下一代半导体测序技术在遗传性心肌病分子诊断中的应用
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遗 Hereditas(Beijing)2015年7月,37(7):635--644 WWW.chinagene.crl 综述
下一代半导体测序技术在遗传性心肌病分子诊断中的 应用
赵跃 ,一,张宏2,夏雪山 1.昆明理工大学生命科学与技术学院,云南省分子医学工程研究中心,昆明650500; 2.云南省第一人民医院心血管内科,昆明650032
摘要:遗传性心肌病(Inherited cardiomyopathy,ICM)是一种常见的遗传性心脏疾病,主要由基因突变所致,是 青少年和年轻运动员猝死的最主要原因之一。到目前为止,已经发现约100个基因和其致病有关,这些基因相关 的变异位点具有不同的致病机制 随着临床遗传检测在遗传疾病诊断中的应用,对遗传性心肌病的分子遗传学特 性及其致病机制进行深入了解,是对该病遗传诊断的关键。下一代半导体测序仪在2010年底由美国Life Tech- nologies公司发布,其以布满微孔的高密度半导体芯片为测序基础,具有快速、经济、灵敏性好、准确率高等特 点,已经应用于遗传疾病的突变筛查。文章主要对遗传性心肌病的分子遗传学特性和下一代半导体测序技术在遗 传性心肌病遗传检测中的应用以及面临的挑战进行了概括总结,有助于遗传性心肌病的诊断、预防和治疗。
关键词:遗传性心肌病;分子诊断;下一代测序技术;半导体
Application of next—generation semiconductor sequencing technologies in genetic diagnosis of inherited cardiomyopathies
Yue Zhao ,Hong Zhang ,Xueshan Xia ,.Facul ̄ofLife Science and Technology,Engineering Research Center ofMolecular Medicine in Yunnan Province,Kunming University ofScience and Technology,Kunming 650500,China; 2.Department ofCardiology,First People's Hospital of Yunnan Province.Kunming 650032.China
Abstract: Inherited cardiomyopathy is the most common hereditary cardiac disease.It also causes a significant proportion of sudden cardiac deaths in young adults and athletes.So far,approximately one hundred genes have been reported to be involved in cardiomyopathies through diferent mechanisms.Therefore,the identification of the genet- ic basis and disease mechanisms of cardiomyopathies are important for establishing a clinical diagnosis and genetic testing.Next—generation semiconductor sequencing(NGSS)technology platform is a high—throughput sequencer ca— pable of analyzing clinically derived genomes with high productivity,sensitivity and specificity.It was launched in 20 1 0 by Life Technologies of USA,and it is based on a high density semiconductor chip,which was covered with tens of thousands of wells.NGSS has been successfully used in candidate gene mutation screening to identify heredi-
收稿13期:2014-09-28;修回日期:2015-01-07 基金项目:云南省应用基础研究计划重大项目(编号:2013FC007)资助 作者简介:赵跃,博士研究生,研究方向:疾病遗传学。E.mail:zyl9860908@yeah.net 通讯作者:张宏,教授,主任医师,研究方向:心血管疾病的基础与临床。E-mail:zhanghongkh@163.tom 夏雪山,教授,博士生导师,研究方向:分子遗传学。E—mail:oliverxia2000@aliyun.com DOI:10.16288 ̄.yczz.14—326 网络出版时间:2015-3—3 16:58:03 URL:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20150303.1658.001.html 636 蘧 Hereditas(Beijing)201 5 第37卷 tary disease.In this review,we summarize these genetic variations,challenge and application of NGSS in inhe— rited cardiomyopathy,and its value in disease diagnosis,prevention and treatment.
Keywords:inherited cardiomyopathy;genetic diagnosis;next.generation sequencing technologies;semiconductor
遗传性心肌病是一种较为常见的遗传性心脏疾 病【l】,主要临床症状是心律失常、心悸、栓塞性中 风,更严重的是心源性猝死。据不完全统计,该病 是青少年及年轻运动员猝死的最主要原因之一[2]。遗 传性心肌病可累及所有人群,患病率约为0.9/1000, 其中男性患病率约为女性的2倍[3】。1995年世界卫生 组织(The World Health Organization,WHO)根据临床 表型将遗传性心肌病分为肥厚型心肌病(Hypertrophic cardiomyopathy,HCM)、扩张型心肌病(Dilated car. diomyopathy,DCM)、限制型心肌病(Restrictive car— diomyopathy,RCM)和致心律失常型右心室心肌病 (Arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy, ARVC)[4,5]。遗传性心肌病有着显著的遗传特征,主 要由基因突变所致,其最大的遗传特征点为临床一 遗传异质性。 在过去的数十年中,由于测序成本较为昂贵, 限制了测序技术在遗传疾病基因检测中的应用。随 着下一代测序(Next.generation sequencing,NGS)技 术的出现,DNA测序技术趋向于高通量、低成本的 方向发展,遗传疾病基因检测价值充分被体现出来。 遗传疾病基因检测能够在症状发生前发现潜在的患 病个体,进而对患病人群进行风险评估、危险分层 和临床干预,最终降低患病人群的发病率或提高其 生存率。下一代半导体测序仪在2010年底由美国Life Technologies公司发布,该测序仪以布满微孑L的高密 度半导体芯片为测序基础,一个微孔就是一个测序反 应池,能在较短时间内完成上百亿碱基的测序。半导 体测序技术不属于核酸标记和荧光检测的生化技术, 所以与其他NGS测序技术相比,具有快速、经济、 灵敏性好、准确率高等特点。本文就遗传性心肌病的 研究现状及下一代半导体技术在遗传性心肌病分子 诊断中的应用以及面临的挑战进行总结,这对遗传性 心肌病的诊断、预防及治疗具有重要意义。 1 遗传性心肌病的特点及研究现状 1.1肥厚型心肌病 肥厚型心肌病(Hypertrophic cardiomyopathy, HCM)为最常见的单基因遗传疾病,主要临床特征为 左心室不对称性肥厚,部分患者还表现出左室流出 道梗阻(Left ventricular outflow tract obstruction, LVOTO)[引。HCM发病率和年死亡率分别约为1/500 和l%,该病是青少年及年轻运动员猝死的最常见原 因之一[71。Maron等 统计了1986~2006年1886名 猝死的美国年轻运动员,死亡的主要原因为心血管 疾病(1056名,56%),其中猝死于HCM的患者就占 据了36%。HCM临床表现从无症兆到呼吸困难、胸 痛、晕厥、甚至发生猝死和致命性心律失常。HCM 主要由基因突变所致,1990年在一个加拿大家族性 肥厚型心肌病患者中发现第一个致病基因,经疾病 共分离发现其遵循常染色体显性(Autosomal domi. nant,AD)遗传模式【9】。到目前为止,已经发现超过 30个致病基因和约1400个致病性突变位点与HCM 发病相关[】们,但约80%的HCM患者其致病基因主 要集中在编码粗肌或细肌丝蛋白的基因上(表1),所 以HCM又称为肌小节疾病。 肌节蛋白突变导致HCM的机制还不清楚,目前 认为肌节蛋白基因突变后导致粗肌丝或细肌丝对Ca2 的亲和力和敏感性加强,过度消耗了细胞内的能量, 心肌细胞供能不足,触发了心肌细胞的死亡,导致 心肌细胞电传导能力受损[11,121。研究还表明,突变 蛋白以毒肽的形式干扰了肌小节蛋白的收缩功能, 最终表现出HCM病理学上的肌节纤维排列紊乱[1引。
1.2扩张型心肌病 扩张型心肌病(Dilated cardiomyopathy,DCM)为 一种遗传异质性心脏疾病,主要临床表现为左心室 扩张、心脏收缩功能障碍,同时也可能出现血栓栓 塞和心源性猝死,是导致心衰的最常见原因[】钔。该 病发病率不低于1/2500[ 】,约30%~50%为家族性遗 传,称为家族性扩张型心肌病(Familial dilated car— diomyopathy,FDCM)。DCM死亡率较高,5年内的 死亡率约为5%~15%【l ,除心脏移植外,没有彻底 的治疗方法。DCM患者的最大特点为临床一遗传异 质性,主要表现为:不同基因型的患者可能产生相