霍金離開了——「漸凍人症」還在人間

2018年3月14日，現代最偉大的物理學家之一、20世紀享有國際勝譽的偉人之一斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）逝世，享年76歲。

這一消息震驚全世界，當然也震動了整個微博、朋友圈，成為了當日最火爆的互聯網社交手段。霍金不僅給我們留下了神秘莫測的宇宙奧秘，更給我們留下了他對抗一生的未解之謎——「漸凍人症」。悼念不需要「戲精」，讓我們用科學的語言呼喚社會對「漸凍人症」患者的關注，用嚴謹的態度了解「漸凍人症」，才是對偉人最真誠的悼念。

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「漸凍人症」是什麼？

所謂「漸凍人症」，其實是中國人對肌萎縮側索硬化（Amyotrophic lateral sclerosis, ALS）的一種簡稱，不同國家的叫法存在差異，比如在英國稱之為「運動神經元病（motor neuron disease）」，在美國稱之為「盧伽雷病（Lou Gehrig』s disease）」。肌萎縮側索硬化是以上下運動神經元進行性丟失為特徵的一種神經系統變性疾病，導致包括球部（所謂球部，就是指的是延髓支配的肌肉）、四肢、軀幹、胸部、腹部的肌肉逐漸無力和萎縮[1]。

ALS同時還是一種「孤兒病」，在大多數國家的發病率約為每10萬人中4-6人患有此病，並且大多數患者會在發病5年內死亡[2]，5％的病人存活超過20年（霍金就是5％的一員，他已經與該病鬥爭了40多年）。研究表明，約10%的ALS患者存在明顯的家族史，剩下90%的患者為散發病例。

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「漸凍人症」的致病基因

對ALS患者基因組變異信息的探索一直是研究的重點，因為這些變異既增強了患者的易感性，同時也改變了不同患者的臨床表型。通過大規模DNA測序，發現ALS致病基因在散發群體中並不罕見，如約1-3%的ALS患者因SOD1錯義突變患病[3]，另外超過5%的患者因C9ORF72內含子區六核苷酸重複（GGGGCC）擴增致病[4]。其他的ALS關聯基因（如TARDBP、VCP、HNRNPA1、OPTN、PFN1、FUS、SQSTM1）在散發樣本群體中均能驗證出來，但相對突變頻率較低。

表1目前已報道的部分ALS關聯基因列表

從1993年報道了第一個ALS關聯基因SOD1至今，已經發現了超過50個潛在的ALS基因（表1列出了部分報道基因）[5]。這一數目還遠遠不足以幫我們認清這一受到多基因以及環境因素、隨機因素共同控制的疾病。因此，收集更多ALS患者的基因組信息、採用更先進的基因組分析手段探索與ALS相關的致病突變已成為必然。

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GWAS助力揭開「漸凍人症」謎底

基於人類全基因組測序以及全外顯子組測序的二代測序技術和全基因組關聯分析（Genome wide association studies, GWAS）可以從那些沒有ALS家族史或者無法得到家系DNA樣本的散發患者（約佔總患者群體的90%）中找出與ALS關聯的致病基因。

在早期的GWAS研究中已經鑒定出了多個與ALS相關的致病基因，如FGGY[6]、ITPR2[7]、DPP6以及UNC13A[8]。2013年，北醫三院醫學研究中心以及安徽醫科大學在Nature Genetics上聯合發表了一篇對漢族ALS患者群體進行GWAS分析的文章[9]，該研究從506個漢族ALS患者和1859個正常漢族人中鑒定出473,683個SNP用於GWAS分析。PCA分析發現在整個漢族ALS研究隊列中沒有出現明顯的群體分層現象（圖1）。

圖1 GWAS樣本主成分分析

將90個與表型存在關聯的SNP位點以及6個在歐洲人群中檢測出來的SNP位點在706個漢族ALS患者以及1777個正常漢族人中進行驗證，其中2個SNP位點表現出顯著關聯性（表2）。

表2中國漢族人群GWAS分析以及驗證研究中的2個SNP關聯性位點證據

SNP rs6703183位於覆蓋CAMKIG基因的約100 kb的連鎖不平衡模塊內（圖2a），該基因編碼Ca2+/鈣調素依賴蛋白激酶CaMKIγ，屬於CaM激酶家族，在神經系統中特異性表達。CaM激酶家族參與到神經生物學多個過程，如神經元存活、軸突生長、突觸發育以及信號傳導，從生理功能上看，是一個與ALS發病機理非常吻合的候選致病位點。

SNP rs8141797位於覆蓋基因組上多個基因的約600 kb的連鎖不平衡模塊中（圖2b），包含CABIN1、SUSD2和GGT5。經過imputation分析後鑒定出另外34個位於該位點附近的SNP位點與ALS顯著關聯，大多數位於CABIN1和SUSD2內，與SNP rs8141797呈現高度連鎖不平衡。CABIN1編碼磷酸酶結合蛋白1，在T細胞受體介導的信號傳導中扮演重要角色，SUSD2主要在大腦、腎臟以及肺部發揮腫瘤抑制子的功能，和TP53功能類似，通過Caspase-3和Caspase-9促進細胞的凋亡，推測可能會通過調控神經元的凋亡過程進而引起ALS。

圖2位於染色體1q32、22p11區域的關聯圖

本研究中鑒定的兩個全新的SNP關聯位點，在歐洲群體的ALS樣本中並沒有出現顯著關聯性證據，說明了這兩個全新的ALS關聯性SNP位點產生的影響在漢族和歐洲種族之間存在強烈的遺傳異質性（表3）。

表3 2個SNP位點在漢族和高加索民族兩個群體中的關聯異質性分析

由於GWAS研究的各種設計方法以及遺傳統計方法無法從根本上消除人群混雜、多重比較造成的假陽性，因此需要通過重複研究來保證遺傳標記與疾病間的真關聯。通過增大樣本數量來提高檢驗效率，增加與疾病相關聯的SNP的概率是有效的方法之一。目前對ALS進行的GWAS研究中，使用的樣本從400-2000對不等，面對如此龐大的樣本需求量以及隨之而來的龐大數據量產出需求，選擇合適的測序平台對ALS患者進行高通量、高質量的基因組信息讀取成為了必然。

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參考文獻：

[2] Al-Chalabi A, Hardiman O. The epidemiology of ALS: a conspiracy of genes, environment and time[J]. Nat Rev Neurol. 2013; 9:617–628.

[3] Gamez J, et al. Mutational analysis of the Cu/Zn superoxide dismutase gene in a Catalan ALS population: should all sporadic ALS cases also be screenedfor SOD1[J]. J Neurol Sci, 2006, 247:21-28.

[4] Cooperknock J, Hewitt C, Highley J R, et al. Clinico-pathological features in amyotrophic lateral sclerosis with expansions in C9ORF72[J]. Brain A Journal of Neurology, 2012, 135(3):751-764.

[5] Taylor J P, Jr B R, Cleveland D W. Decoding ALS: from genes to mechanism[J]. Nature, 2011, 539(7628):197-206.

[6] Dunckley T, Huentelman M J, Craig D W, et al. Whole-Genome Analysis of Sporadic Amyotrophic Lateral Sclerosis[J]. New England Journal of Medicine, 2007, 357(8):775.

[7] van Es M A, Van Vught P W, Blauw H M, et al. ITPR2 as a susceptibility gene in sporadic amyotrophic lateral sclerosis: a genome-wide association study[J]. Lancet Neurology, 2007, 6(10):869-877.

[8] Es M A V, Vught P W V, Blauw H M, et al. Genetic variation in DPP6 is associated with susceptibility to amyotrophic lateral sclerosis[J]. Nature Genetics, 2008, 40(1):29-31.

[9] Deng M, Wei L, Zuo X, et al. Genome-wide association analyses in Han Chinese identify two new susceptibility loci for amyotrophic lateral sclerosis.[J]. Nature Genetics, 2013, 45(6):697-700.

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