这种怪病影响了几百个家庭，但它在4年前竟还不存在
目前已知有6000到8000种罕见病，其中很多影响儿童的正常发育。...
▎药明康德编译整理(来源：Linda Geddes, https://mosaicscience.com)
编者按：目前已知有6000到8000种罕见病，其中很多影响儿童的正常发育。一项开拓性研究项目表明，在人类基因组测序完成后17年，我们的基因终于开始帮助揭开这些罕见病的奥秘，并且给世界各地的父母们带来希望。个体化医疗的时代真的到来了么？
Evie Walker坐在她母亲Alison的腿上，她正在玩一个她从来不会厌倦的游戏——把妈妈的手翻过来再翻过去，摸摸这儿，再看看那儿。当她向四周观望时，眼里充满的是你会在很多婴儿中看到的好奇和惊叹。Evie说的话包括一系列尖叫和简单音符。在过去几个月里，她已经开始不需要搀扶就能够站立了，甚至开始迈出了几步，这让她的父母们非常骄傲，也让他们对未来充满希望。
虽然她看起来像个婴儿，但是Evie已经八岁了。她患有PURA综合征，一种在4年前还没有正式存在的罕见发育障碍。发育障碍影响到儿童的正常精神和身体发育。在她被确诊之前，Evie的父母只知道她患有“发育迟缓”，这是一个涵盖了由无数种不同原因导致的一系列发育症状的模糊疾病类别，其中有些疾病带来的是令人心碎的不良预后。
但是得益于基因组测序的发展，越来越多的家庭像Evie的父母一样能够获得关于他们孩子的一个准确诊断，并且对未来有了一个清晰的认识。有些情况下，例如和Evie一样，他们发现孩子们患上的是一种全新疾病，在其它情况下，他们会发现一种潜在疗法，来治疗看似无法治疗的疾病。
123RF
不只是患有发育障碍的儿童能够从这一技术中获益。2018年10月，英国全民公费医疗服务体系（NHS）将启动基因组医疗服务，13个基因组医疗中心将为无法确诊的罕见病和癌症患者提供全基因组测序服务。
通过发现驱动肿瘤生长的确切基因组变化，医生们可以选择更有效的疗法。通过提供基因组医疗服务，NHS宣称英国将成为世界上少数“为全国居民提供综合而且平等的基因组测试和管理”的国家之一。发育障碍和癌症患者将是最先获益的人群，而且，随着我们对基因的了解日益深入，这些机构可以检测其它疾病，比如早期失智症和多发性硬化症，它们可能由多个基因变异决定。
自从第一版人类基因组图谱发表以来，科学家们一直说我们站在个体化基因组医疗的新时代的大门口，这一时代真的到来了么？
寻找罕见病原因的“西游记”
Archie Walker 15个月大的时候他的小妹妹Evie降生了。他们的母亲Alison两次怀孕都非常顺利，当Evie在预产期后一周自然分娩出生时，似乎家庭中又将增添健康的一员，她还是个睡觉特香的小宝宝。可是这个优点迅速变成了忧虑的源头。她的父母需要叫醒她才能给她喂奶，而且她吃奶的时间也不长，她摸起来总是不正常的冷。Evie出生后5天，Alison向医生说出了她的忧虑，医生的建议是：赶快带她去医院！
初诊护士迅速把她送进了紧急护理病房，随后的一周里，医护团队努力维持她的体温并且帮助她进食。“我们以为这只是一个小挫折，我们会带回家我们的小天使，一切都会好起来。”Alison说。
但是即使Evie回到了家，她仍然非常容易犯困，随着她慢慢长大，很明显她无法达到正常发育的里程碑。她经常会回到医院，接受各种检测激素或营养缺陷的血检，检查神经损伤的大脑扫描和检查常见遗传病的遗传测试。
123RF
她的父母曾经以为这些检测最终将告诉他们如何治疗Evie的症状。“然而我们开始醒悟到我们不但不知道怎么治好她，而且不知道问题是从何而来。”Alison说。
当Evie两岁的时候，医院的遗传咨询师告诉了她父母这个令人心碎的消息。Evie不但不可能赶上与她同龄的儿童，医生们甚至不能肯定她会继续发育。Evie还不能抬起头，站立，说话或者行走，但是，所有医学检测的结果都正常！
Walker一家的经历令人揪心，但是却令人意外地常见。根据欧盟的定义，罕见病只影响1万人中少于5个人。目前有6000到8000种已知的罕见病，每周在医疗期刊上就会多出5种新的罕见病。这些罕见病有的广为人知，比如囊性纤维化和亨廷顿病，有的是儿童癌症，还有的是不为人知的发育障碍，比如PURA综合征。大约四分之三的罕见病会影响到儿童，而三分之一出生时就患病的婴儿无法见到他们5岁的生日。
这些儿童的父母们寻找病因时经历的艰苦旅程好像唐僧取经时需要经受的“九九八十一难”。如果幸运的话，他们仍然需要经受多次检测、误诊、困惑和绝望之后才能找到疾病的原因。据统计，大约80%罕见病的原因是遗传性的，但是即使对人类基因组的理解在最近几十年里取得了突破性的进展，在一个患者中找寻造成罕见病的基因突变却不像想象中那样简单。
相关阅读：真人版豪斯医生：她发现了40种罕见病，想把成功复制到中国
下一代测序技术带来的突破
给寻找病因带来突破性变化的因素之一是下一代测序技术的开发。下一代测序技术将DNA切成小段，然后同时进行上百万甚至上亿个DNA测序反应，从而极大加快了测序的过程。只在最近几年，研究人员才能够能以经济有效的方式对整个基因组进行测序。
Helen Firth博士是剑桥大学医院的临床遗传学家，她将整个职业生涯都投入到了帮助罕见病患者上面。
▲Helen Firth博士（图片来源：Cambridge University Hospitals）
“一旦你能够拿到一个诊断，你可以试图从其它患有同样疾病的患者中学到未来会发生什么，”她说：“这样你可以尝试针对疾病来修正未来的医疗监测和护理，并且为患者家属们提供有用的信息，比如另一个孩子患病的几率。”
但是，即便做出最大努力，很多年来Firth博士只能诊断出大约四分之一到三分之一她经手的患者。遗传学家使用的传统工具是染色体核型分析（karyotyping），它能够将所有的染色体分队排列起来，观察它们是否有缺失，重复，或者携带微小的结构变化。染色体核型分析如今仍然是发现基因组大型异常的有用工具，但是它无法发现微小的点突变，这通常只会影响一个碱基，但是却可能产生非常严重的后果。
▲Matthew Hurles博士（图片来源：Wellcome Sanger Institute）
直到2010年，Firth博士和英国Wellcome Sanger研究所的人类遗传学负责人Matt Hurles博士认为，如果能够系统性地应用测序技术，他们可能诊断出更多的患者。于是，与NHS遗传学服务和其它研究团队合作，他们启动了名为“解读发育障碍”（Deciphering Developmental Disorders, DDD）的研究项目，这一项目募集了12000名患有未能确诊的发育障碍的英国儿童和成人，然后对他们DNA中编码蛋白的基因进行测序。研究人员同时对他们父母的DNA进行测序，这样他们能够发现在精子或卵子中，或在早期胚胎发育中发生的新（de novo）突变。
▲Deciphering Developmental Disorders (DDD)项目（图片来源：www.ddduk.org）
“来自这些家庭的问题一直是，为什么很多人都有一个生病的孩子，而其他孩子都很健康，”Hurles博士说：“我们发现，往往是由于这些新突变让这些孩子患病。”
前面提到的Evie就是参与DDD项目的一名患者。她和父母分别提供了唾液样本，研究人员将他们20000个基因中每个基因的序列与包含1450个已知发育障碍基因的数据库进行了比较。虽然这种方法能让许多DDD项目参与者得到诊断，但它对Evie却不起作用。对于像Evie一样在DDD研究中没有得到诊断的人，研究人员转而研究他们的其他基因，这些基因与疾病无关，但可能含有大量的新突变。
于是，研究人员发现了PURA基因，它能编码一种蛋白质，帮助调节许多其他基因的表达。Evie和另外两名女孩在PURA基因的不同区域有小的缺失或突变，这可能导致了她们的疾病。虽然这些女孩有类似的症状，但又各不相同。Hurles博士表示：“我们经常发现不同患者之间的症状差别很大，这也可能是这些疾病未被诊断出的原因之一，因为医生不能说：这些疾病都是一回事。”
迄今为止，有近1500种基因中的罕见突变已被证明可导致发育障碍。而DDD研究目前已经确定了30种与发育障碍相关的新基因，以及14种全新的疾病。随着数据分析的进行，它还可能发现更多的新基因和疾病。
“帮助多年来无法获得诊断的家庭参与DDD研究，然后终于能够向他们解释（导致疾病的）分子原因。这真是令人欣慰的事。”Firth博士说。
更多的病例，更多的突破
在世界的另一边——澳大利亚墨尔本，六岁的Sarah Anderson正在经历她的疾病诊断的艰苦历程。在Sarah出生36小时后，她开始表现出一系列症状：不能保持体温，身体异常松弛，无法正常进食，还会暂停呼吸。
“我记得遗传学家进来说，‘她只有七天时间，多享受跟她在一起的时光，多陪陪她吧’，我当时想，不应该是这样。”Sarah的母亲Mel说。
幸运的是，Sarah活下来了。但随着她渐渐长大，人们发现她无法达到正常的发育里程碑，而且难以控制自己的动作。在14个月大时，Sarah患上了严重的癫痫症，每天癫痫发作多达20次，这使她筋疲力尽，也让其他的症状更加严重。但Sarah一直没有得到正确的诊断，直到父母凑足8000美元的基因组测序费用。虽然测序没能提供即时的诊断，但将疾病范围缩小至20个基因左右，其中就包括PURA。
事情的转机来自一位了解Sarah病情的医生参加的一次学术会议，这次会议展示了DDD研究的早期结果，其中就包括PURA和其他一些基因。会后，这位医生告诉演讲者，他有一位这样的患者。在经过几个月的邮件和电话沟通后，负责Sarah案例的神经科医生收到了来自英国研究人员关于这一新疾病的论文草稿，其中包括他们诊断出的第一个孩子的照片。
“突然之间，他们变得比我还兴奋，” Mel回忆道：“神经科医生激动得说不出话来，后来我们看到这个孩子......” Mel深深地吸了一口气，照片里是一个漂亮的四岁女孩，圆脸，长长的黑发，嘴巴微张。这个女孩就是Evie Walker。
虽然医生现在可以给Sarah的家人一个诊断，但他们并不知道这意味着什么。Sarah的神经科医生告诉Mel：“找到其他患者，把父母联合起来，设立一个研究基金，找人进行研究，这是你们获得答案的唯一方法。”
在2014年秋季，一篇描述三名具有PURA突变的英国女孩和Sarah的论文获得发表。与此同时，一支来自美国的团队也发表文章，描述了另一组具有相似突变的儿童。Mel女士决定去见这些人。在与其他七个家庭会面后，他们一致同意建立一个基金会。不久后，他们推出了一个网站，并开始正式注册该基金会。然后，他们联系了所有能找到的曾研究过PURA基因或蛋白的研究人员。
2016年，PURA综合征基金会（PURA Syndrome Foundation）在伦敦附近召开了第一次会议，Evie和妈妈Alison都出席了会议。这也是Alison与Mel的第一次会面。“那就像遇到一个失散多年的姐妹。” Alison说：“最初我非常难过，因为这么多人都经历了与我们相同的事。但给我宽慰的是，我知道，当我只想把头埋在手中抽泣时，他们能够理解。”
儿童发育障碍与癌症的共同之处
DDD项目不仅可以帮助诊断发育障碍患者，从这些研究中发现的一个重要主题是，这些疾病与儿童和成人癌症之间有共同之处，它们都是由突变基因引起的。胚胎和癌症有几个共同特征：两者都来自单个细胞，并进行快速生长。而且控制细胞分裂和迁移的发育信号通路在癌症中会被重新激活并失调。
越来越多的相同基因，甚至相同突变都被发现。例如，BRAF基因突变会导致Costello综合征，它表现为智力障碍和发育迟缓、皮肤松散皱褶、关节异常柔韧和嘴巴大。BRAF突变也会诱发癌症，包括部分儿童脑癌和成人黑色素瘤。突变发生的时机很重要：发育障碍很大程度上是由于卵子或精子中的突变而产生（这些突变不存在于父母的其他细胞中 ），或者来自于卵子受精后不久发生的突变。
成人癌症研究已经在利用疾病的遗传学寻找新疗法方面取得了长足进步。许多新的抗癌药物可以针对那些相对常见的驱动肿瘤生长的基因突变，并且可以通过对患者进行活检来预测他们是否能对药物有响应。但儿童癌症研究更具挑战性。引起儿童癌症的突变通常非常罕见，因此很难得知要寻找什么。如果一个儿童患者对化疗没有响应，医生可能会对接下来要做的尝试感到茫然。更好的方法是在发病时识别驱动突变，并直接进行靶向治疗，这是基因组测序发挥它作用的时机。
自2011年以来，密西根大学的Rajen Mody博士及其同事一直在对未能对标准治疗产应响应的儿童癌症患者进行正常DNA和肿瘤DNA测序，以及肿瘤RNA测序。与DNA测序相比，RNA测序在检测基因融合方面更有效，这是儿童癌症中常见的一种突变类型。
▲Rajen Mody博士（图片来源：mottchildren.org）
到目前为止，他们已经对375名儿童的肿瘤进行了测序。对其中三分之一的患者，他们已经成功使用已有药物来针对识别的特定突变或融合进行治疗。Sanger研究所的研究员Sam Behjati博士表示，儿童癌症中的许多突变都是可靶向的，并且通常都有已存在的用于成人癌症的好药物可用。
以黑色素瘤为例，成人黑色素瘤患者通常携带BRAF基因突变，针对这类患者，BRAF抑制剂药物通常是有效的。一些儿童脑癌患者也具有BRAF突变，针对这些患者，这些药物也会有效。
“整个靶向疗法行业在儿童中会比在成人中取得更好的效果，因为它可以治愈一些患者，”Behjati博士说：“而在成人中，它通常只能控制癌症一段时间。”
癌症与发育障碍之间的交集意味着类似的方法可以为治疗发育障碍带来益处。Hurles博士说：“借鉴癌症疗法的研发成果，是一种加快解决发育障碍的方法。”
10万基因组计划
“10万基因组计划”于2012年由英国时任首相David Cameron先生发起，他的儿子Ivan在出生时就患有罕见的神经疾病，并因此失去了生命。这一计划的目标是对10万个来自癌症、罕见病和传染病患者的基因组进行测序，以便为他们找到诊断和潜在治疗方法。
▲10万基因组计划里程碑（图片来源：参考资料[2]）
截至今年9月，该计划已对超过75000个基因组进行了测序，其中大多数来自未确诊的罕见病家族，约有四分之一的病例已经确诊。其中一名男孩被诊断为严重免疫缺陷和神经系统疾病，他在四个月大时去世。“他的父母非常苦恼。他们想尝试继续要孩子，但又害怕再生下一个像他一样的孩子，所以他们参与了这个项目。”来自英格兰基因组学公司的Mark Caulfield博士说道 。这个孩子的DNA揭示了一种蛋白质突变，这种蛋白质负责将维生素B12转运至细胞。
不久之后，这个男孩的母亲再次怀孕，就在婴儿出生之前，他们发现这个孩子携带相同的突变。不过，根据携带这种突变的其他儿童的病例报告，医生们发现给予高剂量的维生素B12可以克服这个问题，于是他们决定这样做。
“到目前为止，他依然在按照正常的里程碑进行发育，并没有像第一个孩子那样，”Caulfield博士说：“我们开始看到，对于一些人来说，基因组测序可以帮助治疗。”
到目前为止，DDD研究已经设法为大约35％至40％的参与家庭找到了答案，但剩下的家庭仍然没有获得诊断：为什么诊断他们如此困难？这可能是因为DDD项目仅关注基因组的蛋白质编码区和保守的调控序列。为了为更多患者找到答案，DDD项目已申请获取10万基因组计划的数据。不过大型全基因组测序项目（包括10万基因组计划）也会遇到限制。
其中一个问题是，虽然它被称为全基因组测序，但有些DNA区域的测序结果并不准确。“我们能高质量读取97.3％的基因组，但有些基因序列非常难以读取，因为当你尝试拼接DNA序列时，有些序列不会反复出现。” Caulfield博士说。此外，虽然目前的DNA测序技术在识别DNA序列中的单碱基变化方面已经做得不错，但它在识别基因片段插入或删除时还存在不足。对于非常罕见的疾病，也可能是由于具有相同类型突变的其他患者太少，不足以提供足够信息做出诊断。
“到目前为止，只有约30％的基因在人类疾病中具有已知的作用，还有更多的基因尚待发现，”Firth博士说：“我们将继续重新分析参与DDD研究的家庭的序列数据。这将使我们能够为更多的儿童提供诊断，而导致发育障碍的基因列表也会随着我们自己的研究和其他人的研究而增加。”
每一个新病例，都为未来增添一点希望
越来越多的医院为新生儿重症监护室（NICU）的婴儿提供基因组测序，这意味着儿童被诊断患有罕见病（例如PURA综合征）的年龄正在降低。这可能消除多年的不确定性，并在某些情况下及早采取治疗措施。即使对于PURA综合征这种没有治疗手段的疾病，父母可以从其他人那里了解孩子的病情，以及解决问题的方法，这对他们也是巨大的安慰。
“即使是PURA这种我们在几年前才发现的基因，我们现在也了解了这类儿童患者的典型里程碑是什么样的，”Firth博士说：“我们编写了疾病手册，可以与患儿家长分享。”
而对于患儿家长Alison来说，最大的问题是女儿的未来会怎样。到目前为止，只有少数成年人被诊断为PURA综合征，但尚不清楚这是否是因为患有这种疾病的儿童往往难以存活至成年，还是因为很少有成年人接受过这种疾病的检测。
在2016年的会议上，Alison遇到一个家庭，他们的女儿比Evie还小，但能站起来，还能走路，这让她看到Evie在正确护理下可能获得的进展。
Mel和Alison都希望继续在患儿家庭之间分享信息，增加对PURA综合征的研究，这或许能帮助她们的女儿找到一种治疗方法。到目前为止，全世界约有250人确诊患有这种疾病，而它在四年前还没有正式存在。
每一个新病例，都为研究这一疾病增加一点理解，也为患者的未来增添一点希望。
点击“阅读原文”即可访问原文网址
参考资料：
[1] Searching for a diagnosis: how scientists are untangling the mystery of developmental disorders. Retrieved October 29, 2018, from https://mosaicscience.com/story/developmental-delay-disorders-milestones-childhood-genetic/
[2] Turnbull et al., (2018). The 100 000 Genomes Project: bringing whole genome sequencing to the NHS. BMJ https://doi.org/10.1136/bmj.k1687
本文来自药明康德微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台；如有开设白名单需求，请在文章底部留言；如有其他合作需求，请联系wuxi_media@wuxiapptec.com
大家关注的公众号越来越多，找不到“药明康德”怎么办？简单四步，将“药明康德”设置为星标公众号，问题既可解决。
关注 药明康德
微信扫一扫关注公众号
