全基因组关联研究 |
基因组时代的发展促进了与各种医学疾病相关的遗传变异的鉴定。在肿瘤学中，基因检测用于鉴定具有种系突变的个体，使他们易患遗传性癌症。目前，通过基因检测进行的风险评估主要针对几种由高渗透性的种系突变引起的明确的遗传性恶性疾病。高渗透率是指由于各自的种系突变而在患者的一生中诊断出肿瘤的可能性很大。例子包括BRCA1和BRCA2基因的突变，这些突变会增加患乳腺癌和卵巢癌的风险或使个人易患Lynch综合征的错配修复基因。许多其他遗传性癌症是由高渗透性基因引起的。遗传咨询需要寻求咨询的个人与医学专家之间的直接互动。这些会议通常以跨学科的形式举行，即来自不同部门的专业人员参加以提供尽可能多的信息。心理学家有时会发挥作用，因为基因测试的可能结果影响深远。在获得患者的详细病史后，咨询顾问根据既定指南评估是否需要进行基因检测。分子遗传学工作完成后，跨学科团队将再次开会，以披露和讨论结果。由于遗传性癌症的后遗症范围广泛，因此已经进行了有关遗传信息与其他非遗传检测相比是否独特的讨论，这一问题被称为遗传例外论。作为潜在的基因测试的范围内继续增长，理解这种测试的局限性仍然很重要。在这里，肿瘤基因检测网以大肠癌为例，回顾肿瘤基因检测网对易感性知识的最新发展癌症和相关新技术及其对遗传咨询的影响。
上皮肿瘤是常见疾病，类似于高血压或糖尿病等疾病。亚型已通过孟德尔遗传模式鉴定。这些孟德尔形式是具有高单基因缺陷有关的疾病的外显率。然而，高渗透性基因中的突变仅占人口的少数情况。例如，在30％的受影响个体中记录了结肠癌的家族性聚集。然而，这些病例中只有大约五分之一可归因于HNPCC，也称为林奇综合征，这是最常见的遗传性疾病，容易导致大肠癌。HNPCC是造成生殖系突变的错配修复基因即MLH1，MSH2，MSH6，或PMS2。此外，其他，非常罕见，遗传性疾病易患结肠直肠癌，如家族性腺瘤性息肉病，MUTYH-adenomatous息肉病，黑斑息肉综合征，增生性息肉病综合征，遗传性混合性息肉病综合征，青少年与出血性息肉病毛细血管扩张综合征和幼年性息肉病综合症。这些易患癌症的家族性疾病通常以常染色体显性遗传，即后代有50％的机会增加患肿瘤的风险。由于已经鉴定出与这些综合症有关的基因，因此已经提供了对患病家庭和高危家庭成员进行基因检测的方法。然而，大多数形式的人类癌症在普通人群中显示出复杂的遗传。导致这些复杂模式的因素可能是基因组变异体的组合，这些变异体具有罕见的常见频率和低至中等的渗透率。因此，鉴定家族病例中没有高渗透性突变的基因要困难得多，与孟德尔疾病相比，需要完全不同的策略和技术。
孟德尔疾病中的高渗透性基因可以多种方式定位。例如，通过在具有许多发育异常和家族性腺瘤性息肉病的个体中染色体5的间质缺失来鉴定包含与家族性腺瘤性息肉病有关的基因的区域，即APC基因。如果已知引起疾病的功能，则可以通过其他生物中基因的序列同源性来鉴定基因座。例如，人类错配修复基因PMS2在一部分HNPCC患者中发生了突变，由于其与已知的细菌和酵母错配修复基因同源，因此被鉴定。然而，大多数高显基因，如错配修复基因MSH2，通过连锁分析鉴定。进行联系的常见先决条件是大家庭，其中疾病以孟德尔方式遗传。链接分析需要三个步骤。第一步是确定可能包含致病基因的基因座，并将该基因组中存在的多态性变异体用于此步骤。如今，标记物是单个碱基对的变化，即所谓的单核苷酸多态性。SNP是指DNA序列内的变异，其中一个核苷酸在个体的成对染色体之间或物种成员之间可能不同。显示了DNA片段的一个例子在给定位置同时发生两个改变的序列。该个体在该位置的一个核苷酸上具有差异，从而定义了两个等位基因的存在。SNP在人群中以各种频率出现，次要等位基因频率是一个术语，用于描述特定人群中特定基因座的最低等位基因频率。最常见的SNP只有两个等位基因，多态性大约每1000个碱基中就有一个。当前包含超过1000万个这些序列片段，并为其分配了唯一的标识符。
如今，微阵列或微珠芯片技术可对500000–1000000SNP进行多重基因分型，且准确度高且价格可承受。由于减数分裂重组，SNP是后代中父本和母本标志物的混合物。因此，任何与某种特征相关的分离的标记都必须位于基因组中感兴趣的基因附近。一旦知道该区域，连锁分析的第二步是对该区域内或附近的基因进行测序，以鉴定致病基因。在受影响的个体和对照中进行相应区域的测序，以定义因果突变。第三步需要研究基因的分子和细胞功能。
在适当的家族中进行连锁分析，鉴定出了几个具有高渗透率的稀有基因，这些基因使突变携带者容易患上终生癌症。例如，在HNPCC，一个的公型支架胚系突变的错配修复基因具有最多为70岁结直肠癌的70％的终生累积风险。对于女性而言，这一风险约为40％，这一差异突显了基因-激素相互作用的影响。此外，增加了各种结肠外癌的风险。如果怀疑有HNPCC，应向高危人群提供遗传咨询；应在广泛的咨询会议后以及获得知情同意后进行基因检测。预测性基因检测的好处被普遍接受，因为证据显示了降低风险的好处。然而，不清楚的是表型的基础上测试是否可靠，是否筛选应该针对所有患者的大肠癌或只有那些在高风险群。这个问题是非常重要的，复杂的，有医疗，技术，经济和伦理方面。然而，对于家庭而言，情况更为复杂，尽管这些家庭虽然患有特定的癌症，但在任何高通透性基因中都无法检测到突变。根据经验数据，具有结肠癌家族史的人患这种恶性疾病的风险增加。但是，就个人而言，无法可靠地估计此风险。总而言之，这些事实强调需要进行更适当的分析，以获得更完整范围的潜在磁化率变异。
遗传学家将连锁分析应用于常见疾病的尝试取得了模棱两可的结果。基因和环境的相互作用，许多不相关的因素或这些因素的结合可能是造成这种失败的原因，这些因素在某种疾病的易感性中起着重要作用。孟德尔疾病的连锁分析是基于家庭内部疾病的发生，而复杂疾病的基因座是通过关联研究最有效地识别的。当以全基因组形式进行这些研究时，它们被称为全基因组关联研究。这些研究也使用SNP。原则上，全基因组关联研究比较了患病个体和未患病个体之间遗传变异的频率。到目前为止，大多数已发表的研究是一个病例对照的设计，是指具有特定表型与个人的比较没有这个表型或从普通人群的。病例中易感等位基因的患病率较高，而对照中此类等位基因的发生率应显着降低。病例和对照的适当选择是一个有争议的问题。
在成千上万名患者的全基因组关联研究中，需要新技术来对变异进行基因分型，并且需要一种分析框架来区分噪声和伪像之间的真实关联。此外，需要大量的努力来防止，检测和消除偏差和误差的来源。通过统计设计，分析和解释的进步部分实现了这一目标，但主要是通过使用没有总体子结构的大型样本集。复制结果对于确认报告的关联是真实的至关重要。引入了统计显着性的严格阈值，以避免产生假阳性结果。显着性水平p=5×10代表一项在20个全基因组关联研究中偶然发现的发现。只有使用大样本量才能达到如此严格的阈值。此外，病例和对照应适合广泛的种族背景，并且应排除遗传背景上有实质性差异的个体。当评估稀有肿瘤并且不可行大样本量时，阈值分析所需的严格性会造成困难。
另一个重要因素是人群中SNP变异的等位基因频率。在国际HapMap计划的频率大于5％的有特点的SNP大部分，但其覆盖面迅速下降的频率较低的等位基因。因此，一些研究人员建议将等位基因分为两个概念上不同的类别，即常见和稀有变异。常见变体是指以足够的频率出现的变体，可以在普通人群的研究中进行分类并在关联研究中进行测量。此类可能包含0·5％或更高的等位基因频率。罕见变体的频率与大多数孟德尔疾病中涉及的罕见突变的频率相似。这样的低频等位基因可能尤其重要，因为如果疾病在发生之前或限制繁殖之前，具有强烈有害作用的等位基因会受到自然选择的限制而变得太普遍。然而，迄今为止，大多数全基因组关联研究在其分析中仅包括了常见的变异体。
迄今为止，全基因组关联研究总共产生了可能调节癌症风险的常见变异。与高渗透性基因相反，从全基因组关联研究得出的基因的影响通常只是中等程度的，并且用比值比来衡量。例如，在一般人群中，患结肠癌的终生风险约为7％。比值比为1·0的变体表示相应的变体在病例组和对照组中均可能同样发生，因此，可能不会改变结肠癌的终生风险。相反，比值大于1·0表示在各种情况下比对照组更有可能发生相应的变体，而比值小于1·0的情况表示在某些情况下变种出现的频率较低。赔率可以计算调整后的生命周期风险。例如，检测到比值比为1·2的变异体将导致结肠癌的终生调整风险增加8·4％。除比值比外，还可以将风险估计值作为相对风险，描述相对于平均种群的遗传变异的风险。常见变体的效果大小通常适中；然而，在少数情况下，已注意到每个等位基因的效应为2或更大，例如，阿尔茨海默氏病中的APOE*E4。然而，在大多数情况下，包括结直肠癌，估计的影响要小得多。
遗传变异本身仅与癌症风险的小幅增加相关，但如果一个人遗传了多个或所有变异，则合并的遗传风险可能会更高。这些效应可加或乘相结合，从而在几个风险等位基因的携带者中产生更大的风险。例如，在乘法风险模型中，如果存在两个等位基因，每个等位基因的比值比是1·2，将意味着经调整的增加的终生风险为10·08％。但是，这种累加或乘法风险模型可能并不总是正确的，因为通常难以建立上位性。迄今为止，在结肠癌中鉴定出的任何疾病位点之间均未显示出相互作用的作用，这表明该位点在该恶性疾病的发展中具有独立的作用。因此，如果将两个纯合子计数，10个基因座拥有的风险等位基因数量越多，结直肠癌的风险就越大。在加性模型的基础上，这十个疾病位点可能共同占了家族性过高风险的约6％。
全基因组关联研究得出的是人群的风险估计，而不是个人的风险估计。因此，由于它们提供了合理的风险估计，因此它们在总体水平上得到了合理的校准。但是，它们可能没有足够的区分力，以将患疾病的人与未患疾病的人区分开。这些研究结果的解释的进一步困难包括：一个疾病位点可能包含许多独立的常见风险变异，而一个位点可能既包含弱效的常见变异，又包含强效的罕见变异。此外，等位基因频率在不同人群之间也不同，因此不同种族之间常见的易感基因的相对作用可能有所不同。
对于大多数协会，尚未发现识别潜在因果变异的系统性工作。重要的是，即使当SNP关联识别出一个基因座时，因果变量本身也不必是此SNP。到目前为止，鉴定出的许多复杂性状易感性变体映射到未知功能的序列，与最近的编码序列有一定距离。全基因组关联研究发现的大多数基因和突变仍有待确定。十个结肠直肠癌基因座提供了如何建立关联研究确定的SNP因果关系的不同示例。例如，在18q21上SMAD7基因的常见等位基因可能通过SMAD7差异表达而使个体易患结直肠癌，因此，转化生长因子B的信号异常传递控制细胞的增殖，细胞分化和其他功能。
如何通过远程调控元件介导复杂性状易感性效应的一个例子是染色体8q24上的rs6983267G等位基因。由于该SNP位于从最近的基因330kb的，与SNP之间的功能性连接和肿瘤发生最初仍然难以捉摸。由于进化保守性，研究人员预测该基因座可能具有调节潜力。实际上，有两个报告描述了rs6983267位于转录增强子中，并影响转录因子TCF4的结合位点。rs6983267G等位基因具有大约1·5倍比T等位基因TCF4强增强子活性和更大的亲和力。TCF4相互作用与B连环蛋白以激活的转录WNT靶基因。在大多数大肠癌中，WNT信号通过B连环蛋白的稳定被异常激活。此外，含有rs6983267的DNA限制性片段可能与位于下游330kb的MYC启动子发生物理相互作用。
迄今为止，大多数全基因组关联研究仅在其分析中包括了常见变体，因此，大概尚未鉴定出低频和稀有等位基因。就样本量和SNP覆盖率而言，扩大全基因组关联研究规模的努力可能会发现大肠癌的其他变异。但是，人类基因组中的遗传变异并不局限于SNP。其他差异包括拷贝数变异-即基因组中缺失或重复的区域，拷贝数变异可以被定义为DNA呈现出可变数目的次参照基因组进行比较的片段。此类更改的类别包括插入，删除和重复。该定义还包括大规模或定量拷贝数变体，这些变体是对50kb或更长的DNA片段的改变，允许通过基于克隆的阵列比较基因组杂交检测它们。这些变化的程度令人惊讶，尤其是因为许多包含基因，从而影响基因表达。不包括在全基因组关联分析的其它因素是不拷贝数变化的结构变化，如倒位。
目前，人们对结构和拷贝数多样性对表型变异性和疾病易感性的影响了解甚少。然而，证据表明，癌症风险可以通过拷贝数变异来调节：染色体1q21.1的常见变异与神经母细胞瘤易感性有关。另一项针对患有Li-Fraumeni综合征的家庭的研究。这种常染色体显性疾病的特征是，携带种系TP53的个体患早发乳腺癌，肉瘤，脑瘤和其他肿瘤的风险大大增加突变。种系拷贝数变异的全基因组概况表明，在这些易患癌症的个体中拷贝数变异的惊人富集。然而，目前，结构拷贝数变异与癌症易感性之间的关系仍处于起步阶段。总之，当前大多数关联研究偏向于仅评估常见的SNP变异。尚未对其他因素进行分析，例如稀有变异，拷贝数变异，结构变化，表观遗传修饰或基因与环境的相互作用，这些因素均可调节癌症风险。
基于已发表的全基因组关联研究和其他研究的发现，并且由于许多人显然需要更多地了解其基因组，几家公司通过互联网直接向消费者提供了针对个体癌症风险的测试。交流在很大程度上是通过基于Web的方法进行的，而不是与遗传咨询师进行个人交互，而无需经过医生的陪同。这些公司提供与大肠癌有关的基因座的基因分型，但通常不包括鉴定高渗透性癌基因的基因分析。例如，让肿瘤基因检测网假设对相关等位基因的测试意味着一个人可能终生患结肠直肠癌的风险约为10％，而普通人群中这一比例为7％。有什么可能的解释和结果？风险估计可能对人群正确，但对个人而言不正确。其他目前未知的遗传因素可能显示患癌症的风险要低得多或远高于10％。此外，即使风险估计是正确的，结果如何？例如，一家直接面向消费者的公司建议尽快将遗传易感性疾病表示，这种知识可以激发个人定期进行筛查，进行预防性生活方式的改变，并了解结肠癌的症状。但是，无论如何，都建议在特定年龄段进行大肠癌筛查，并且应该向肿瘤基因检测网所有人推荐健康的生活方式，这不仅有助于降低结肠癌的风险，而且也有助于降低许多其他疾病的风险。
遗传信息将在个性化医学中发挥作用的程度将取决于是否可以达到超出传统方法的预测准确性，以及是否存在干预措施，其有效性将通过基因检测的结果而提高。目前，全基因组关联研究是否能够预测足以进行定期结肠镜检查的大肠癌风险仍然值得怀疑。实际上，评论的结论是，没有足够的证据表明基因组图谱可用于测量常见疾病的个体遗传风险，或可用于制定个性化饮食和生活方式以预防疾病。其他研究人员将这些测试简单描述为“娱乐性的星座运势”，它具有潜在的危害，并且需要考虑确保这些测试得到正确评估和使用的机制。经济合作与发展组织和欧洲理事会部长委员会的准则除其他外包括：基因检测应在卫生保健框架内进行，检测结果应报告给相关卫生保健专业的临床使用应成为基本准则，并且在测试前后应提供适当的咨询。在这方面，其他道德问题也很重要，例如如何保证样品属于寄件人以及如何处理年轻人的样品。目前，全基因组关联研究的主要价值似乎不是用于风险预测，而是用于提供有关疾病机制的新颖见解。对疾病途径的了解最终可以提出预防，诊断和治疗的策略。因此，解密具有中等渗透性的低频变异仍然是可以通过新的测序技术完成的重要任务。
迄今为止确定的遗传变异仅占整个人口中任何疾病负担的小部分。这种短缺显然为发现许多罕见变异打开了大门，这些变异在常见疾病中也可能起着重要作用。这项工作可以通过全基因组关联研究来实现，而病例数将大大增加。但是，由于存在许多这样的变体，而且它们很少见，因此在病例和对照中进行测序可能是识别它们的唯一方法。在过去的几年中，大规模的并行DNA测序平台大大降低了测序成本。当前，正在使用几种高速测序技术，通常称为下一代技术。整个基因组在2个月内被测序，价格不到100万美元。2008年11月，发表了一些报告，其中载有西非血统个人和汉族血统的人的基因组序列，每人在8周内以约25万美元的价格获得了。同时，记录了细胞遗传学上正常的急性髓性白血病基因组的第一个完整的DNA测序。另一种策略结合了全基因组测序与通过具有超过2400万个探针的定制微阵列建立高分辨率拷贝数变异模式的组合。全基因组测序服务已经可以商业获得。例如，一家公司以接近10万美元的价格提供了完整的基因组测序和分析服务，尽管该服务不太可能被许多人使用，并且可能不会对医疗保健产生重大影响。此外，根据肿瘤基因检测网目前的知识，对于许多疾病而言，不可能从单个基因组的全基因组测序数据中推断出风险。
就速度和成本而言，所谓的第三代测序将排在下一代测序之上。据报道，2009年9月，整个基因组的测序价格为48000美元。仅两个月后，即2009年11月，使用新的基因组测序平台的文件记录在案，该平台能够分析整个基因组，价格为4400美元。另一公司使用单分子技术和目标，到2013年产生在不到3分钟整个人类基因。这些技术将主要基因组中心的测序能力交到了个别研究人员手中。这一发展将提供全新的选择，以在不久的将来寻找有关个人癌症风险的信息。为此，“1000个基因组计划”旨在表征1000个个体中的序列变异，为进一步针对疾病的DNA测序研究提供基线，并开发适当的方案和生物信息学方法。
癌症的基因检测，尤其是在预测性环境中，是一项巨大的挑战，具有深远的医学和伦理意义。但是，目前没有任何一种遗传测试是完美的，即使对于高渗透性基因也是如此。目前，具有高渗透性基因种系突变的个体将从预测性测试中获益因为可以提早发现肿瘤，因此有更好的治疗选择。被诊断为不是突变携带者的家庭成员也将从中受益，因为肿瘤基因检测网可以安全地假设他们的癌症风险不高于健康的，年龄匹配的人群。但是，突变载体中高渗透性基因的可变表型表达强调了对基因修饰剂的需求，尽管有关修饰剂对不同患者群的影响的报道不一致。
此外，在所有其他情况下，个人就其遗传风险进行的咨询最多只能得到非常粗略的估计，这通常是根据家族史和经验值得出的。因此，增加了调节癌症易感性的遗传因素的知识是可取的。然而，全基因组关联研究的最终目标仍然遥不可及。目前，对常见疾病的总体遗传组成进行推断尚为时过早，因为对于大多数复杂性状，该框架仍然知之甚少。尽管毫无疑问，全基因组关联研究将揭示出对肿瘤生物学的新见解，但仍需要采取进一步措施使数据可用于临床，包括功能分析和非常罕见的低频变异，拷贝数变异和结构改变的表征。
肿瘤基因检测网毫不怀疑，进一步努力整合来自SNP的信息和拷贝数变异，以及全基因组测序数据的日益增长的可用性，将增加新颖的基因检测策略和遗传咨询。人类遗传学界已经面临着巨大的动荡，因为许多支持目前围绕基因测试的实践的假设正在受到挑战，必须采取适当的措施以确保能够提供最好的服务。目前，现行法规侧重于由临床实验室进行的基因检测，而不是新兴的直接面向消费者的模型。因此，基因检测可用性的高涨需要评估标准来确认其使用的益处。一种这样的方法是ACCE模型框架，该模型框架通过定量化的利弊证明了基因测试在临床实践中的有用性。由于全基因组关联研究和高速测序将继续提供有关罹患恶性疾病的个人风险的新信息，因此将日益增加的遗传信息转化为临床管理的改进将面临巨大挑战。 |
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