運用全外顯子組測序技術(shù)診斷非綜合征性耳聾基因變異

劉維強(qiáng) 張慧敏 余國就 孫筱放

·論著·

運用全外顯子組測序技術(shù)診斷非綜合征性耳聾基因變異

劉維強(qiáng) 張慧敏 余國就 孫筱放★

目的評價全外顯子組測序（whole-exome sequencing，WES）技術(shù)在非綜合征性耳聾患者基因變異診斷臨床應(yīng)用的可行性。方法利用Illumina Hiseq2000平臺對15例耳聾患者標(biāo)本進(jìn)行全外顯子捕獲測序，重點關(guān)注80個耳聾相關(guān)基因的序列捕獲效率及變異檢測情況并運用常規(guī)測序驗證。結(jié)果目標(biāo)區(qū)域（region of interested，ROI）20X以上平均覆蓋度為98％；在15份耳聾患者標(biāo)本中均發(fā)現(xiàn)致病性變異，涉及GJB2、SLC26A4、DSPP、TECTA和CHD7基因，其中，無義突變2個，移碼突變4個，剪切位點變異1個，其余為錯義突變。經(jīng)常規(guī)Sanger測序驗證，結(jié)果一致。結(jié)論全外顯子組測序技術(shù)可快速可靠診斷非綜合征性耳聾患者基因變異。

全外顯子組測序；耳聾；變異

耳聾是最常見的人類感覺神經(jīng)疾病，其在兒童中的發(fā)病率可達(dá)1/1 000到1/300［1］。超過50％的遺傳性耳聾屬于感音性耳聾［2］，其中的70％為非綜合征性耳聾。耳聾是一種遺傳異質(zhì)性非常高的疾病，目前已明確的非綜合征和綜合征性耳聾基因已超過200個，并且仍有大量遺傳性耳聾致病基因尚不明確。雖然耳聾基因檢測并不能對治療產(chǎn)生直接幫助，但其對明確家系致病位點以及產(chǎn)前診斷都起著非常關(guān)鍵的作用，因此對耳聾致病基因的分子診斷有著重要的意義。

我國常見的耳聾致病基因為GJB2、SLC26A4和12SrRNA，常見的檢測方法有基因芯片、熒光定量PCR法及Sanger測序等［3］。這些方法的局限是檢測位點少，成本高，檢測周期長，陽性率低等。隨著下一代測序技術(shù)（nextgeneration sequencing，NGS）在臨床的廣泛應(yīng)用，基于全外顯子組和目標(biāo)序列捕獲的NGS方法已開始應(yīng)用于耳聾基因變異的檢測［4-7］。本研究對15份經(jīng)常規(guī)9個熱點變異篩查陰性的耳聾患者標(biāo)本應(yīng)用全外顯子組捕獲測序，并設(shè)計目標(biāo)區(qū)域重點針對80個耳聾相關(guān)基因進(jìn)行變異分析。

1 材料與方法

1.1 對象

15例病例標(biāo)本由廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院友好提供。標(biāo)本經(jīng)常規(guī)9個熱點變異篩查陰性。標(biāo)本采自診斷明確的具有聽力障礙的患者，其中男9例，女6例，年齡1～6歲，平均年齡（3±1.4）歲。15例健康人標(biāo)本作為正常對照。

1.2 試劑和儀器

DNA提取方法采用DNeasy Tissue試劑盒（Qiagen，德國）。DNA打斷儀為Covaris S2系統(tǒng)（Covaris，美國），文庫建立采用美國Agilent公司Sure Select試劑，文庫質(zhì)檢使用Tape-Stations2200儀器檢測（Agilent，美國），測序試劑和儀器來自Illumina，美國。Sanger測序使用Applied Biosystems 3500基因分析儀（ThermoFisher，美國）。

1.3 基因組DNA質(zhì)量評估

使用Nanodrop儀（ThermoFisher，美國）檢測DNA濃度及純度，-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 文庫構(gòu)建及測序反應(yīng)

3μg基因組DNA經(jīng)Covaris S2系統(tǒng)打斷為200～300 bp大小片段，使用美國Agilent公司的SureSelect雙向測序試劑進(jìn)行文庫富集。750 ng文庫使用美國Agilent公司的SureSelect Human All Exon 50Mb試劑進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的捕獲。捕獲的文庫經(jīng)加標(biāo)簽混勻后利用美國Illumina公司的HiSeq2000測序儀90個循環(huán)全外顯子組測序。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Illumina測序儀自帶軟件CASAVA（1.8.2版本）拆分得到原始FASTQ文件。原始數(shù)據(jù)經(jīng)Trimmimatic軟件去掉接頭和低質(zhì)量數(shù)據(jù)，得到的高質(zhì)量數(shù)據(jù)用BWA軟件比對到人參考基因組hg19（http：//genome.ucsc.edu/）上進(jìn)行初步分析。原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成FASTA文件后導(dǎo)入NextGeNe軟件（Softgenetics，美國）及生成VCF文件后再導(dǎo)入wannovar（http：//wannovar.usc.edu/）網(wǎng)站進(jìn)行注釋分析。

1.6 數(shù)據(jù)驗證

對NextGeNe和wannovar軟件發(fā)現(xiàn)的致病性變異利用Sanger測序進(jìn)行驗證。對目的基因進(jìn)行外顯子的引物設(shè)計，PCR及產(chǎn)物純化后上Applied Biosystems 3500基因分析儀（ThermoFisher，美國）進(jìn)行測序，結(jié)果采用Mutation Surveyor進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果

2.1 DNA質(zhì)量評價

所有DNA濃度均介于150 ng/μL～200 ng/μL間，A260/A280比值介于1.8～2.0間，質(zhì)量合格。

2.2 文庫質(zhì)量評價

文庫質(zhì)量經(jīng)Tape-Stations儀器檢測，片段大小、濃度均符合要求，所建文庫片段大小介于315 bp左右。左邊峰及最右邊峰為標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量品，大小為25 bp和1 500 bp，中間峰為待檢文庫片段，平均大小為315 bp，見圖1。

2.3 測序數(shù)據(jù)分析

將原始測序數(shù)據(jù)經(jīng)格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入NextGeNe軟件進(jìn)行處理，各標(biāo)本的測序數(shù)據(jù)經(jīng)與基因組參考序列比對得到有效讀數(shù)介于3兆到6兆。其中80個耳聾基因目標(biāo)區(qū)域的有效測序深度及測序覆蓋度如表1所示。測序數(shù)據(jù)的分布具有較好的隨機(jī)性，雙向測序數(shù)據(jù)比接近1∶1，不存在偏倚性（圖2）。

表1 測序數(shù)據(jù)一攬表Table 1 Statistic of NGS data

2.4 變異檢測情況及功能預(yù)測

通過軟件自動分析及數(shù)據(jù)過濾，本研究在15份耳聾患者標(biāo)本中均發(fā)現(xiàn)致病性變異，除了涉及GJB2、SLC26A4 2個常見基因外，還在DSPP、TECTA和CHD7 3個基因中發(fā)現(xiàn)了變異。在這些變異中含無義突變2個，移碼突變4個，剪切位點變異1個，其余為錯義突變。變異位點見表2。對變異可能對蛋白功能產(chǎn)生的影響經(jīng)mutationtaster等在線軟件進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果見表2、圖3。

2.5 變異驗證

Sanger測序證實全外顯子組測序發(fā)現(xiàn)的變異結(jié)果正確，見圖4。

3 討論

我國常見的耳聾致病基因為GJB2、SLC26A4和12SrRNA，其中9個變異位點是中國人群耳聾基因變異熱點，包括GJB2基因的4個變異c.35delG、c.176del16、c.235delC、c.299-300delAT，GJB3基因的一個變異c.538C＞T，SLC26A4基因的2個變異位點c.IVS7-2A＞G、c.2168A＞G和線粒體m tDNA 12SrRNA的2個位點1555A＞G、1494C＞T。雖然對以上熱點變異運用基因芯片等技術(shù)可以進(jìn)行變異的快速篩查，但由于耳聾基因的高度異質(zhì)性，與耳聾相關(guān)的基因目前已超過200個，因此這種熱點篩查的方法仍可能導(dǎo)致很大一部分耳聾患者不能明確基因變異情況。

近年來NGS技術(shù)已開始應(yīng)用于遺傳性耳聾致病基因的研究［5，8-9］。運用NGS技術(shù)，一些新的耳聾致病基因和位點也不斷被發(fā)現(xiàn)［5，10］。目前運用較多的NGS測序是目標(biāo)區(qū)域捕獲測序或在全外顯子水平進(jìn)行變異位點的檢測。目標(biāo)區(qū)域捕獲技術(shù)可重點關(guān)注與耳聾等疾病密切相關(guān)的十幾個或幾十個基因，而全外顯子組測序則更有助于在所有蛋白編碼基因序列及其附近非編碼區(qū)找到罕見或新發(fā)變異。本研究前期對100多份耳聾病例進(jìn)行了常規(guī)變異熱點的檢測，發(fā)現(xiàn)仍有近一半病例未能找到明確的致病變異。對其中15個病例常規(guī)檢測陰性的標(biāo)本我們進(jìn)行了全外顯子組測序。雖然從經(jīng)濟(jì)成本考慮，目標(biāo)區(qū)域捕獲技術(shù)相對更有優(yōu)勢，但為了避免遺漏可能的罕見新發(fā)變異，本研究嘗試運用全外顯子組測序技術(shù)進(jìn)行檢測。為方便數(shù)據(jù)分析，本研究設(shè)計了80個耳聾相關(guān)基因的興趣區(qū)域。

表2 耳聾基因變異檢測情況Table 2 Functionalprediction of the identified variants

對全外顯子組數(shù)據(jù)分析是發(fā)現(xiàn)變異的關(guān)鍵。通常一份標(biāo)本的全外顯子組測序結(jié)果一般可發(fā)現(xiàn)2萬到5萬個變異［11］，因此從如此眾多的變異中找尋到與耳聾密切相關(guān)的變異非常困難。本研究首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，將單核苷酸多態(tài)（single nucleotide polymorphism，SNP）數(shù)據(jù)庫、千人基因組等數(shù)據(jù)庫中已報道的頻率大于3％的多態(tài)性變異過濾，然后通過查詢文獻(xiàn)，并重點關(guān)注80個耳聾相關(guān)基因的興趣區(qū)域進(jìn)行軟件自動查對，再通過生物信息網(wǎng)站如mutationtaster、SIFT和Polyphen-2對變異進(jìn)行功能預(yù)測［12-14］。通過以上方法，本研究在GJB2、SLC26A4、DSPP、TECTA和CHD7等基因發(fā)現(xiàn)變異，除無義突變，移碼突變等明確導(dǎo)致疾病的變異外，其他大部分變異均為錯義突變。由于對錯義突變的預(yù)測運用不同的預(yù)測軟件可以有不一致的結(jié)果，有些軟件認(rèn)為變異致病而另一些軟件則認(rèn)為是多態(tài)性，所以會給數(shù)據(jù)分析帶來一定的困惑。在本研究中，為避免這種情況，我們聯(lián)合運用前文所述的3種生物功能預(yù)測軟件來對同一個錯義變異進(jìn)行聯(lián)合分析。當(dāng)3種軟件均認(rèn)為是致病或可能致病時才保留下來進(jìn)行后續(xù)分析。另外對變異是否致病我們同時還對位點的保守性進(jìn)行評估，當(dāng)變異發(fā)生在高度保守區(qū)時則格外關(guān)注。

在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)中國人群耳聾基因變異仍是以GJB2、SLC26A4為主。盡管如此，我們也只在2個病例中發(fā)現(xiàn)了常見的35delG變異，并且這2個病例如果運用常規(guī)方法只能找到一個雜合變異位點，容易導(dǎo)致診斷錯誤，另外的大部分變異如果用常規(guī)方法不能檢出，證實常規(guī)熱點篩查方法的確存在局限性。本研究發(fā)現(xiàn)4號病例DSPP基因的2個變異，文獻(xiàn)報與DSPP基因變異與遺傳性牙本質(zhì)發(fā)育不全相關(guān)［15］，而此病也可伴有耳聾表型［16］，考慮到本病例變異一個是無義變異，另一個是移碼突變，而這2個變異均可導(dǎo)致蛋白編碼提前終止，因此我們認(rèn)為這2個雜合變異可能為可能致病性變異，但仍需進(jìn)行后續(xù)的功能驗證實驗。另外對12號病例我們在TECTA基因發(fā)現(xiàn)2個雜合變異，通過檢索相關(guān)數(shù)據(jù)庫未見明確致病報道，但對其可能影響蛋白的功能預(yù)測及保守性分析后我們認(rèn)為此變異為可能致病性變異。

總之，本研究運用全外顯子組測序技術(shù)快速診斷出耳聾患者的多個致病變異，證實全外顯子組測序技術(shù)在耳聾變異診斷中的應(yīng)用價值。對耳聾致病基因的分子診斷，聯(lián)合運用熱點變異篩查和全外顯子或目標(biāo)區(qū)域基因組合測序?qū)⒂兄诎l(fā)現(xiàn)潛在的致病變異位點。隨著NGS在大樣本耳聾基因變異檢測中的應(yīng)用，此技術(shù)將體現(xiàn)出越發(fā)明顯的優(yōu)勢。

［1］Mehl AL，Thomson V.The Colorado newborn hearing screening project，1992-1999：on the threshold of effective population-based universal newborn hearing screening［J］.Pediatrics，2002，109（1）：E7.

［2］NanceWE，Lim BG，Dodson KM.Importance of congenital cytomegalovirus infections as a cause for pre-lingual hearing loss［J］.JClin Vird，2006，35（2）：221-225.

［3］Lim BG，Clark RH，Kelleher AS，et al.Utility of genetic testing for the detection of late-onset hearing loss in neonates［J］.American journal of audiology，2013，22（2）：209-215.

［4］Patel K，Giese AP，Grossheim JM，et al.A novel C-term inal CIB2（calcium and integrin binding protein 2）mutation associated with non-syndromic hearing loss in a hispanic fam ily［J］.Plos one，2015，10（10）：e0133082.

［5］Gao J，Wang Q，Dong C，etal.Whole exome sequencing identified MCM 2 asa novel causative gene for autosomal dominant nonsyndromic deafness in a Chinese fam ily［J］.Plosone，2015，10（7）：e0133522.

［6］Li-Yang MN，Shen XF，WeiQJ，etal.IVS8+1 DelG，a novel splice site mutation causing DFNA5 deafness in a Chinese family［J］.Chinese Medical Journal，2015，128（18）：2510-2515.

［7］Chang MY，Kim AR，Kim NK，et al.Identification and clinical implications of novel MYO15A mutations in a non-consanguineous Korean family by targeted exome sequencing［J］.Molecules and cells，2015，38（9）：781-788.

［8］Atik T，Bademci G，Diaz-Horta O，et al.Wholeexome sequencing and its impact in hereditary hearing loss［J］.Genetics research，2015，97：e4.

［9］Ammar-Khodja F，Bonnet C，Dahmani M，et al.Diversity of the causal genes in hearing impaired A lgerian individuals identified by whole exome sequencing［J］. Molecular Genetics＆amp;Genomic Medicine，2015，3（3）：189-196.

［10］Liu F，Hu J，Xia W，et al.Exome sequencing identifies amutation in EYA 4 as a novel cause of autosomal dominant non-syndromic hearing loss［J］.Plos one，2015，10（5）：e0126602.

［11］Abecasis GR，Altshuler D，Auton A，et al.A map of human genome variation from population-scale sequencing［J］.Nature，2010，467（7319）：1061-1073.

［12］Kumar P，Henikoff S，Ng PC.Predicting the effects of coding non-synonymous variants on protein function using the SIFT algorithm［J］.Nature protocols，2009，4（7）：1073-1081.

［13］Adzhubei IA，Schmidt S，Peshkin L，et al.A method and server for predicting damaging missense mutations［J］.Nature methods，2010，7（4）：248-249.

［14］Schwarz JM，Cooper DN，SchuelkeM，etal.Mutation taster2：mutation prediction for the deep-sequencing age［J］.Nature methods，2014，11（4）：361-362.

［15］Malmgren B，Lindskog S，Elgadi A，et al.Clinical，histopathologic，and genetic investigation in two large families with dentinogenesis imperfecta type II［J］.Human genetics，2004，114（5）：491-498.

［16］Xiao S，Yu C，Chou X，et al.Dentinogenesis imperfecta 1 with orw ithout progressive hearing loss is associated with distinct mutations in DSPP［J］.Nature genetics，2001，27（2）：201-204.

Identification of gene variations in patients with nonsyndromic deafness by using whole-exome sequencing method

LIU Weiqiang，ZHANG Huimin，YU Guojiu，SUN Xiaofang★
（Key Laboratory for Reproduction and Genetics of Guangdong Higher Education Institutes，Key Laboratory for Major Obstetric Diseases of Guangdong Province，Third Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University，Guangzhou，Guangdong，China，510150）

Objective To assess the efficiency of clinical genetic diagnosis of patients with nonsyndromic deafness by using whole-exome sequencing（WES）method.Methods WESwas performed using the Illumina Hiseq2000 platform in 15 patients with non-syndromic deafness.In this study，we designed a panel containaining 80 deafness genes for variant identification.A ll variants detected by WES were validated by Sanger sequencing.Results The coverage of the region of interest（ROI）over 20X reads was above 98％；pathogenic or likely pathogenic mutations were identified in different genes，such as GJB2，SLC26A4，DSPP，TECTA and CHD7.Among these variations，2 were nonsense mutations，4 were frame shift mutations，1 was a splice site mutation and the remaining were missense mutations.All variants were validated by Sanger sequencing.Conclusion The whole-exome sequencing method has provided a powerful tool to discover rare variations or novel genes in patients with non-syndromic deafness.

Whole-exome sequencing；Deafness；Variants

國家自然科學(xué)基金（31171229）；廣東省醫(yī)學(xué)科研基金（A2015327）；廣東省科技廳基金（2013B051000087；2014A020212354）；廣州市科技局基金（201400000004-4；201400000003-4）；廣州醫(yī)科大學(xué)留學(xué)回國人員基金（2013C56）

廣東省產(chǎn)科重大疾病重點實驗室，廣東省普通高校生殖與遺傳重點實驗室，廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院，廣東，廣州510150

★通訊作者：孫筱放，E-mail：xiaofangsun@gzhmu.edu.cn