Nature | 多隊(duì)列大規(guī)模數(shù)據(jù)分析揭示短串聯(lián)重復(fù)序列的擴(kuò)增可提示疾病風(fēng)險(xiǎn)和腦萎縮

撰文 |章臺柳

短串聯(lián)重復(fù)序列（ short tandem repeats ， STRs ）是一類重要的遺傳變異，可導(dǎo)致多種神經(jīng)退行性和神經(jīng)肌肉疾病，包括亨廷頓病（HD）、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病（MND）、脊髓小腦性共濟(jì)失調(diào)（SCAs）、強(qiáng)直性肌營養(yǎng)不良 1 型（DM 1 ）和 2 型（DM 2 ）以及脊髓延髓性肌萎縮癥（SBMA）。重復(fù)序列在代際傳遞或體細(xì)胞過程中發(fā)生的擴(kuò)增增加，以及重復(fù)基序組成的變化，已被證明會影響疾病風(fēng)險(xiǎn)、外顯率、嚴(yán)重程度、進(jìn)展和發(fā)病年齡。自 1991 年首次發(fā)現(xiàn) FMR1 基因中的致病性重復(fù)序列與脆性 X 綜合征之間的關(guān)聯(lián)以來，目前已有超過 70 種神經(jīng)系統(tǒng)疾病與重復(fù)擴(kuò)增相關(guān)。重復(fù)序列相關(guān)疾病可通過多種機(jī)制表現(xiàn)，包括 RNA 積累（ DM1 ）、蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊（ SCA2 ）、翻譯后修飾（ SCA1 ）以及由于高甲基化導(dǎo)致的轉(zhuǎn)錄抑制（脆性 X 綜合征）。盡管這些疾病較為罕見，但治療、護(hù)理的高昂成本，為病人帶來沉重的經(jīng)濟(jì)和精神負(fù)擔(dān)，更突顯了更好地理解這些疾病以促進(jìn)和支持藥物發(fā)現(xiàn)的必要性。

雖然某些重復(fù)擴(kuò)增疾病（例如 HD 和 SCAs ）在特定國家和人群中的患病率估計(jì)值已有報(bào)道，但大多數(shù) STR 的頻率和外顯率估計(jì)值存在偏差，這些偏差源于疾病確定、罕見性、疾病認(rèn)知度、獲得可靠醫(yī)療保健的機(jī)會以及患者參與基因檢測的意愿。事實(shí)上，兩項(xiàng)使用 PCR 估算重復(fù)長度的大規(guī)模人群研究（一項(xiàng)針對 DMPK ，涵蓋超過 50,000 名個(gè)體【1】；另一項(xiàng)針對 HTT ，涵蓋超過 7,000 名個(gè)體【2】）估計(jì)的重復(fù)擴(kuò)增攜帶者頻率高于先前報(bào)道。這些觀察結(jié)果說明了采用基因型優(yōu)先方法進(jìn)行人群規(guī)模研究的必要性，以檢查擴(kuò)增重復(fù)序列的頻率、與重復(fù)長度增加相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)以及重復(fù)位點(diǎn)中基序的變異性。目前為止，專注于重復(fù)擴(kuò)增相關(guān)疾病的研究大多是疾病特異性或位點(diǎn)特異性的，樣本量受到疾病罕見性以及估算重復(fù)長度檢測方法高昂成本的限制。然而，由于生物庫規(guī)模的全外顯子組測序（WES）和全基因組測序（WGS）數(shù)據(jù)的廣泛可用性以及專用的計(jì)算方法，現(xiàn)在正在出現(xiàn)能夠同時(shí)調(diào)用多個(gè)位點(diǎn)的重復(fù)序列并提供對潛在致病性擴(kuò)增普遍性見解的人群規(guī)模分析。

2 026 年 4 月 8 日 ，來自 再生元遺傳學(xué)中心 （Regeneron Genetics Center） 的 Sahar Gelfman 團(tuán)隊(duì) 在 Nature 雜 志上發(fā)表文章 Population-scale repeat expansions elucidate disease risk and brain atrophy ，利用短讀長測序的全外顯子組和全基因組數(shù)據(jù)，分析了1,020,833個(gè)多樣化樣本，對病理性重復(fù)擴(kuò)增進(jìn)行了人群規(guī)模的調(diào)查，估算了37個(gè)疾病相關(guān)STR位點(diǎn)的重復(fù)長度，計(jì)算了致病性重復(fù)序列的攜帶者頻率，并比較了不同祖先群體的差異。與先前研究結(jié)果一致，對于大多數(shù)位點(diǎn)，致病性重復(fù)序列的頻率高于相應(yīng)疾病的患病率，在不同祖先群體之間有所不同，并且與流行病學(xué)研究中報(bào)道的亞群間疾病患病率差異相對應(yīng)。重復(fù)長度與 7,671 種二元性狀的關(guān)聯(lián)分析捕捉到了已知的位點(diǎn) - 性狀關(guān)聯(lián)，包括 HTT 與亨廷頓病、 DMPK 與強(qiáng)直性肌病、 C9orf72 與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病等。最后，即使在疾病診斷之前，幾個(gè)位點(diǎn)的重復(fù)擴(kuò)增也與神經(jīng)絲輕鏈蛋白水平升高（ NfL ）以及特定疾病相關(guān)腦區(qū)腦容量減少密切相關(guān)。例如， HTT 擴(kuò)增攜帶者表現(xiàn)出 22.1% 的殼核體積損失，而 CACNA1A 擴(kuò)增攜帶者則顯示出 24.6% 的小腦體積損失。這些觀察結(jié)果表明，腦容量減少和 NfL 水平升高均發(fā)生在疾病診斷之前。本研究展示了如何利用短讀長測序數(shù)據(jù)在多樣化人群規(guī)模隊(duì)列中表征重復(fù)擴(kuò)增，及其在流行病學(xué)和臨床生物標(biāo)志物開發(fā)中的應(yīng)用。

研究人員綜合全外顯子組和全基因組數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)工作流程對來自7個(gè)隊(duì)列的1,020,833個(gè)全外顯子組測序樣本中3 7 個(gè)疾病相關(guān)STR位點(diǎn)進(jìn)行分析。在整個(gè)隊(duì)列水平，以及由遺傳祖先定義的五個(gè)亞組（歐洲祖先、非洲祖先、南亞祖先、混血西班牙裔或拉丁美洲祖先以及東亞祖先）中，計(jì)算了每個(gè)位點(diǎn)上攜帶重復(fù)序列長度超過已報(bào)道的前突變和致病閾值的個(gè)體頻率。接著，基于以下標(biāo)準(zhǔn)為每個(gè)位點(diǎn)獨(dú)立定義了重復(fù)擴(kuò)增閾值：(1) 前突變和 (2) 來自廣泛文獻(xiàn)檢索得到的致病截?cái)嘀担约?(3) 根據(jù)每個(gè)隊(duì)列中重復(fù)長度分布經(jīng)驗(yàn)得出的前1%、(4) 前0.1%和 (5) 前0.01%的閾值。然后，在這些重復(fù)長度基因型與7,671個(gè)基于ICD10的二元性狀之間進(jìn)行了全表型組關(guān)聯(lián)研究。最后，比較了致病性重復(fù)擴(kuò)增攜帶者與非攜帶者在1,201個(gè)腦影像衍生定量體積表型和2,939個(gè)蛋白質(zhì)表達(dá)水平上的差異。

研究人員生成了通過全外顯子組測序或全基因組測序數(shù)據(jù)（或兩者）可靠調(diào)用的37個(gè)位點(diǎn)中每個(gè)位點(diǎn)的重復(fù)長度分布，并計(jì)算了前突變和致病范圍內(nèi)重復(fù)攜帶者的頻率，并與疾病患病率進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，致病性重復(fù)攜帶者的頻率高于其相關(guān)疾病的患病率，與之前的研究結(jié)果一致。使用一組單核苷酸多態(tài)性來推斷遺傳結(jié)構(gòu)，將每個(gè)樣本分配到以下五個(gè)組之一：歐洲祖先（EUR）、非洲祖先（AFR）、南亞祖先（SAS）、混血西班牙裔或拉丁美洲祖先（AMR）以及東亞祖先（EAS）。計(jì)算每個(gè)組內(nèi)的攜帶者頻率，確定了幾個(gè)已知和未報(bào)道過的血統(tǒng)特異性富集。例如， AR （ 2.51% ）和 CACNA1A （ 0.11% ）的致病性擴(kuò)增在 EAS 中富集，特別是與 AFR 中的低頻率相比時(shí)（ AR ： 0.46% ，； CACNA1A ： 0.01% ）。這些富集與相應(yīng)祖先和地理區(qū)域中疾病患病率的已知差異一致，例如 AFR 中 SBMA （ AR ）的較低患病率以及日本和韓國中 SCA6 （ CACNA1A ）的較高患病率。與其他祖先相比，EUR中出現(xiàn)DMPK（WES）以及C9orf72、FXN和TCF4（WGS）的擴(kuò)增富集，與報(bào)道的EUR中ALS、Fuchs內(nèi)皮角膜營養(yǎng)不良和弗里德賴希共濟(jì)失調(diào)的較高患病率一致。除了復(fù)現(xiàn)已報(bào)道的疾病富集外，還發(fā)現(xiàn)與 EUR 相比， AFR 中 CNBP 和 JPH3 前突變擴(kuò)增存在新的富集（ CNBP ： WGS ， 0.98% vs 0.12% ，； JPH3 ： WGS ， 0.98% vs 0% ）。在特定祖先群體中觀察到的這些富集和缺失，有助于為特定亞群中的疾病風(fēng)險(xiǎn)建立基線預(yù)期。

那么，重復(fù)擴(kuò)增的長度與性狀之間是否關(guān)聯(lián)？研究確定了7個(gè)獨(dú)特位點(diǎn)的1 68 個(gè)顯著關(guān)聯(lián)：AR、ATXN2、CACNA1A、C9orf72、DMPK、HTT和TCF4，其中75個(gè)是獨(dú)特的位點(diǎn)-性狀關(guān)聯(lián)，每個(gè)位點(diǎn)有多個(gè)顯著的重復(fù)閾值。觀察到較為主要的關(guān)聯(lián)包括：DMPK的致病性（≥50個(gè)重復(fù)序列）擴(kuò)增與強(qiáng)直性肌病、HTT的致病性（≥40）擴(kuò)增與亨廷頓病、C9orf72的致病性（≥60）重復(fù)長度與MND、TCF4（≥50）與遺傳性角膜營養(yǎng)不良等。對于每個(gè)位點(diǎn)，觀察到多個(gè)與相關(guān)性狀的顯著關(guān)聯(lián)。例如，白內(nèi)障、心臟起搏器和植入物與DMPK擴(kuò)增密切相關(guān)，這與DM1廣泛且預(yù)期的臨床譜一致。值得注意的是，位點(diǎn) - 性狀風(fēng)險(xiǎn)通常隨著重復(fù)長度閾值的增加而增強(qiáng)。例如，在 HTT 重復(fù)長度閾值的前 0.01% （ WES 和 WGS 分別為 44 和 41 個(gè)重復(fù)序列）觀察到最強(qiáng)的 HD 風(fēng)險(xiǎn)， OR 為 2,570 。然而，在 1% 重復(fù)閾值（ 1:100 ，即 32 個(gè) CAG 重復(fù)序列， WES 和 WGS ， OR = 62 ）和 0.1% 閾值（ 1:1,000 ， WES 和 WGS 分別為 38 和 37 ， OR = 410.2 ）仍然觀察到高風(fēng)險(xiǎn)，這表明較短重復(fù)序列的外顯率較低，并隨重復(fù)長度逐漸增加。同時(shí)，外顯率隨著年齡的增長而逐漸增加，并且在較長致病性重復(fù)序列的攜帶者中更為明顯。

在神經(jīng)退行性疾病中，腦容量減少和NfL水平升高是預(yù)期會發(fā)生的變化，那么從未診斷為相應(yīng)疾病的重復(fù)擴(kuò)增攜帶者的腦影像和NfL讀數(shù)是否會發(fā)生變化？研究人員選擇了導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病的基因，這些基因在UKB中既有未確診的致病性重復(fù)擴(kuò)增攜帶者，也有相應(yīng)的MRI或NfL數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，HTT、CACNA1A、C9orf72和TCF4這四個(gè)位點(diǎn)與體積表型顯著相關(guān)，且每個(gè)位點(diǎn)擴(kuò)增攜帶者受影響最大的區(qū)域與相應(yīng)疾病早期階段受影響的區(qū)域相同。測試HTT、CACNA1A和C9orf72重復(fù)序列對從血漿中2,939種蛋白質(zhì)表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn) HTT 重復(fù)序列與 NfL 水平升高之間存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)。這種相關(guān)性意味著，與 HTT 正常重復(fù)序列攜帶者相比，致病性重復(fù)序列攜帶者的 NfL 水平增加了 1.9 倍。與正常重復(fù)序列攜帶者相比， C9orf72 致病性重復(fù)序列攜帶者的NfL水平確實(shí)顯示出顯著增加（1.14倍變化）。在CACNA1A擴(kuò)增攜帶者中未觀察到這種效應(yīng)。

總的來說，研究利用大規(guī)模人群數(shù)據(jù)，系統(tǒng)性地描繪了致病性重復(fù)擴(kuò)增的攜帶者頻率，量化了其與疾病風(fēng)險(xiǎn)和腦結(jié)構(gòu)變化的關(guān)聯(lián)，強(qiáng)調(diào)了重復(fù)長度在疾病發(fā)生發(fā)展中的核心作用。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10345-6

制版人：十一

參考文獻(xiàn)

1. Kay, C. et al. Huntington disease reduced penetrance alleles occur at high frequency in the general population.Neurology87 , 282–288 (2016).

2. Johnson, N. E. et al. Population-based prevalence of myotonic dystrophy type 1 using genetic analysis of statewide blood screening program.Neurology96 , e1045–e1053 (2021).

BioArt

Med

Plants

人才招聘

學(xué)術(shù)合作組織

（*排名不分先后）

轉(zhuǎn)載須知

【原創(chuàng)文章】BioArtMED原創(chuàng)文章，歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)分享，未經(jīng)允許禁止轉(zhuǎn)載，所刊登的所有作品的著作權(quán)均為BioArtMED所擁有。BioArtMED保留所有法定權(quán)利，違者必究。