由全基因组关联分析热到对转化医学的一点思考

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由全基因组关联分析热到对转化医学的一点思考作者:基因快讯 来源:基因快讯 2011-10-21 9:37:04
2005年4月15日,Science杂志发表了三个独立的研究小组的三篇论文,解析同一种疾病老年性黄斑变性(Age-related  macular  degeneration,AMD)的遗传机制。三篇文章的结论都认为补体因子H(Complement  Factor  H,CFH)基因的同一变异(多态性)位点是老年性黄斑变性的遗传因素。

三篇论文中,有两篇以Report形式发表,使用的是精细扫描(fine  mapping)(Science  15  April  2005:  Vol.308  no.  5720  pp.  419-421  &  pp.  421-424)。以往研究提示,1q25-31区域或1q32区域含AMD易感基因,这两篇论文根据此,对该染色体区域进行基于SNP分析的精细扫描,锁定AMD的易感基因是CFH。另一篇论文(Science  15  April  2005:  Vol.  308  no.  5720  pp.  385-389)以Research  Article形式发表,使用的是全基因组关联分析(Genomewide  association  study,GWAS),即对样本进行全基因组SNP扫描,直接锁定AMD易感基因CFH。

值得指出的是,  现在风靡医学遗传学领域的GWAS,正是从这篇AMD  GWAS论文开始的。在这篇论文前,由于没有方法学支持,GWAS只停留在科学家的想象中。当时认为,要进行GWAS,每个样本需要分析的分子标记数目需要10万个以上,SNP作为新一代分子标记技术就进入人们视野。只要能在技术上突破一个样本分析10万个以上SNP,GWAS就能成为现实。

高密度SNP芯片就是在当时需求推动下推出并实现商业化的,全球第一款高密度SNP芯片是在一对芯片上解析一个样本的116,204个SNP(100k),使得GWAS研究在技术平台上有了支撑。之后几百k甚至上千k的SNP芯片陆续推出,最近又有针对东亚人和中国人SNP分析的芯片推出。

NIH国家人类基因组研究中心网站一直整理和更新关于GWAS的文献。迄今为止,该网站整理了近千篇GWAS文献,这些文献报道了近5000个SNP位点与多种疾病和其他性状的关联。近年的Nature  Genetics杂志,每期一半左右的文献都属于GWAS。

目前的GWAS文献,基本使用同样的思路:先通过GWAS,从第一组人群的分析中找到一些与疾病等性状相关的SNP位点,这些位点再在第二与第三组人群中进行分析,三次分析都证明与疾病等性状关联的SNP位点就是结论。第一组人群的分析,几乎全部使用基于基因芯片技术的全基因组高密度SNP分析。第二、第三组人群,可以利用各种SNP分析方法,比如TaqMan法、质谱法、焦磷酸测序法、低密度SNP芯片定制法、Sanger测序法等等。

目前,以GWAS和新一代测序(NGS)为代表的基因组学研究可以说是如火如荼,如日中天,疾病等性状的遗传因素似乎找到了,分子诊断、个性化治疗的时代似乎指日可待。但是,渲染终究不是事实,目前基因组研究的成果还远不能在疾病诊疗中大显身手。稍微冷静地想想,我们就知道,GWAS文献报道的与疾病等性状关联的SNP,绝大多数还未经功能研究证实。退一步讲,即便这些GWAS的结论没有问题,回头反思,找到疾病的遗传基础究竟为了什么呢?如果医学研究的目的是为了提高人们的生存质量,那GWAS也应该遵循此原则。转化医学可以理解为将医学研究的成果应用到提高人们生存质量的医学实践中,目前强调转化医学,实在是切中要害。

2006年,也就是十一五计划第一年,国家高技术研究发展计划(863计划)生物和医药技术领域启动了“重大疾病的分子分型和个体化诊疗”重大项目课题,开宗明义指出:“以现代生物技术与临床医学相结合、研究开发新的疾病诊疗技术手段为主要内容的‘转化医学(Translational  Medicine)’是近年来国际上备受关注的新兴领域”。疾病诊断和治疗,都是提高人们生存质量所必须的。有隐患的遗传因素,诊断发现越早越有利于生存质量的提高。比如,婚前检查就是对自己负责,更是对下一代的负责;如果没有婚前检查,产前诊断也是一种弥补,比如可以根据遗传隐患提示来提前终止妊娠;如果产前诊断也没做,那么产后尽快诊断也是可以弥补一些的,也就是说,通过新生儿遗传检查,了解诸如耳聋、自闭症、孤独症等的遗传隐患,再结合其他检查如行为学检查,对可能的疾病进行及早干预和治疗,能一定程度上减少疾病危害,尽量提高生存质量。

基于转化医学的宗旨,“重大疾病的分子分型和个体化诊疗”重大项目指出:“十一五期间,本项目拟以心血管疾病、肿瘤、老年神经退行性病、精神疾病、糖尿病和慢性肝病为代表的六种主要危害我国人民健康的重大慢性疾病为对象,以我国丰富的临床资源和十五建立的基因组、蛋白质组和生物芯片等技术平台为基础,以现代生物技术与临床研究相结合为手段,通过建立重大疾病临床标本库和资料库以及临床试验网络,研究开发出针对上述疾病的易感人群筛选、临床前期发现、早期病人诊断及指导个体化治疗相关的特异性分子标记物,建立各种疾病的分子分型标准,研究制定可用于指导临床实践的规范化、个性化和综合治疗的关键技术与方案”。这些都无一例外围绕把临床基础医学研究的成果应用于疾病的早发现、早预防、早干预、针对性的个性化治疗,完全符合转化医学的宗旨。

转化医学将临床基础医学的研究成果应用于疾病的早发现、早预防、早干预、针对性治疗,方法学本身不是问题。易感人群筛选、临床前期发现、早期病人诊断及指导个体化治疗适合使用定制的SNP基因芯片法等。为助力个性化用药的研发,专门分析与药物代谢、转运相关的基因的SNP芯片也被推出。

除GWAS以外,科学家们不断拓展SNP芯片的应用,目前SNP芯片技术最典型的应用之一是分析染色体畸变如微缺失、微扩增、LOH、UPD等。与传统的核型分析、CGH比较,SNP芯片技术最大的优势在于分辨率高,因此能发现核型分析、CGH无法发现的染色体中小的畸变,这样,可以更好地解析疾病的遗传机制。这个应用正在成为诠释转化医学的一个方面,因为染色体畸变的确是很多疾病的遗传因素,而对染色体畸变的检测历来就是临床医学的内容,广泛应用于IVF-PGD、产前与产后诊断、优生优育、出生缺陷防治、计划生育等。基因芯片技术高分辨率检测染色体畸变,已经开始走入临床实践。以自闭症、孤独症为例,利用SNP基因芯片技术,通过全基因组的CNV分析,已经证实自闭症、孤独症的遗传因素包含大量的CNV,这些CNV的检测已经开始走向新生儿筛查中,这对及时干预与治疗这些疾病提供了理论支持。技术上,在临床检测方面,由于每个样本待分析的CNV并不是很多,可以利用诸如定量PCR、Branch  DNA等定量分析技术。

基于基因芯片技术的全基因组SNP分析无疑已经是分析全基因组的最实用技术,而NGS技术正在深刻影响着全基因组分析。当然,针对每个样本10万到100万个SNP这样规模的分析,目前NGS分析单个样本的成本还远远无法与SNP芯片抗衡,但NGS对样本的分析,比SNP芯片可以带来更多的数据,这对临床基础医学研究的价值大。

需要强调的是,临床基础医学的研究结论,包括GWAS的成果,应用于分子诊断还有一段路要走。尽管GWAS的结论是对三组人群的分析获得的,但毕竟GWAS只是把特定疾病与特定SNPs进行了关联,缺乏功能实验验证。如果功能学分析的确证明了特定SNP就是特定疾病的遗传基础,那这样的SNP的价值是非常大的,用于分子诊断自然不必说,极其有可能用于治疗手段的研发的靶,比如作为药靶等。正因为如此,Nature在2010年底预测了2011年的13个科学热点,其中6个与生命科学有关,之一就是“GWAS  prove  their  worth”。文章写道:Genome-wide  association  studies  (GWAS)  have  uncovered  plenty  of  links  between  diseases  and  particular  regions  of  the  genome,  but  frustratingly  haven’t  revealed  much  about  the  biochemistry  behind  these  associations.  In  2011,  expect  to  see  real  mechanistic  insights  explaining  how  genes,  and  noncoding  regions,  affect  the  medical  conditions  they  have  been  linked  with.  Metabolism,  obesity  and  diabetes  are  among  the  hottest  targets。过去5年大量的GWAS成就,在未来是该通过功能学验证来确认了,只有这样,GWAS获得的那些SNPs才是无懈可击的,就像空腹血糖超过6.1mmol/L就可以判断一个人是高血糖一样有价值。临床基础医学的研究结论如果经过功能学验证再用于分子诊断甚至治疗手段的研发,这样的转化医学才是更缜密的。

2008年,“十一五”国家高技术研究发展计划(863计划)生物和医药技术领域又启动了“常见重大疾病全基因组关联分析和药物基因组学研究”重点项目,选择威胁我国人口健康的常见重大疾病:精神疾病、高血压、糖尿病、食管癌和肺癌为突破口,进行总体设计和联合攻关,通过全基因组关联分析和药物基因组学研究,阐述上述5种重大疾病致病的遗传机理、药物基因组学相关基因多态性与药物疗效和安全性的相互关系,发现新的遗传标志物和预警靶点等,为中国人群多发复杂重大疾病的诊断、预防和安全有效用药提供理论依据、技术支持和人才储备。

项目进一步体现了转化医学的宗旨。在五种疾病的GWAS分析中,食管癌和肺癌的GWAS分析已经发表在Nature  Genetics杂志上(Nature  Genetics,43,679–684  &  792–796,2011)。五种疾病的药物基因组学研究,其中一些研究利用了基于基因芯片技术的平台。

以精神疾病的药物基因组学研究为例,该项目要对2000-3000例服药病人进行药物治疗有效、无效和发生药物毒副反应人群分类,对其中1500-2000例精神分裂症样本进行药物基因组相关基因多态性检测,研究中国汉族人群精神分裂症药物治疗的安全性和有效性与药物基因组相关基因多态性之间的关系,结合基因检测结果,对其中的200-500例病人进行抗精神分裂症药物代谢研究,确定基因型-疗效/毒性-药物代谢间的关系;利用体内和体外药物基因组学研究体系指导精神分裂症的治疗和新药开发;建立我国汉族人群精神分裂症的全基因组关联分析和药物基因组学数据库。希望做到:对大约2000个药物基因组相关SNP进行检测;确定1-2个致病功能位点;寻找到5~6个能在临床推广应用的药物治疗无效或毒性预测的遗传标记;应用于2种以上抗精神分裂症药物的安全性、有效性及基因多态性相关性研究。

转化医学最终的定位肯定不止是分子诊断,治疗疾病才是根本。分子诊断是发现遗传隐患,我们通过分子诊断早发现、早诊断,进而早干预、早治疗。有时治疗看似一句空话,比如,就算发现遗传隐患了,能怎么办?根治似乎需要所谓基因治疗,就是改变基因,但谈何容易,目前和未来相当一段时间内简直就是幻想而已。分子诊断目前对人类的益处在于,由于有了预警,我们可以通过科学健康的生活方式从一定程度上预防疾病,用积极的阳光的态度去面对生活,加强锻炼,远离不健康生活方式。分子诊断的确可以在一定程度上指导人们的生活方式,进而延缓甚至避免疾病的发生。但遗传隐患毕竟存在,疾病可能在某一天就爆发,这时,治疗就成为主要手段。在治疗中,药物治疗有时是最重要的一个方面,靶向药物又是其中最重要的一个方面。靶向药物的靶在哪里?其实临床基础医学研究得到的各种遗传因素比如SNP、CNV、表观修饰位点、特定表达谱等涉及的关键基因、RNA、蛋白产物等,既是分子诊断的内容,也可能作为治疗的靶分子。我们通过抑制或激活这些分子的表达(比如用于临床还很遥远的RNA干扰等)、纠正这些分子的功能(比如单抗药等)来实现治疗,更多的还有针对这些遗传标志物的小分子化合物治疗药物的开发。因此从整个转化医学流程来看,临床基础医学的任务在于通过基因组学、转录组学、蛋白质学、代谢组学等研究,诠释疾病发生、发展的分子机制、细胞机制等,构建疾病特定的分子图谱,包括基因表达特点、基因变异特点等。构建的图谱需要扩大的样本量得到证实,确定的分子图谱就是分子诊断的基础,也是下游各种治疗手段研发的基础。

转化医学是很严肃、很科学的一件事,绝不是赶时髦。任何基础研究的成果到可用于临床分子诊断甚至到治疗手段研发都是需要严谨的。国内干细胞研发异常热,无论是胚胎干细胞还是iPS,背后的驱动力不能不说是干细胞的治疗前景在作怪。事实是,干细胞治疗的基础问题远没有解决,包括治疗的风险的评估等,怎么就能给公众过分渲染干细胞治疗呢?人胚胎干细胞系在传代中发生基因组改变是事实,这些改变在人肿瘤中也可以观测到,比如拷贝数变异、线粒体DNA突变、启动子甲基化等(Nature  Genetics  37,  1099–1103,  2005)。对iPS的研究也得出类似结论(Nature,471,  58–62,03  March  2011),iPS传代同样发生很多CNV,这中间肯定是有风险的。因此转化医学出发点好,目的也好,但需要严谨严肃,需要科学。还有,目前单抗药急剧升温。我们国家在小分子化合物药物方面是落后,似乎单抗药与国际差距相对小,所以快马加鞭迎头赶上有可能。对药的一系列严格认证是必须的,比如各种药理、毒理测试,临床测试等,需要的周期、样本量等等,要毫不含糊。这势必影响商品化进程,甚至研发单位会面临资金问题。但以前说一个小分子化合物药的平均研发周期是15年左右,花费是十几亿、几十亿美元。作为单抗药,这个常规不该被打破吧。关于这些认证,我们国家是投了很多钱的,关键就是严谨执行的问题。

最后,以本文作者在2010年第二期“基因快讯”的一点看法作为结语:“(目前的GWAS类的)基因组研究终究类似“基因算命”,再清晰的序列信息也无法真正说明一个基因的功能,基因功能的最后鉴定还得依赖转录组学和蛋白组学,而转录作为基因发挥功能的第一步,对基因功能解析就变得至关重要。声称特定基因、特定SNP、特定CNV、特定DNA修饰等与某种表型有关,最终需要转基因、基因敲除、突变、RNAi、中和抗体等技术验证,并必不可少要结合基因转录、翻译和蛋白修饰等数据”。由于没有扎实的功能验证,因此目前国内的很多疾病易感基因检测项目,的确有点过热,而天赋基因检测(智商、情商、艺术才能、运动能力)等更有哗众取宠之嫌。何况,就算经过功能学验证的SNP等分子标记能用于分子诊断等,也还有医学伦理的问题。


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