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    應(yīng)用改良的方法檢測(cè)常染色體顯性遺傳多囊腎基因突變

    2016-06-01 12:20:11張明超劉帥妹何群鵬朱培冉1李衛(wèi)巍吳秋月夏欣一1
    腎臟病與透析腎移植雜志 2016年4期
    關(guān)鍵詞:基因突變檢測(cè)

    張明超 劉帥妹 何群鵬 朱培冉1, 李衛(wèi)巍 吳秋月 夏欣一1,

    應(yīng)用改良的方法檢測(cè)常染色體顯性遺傳多囊腎基因突變

    張明超1,3劉帥妹2何群鵬3朱培冉1,2李衛(wèi)巍2吳秋月2夏欣一1,2

    目的:常染色體顯性遺傳性多囊腎(ADPKD)是常見(jiàn)的遺傳性腎臟疾病,主要是由PKD1和PKD2基因突變引起的。其中,PKD1包含46個(gè)外顯子,編碼區(qū)域大概為13 kb,而PKD2有約3 kb的編碼區(qū)域,含有15個(gè)外顯子。然而傳統(tǒng)的ADPKD基因檢測(cè)方法繁瑣、費(fèi)時(shí),本研究即旨在建立方便快捷的突變篩查方法。 方法:根據(jù)臨床和實(shí)驗(yàn)室檢查入選3個(gè)互不相關(guān)的中國(guó)漢族ADPKD家系。利用新一代測(cè)序技術(shù)(NGS),針對(duì)PKD1和PKD2外顯子,剪接位點(diǎn)和10 bp內(nèi)含子側(cè)翼序列進(jìn)行基因芯片捕獲,檢出的變異經(jīng)過(guò)篩選,并與單核苷酸多肽數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)。 結(jié)果:通過(guò)與人類基因突變數(shù)據(jù)庫(kù)核對(duì),本研究新鑒定的PKD1中c.7318delG,c.5884C>T和繼往報(bào)道的PKD2中c.916C>T雜合變異可能是這3個(gè)家系的致病性突變。PCR聯(lián)合Sanger序列分析證實(shí)家系中上述雜合突變的存在,在家系中呈現(xiàn)基因型與表現(xiàn)型共分離;并分別導(dǎo)致PKD1編碼的氨基酸發(fā)生移碼(p.Asp2440Thrfs*180)及無(wú)義突變引發(fā)PKD1(p.Gln1962*)和PKD2(p.Arg306*)蛋白的提前中止。 結(jié)論:我們利用NGS技術(shù)建立了快速分析ADPKD遺傳變異的方法,并成功應(yīng)用于3個(gè)家系,鑒定兩個(gè)新發(fā)突變,可作為疑似ADPKD及家系成員的常規(guī)篩查手段。

    常染色體顯性遺傳性多囊腎 PKD1 PKD2 新一代測(cè)序技術(shù)

    常染色體顯性遺傳性多囊腎(ADPKD)是常見(jiàn)的單基因遺傳性腎臟疾病,全世界發(fā)病率為1/400~1/1 000,該病主要臨床表現(xiàn)為雙側(cè)腎臟形成液性囊泡,囊腫進(jìn)行性增大,造成腎臟結(jié)構(gòu)和功能的損害,最終導(dǎo)致終末期腎病(ESRD)[1-2]。

    ADPKD突變主要累及兩個(gè)基因,分別為PKD1和PKD2,約占所有ADPKD患者的85%和15%。PKD1基因定位于染色體16p13.3,包含46個(gè)外顯子,編碼區(qū)域大概為13 kb,編碼4 302個(gè)氨基酸;PKD2基因則定位于染色體4q21,有15個(gè)外顯子和一個(gè)約3 kb的編碼區(qū)域,編碼968個(gè)氨基酸為[3-5]。

    目前,常用的ADKPD基因篩查通常是設(shè)計(jì)針對(duì)PKD1和PKD2基因序列的引物,分別進(jìn)行PCR,聯(lián)合sanger測(cè)序進(jìn)行臨床診斷篩查。梅奧多囊腎數(shù)據(jù)庫(kù)(http://pkdb.mayo.edu)已收錄2 323個(gè)不同的PKD1和 278 個(gè)PKD2突變。其中,PKD1中452個(gè)(19.5%)是移碼突變,264個(gè)(11.4%)是無(wú)義突變。PKD2中91個(gè)(32.7%)是移碼突變,50個(gè)(17.9%)是無(wú)義突變。PKD1:c.5014_5015delAG,和 PKD2:c.1249C>T,c.2159dupA,c.2614C>T相對(duì)熱點(diǎn)的突變。因?yàn)镻KD1基因含有大量的外顯子,高GC含量和復(fù)雜重復(fù)的區(qū)域,基于PCR的方法已大大阻礙了其突變分析。我們開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)ADPKD患者PKD1和PKD2基因突變的新型篩選策略,旨在明確患者及其家族成員的攜帶致病基因的情況,并發(fā)現(xiàn)了新的致病基因,報(bào)道如下。

    對(duì)象和方法

    對(duì)象 三例家系先證者均來(lái)自于南京軍區(qū)南京總醫(yī)院腎臟科門診隨訪患者。

    病例1:中年女性(II2),44歲,血壓131/88 mmHg,尿檢陰性,血清肌酐(SCr)46.85 μmol/L,肝腎功能正常,B超顯示雙腎和肝臟中多個(gè)囊腫(圖1A),家族中父親多囊腎(68歲時(shí)因腦溢血去世),診斷為遺傳性常染色顯性遺傳多囊腎。

    病例2:中年男性患者(Ⅱ3),47歲,發(fā)現(xiàn)多囊腎10年,血壓172/110 mmHg,24h尿蛋白定量1.32 g/24h,SCr 351.83 μmol/L,CKD 5期,家族中母親(Ⅰ2,70歲),一弟弟(Ⅱ4,41歲),一女兒(Ⅲ2,20歲)和侄子(Ⅲ4,22歲)均為多囊腎(圖1B),Ⅰ2慢性腎功能不全,CKD4期,Ⅱ4,Ⅲ2和Ⅲ4腎功能正常,尿檢陰性。

    病例3:中年男性患者(Ⅱ2),51歲,發(fā)現(xiàn)多囊腎20余年,血壓156/100 mmHg,尿檢陰性,SCr 371.28 μmol/L,CKD 5期,家族中父親(Ⅰ1,尿毒癥去世),一兒子(Ⅲ1,28歲)為多囊腎(圖1C)。

    采集先證者及其家族成員外周血標(biāo)本2 ml,提取DNA,提供并簽署書(shū)面知情同意書(shū)。研究由南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)的。

    圖1 三個(gè)家系先證者雙腎超聲影像及家系圖(A:病例1;B:病例2;C:病例3)

    NGS的方法建立與數(shù)據(jù)分析 通過(guò)對(duì)PKD1和PKD2外顯子,剪接位點(diǎn)和10 bp內(nèi)含子側(cè)翼序列進(jìn)行基因芯片捕獲(NimblegenSeqCap EZ system),通過(guò)Hiseq2500測(cè)序平臺(tái)(illumine,San Dieago,CA)獲取100 bp 雙末端序列。去除低質(zhì)量和污染的雙末端序列,去除接頭Adapter序列得到純化數(shù)據(jù)進(jìn)行序列比對(duì)分析,用GATK Genotyper(http://www.broadinstitute.org/gsa/wiki/index.php/)軟件分析拷貝數(shù),SNP等,方法同先前描述的[6]。檢測(cè)的PKD的序列變異同人類基因突變數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.hgmd.cf.ac.uk)和常染色體顯性遺傳性多囊腎病基因突變數(shù)據(jù)庫(kù)核對(duì)(http://pkdb.mayo.edu)。

    Sanger測(cè)序驗(yàn)證 引物合成:PKD1和PKD2基因序列來(lái)自GenBank (NM 000296)和(NM 000297),引物由天津華大基因公司合成。設(shè)計(jì)的引物序列分別為PKD2 基因4號(hào)外顯子引物上游序列5’GACGAGGAGGGATTGGAGAG,下游序列為ACTTACGCGGTTCCATTTCG;PKD1 基因18號(hào)外顯子引物上游序列5’TCTGGGAGGGTGATGGCCAA,下游序列為TGTGTCCTTGGAGTGTGTGT;PKD1基因15號(hào)外顯子引物上游序列5’TACTCAvGTCTGGTAGGTGAG,下游序列為TCTCAGCCACGTACAACCTC。PCR產(chǎn)物的純化采用Cleveland公司ExoSAP-IT 試劑盒說(shuō)明書(shū)操作,測(cè)序按照Applied Biosystems試劑盒標(biāo)準(zhǔn)流程操作,利用ABI 3730 DNA(Applied Biosystems)進(jìn)行測(cè)序結(jié)果分析。

    結(jié) 果

    病例1 先證者新一代測(cè)序技術(shù)(NGS)檢出PKD2的4號(hào)單堿基置換(c.916C>T)。提取家族中其他成員外周血DNA,Sanger驗(yàn)證該突變的存在,家族中未患病的成員中未見(jiàn)該突變,在家系中呈現(xiàn)基因型與表現(xiàn)型共分離(圖2A)。查閱人類基因突變數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.hgmd.cf.ac.uk)和常染色體顯性遺傳性多囊腎病基因突變數(shù)據(jù)庫(kù)核對(duì)(http://pkdb.mayo.edu),該突變是一個(gè)已知的致病突變。突變?cè)斐闪嘶虬被峋幋a提前終止,在正常人群中無(wú)發(fā)生頻率。

    病例2 先證者NGS測(cè)序結(jié)果顯示位于PKD1的18號(hào)外顯子的移碼突變(c.7318delG,p.Asp2440Thrfs*180),提取家族中其他成員外周血DNA, Sanger序列分析證實(shí)家系中Ⅰ2、Ⅱ4、Ⅲ2、Ⅲ4有c.7318delG雜合突變的存在,其他家族成員未見(jiàn)(圖2B)。在家系中呈現(xiàn)基因型與表現(xiàn)型共分離。檢測(cè)的PKD1(c.7318delG,p.Asp2440Thrfs*180)的序列變異同人類基因突變數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.hgmd.cf.ac.uk)和常染色體顯性遺傳性多囊腎病基因突變數(shù)據(jù)庫(kù)核對(duì)(http://pkdb.mayo.edu),確定是一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的致病突變。導(dǎo)致PKD1編碼的氨基酸發(fā)生移碼,在該突變導(dǎo)致的終止位點(diǎn)后面存在其他已知致病突變[7]。其在正常人群中無(wú)發(fā)生頻率。

    病例3 先證者NGS測(cè)序結(jié)果顯示位于PKD1的15號(hào)外顯子的無(wú)義突變(c.5884C>T,p.Gln1962*),提取家族中其他成員外周血DNA, Sanger序列分析證實(shí)家系中Ⅲ1見(jiàn)(c.5884C>T,p.Gln1962*)雜合突變的存在,家族中其他成員未見(jiàn)此致病基因。在家系中呈現(xiàn)基因型與表現(xiàn)型共分離(圖 2C)。檢測(cè)的PKD1(c.5884C>T,p.Gln1962*)的序列變異同人類基因突變數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.hgmd.cf.ac.uk)和常染色體顯性遺傳性多囊腎病基因突變數(shù)據(jù)庫(kù)核對(duì)(http://pkdb.mayo.edu),確定是一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的致病突變。該突變?cè)斐苫虬被峋幋a提前終止,其在正常人群中無(wú)發(fā)生頻率。

    圖2 A:病例1先證者Ⅱ2檢測(cè)到PKD2基因檢測(cè)突變位點(diǎn)c.916C>T;B:病例2先證者Ⅱ2及其患病家系Ⅰ1,Ⅱ4,Ⅲ2,Ⅲ4均檢測(cè)到PKD1基因檢測(cè)突變位點(diǎn)c.7318delG;C:病例3先證者Ⅱ2及其患病家系Ⅲ1均檢測(cè)到PKD1基因檢測(cè)突變位點(diǎn)c.5884C>T

    討 論

    ADPKD是一種常見(jiàn)的遺傳性腎臟疾病,臨床診斷較容易。攜帶PKD1突變基因的患者進(jìn)入ESRD的平均年齡約為54歲,而攜帶PKD2突變基因的患者大約為74歲[8]。因此早期進(jìn)行分子遺傳診斷有著重要的意義。然而,ADPKD因?yàn)榛蚝偷任换虻漠愘|(zhì)性,甚至環(huán)境因素均決定了其表型的異質(zhì)性,由于可能有修飾基因的參與導(dǎo)致家族內(nèi)患病成員出現(xiàn)表型的差異,增加了研究ADPKD基因型和表型間關(guān)聯(lián)的難度[9]。

    基因測(cè)序的快速發(fā)展給遺傳性疾病的診斷帶來(lái)方便,當(dāng)前NGS的出現(xiàn),其快速、準(zhǔn)確、節(jié)儉的特點(diǎn)將提高遺傳性疾病的診斷速度和精準(zhǔn)治療。

    本研究采用基于目標(biāo)基因捕獲的NGS與Sanger測(cè)序結(jié)合,實(shí)現(xiàn)低測(cè)序深度或覆蓋,同時(shí),PKD1基因特異PCR的建立是為了避免這些同源重復(fù)同時(shí)擴(kuò)增。我們針對(duì)PKD1和PKD2外顯子,剪接位點(diǎn)和10bp內(nèi)含子側(cè)翼序列進(jìn)行基因芯片捕獲并選擇3對(duì)臨床診斷的ADKPD患者進(jìn)行基因檢測(cè),發(fā)現(xiàn)一個(gè)已報(bào)道的PKD2無(wú)義突變(c.916C>T),兩個(gè)新的PKD1的致病突變位點(diǎn),分別為移碼突變(c.7318delG)和無(wú)義突變(c.5884C>T)。這種插入或缺失位點(diǎn)之后整個(gè)密碼子堿基組合及其排列順序?qū)l(fā)生改變,導(dǎo)致其編碼的蛋白質(zhì)多肽鏈中的氨基酸組成種類和順序的變化。這種突變會(huì)引起翻譯時(shí)多肽鏈合成延伸的提前終止,造成多肽鏈的組成結(jié)構(gòu)殘缺及蛋白質(zhì)功能的異?;騿适В罱K會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致遺傳表型改變的致病效應(yīng)。

    病例1攜帶PKD2致病基因,臨床無(wú)癥狀,其父親去世前肝腎功能均正常,這與攜帶PKD2致病基因進(jìn)入ESRD的年齡較晚一致。病例2中先證者攜帶移碼突變(c.7318delG)PKD1的致病基因,病例3中先證者攜帶無(wú)義突變(c.5884C>T)PKD1的致病基因,這兩個(gè)病例均較早的診斷為ADPKD,且均伴隨高血壓,血壓控制也較差,進(jìn)入ESRD的年齡小于報(bào)道54歲的平均年齡[10],伴隨高血壓的ADPKD比沒(méi)有高血壓的ADPKD患者有顯著腎功能下降[11],較早的伴隨高血壓意味著較早的進(jìn)入ESRD[12],高血壓是CKD進(jìn)展的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[13]。文獻(xiàn)報(bào)道男性患者均比女性患者臨床表現(xiàn)重,更嚴(yán)重的高血壓,較早的進(jìn)入ESRD[14],病例2和3中先證者均較早的進(jìn)入ESRD,而病例2中Ⅰ2仍然未進(jìn)入ESRD。蛋白尿是腎臟疾病進(jìn)展的危險(xiǎn)因素,包括ADPKD[15]。病例2中先證者Ⅱ3有蛋白尿,這可能是促使患者較早進(jìn)入ESRD的危險(xiǎn)因素。

    基因和等位基因?qū)Ρ硇偷挠绊懮婕暗揭粋€(gè)單一的病例,可能有顯著的預(yù)后價(jià)值。等位基因影響PKD1攜帶者的腎存活,修飾基因的鑒定也可能是下一個(gè)重要的目標(biāo)[16],然而,早期單個(gè)和嚴(yán)重的ADPKD患者的報(bào)道已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了突變的作用,特別是PKD基因(PKD1、PKD2 、HNF1β或PKHD1)加重表型[17]。將來(lái),整合ADPKD基因異質(zhì)性所涉及的基因并加入修飾基因,可提高我們預(yù)測(cè)腎功能的能力。

    NGS即高通量測(cè)序技術(shù),采用邊合成邊測(cè)序的策略將數(shù)百萬(wàn)DNA模板同時(shí)進(jìn)行測(cè)序,具有檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確率高、成本低、覆蓋面廣及產(chǎn)出巨大等特點(diǎn)。目前已超過(guò)100種孟德?tīng)栠z傳疾病利用NGS 進(jìn)行測(cè)序,其中接近60%為常染色體顯性遺傳。將近40%為常染色體隱形遺傳。

    定向區(qū)域測(cè)序系對(duì)感興趣的指定區(qū)域進(jìn)行基因測(cè)序。由于一個(gè)集合包含幾個(gè)到幾百個(gè)基因的組合,除了檢測(cè)突變及微小插入、缺失外,NGS還可以同時(shí)檢測(cè)基因拷貝數(shù)變異和染色體非整數(shù)倍體及檢測(cè)低比例的嵌合變異,具有較高的敏感性、準(zhǔn)確性[18-19]。此外,測(cè)序反應(yīng)和分析的成本預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年穩(wěn)步下降。如NGS的發(fā)展,PKD1和PKD2的分子分析可更容易地確定預(yù)后。在新興的靶向治療的背景下,這種新的預(yù)測(cè)工具可使患者在疾病的早期階段的治療中獲益。在我們的研究中,利用目標(biāo)序列捕獲的高通量測(cè)序方法,該技術(shù)與生物信息學(xué)分析的組合是一種有效方法,對(duì)于ADPKD的基因檢測(cè)可以有一個(gè)明確的發(fā)病機(jī)制。

    總之,本研究利用NGS分析了3個(gè)ADPKD家系的遺傳變異,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)PKD1新突變基因,1個(gè)已報(bào)道的PKD2突變基因,證據(jù)表明它們均是致病突變。該方法有望成為疑似ADPKD及家系成員的常規(guī)篩查手段。

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    (本文編輯 逸 沐)

    Establishment and application of gene mutation method based on autosomal dominant polycystic kidney disease

    ZHANGMingchao1,3,LIUShuaimei2,HEQunpeng3,ZHUPeiran1,2,LIWeiwei2,WUQiuyue2,XIAXinyi1,2

    1InstituteofLifeScience,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China2PIAResearchofClinicalLaboratoryMedicine,NanjingGeneralHospitalofNanjingMilitaryRegion,Nanjing210016,China3NationalClinicalResearchCenterofKidneyDiseases,JinlingHospital,NanjingUniversitySchoolofMedicine,Nanjing210016,China

    Correspondingauthor:XIAXinyi(E-mail:xxybio@126.com)

    T Objective:Autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) is a common hereditary kidney disease,ADPKD is thought to be caused by mutations in the PKD1 and PKD2 genes,PKD1 is comprises 46 exons and coding region is about 13 kb,PKD2 has 15 exons and a coding region of about 3 kb. Traditional analysis methods are tedious and waste time. The purpose of the study was to establish a convenient and rapid detection method to detect the ADPKD mutation position and the type of mutation. Methodology:According to the clinical and laboratory examination were selected for the three unrelated Chinese Han ADPKD families. The probands were detected that using the next generation sequencing technology(NGS) for gene mutation analysis. The exons,splicing sites and 10 bp flanking intron sequences of PKD1 and PKD2 were captured by a gene chip. Variants(single nucleotide variants and small insertion) were identified using the GATK Genotyper. Results:The PKD sequence variants were checked by published in the Human Gene Mutation Database. NGS sequencing showed two novel frameshift mutations (c. 7318delG,p. Asp2440Thrfs*180)and nonsense mutations(c. 5884C>T,p. Gln1962*)in PKD1mutations,one nonsense mutations(c. 916C>T,p. Arg306*)has been reported in PKD2 gene mutation. PCR combined with Sanger sequence analysis confirmed the existence of the heterozygous mutations in the ADPKD families. The genotype and phenotype were co-segregation in the pedigree. Lead to PKD1 encoded amino acid shift code(p. Asp2440Thrfs*180) and nonsense mutations triggered PKD1(p. Gln1962*) and PKD2(p. Arg306*) protein in the early termination,respectively. Conclusion:Using NGS technology,we established a rapid analysis of ADPKD genetic variation method,successfully applied to three families,and identified two novel mutations. NGS technology can be applied to the routine screening of suspected ADPKD and family members.

    autosomal dominant polycystic kidney disease PKD1 PKD2 next generation sequencing technology

    10.3969/cndt.j.issn.1006-298X.2016.04.009

    江蘇省臨床醫(yī)學(xué)科技專項(xiàng)(BL2014072),南京市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(醫(yī)療衛(wèi)生科技)(201503010)

    1江蘇大學(xué)生命科學(xué)研究院(鎮(zhèn)江,212013);2南京軍區(qū)南京總醫(yī)院解放軍臨床檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)研究所,3南京軍區(qū)南京總醫(yī)院腎臟科 國(guó)家腎臟疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 全軍腎臟病研究所

    夏欣一(E-mail:xxybio@126.com)

    2016-04-20

    ? 2016年版權(quán)歸《腎臟病與透析腎移植雜志》編輯部所有

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