〈研之有物〉破解遗传疾病、评估大众用药风险──全基因组分析

作者: / / 时间:2020-06-10 / / 浏览量: 361次

「全基因组分析」有什幺用

每个人的身体状况会因为居住环境、生活习惯而有相当大的差异。但对于同一家族里的成员来说,相似的基因存在亲戚手足之间,彼此未来健康与否,可以从家族病史中看出一些端倪。不过,或许在不久的将来,就可以透过个人的基因资讯,直接评估患病风险,还能筛选适合自己的用药。

〈研之有物〉破解遗传疾病、评估大众用药风险──全基因组分析 请问家族病史?

身体不舒服去看医生时,会填一张病历表,其中一项常见的问题是:家族有哪些病史。

询问家族病史的目的在于,相似的基因自祖父母、双亲,再传到子代,想知道罕见遗传疾病、甚或癌症、心血管疾病、糖尿病等发生的机会,过往是透过询问「家族病史」来了解。但未来将有更精确的方式预估患病风险——直接查看基因资讯。

罕见遗传疾病:分析单一基因变异

这类罕见遗传疾病,包含先天性异常 (congenital anomalies) 、神经退化性疾​​病 (neurodegenerative disease) 等等。全基因组遗传分析分成两个部分,只要从血液、口水取得可供分析的 DNA,就可以进行全基因体定序 (whole genome sequencing),了解该 DNA 片段的硷基如何排列;以及绘製全基因体图谱 (whole genome mapping),了解该 DNA 片段在染色体上的位置。

〈研之有物〉破解遗传疾病、评估大众用药风险──全基因组分析

首先,「全基因体定序」,是将已发病患者的 23 对染色体中,每一个基因全部都定序。定序完成后,参考已知的生物学、基因组学、医学等知识,确认影响发病的基因;或是藉由比对健康双亲的基因,从可能的序列中搜寻基因变异处,再找出罕见遗传疾病的发病机制。

接着,再利用「全基因体图谱绘製」,来组装长片段的 DNA,以提高基因排列的正确性、以及侦测结构性变异的灵敏度。

〈研之有物〉破解遗传疾病、评估大众用药风险──全基因组分析

如上图所示,郭沛恩团队建立基因图谱 (gene map) 的方法,是先将 DNA 分成较大的片段,利用特定的酵素来标记 DNA 上的特定序列,并黏上萤光当作标籤 (label)。透过机器测量各个萤光标籤之间的距离后,再从影像组合成长 DNA 片段,并定位出该 DNA 片段在染色体的位置。

藉由这两个方式,团队得以进行全基因组遗传分析 (full genome analysis) ,进而探讨罕见遗传疾病的致病因子。

「DNA 里充满重複的序列,让重建工程增添难度。但如果找到特殊的序列,对定序会很有帮助。」郭沛恩提到。相较于小片段 DNA,团队所使用的较大 DNA 片段有更多序列线索,可以辨认、拼凑出基因原本排列的顺序。将辨认大片段 DNA 得到的基因图谱拼在一起,就能重组整条染色体。

大众常见疾病:分析多基因关联

对于「单一」基因异常造成的罕见遗传疾病,能藉由全基因组定序 (whole Genome Sequencing) 和全基因组图谱绘製 (whole genome mapping) ,找到可能致病的遗传因子,再进一步研究发病原因与机制。

但面对「多基因」交互影响的疾病,例如糖尿病、癌症、心血管疾病、精神疾病等等,上述的全基因组遗传分析 (full genome analysis) 就无法测出各个单一基因对疾病的影响程度。因为,以心血管疾病来说,少部分为单基因遗传疾病,而大部分为多基因加上环境饮食等因子交互影响所致,病因相当複杂。

全基因组关联分析 (GWAS) 搭配医疗资料的大数据分析,期望能找到与疾病预防、进程、及治疗相关的生物标记 (biomarker),也就是体内可以反应某种疾病状态的指标。目前,郭沛恩团队正积极地与台湾各大医院合作,运用此方法,推行和大众健康息息相关的「台湾精準医疗计画」。

在台湾精準医疗计画中,郭沛恩团队透过文献收集与疾病相关的「已知」基因变异点,并设计适合检测该基因位点的晶片,之后病人的检体就会利用这张晶片进行全基因组关联分析 (GWAS),确认病人的基因是否在该处有变异情况。

另一方面,由于多数疾病的基因变异点尚「未知」,团队可藉由全基因组关联分析 (GWAS) 探究大量的病患基因样本,从大数据找出与该疾病相关的致病基因;换句话说,当某种疾病的大多数病患,几乎都在某处基因出现问题,就能推测其为关键的基因变异位点。

若想了解个人罹患糖尿病、癌症、心血管疾病等等这类常见疾病的风险,大众可先进行基因检测,建立自己的基因遗传轮廓 (gene profile),并透过上述的全基因组关联分析 (GWAS) 观察基因变异点或表现量,再与自己的临床病历比对分析,就可从基因评估患病风险,比参考家族病史更为準确。

降低药害风险:体外基因检测

另外,由于不同的基因型会影响人体对药物的反应,经由体外的基因检测 (gene test),也能事先得知病患对药物的反应,协助医生选用最适合的药物。

目前市面流通的药物,多数是由欧美国家针对西方人开发,用在亚洲人身上可能没有效果、甚至有害。例如,治疗心血管疾病常用的抗凝血剂 Warfarin (音译华法林)。

Warfarin 是从老鼠药研发而来,具有相当程度的毒性,运用于人体医疗可以预防中风、心脏病。但因为亚洲人缺乏代谢此药物的基因,很容易产生副作用,用药过量会出血死亡。2006 年,中研院陈垣崇院士已经找到 Warfarin 的基因标的,并与医院合作进行用药前的基因筛检。

至于常用于治疗癫痫与三叉神经痛的药物 Carbamazepine (卡巴氮平),误用会引起史蒂文生氏强生症候群 (SJS), 与毒性表皮溶解症 (TEN) 等皮肤病徵。在用药前先进行基因检测,可以避免病人为副作用所困扰。

目前在台湾部分大医院进行单一位置的基因检测,所费不赀。后续郭沛恩研究团队若与健保合作,可以让大众用较低的费用了解自己的基因组资讯。

但为了达成精準医疗,除了检测个人基因资讯,还需要蒐集临床病历资料、日常运动与饮食习惯等等。资讯越详细,对疾病预测、治疗越有帮助,但前提是要获得个人的同意。郭沛恩想像,或许有一天,人人身上都有穿戴式装置的追蹤器,就可以精确蒐集各种讯息。

「但个人意愿如何,这就不知道了。」郭沛恩说。

需要时间证明成效

2018 年初,针对罕见遗传疾病的全基因组遗传分析 (full genome analysis) 计画才刚开始,至少需要一年的时间来执行;至于目标是运用全基因组关联分析 (genome-wide association study) 提升大众健康的「台湾精準医疗计画」,郭沛恩则期望在这个计画推行一年半的时候,评估与健保系统合作的可行性,以及是否能真的找到目前未知的致病基因。

计画推广的同时,需要更大量的样本协助研究。但基因组分析通常会是在人们健康的时候进行,不同于以往大众所熟悉的目的性疾病筛检,推广的过程势必会受到质疑。面临这个挑战,郭沛恩表示研究团队必须加强示範基因检测的实际益处,而非以纯粹提供数据让科学家研究为理由来说服民众。

可预先分析新生儿的基因吗?

分析双亲的基因组资讯,的确可以预测新生儿可能面临的遗传疾病,但实际状况依然要等胚胎成形后才能确认。若是从胚胎中取出细胞,并将细胞核中的基因组完全定序,避开疾病与缺陷,只留下优良的基因组合就不再只是梦想。

要完整分析基因组,需要约一百万个细胞。但在胚胎时期,顶多只能取得几个细胞,远不及基因定序所需的量。但即使技术上可行,在伦理层面,郭沛恩还是觉得极不妥当。「我们不知道甚幺样的宝宝是最好的。」郭沛恩认为,聪明的、健康的、外貌出色的,对每位父母而言「最好的宝宝」都不一样。

况且,不符合这些特徵的新生儿,并不代表没有活下来的权力。因此郭沛恩强调,用全基因组分析来筛选小孩,绝对不是个好主意。

台湾得天独厚的优势

时任生医所所长的刘扶东升任中研院副院长后,原本一年约莫来台湾一次的郭沛恩收到担任所长的邀请。但对于香港长大,在美国就读大学,并一路当上加州大学旧金山分校皮肤科教授、心血管研究所特聘教授的郭沛恩来说,离开熟悉的环境需付出相当庞大的代价。「我其实没有想过要离开旧金山,因为研究进行得很顺利。」

不过,得知有机会能将精準医疗计画付诸实行后,郭沛恩对来到台湾工作相当期待。因为欧美国家也曾推行精準医疗,但欧洲国家如瑞典、荷兰,将重点放在费用昂贵的全基因体定序。「一个人定序要一千美金,瑞典全国定序要花一百亿,很难找到这幺多经费。」郭沛恩提到执行的困难时说。

至于美国,除了民族组成複杂增加分析难度,缺乏完善的健康福利政策更让基因医疗窒碍难行。由于美国人民的健康保险,是由任职的公司向合作的私人保险集团投保,只要换工作就会由新的保险公司接手,因此当下发生意外或疾病才会给付医疗服务。加上私人保险集团以营利为宗旨,防患未然的基因检测很难要求保险公司给付。

有些国家有健康照护问题,有些国家则是样本数量不足。拥有全民健保、人口又够多的台湾,确实是个合适的地方。「再说,政府也很有兴趣,因为这计画有机会节省医疗支出,又让大家更健康。」郭沛恩说。

在美国进行研究多年,后应邀来台湾,熟悉两方研究环境的郭沛恩指出,两国在研究领域都有聪明的人才,差异在于行政系统。在美国,每一笔花费都必须各别申请,虽然申请很困难,但获得的经费很多;至于台湾,整笔研究经费是来自国家,虽然资源有其侷限,但研究员有较大的自主空间,可以探索感兴趣的领域。

对于人才招募,郭沛恩认为:资源 (或薪资)、名誉、还有工作的快乐,是让人有动力工作的要素。只要台湾能提供与能力相对应的待遇,就能吸引各地优秀的人才一起来合作。问及现在工作的心得,郭沛恩笑着说:「这里的同事彼此会热心地提供协助,工作起来很愉快。」

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延伸阅读:

郭沛恩的个人网页 Mostovoy Y, Levy-Sakin M, Lam J, Lam ET, Hastie AR, Marks P, Lee J, Chu C, Lin C, Džakula Ž, Cao H, Schlebusch SA, Giorda K, Schnall-Levin M, Wall JD, Kwok PY.A hybrid approach for de novo human genome sequence assembly and phasing. Nature Methods. 2016 May 9. Lam ET, Hastie A, Lin C, Ehrlich D, Das SK, Austin MD, Deshpande P, Cao H, Nagarajan N, Xiao M, and Kwok PY. Genome mapping on nanochannel arrays for structural variation analysis and sequence assembly. Nat Biotechnol. 2012; 30:771-6.



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