NGS在未确诊疾病的婴儿中发现罕见疾病变异

简介

在获得新加坡国立大学(NUS)的医学博士学位后，心脏病学家Roger Foo在剑桥大学接受了更高的专科培训，并开始研究心力衰竭中基因表达的表观遗传调控。当Foo博士开始使用NGS系统对患者心肌样本进行RNA-Seq和ChIP-Seq时，下一代测序(NGS)的力量变得显而易见。显然，世界各地的临床研究人员正在更广泛地使用NGS来鉴定与疾病有关的DNA变异，并将其作为临床转译研究的一个组成部分。当他回到新加坡后，他成为了在临床中更广泛使用NGS的直言不讳的倡导者。

建立针对成人孟德尔相关单基因心脏病的心脏遗传服务，为提高同龄人对NGS价值的认识迈出了第一步。他继续通过生物医学研究委员会(BMRC)资助的罕见未诊断疾病项目与他的儿科同事合作，使临床外显子组测序可用于儿童。在新加坡出生的婴儿中，大约1%有潜在的遗传疾病。¹有些可以立即被儿科医生识别出来，包括三体症和不太复杂的综合征。还有一些是更为复杂的先天性疾病，包括发育迟缓或智力障碍，这些疾病可能在出生后的几周或几个月内才会显现出来。罕见的未确诊疾病为新加坡的临床翻译提供了一个完美的切入点。他与新加坡国立大学儿童医院(NUH)和KK妇女儿童医院的儿科医生一起，建立了新加坡儿童未诊断疾病研究项目(SUREKids)。使用NGS对患有罕见未确诊疾病的婴儿进行测序，为SUREKids团队提供了一个机会，为这些儿童的疾病找到可能的基因诊断。

iccommunity与Dr. Foo谈到了SUREKids，目前已经获得的结果，在新加坡建立NGS分析和数据存储基础设施，以及新加坡政府对NGS临床研究的支持。

Roger Foo，医学博士，新加坡国立大学医学系副教授。

问:你的医学背景是什么?

罗杰Foo (RF):我是一名心脏病学家，当我在剑桥大学做研究员和阿登布鲁克医院(剑桥大学教学医院)的顾问医师时，我对基础研究产生了兴趣。心脏是一种特殊的器官，当它承受压力时，它的基因会改变表达。我在剑桥大学的研究重点是基因表达控制和表观遗传学，使用NGS对心肌样本进行RNA-Seq和ChIP-Seq。

问:NGS在新加坡使用广泛吗?

射频:2012年，新加坡对NGS的使用仅限于研究。相比之下，在我转回新加坡工作之前，我在剑桥看到过使用NGS对患者样本进行测序。

我意识到新加坡可以很容易地将NGS的使用转化为临床，我成为了扩大其使用的倡导者。罕见儿科疾病为临床医生熟悉NGS的好处提供了一个切入点。我不是儿科医生，但我在新加坡国立大学的心脏遗传诊所看到过患有罕见孟德尔疾病的心脏病患者。

＂...我们对300个由100个婴儿和他们的父母组成的三人组进行了WES测试。我们在38个病例中发现了罕见的遗传疾病变异，这些疾病困扰了医生几个月，有时甚至近一年。”

问:SUREKids是如何成立的?它的重点是什么?

射频:我的医学培训是在新加坡进行的，在这个系统中我认识很多医生。新加坡有两个国立儿科中心，新加坡NUHKids和KK妇女儿童医院。在这些医院工作的儿科顾问并不总是在一起工作。他们还没有使用NGS，并对可能的联合NGS项目感到兴奋。

我们获得了新加坡科学、技术和研究机构(a *STAR)的BMRC资助。SUREKids成立于2015年，目标是使用NGS为新加坡人群开发临床外显子组面板。我们正在对三人组进行测序，包括患者和双方父母。我们正在使用HiSeq™2500和NextSeq™550系统进行全外显子组测序(WES)，以识别新加坡罕见未诊断疾病儿童的疾病相关变异，两家医院共享数据。

有些信息WES无法提供，所以我们正在用其他测试来补充它。长时间的插入/删除和易位在WES中可能看不到。因此，在进行WES检查之前，需要对患者样本进行染色体阵列分析，如有必要，还需要进行细胞遗传学检测。

问:在SUREKids出现之前，儿童罕见病是如何诊断的?

射频:患有未确诊罕见疾病的孩子的父母知道他们的孩子没有茁壮成长，但他们不知道为什么。只有负担得起的父母才能将样本送到澳大利亚或美国进行基因分析，希望他们能尽快获得结果，以便做出临床决定。由于成本高，每年只送去大约五个样品到海外。

问:您是否需要建立一个专门的团队来执行SUREKids样品的测序?

射频:测序工作在基因组研究所进行，那里的研究人员有丰富的湿实验室经验，为各种研究研究执行NGS和生物信息学技能。然而，我们的目标是在美国病理学家学院(CAP)认证的环境中创建NGS临床诊断水平测试。我们建立了获得新NGS实验室cap认证所需的流程和文档化工作流程。

这个名为“北极星”的实验室位于基因组学研究所内。患者样本在医院临床实验室中被记录、条形码和匿名化，然后遵循cap认证的路径到北极星进行WES。

“由于SUREKids项目，医院联合开发了生物信息学专业知识和培训。”

问:谁负责SUREKids数据的生物信息分析?

射频:这个项目的生物信息学方面是挑战中有趣的部分。具有分析NGS研究数据经验的生物信息学家通常不熟悉临床表型和场景。我们需要为医院培训一批特殊的人员，以便从以研究为重点的生物信息学过渡到以临床为重点的生物信息学。NUHKids和KK妇女和儿童医院看到了在其医院发展临床生物信息学能力的价值，这有助于获得他们对该项目的支持。作为SUREKids项目的结果，这些医院联合开发了生物信息学专业知识和培训。许多具备基础研究技能的生物信息学家也渴望获得临床专业知识，并在医院工作，从而实现了双赢的局面。

两家医院现在都有自己的临床生物信息学团队。我们称之为变异策展人。他们专注于利用测序结果和未诊断罕见疾病的婴儿和儿童的临床术语和表型描述整合分析。变异策展人现在是两个医学中心临床基因组学多学科团队的一部分。在临床上我们称之为mdt。

SUREKids项目的一个重要好处是，测序和分析现在在新加坡进行，而不是在国外。这是政府首次将资金用于支持当地临床NGS活动。

问:如何选择对样品进行WES还是WGS ?

射频:A*STAR资助为我们提供了足够的资金，只进行一些WES。幸运的是，基因组研究所的主任看到了支持SUREKids的价值，他提供了补充资金，特别是对我们的经验和合作进行了大力支持。当我们觉得进行WGS和更深入地测序外显子和内含子区域可以获得一些东西时，我们就使用这些资金。我们现在需要更多的经验来分析整个基因组，并希望在项目的下一阶段提高我们在该领域的熟练程度。WGS将使我们能够检测到WES不能检测到的导致罕见疾病的其他类型的突变，如插入/删除、替换、易位、倒置或框架转换。

SUREKids项目的好处之一是，所有的序列都被上传到新加坡国家数据库，包括新加坡Exome数据库和SG 10K Genome数据库。这些数据库为各种临床情况提供了一个健壮的参考背景。这将为未来的个性化医疗和个性化治疗研究提供基础。

我们还建立了罕见病登记处。这项工作是由我们的一位顾问领导的，他是儿科医生和遗传学家。这是两个医院生物信息学团队合作建立一个数据管道的机会，以便在儿童被诊断时填充注册表。

“SUREKids项目的好处之一是，所有的序列都被上传到新加坡国家数据库……这将为未来的个性化医疗和个性化疗法研究提供基础。”

问:到目前为止，您在SUREKids项目中取得了什么成果?

射频:在过去的三年里，我们对300个由100个婴儿和他们的父母组成的三人组实施了WES。我们在38个病例中发现了罕见的遗传疾病变异，这些疾病困扰了医生几个月，有时甚至将近一年。

在至少5例病例中，不同的数据导致了患者管理的改变。在几个例子中，不同的数据证实了骨髓移植是有益的。这些病例曾考虑过骨髓移植。然而，骨髓移植是昂贵的，医生团队也不确定这是否是正确的下一步。当WES发现与免疫缺陷相关的基因变异后，研究小组继续进行骨髓移植，患者完全康复。

在几个案例中，我们发现了新的罕见疾病突变，并将遗传和表型信息上传到媒人交换平台。²

问:罕见病变异的鉴定对患有未确诊罕见病儿童的父母意味着什么?

射频:对这些变异的识别揭开了他们生活中不确定的乌云。在一些例子中，父母最终为他们的孩子自出生以来所患的疾病取了一个名字。这使他们能够使用Facebook和其他社交媒体来定位其他国家的儿童患有同样疾病的家庭。对他们来说，建立这些联系并感到自己不是那么孤独是一种安慰。

这些信息还可以帮助父母决定是否要再生一个孩子。超过三分之二的婴儿被附身新创基因突变，使得生下另一个患有这种疾病的孩子的风险并不比其他任何受孕都高。这对父母来说是有帮助的。这些信息对于拥有纯合子或复合杂合子条件的婴儿的父母也很重要。

我们收到了几封非常感人的感谢信，来自参与SUREKids项目的父母。这对我们所有人来说都是一段令人欣慰的经历。

问:SUREKids项目的下一步计划是什么?

射频:我们实现了创建临床外显子组面板的最初目标。我们的下一个目标是在常规的基础上将WGS添加到我们的三人测试中。

新加坡国立大学、剑桥大学和加州大学伯克利分校建立了一个名为“全球联盟”的三方协议。2017年，这些大学的医学中心设立了全球联盟基金，并邀请其机构内的医学研究人员申请。来自这三个医疗中心的儿科医生申请拨款，以扩展SUREKids研究项目，将WGS纳入其中。当我们被授予赠款并开始在三个样品上表演WGS时，我们非常激动。

“我们实现了创建临床外显子组面板的最初目标。我们的下一个目标是将WGS添加到我们的常规三人测试中。”

问:在全球联盟的资助下，你们会对一般的新生儿或可能患有罕见疾病的新生儿进行WGS吗?

射频:SUREKids这一阶段的重点是对每个中心新生儿重症监护室(NICU)的患者样本进行WGS。我们的目标是创建一个提供48小时周转时间的WGS分析工作流。除了获得WGS分析经验，我们还将分享数据，以识别新的罕见疾病变体。

SUREKids项目的一个积极成果是认识到需要一个新加坡国家超级计算机来支持临床测序分析。2016年，新加坡国家超级计算中心增加了一台用于精准医疗的超级计算机。它将使我们能够安全地存储WGS数据，因为我们获得了全基因组分析的专业知识。有可能存储在那里的近90%的测序数据将来自Illumina NGS系统。

问:在NGS可以在临床环境中更广泛地使用之前，需要发生哪些变化?

射频:目前，新加坡的NGS没有报销。我们定期与新加坡卫生部沟通NGS的价值，以及临床医生希望更方便地为所有患者提供NGS的愿望。我们的活动为2018年9月发布的国家基因组测序政策做出了贡献。SUREKids项目的真实经验和家长团体的游说对实现这一里程碑起到了重要作用。

目前正在制定关于临床实验室实施NGS必须具备的要素的明确指南。其中包括在要求进行NGS检测时为患者和父母提供建议的遗传顾问、如何向患者或其父母报告数据的政策以及如何处理偶然发现的政策。该政策文件已由司法部审查。如果新加坡政府使NGS成为可补贴或可偿还的，这将是一个梦想成真。

问:你们团队罕见病研究的下一步是什么?

射频:一个目标是执行更多的WGS和提高我们的全基因组生物信息学能力。我的实验室有很多博士后研究员和学生，他们大多从事心脏病学、心脏生物学或心脏表观遗传学的研究项目。最近，我更加关注罕见病分析，与北极星合作，推动更多的基因组检测到临床。^3.WGS将使我们能够重新评估一些未解决的SUREKids病例，并可能发现位于外显性区域之外的新的罕见疾病变体。

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