作者:張益祥/有勁基因

 

  現在人常被生活壓力追著跑,睡眠不正常等原因,導致癌症病患日益增多,身體健康檢查因此變成「全民運動」,有些佛心公司甚至掏腰包幫自家員工做健檢。身體健康檢查前,受檢者都會先填寫病歷表,表格中一定有一欄是「家族病史」。家族病史顧名思義就是紀錄某疾病在家族成員中發病的狀況,而家族成員也不僅僅侷限於親代與子代,更可以上推至祖父母等直系親屬,顯示遺傳影響深遠,所以請別輕忽家族病史的重要性。那麼,家族疾病究竟是源自哪個親代的哪些基因位點的什麼變異所造成的呢?健康檢查結合全外顯子定序(Whole Exome Sequencing; WES)這個技術,就可以幫助醫生找到答案。

 

  WES到底是甚麼?人類基因體(Genome)大約有30億個鹼基對,基因體中只有不到2%的序列是位在外顯子(Exome)區段。根據目前的研究,大約有8 成5的疾病和出現在外顯子區段的序列變異息息相關1,2,所以如果只是想觀察基因體中那低於2%位於外顯子區段的序列,其實並不需要大費周章地去做全基因體定序,只要做WES全外顯子定序即可。臨床應用上,WES不但能檢測基因突變所導致的疾病,還能幫助研究分析多基因突變的複雜疾病─例如:糖尿病、高血壓等,甚至像玻璃娃娃等罕見疾病也能檢測。假如親代與子代皆有WES的定序資料,透過生物資訊的分析,還可以進一步探討癌症的致病基因及變異位點。

 

  WES這個技術所利用的定序原理即是次世代定序(Next Generation Sequencing ; NGS)技術。作法是將子代的序列全部打斷形成許多小片段,再將這些打亂的序列混在一起進行定序。定序後的結果,由於我們無法直接知道序列是來自父親或是母親,所以需要再做基因分型,或稱基因定相(Phasing or Genotype Phasing)。Phasing (定相)就是把一個二倍體基因組上的等位基因,將其子代的性狀正確地定位到父親或者母親的染色體上,最終把所有來自同一個親代的等位基因全都排列在同一條染色體裡面(詳見圖一)。

 

圖一、變異位點經過Phasing和不經過Phasing的示意圖

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圖片左半邊分別為母親與父親的定序結果,右上方子代為未經phasing定相的結果,右下方為子代經過Phasing的結果。由本圖可知,透過Phasing可以把子代定序結果所發現的變異位點(橘色標示),定位出是源自哪位親代的染色體。(圖片來源:解螺旋的礦工(2018年4月30日)。每日頭條/科學。)

 

 

        舉個實際例子來說明。正常情況下,二倍體基因組中父母親會分別各提供一條染色體給子代。假如一家三口都做了基因組定序,我們在子代基因組上的某一個位置發現基因型為AB,父親的基因型是AB,母親的基因型是AA,這時就可以知道子代基因的B來自父親的染色體,而A則來自母親的染色體。

 

  找出子代基因型的親代來源,在遺傳疾病的確認上十分重要。如上圖二所示,多數情況下我們也許可以準確分辨出子代的基因型是來自父親或母親,但總還是會有一些例外,例如AB+AB→AB,就需要經過複雜的統計學去計算出子代基因型到底來自哪一個親代。當遇到像圖二中分辨不出來AB來源時,就更顯現出phasing的重要性了。

 

圖二、親代與子代的基因組表型

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上圖為親代與子代基因組表型,藍色來源為父親,紅色來源為母親。(圖片來源: 張益祥/有勁基因)

 

 

  再舉個例子,如果父母都沒有玻璃娃娃的病症,而小孩卻出現類似玻璃娃娃症狀,在查閱過小孩和父母的變異位點後卻仍找不出原因,這時就遇到了瓶頸。首先,父母都沒有病症小孩卻有,故疾病可能是隱性遺傳,隱性遺傳就需要確認二倍體染色體是否兩條都出了問題;一般來說,這種情況下假如沒有做phasing的話,就只能知道變異位點而無法確知變異是源自親代的哪一條染色體。如表一,做過phasing後的結果指出,表中在位置21880591的分析資料顯示小孩在chr1的第二條染色體有源自母方染色體的插入或缺失型變異(Indel; insertion/deletion);在位置21894597與21894598的分析資料則顯示在chr1的第一條染色體有源自父方的插入或缺失型變異。經查NCBI資料,這些變異位點全都坐落在ALPL這基因上,而該基因果然也與骨頭硬化相關4。這個案例的父母之所以皆沒有玻璃娃娃病癥,是因為他們的染色體分別都各只有一條出問題,而小孩無巧不巧正好都繼承了父母雙方個別損壞的那套,以致小孩出現類似玻璃娃娃的病癥。

 

表一、phasing後的結果統計表

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表中位置21880591的小孩染色體變異是源自母親;位置21894597與21894598的變異則是源自父親。(表格來源: 張益祥/ 有勁基因)

 

 

        所以說告知醫院自己的家族病史這件事,千萬不能小看。倘若醫生在甚麼都不知道的情況下作診斷,很容易誤判,甚至錯過找出關鍵證據的機會。也多虧了有phasing這方法,讓我們今日能研究分析隱性的家族遺傳疾病,要不然像上面這個特殊的玻璃娃娃案例,很可能就永遠查不出原因來了。

 

 

參考文獻

1. Ng, S.B., et al. Targeted capture and massively parallel sequencing of 12 human exomes. Nature. 2009 Sep; 461(7261):272-276. Retrieved from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19684571

2. Choi, M., et al. Genetic diagnosis by whole exome capture and massively parallel DNA sequencing. PNAS. 2009 Nov; 106(45):19096–19101. Retrieved from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19861545

3. 解螺旋的礦工(2018年4月30日)。人類基因組的Phasing原理是什麼?每日頭條/科學。檢自:https://kknews.cc/zh-tw/science/9lzm4pl.html

4. Genetics Home Reference. (2019 Sep). Hypophosphatasia. US National Library of Medicine. Retrieved from https://ghr.nlm.nih.gov/condition/hypophosphatasia#genes

 

 

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