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单基因病筛查研究的现状、挑战及趋势
摘 要： 单基因病是遗传性出生缺陷的重要组成部分,大多可导致儿童畸形、残疾,甚至死亡。其中,隐性遗传病通常发生于无家族史及无症状的致病变异基因携带者家庭,实施携带者筛查是预防该类遗传病的重要手段。针对特定地区、种族的高发遗传病的携带者筛查已经广泛应用于临床,对隐性遗传病的预防发挥了重要作用。近年来,随着基因测序技术的发展和更多疾病-致病基因关系的明确,扩展性携带者筛查受到越来越多的关注。该文就携带者筛查的背景与现状、面临的问题及发展趋势进行综述。
关键词： 单基因病; 携带者筛查; 基因; 变异; 遗传咨询;
Abstract： The monogenetic diseases are an important part of hereditary birth defects,most of which can lead to deformity,disability and even death in children.Among them,recessive genetic diseases usually occur in families with no family history and asymptomatic carriers of disease-causing mutations.Carrier screening is an important means to prevent such genetic diseases.Screening for carriers of high-incidence genetic diseases of races in specific regions has been widely used in clinics and has played an important role in the prevention of recessive genetic diseases.In recent years,with the development of gene sequencing technology and the clarification of the relationship between more diseases and pathogenic genes,expanded carrier screening has received more and more attention.This article reviews the background and current situation,the problems and development trends of carrier screening.
Keyword： monogenetic disease; carrier screening; gene; variation; genetic counseling;
单基因遗传病是导致出生缺陷的重要原因之一。目前已有1 300多种常染色体遗传病和X-连锁隐性遗传病被发现[1]。这些单基因病引起的死亡占婴儿死亡率的20%,在儿科住院率中约占10%[2],综合发病率为1/100(世界卫生组织全球健康人类基因组学发布),给公共卫生带来了巨大负担。隐性遗传病的发生通常是由于表型正常的父母同时携带致病基因,并将致病基因遗传给后代,导致后代发病。一般在怀孕前难以引起足够的重视,但每次怀孕都有25%的概率生出一个患隐性遗传病的患儿。携带者筛查的目的主要是发现受常染色体和(或)X-连锁隐性遗传病影响的夫妇,来评估遗传风险,从而促进生殖决策[3]。传统携带者筛查的重点是根据种族和家族史,检测一些特定的遗传疾病。随着二代测序技术的应用和推广,扩展性携带者筛查(expanded carrier screening,ECS)成为可能。这种方法在不考虑种族、地域、家族史的条件下,可以同时筛查成千上百种疾病基因突变的携带情况。但是ECS的广泛应用仍面临着诸多问题。本文将对ECS的发展现状、面临的挑战及未来的趋势进行综述。
1、携带者筛查的发展与现状
最初的单基因病携带者筛查,主要是基于特定种族的特定高发疾病。1966年对希腊人群的镰状细胞性贫血的筛查,为随后的携带者筛查奠定了基础。对德裔犹太人群家族黑朦性白痴、地中海人群的β地中海贫血及囊性纤维化一系列携带者筛查的实践[4,5],有效地降低了高发隐性遗传病的发生风险。伴随着人口流动和社会多元化的形成,基于特定种族、特定人群的筛查已经不能满足实践需要。随着基因组检测技术的进展,更多的单基因病分子学基础被发现,使扩大携带者筛查计划成为可能。目前,基于高通量基因分型和测序的ECS不受群体属性的限制,并扩大了可检测疾病的范围[1],受到临床医生、健康管理者及社会大众越来越多的关注。
美国医学遗传学和基因组学会(American College of Medical Genetics and Genomics,ACMG)于2008年推荐对德系犹太人进行9种遗传病的携带者筛查,包括囊性纤维化、台-萨氏病、范可尼贫血等,2009年首次提供了ECS[6],Bell等人于2011年首次用高通量测序进行遗传病携带者筛查,对104个无关个体进行448种儿童期严重隐性遗传病筛查,发现人均携带2.8个致病突变基因,突出在人群中进行ECS的必要性。Lazarin等人于2013年对不同种族共23 453人进行108种遗传病的产前或孕期携带者筛查的队列研究,发现24%的人至少携带1种疾病,5.2%的人携带不止1种疾病,为泛种族筛查提供了支持。随后各商业化检测机构提供了多种不同的检测策略。这些进展为社会的大范围筛查方案提供了条件,为筛选导致严重表现的已知隐性基因携带者的不同人群提供了机会。ACMG于2013年首次针对孕前/产前进行ECS发布了声明,主要涉及疾病选择的标准。2015年ACMG、美国妇产科医师学会(American College of Obstetricians and Gynecologists,ACOG)等五家机构发布了生殖医学中进行筛查的联合声明[7],指出育龄女性的携带者筛查最好在妊娠前进行,并对不同时期的筛查方式、筛查疾病标准进行了说明。2017年ACOG发布2个委员会意见[3,8],声明特定种族、泛种族或扩展性筛查均可接受孕前/产前携带者筛查。
随着高通量测序技术在临床上的广泛应用及检测成本的降低,ECS可筛查的疾病数量不断增加[9]。但同时带来了一系列挑战,如哪些疾病应纳入筛查,如何对变异基因的致病性进行评估,应向患者披露哪些结果,检测前后的遗传咨询如何进行以及实施ECS的公共卫生及伦理的考量等。目前就这些问题尚没有形成统一的标准或共识,但近年来的一系列研究,对ECS的临床实践仍然具有重要的价值。
2、面临的挑战
2.1、纳入疾病的考虑
2.1.1、疾病的严重程度评估
在ECS纳入疾病的选择上,疾病的严重程度是首先要考虑的问题。目前缺乏对隐性遗传病严重性分类的共识和国际建议。2017年ACOG建议筛查的疾病包括:携带频率为1/100或更高,具有明确的表型,对生活质量有不利影响,导致认知或身体损伤,需要手术或医疗干预,或在生命早期发作[3]。不建议对携带率极低、症状轻、成人期发病及自然病史未知的疾病进行ECS[8]。ACMG于2013年也发表了关于ECS的建议,包括筛选疾病的性质大多应是高危的个体,考虑可行产前诊断;应了解每种疾病的致病基因、变异与疾病表型严重程度间的关系,然而各检测机构的使用方法及遗传咨询方法不同,检测出的基因和致病性变异的数量差异很大[10]。
ACMG于2006年参与了一项大规模的疾病特征研究,专家组用两级方法对疾病进行评估和排序,来确定新生儿筛查的优先顺序,评估了84种疾病的各种特征,涵盖疾病的严重性。2011年Bell等人首次报道了用高通量测序进行遗传病携带者筛查,按先前的新生儿筛查标准,选择符合ACMG指南的疾病,共有448种儿童期隐性疾病被选为严重并足以证明进行携带者筛查是合理的。2017年结果反馈委员会按寿命限制、严重、轻度、不可预测和成人发病的分类法对728对基因-疾病对进行了分类,结果分别是177对、406对,93对、41对、11对[11],这种分类随后被用于ECS的基因组测序,以确定哪些疾病应包括在筛查中。为了解我国人群单基因病的致病基因携带情况及变异,2019年庄彩霞的研究选择了11种基因型-表型明确的隐性单基因病进行分析,得出:国内孕期筛查主要针对严重致残致畸、致愚的疾病;约3 000例胎儿中有1例为符合目标的单基因病患儿,发生率低,所以需谨慎应用ECS。综上,各项研究都考虑了将疾病的严重程度作为纳入筛查的标准,但国际上尚无统一的指南和意见,某些严重疾病可能存在地区差异,应根据国情和疾病的分布特征,慎重考虑纳入筛查的疾病病种。
2.1.2 、Panel的设计
最适合筛查的疾病-基因仍存在争议,可通过估计跨基因的携带率来构建携带者筛查的panel。有研究用外显子组测序数据库估计与严重隐性疾病相关的415个基因在6个主要祖先中的携带率,结果发现2.6%～62.9%的个体在415个基因中至少有一个是变异携带者。通过对夫妇全部415个基因进行筛查,发现0.17%～2.52%夫妇的孩子有患病的风险。只要筛选携带率为>1.0%的40个基因,就能识别出76%以上的高危夫妇。一个专门为捕获携带率>1.0%的基因而设计的谱系特异性panel将包括5～28个基因,而一个泛种族panel将包括40个基因,结果发现只筛选一小部分基因就能识别绝大多数的高危夫妇,显示了跨基因的高累积携带率,指导了携带者筛查panel的设计,并为未来的父母进行咨询提供了数据,但在筛选基因时要仔细选择[12]。
对全球ECS提供者的分析发现不同检测方提供的测试之间存在很大差异,范围从41～1 792种不等,仅有3个基因是检测panel都包含的[13]。最近的一项研究评估了6家商业公司ECS的panel,只有26.7%符合医疗纳入的标准[14]。随着新致病基因变异的发现,疾病的种类在不断增加。由于基因的可变性或受环境的影响,特定个体的常染色体隐性疾病的严重性是可以改变的。因此,仅通过观察致病基因并不能准确预测个体常染色体隐性遗传病的确切严重程度。医学专家和协会应根据不同人群,建立与疾病表型严重程度相关的标准与共识文件,并定期修正这些类别。
2.2、变异基因的致病性考虑
随着二代测序在基因测试中的广泛应用,更多新的致病性变异基因被识别出来。对于ECS纳入疾病致病突变的选择,应是基因型-表型明确的已知突变基因,检测位点须明确致病性。对于致病性变异基因,一种方法是考虑已知确定的致病变异基因,如ClinVar数据库[15]中列出的。另一种是通过计算分析被归类为有害的变异基因。对于前者来说,个体中可能存在尚未被定性为致病的变异基因,被测试的个体仍有可能是常染色体隐性基因的携带者。而在后者中,被认为有害的变异基因可能并不是致病的。这样无疑会增加疾病的假阳性率,也会耗费不必要的医疗资源,同时也给受检者带来额外的心理焦虑。目前,分类尚不清楚的变异被定性为意义不明的变异(variants of unknown significance,VUS)。随着时间的推移,有一小部分VUS可能会被归类为致病性[16]。因此,迫切需要建立来自全世界不同人群公开可用的数据库,以改进对致病性变异基因的认识。
隐性遗传病的表型由两个等位基因共同决定。纯合状态下的等位基因变异导致的临床表型易于明确,而复合杂合状态的等位基因变异的临床表型可能存在不确定性。因此,在某些情况下,即使知道两个变异等位基因,也不能进行准确的遗传咨询,因为各种基因型的表达是不同的。由于疾病的严重程度会影响生殖决策,因此了解等位基因的组合和同时携带不同变异的临床表型,对于个体的遗传风险咨询至关重要。
2.3 、ECS的临床实践
2.3.1、检测前后的遗传咨询
遗传咨询师和妇产科医师对ECS的态度存在较大差异。遗传咨询通常是由未经遗传专业培训的产科医生进行,Cho等人于2013年、Benn等人于2014年,提出在咨询患者是否进行ECS时,只有1/3的产科医生表示满意,在解释ECS的结果方面,只有1/4的产科医生表示满意,而遗传咨询师普遍支持ECS。随着ECS被纳入临床实践,医生的关注和态度在优化实施ECS方面越来越重要。受检者觉得阳性筛查结果只会增加其压力[17,18]。在对接受ECS者的回顾性研究发现,受检者即使已进行过咨询,当出现阳性结果时还是会感到焦虑[19],显示出公众对ECS的认识不足。另外受试者未参与ECS的重要原因是,她们认为家庭中并无遗传性疾病,这提示了向公众提供易于理解的遗传信息及宣教的重要性[20],使其能更积极地参与到筛查中。
为了让受检者了解ECS,在ECS前后进行详细的遗传咨询是必不可少的。检测前咨询应包括携带者筛查的方式可以是基于种族的、泛种族的或ECS,进行携带者筛查的决定是自愿的。应告知受检者ECS报告目前只包括致病性、可能致病性变异。Grody等人于2013年提出对于发病较晚、不完全外显率或表达可变的疾病可选择不筛查。检测后的咨询包括结果正常时的残余风险及任何后续检测,应审查所有可用的生殖选择。某对夫妇的ECS结果仅适用于该夫妇的怀孕,若为不同伴侣,则需对新伴侣进行筛查。目前,专业协会建议ECS一生中应只做一次,鼓励个人保留ECS结果[3]。此外ECS不能取代新生儿筛查。
目前ECS在筛查条件、检测方法、基因变异解释等方面存在较大差异。临床医生对基因变异的解释、与临床的相关性和社会影响等方面也面临挑战[21,22]。ECS检测后也许会发现一些意外结果、疾病表型的不确定性及后续检测和遗传咨询产生的下游成本的增加[4,9]。有研究发现个人在ECS后进行遗传咨询的时间中位数为64分钟[23],基于此,未来可能需要开发自动化或创新的咨询方法来应对,同时也需要出台统一的指南和文件,引导检测的规范化、合理化,使其更好地服务于临床实践。
2.3.2、筛查的时机
携带者筛查主要是针对隐性遗传病进行的。鉴于遗传的隐蔽性,大多数高危个人和夫妇不能意识到他们的生殖风险。目前存在两种筛查模式,一种是夫妇双方同时进行携带者筛查,另一种是夫妻中的一方先进行筛查。对于前者可最大限度地发挥临床实际效用,为生育预留时间。自2015年以来,一些权威的医学专业组织普遍提出ECS的理想时机是在孕前,这样在较少受时间的限制下,可以进行更充分的生殖选择[1,24]。ACOG在2017年建议告知每一名孕妇拥有携带者筛查的知情权[25,26],然而目前人群对ECS的接受性并不高,需要推广遗传病的宣传和教育。
2.3.3、高风险夫妇的妊娠决策
目前用于评估高危夫妇生育结果的数据有限。对391对高危夫妇调查中,阐述了ECS对妊娠管理的影响,在孕前筛查的人群中,77%的人计划采取行动避免影响后代,在孕期筛查的人群中,37%的人选择了产前诊断。在孕前和产前筛查的后续妊娠中,29%的人接受了产前诊断[27]。ECS的筛检结果可能会对夫妻的生育决策产生影响。Cho等人于2013年对筛查阳性的高风险夫妇可以选择产前诊断,或进行体外受精/卵胞浆内单精子显微注射技术结合植入前基因检测、配子捐赠、收养或者不生育。Borry等人于2011年提出如果胎儿受到影响,可通过产前诊断进行生殖选择;或可继续妊娠到足月,并在可能的情况下,在新生儿早期开始治疗,以降低疾病的死亡率和发病率。这些措施可能缺乏相关政策法规的支持,也会受到伦理学的争议及所在医疗机构水平的影响,进行推广会受到一定限制。
3、携带者筛查的前景与展望
目前国内一些关于孕前人群进行携带者筛查的研究,为未来的携带者筛查工作奠定了基础,并为构建各单基因病的致病基因携带率及常见变异基因的中国人群的数据库积累了经验。鉴于ECS在个人、社会发展、法律和伦理等方面的影响,在国内广泛开展尚存在一些问题。一方面人群对单基因病的普遍认识不足,另外国内缺乏专业的遗传咨询人员,也无相关的指南或共识指导。因此需加强对遗传咨询人员的培养,为民众提供健康宣教和进行遗传前后的咨询,来提高出生人口素质、降低出生缺陷。同时注重积累单基因遗传病在中国各地区孕期人群的携带情况,优化病种选择,制订适合中国人携带者筛查的模式和实施方案。
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