。