一天夜晚,当年17岁的黛薇儿·萨瓦茨基驾车直接冲向了拥挤的车流。尽管无人因此受伤,然而,这次事故却预示着“某些地方出了问题”。此前,萨瓦茨基已有了一年驾龄,不过,一贯在夜间视物不清的她对别人如何在黑暗中看清路面一直疑惑不解。在此之前,也发生过其他的意外。她经常撞上各种东西,有一次,甚至从自己高中礼堂的台阶上摔了下来。后来,在一位朋友的提醒下,萨瓦茨基才决定去眼科医生处就诊。诊断结果显示,她患上了视网膜色素变性(RP),这是一种罕见的眼科疾病,患者的视网膜细胞会逐渐退化,直至完全失明。
得知视网膜色素变性与基因遗传有关之后,萨瓦茨基的母亲贝蒂·利德斯凯带着家里的其他孩子也去做了检查。结果,萨瓦茨基的姐姐伊兰娜和弟弟伊萨克也不幸患有此病,只有最小的妹妹罗内特没有受到遗传。贝蒂·利德斯凯是一位社会工作者,她在迈阿密地区的“视觉希望”(Hope for Vision)组织中担任要职,这是其儿子伊萨克在2004年创建的一个非盈利机构,她谈到:“当我得到孩子们的诊断结果的那一刻,我们全家就与这项疾病的研究密不可分了。我们立即开始筹集资金。”
利德斯凯姐弟的诊断发生在1992到1993年。当时,研究者已经发现了两三个与视网膜色素变性有关的基因,但是,其中并没有一种与他们的疾病存在联系。到了2009年,科学家们发现的相关基因以达40余种,然而,这些变异基因在利德斯凯家族的DNA中却根本无迹可寻。最终,就在去年夏天,一切都发生了改变。由迈阿密大学米勒医学院下辖的约翰·P.·休斯曼人类基因组研究所所长玛格丽特·派瑞卡克-万斯博士以及米勒医学院巴斯科姆·帕尔默眼科中心视觉生理学主任医师拜伦·拉姆博士领衔的研究团队终于定位了导致利德斯凯家族遗传视网膜色素变性的基因和突变。这一成果被发表在了2月的《美国人类基因杂志》上。
紧接着,一项由以色列及费城科学家共同进行的独立研究成果也在同一份杂志上得到了发表,他们发现,有10%至15%的德系犹太裔视网膜色素变性患者的同一个基因发生了相同的突变。
诚然,此处并非是一篇探讨德系犹太人基因变异疾病的相关报道,本文旨在介绍一种引起遗传学研究领域震动的名为外显子组测序(exome sequencing)的新型科技手段,它将大大加快基因的检测速度,提高病人诊断的效率。专家认为,这种技术将使得研究者离最终攻克遗传疾病的目标越来越近。派瑞卡克-万斯博士表示:“这项技术将为遗传学研究带来革命性的进步。”
人类的基因组包含约30亿条DNA序列,不过其中仅有1%拥有为蛋白质编码的能力,这些片段就称为外显子。总体而言,有约85%的遗传疾病与外显子的突变有关,这为人类探寻疾病的遗传学基础提供了一个良好的开端。在测序的过程中,科学家将检测总共3000万条外显子DNA序列,通过电脑软件,搜索可能与疾病相关的基因突变。这种在近些年才渐渐成型的研究方法得益于技术成本的迅速降低,它很大程度上提高了研究的速度,过去,科学家们往往要利用数年时间,通过疾病生物学以及家族血统来缩小DNA测序的范围。如今,研究人员只需向实验室提供一份生物样本,花费不到$3000,就可以得到一份完整的包含2万条人类基因外显子的测序结果。他们的研究在也不需要将患者的大量家庭成员卷入其中。借助这种方法,在过去一年的时间里,科学家们就定位了与自闭症、癌症、重度脑畸形以及肠道炎症等疾病相关的基因,其中有些疾病在过去很少有人认为与基因遗传有关。
马萨诸塞州坎布里奇怀海德生物医学研究所(Whitehead Institute for Biomedical Research)的遗传学家雅尼夫·艾尔里奇谈到:“想想那些可怜的家庭,他们患有遗传疾病,但是,没有人知道病因,也没有人能够告诉他们,如何才能让自己的子孙后代免受这些疾病的困扰。此前,这种与基因相关的研究通常会持续许多年,需要大量患病家庭成员和研究者的参与。然而,如今,只需一个单独家庭,花费一笔合理的费用,就可以在很短的时间内进行此项分析。”
研究犹太人疾病的专家也对此项技术大加赞赏。据布鲁克林地区的旨在帮助贫困家庭以及为尚未确诊的犹太人遗传疾病研究募资的慈善组织“Bonei Olam”下辖的遗传资源及服务中心负责人柴姆·佳拉斯透露,该组织就集结了数位来自世界各地的科学家,利用外显子组测序技术解决了超过20种遗传学上的疑难杂症。
有些犹太人的遗传疾病为外显子组测序所揭示的过程甚至纯属偶然。西雅图地区华盛顿大学医学院的基因体科学及医学教授玛丽-克莱尔·金及其同事就利用此技术,在一种原先令基因研究毫无头绪的疾病——戊糖尿症上取得了突破。这种在人体肾脏内积聚大量木酮糖的病症在20世纪上半叶常常会被误诊为糖尿病,然而,为戊糖尿症患者补充胰岛素却会造成灾难性的结果。六月,金教授在以色列荷兹利亚举行的氏巴遗产研讨会(Sheba Legacy Conference)上向与会者介绍了她研究的初步成果。
此外,以色列哈达莎-希伯来大学医学中心遗传学院院长奥利·艾尔派雷格(音译)也同样利用外显子组测序技术定位了12种与犹太人和巴勒斯坦人有关的新致病基因,这些基因突变导致的疾病包括一种全新发现的家族性自主神经异常、双耳失聪以及青少年帕金森症。四月,艾尔派雷格与艾尔里奇合作,在《基因组研究》(Genome Research)杂志上发表了一篇论文,介绍了他们利用外显子组测序在一个巴勒斯坦家庭内发现一种遗传性肌肉疾病的致病基因的过程。去年,他们二人还利用此技术,共同定位了一种与德系犹太人罕见的神经疾病——朱伯特综合症(Joubert Syndrome)有关的基因。同时,艾尔派雷格仍在为她最新研究成果的发表做着准备。不过,她对利用外显子组测序技术探索犹太人遗传疾病的效率问题仍抱谨慎态度。由于,在科学家们建立的常见“健康”DNA变异数据库中并未包含犹太人以及其他中东族群人种的样本,这就意味着在犹太人族群内探索致病基因突变这一过程会显得困难重重。
纽约大学郎戈内医学中心(New York University Langone Medical Centre)人类遗传学院主任哈利·奥斯特博士恰恰利用外显子组测序技术填补了这一空白。奥斯特博士正在主持一个研究项目,试图利用原有的测序手段确定于犹太族群相关的致病基因,他谈到:“我们正利用测序技术试图发现犹太族群基因变异的主要来源。”
专家认为,即使是所谓新型的技术也有可能遗漏某些难以解读的蛋白质编码基因。鉴于此,在基因定位过程中,艾尔派雷格长江新旧技术结合使用。她谈到:“我们首先缩小基因组区域的范围,然后才利用外显子组测序进行检测。我们最先要做的事情就是检查患者的症状。”
随着外显子组测序成本的不断降低,科学家们已经开始预见该技术在未来的使用前景。西雅图地区华盛顿大学基因体科学副教授,也是最先利用外显子组测序定位致病基因的科学家之一的杰·申杜尔(音译)谈到:“技术发展速度极其迅猛,可以预见,未来,人类将有可能为准备生育孩子的夫妻们进行外显子组测序,尤其是对那些诸如德系犹太人这样的高危人群而言,这种技术的价值更是显而易见。”
与以往筛查一组已知的德系犹太人遗传疾病的方法不同,科学家们可能只会对全部外显子进行测序,因为这样做会显得更为简便和经济。这就意味着,在发现遗传行黑蒙性智障基因的同时,该检测也会发现受测者体内存在的可能导致癌变以及其他在成年后才显现的疾病致病基因。有些人也许并不会重视这些信息,因为它们往往是不确定的;此外,我们每个人都有可能拥有科学家从未见过或是无法解读的个体差异。
许多专家坚信,随着研究成本的不断降低,不久的将来,外显子组测序就将被全基因组测序所取代。休斯顿贝勒医学院人类基因组测序中心主任理查德·吉布斯博士谈到:“研究成本的降低使人们有可能在临床记录中加入全基因组测序结果。”近期,成功利用全基因组测序在一对一卵双生子体内检测出一种罕见疾病这一成果使得吉布斯博士一时间成为了学界的新闻人物。
与此同时,科学家们认为,随着准确定位的治病基因数量逐渐增加,外显子组测序技术将有可能帮助人们找到治愈这些相关疾病的方法。对利德斯凯家族病例进行研究的拉姆博士谈到:“如今,我们已经了解了导致疾病产生的生化因素,接下来就可以开始尝试为其寻找治疗手段了。”
虽然,伊萨克·利德斯凯目前已经接近全盲,但是,这位刚刚有了三胞胎孩子的新父亲仍对这项研究的进展欣喜万分,因为,他有理由相信,孩子们会拥有更加光明的未来。他表示:“我童年时在眼科诊所度过的日子可谓‘漫长、艰辛而又苦难’,而如今,你只需做一次血液化验那就足够了。你的疾病越早得到确诊,其被治愈甚至最终成功防治的希望也就越大。”