隨著技術的發展，我們得以探討基因體變異與人體複雜疾病之間的關係。基因體（Genome）是指在細胞內部的整套遺傳訊息，包括基因的編碼區（coding regions）與過去被稱為「垃圾 DNA」的非編碼DNA（noncoding DNA）[1]。近來研究指出位於非編碼區之調控元件（regulatory elements）的基因序列變異會參與遺傳性單基因疾病（single gene mutation）。基於這些觀察，來自維康桑格研究所（Wellcome Trust Sanger Institute）的團隊，2018 年於《Nature》，發表了第一篇證實調控元件變異會造成神經發展疾患（neurodevelopmental disorders）的研究 [2]。
部分先天性遺傳疾病能夠藉由產前遺傳諮詢與協助判斷，然而有些疾病因為技術的瓶頸無法診斷，如注意力不足過動症（ADHD）、自閉症及智能障礙等兒童神經發展疾患 [3]。研究團隊參與的「Deciphering Developmental Disorders；DDD（暫譯：解密發展疾患）」計畫目的為藉由新穎的遺傳定序技術去探討神經發展疾患的成因，其收案範圍主要是英國以及愛爾蘭 [4]。
他們收集並分析近八千位（n=7930）尚未被診斷出病因的嚴重神經發展疾患患者（主要表徵為認知受損及大腦發育異常）及其父母的基因體，基於其上個研究結果指出非編碼區的原發突變（de novo mutations；DNMs）可能會造成神經發展疾患，因此本篇研究著重於非編碼區的調控元件 [5]。
研究團隊首先確認相較於內含子（introns）及加強子（enhancers）具有較高演化保守性（evolutionary conservation）的調控元件為保守非編碼元件（conserved non-coding elements; CNEs），指出其對於早期神經發展的重要性。並藉由 MAPs （mutability-adjusted proportion of singletons）和 CADD 計算 CNEs 變異對於編碼區蛋白質的影響，以及使用 DNase-seq 以及 chromHMM 預測相關的組織活性，但都沒有特別發現。
研究團隊接著以患者及其父母三個為一組做基因體分析，發現單核甘酸的原發變異（de novo single nucleotide mutations），也發現 CNEs 富含此 DNMs，並於胎兒腦（fetal brain）中特別活化。雖然嘗試以 gnomAD 資料庫（註：此資料庫前身為外顯子定序資料庫，ExAC）找出此變異的因子，但沒有特別的結果。儘管使用多種預測方式，仍無法確認受影響的特定基因，但能確認其偏好影響較遠基因位址（locus）的序列。
同時，研究團隊發現不同組（以患者及其父母三個為一組）的個體有兩個甚至以上的 DNMs ，顯示此變異屬於頻發突變，意指此單一變異的影響不侷限於一個家庭，而是整個族群。且經由分析，指出此變異的功能與選擇性剪接（alternative splicing）相關，會影響基因的表現。
最後，研究團隊藉由重新分析所有神經發展疾患患者的基因體，發現約有 1-3 % 之前未被診對出病因的患者於非編碼區的 CNEs 帶有此 DNMs。確認了調控元件的單核甘酸變異與神經發展疾患的關聯性。
本篇研究藉由不同層面（演化以及功能上）的分析找出嚴重神經發展疾患的成因，替未來對於兒童神經發展疾患的診斷有所幫助。然而，隨著基因體學與相關技術的發展，對於分析結果的假說驗證似乎沒有個絕對定論，不同的分析軟體與參數設定帶出不同的結果，因此本篇研究也點出對於更好技術工具的迫切需要。
圖片說明：非編碼區的單核苷酸變異導致神經中樞相關遺傳疾病。圖片來源：Christoph Burgstedt / Science Photo Library
參考文獻
- Short, P., McRae, J., Gallone, G. et al. De novo mutations in regulatory elements in neurodevelopmental disorders. Nature 555, 611–616 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25983
- 神經發展疾患，美國國家環境保護局。https://reurl.cc/VXkyAn
- “What is DDD study?” Wellcome Sanger Institute. https://www.ddduk.org/intro.html
- Deciphering Developmental Disorders Study., McRae, J., Clayton, S. et al. Prevalence and architecture of de novo mutations in developmental disorders. Nature 542, 433–438 (2017). https://doi.org/10.1038/nature21062
撰文｜黃子瑄
審稿｜蔡宗霖
