专家解读Nature长文│全球最大2型糖尿病全外显子组测序结果深度解读

来源：BioArt

解读 | 胡承（上海交通大学附属第六人民医院研究员，上海市糖尿病研究所副所长，国家“优青”、青年“长江学者”）

责编 | 兮

图片引自：https://theathletelab.com/you-turned-type-2-diabetic-now-what/

2型糖尿病（T2D）是全球致死致残的重要原因之一。尽管糖尿病有明显的家族聚集性和种族异质性，但直到2007年，通过全基因组关联研究（GWAS）才一致鉴定出第一批8个高加索人群T2D的易感基因，至此拉开了全球T2D以“常见变异-常见疾病”为架构的遗传学研究序幕，在随后的10余年间，各国研究者在不同种族的大样本人群中开展全基因组遗传位点检测，试图通过高通量的SNP位点筛选，定位T2D易感基因。到目前为止，国际上已经确认了100余个T2D易感位点/基因，但令人沮丧的是，即便是将这些位点叠加在一起，也仅能解释约10%的T2D遗传度，这让科学家们不禁对最初“常见变异-常见疾病”的猜想产生了怀疑，而学者们也提出了“罕见变异-常见疾病”的推测，并且有系列研究证据表明，对疾病有较强效应的变异（等位基因OR>2）通常在人群中的分布较少（少数等位基因频率MAF<0.5%），而这些罕见变异根本无法通过全基因子SNP芯片检测到【1,2】。那么存在于基因组中的少见/罕见变异是否是发挥较强效应、导致T2D发生的“罪魁祸首”呢？

2019年5月23日，全球百余名遗传学者联合在Nature 杂志发表了名为Exome sequencing of 20,791 cases of type2 diabetes and 24,440 controls的文章，借助全外显子组测序技术在约4.5万病例-对照人群（20791例2型糖尿病患者及24440例正常糖调节人群）中进行了外显子组测序和分析，希望能够通过全外显子组的大数据发现影响疾病风险的编码蛋白质的遗传变异，为疾病发病机制提供相关线索。

众所周知，尽管人类的外显子仅占人类基因组的1-2%，但却包含了多达85%疾病相关的基因突变。因此，通过全外显子组测序，可以有效地探查在复杂的人类疾病中发挥重要作用的常见遗传变异和稀有遗传变异。全外显子组测序是基于目标序列捕获技术利用探针捕获和富集外显子区域的DNA序列，再通过高通量测序发现与蛋白质功能变异相关遗传突变的一种基因组分析技术，具有覆盖度深，准确度高等优势。  

为了提高检测少见/罕见变异的能力，研究人员集结了全球顶尖的遗传学分析专家及机构，收集并分析了20791例T2D患者和24440例对照组的外显子测序数据，这是目前针对T2D的最大型的全外显子分析。

首先，研究者对来自5个不同种族（西班牙裔、欧裔、非裔美国、东亚及南亚人群）的4万余例人群开展全外显子组测序，发现了7个基因上的15个位点达到了全外显子组差异效应的阈值，其中10个位点为非同义变异。但是，这15个位点中仅有两个变异与T2D的关联未被前期GWAS发现报道：SFI1基因变异(rs145181683,Arg724Trp)和MC4R基因（BioArt注：近期一篇Cell论文报道该基因在调控肥胖种具有重要作用【3】）变异 (rs79783591, Ile269Asn)。

由于单个位点的遗传关联分析效应有限，研究者接下来对基因中的变异集进行了关联分析，发现了MC4R, PAM, SLC30A8和UBE2NL这4个基因与T2D显著相关，但是只有UBE2NL基因是新发现的T2D相关基因，而该基因的效应尚需独立样本验证方可确认。随后，研究者选取了来源于文献报道的通过孟德尔随机化分析、药物靶点或动物模型等证据已经证实的与T2D显著相关的16组基因，比较其在全外显子组测序中的效应是否与文献报道一致，结果发现除了由动物模型发现的候选基因外，其余基因大多效应方向是一致的，也就是说，全外显子组测序不仅能获取新的T2D易感基因信息，还有助于预测基因失活是增加亦或是减少T2D的风险。

最后，研究者采集了与测序相同个体的全基因组SNP芯片数据并进行比较，发现10个达到全外显子组显著性检验的非同义变异位点中有8个位点在GWAS分析中可见。而对于T2D遗传度解析来看，从GWAS中选取的与T2D最为相关的前100个基因信号在本研究人群中仅解释了1.96%的遗传变异度，而由全外显子测序发现的T2D最强罕见变异信号，可解释25%的由GWAS发现的最强常见变异导致T2D的遗传度。

总体而言，罕见变异会分布在许多基因上，而即便是最强信号对于个体T2D的遗传度的解析仍旧很小，因此，对于性状复杂的T2D来说，GWAS发现的常见变异与全外显子组测序发现的罕见变异对于揭示T2D的遗传特点仍具有互补性，前者有利于新基因新位点的发现，而后者则侧重于挖掘新基因新位点的潜在信息。

此外，而对于临床医生所关注的T2D精准医疗来说，外显子测序可以产生一些具有足够效应的罕见变异，并对T2D遗传风险预测提供一定贡献度，然而，在目前已知的T2D药物靶点基因中发现的罕见变异，其对于疾病的效应需要样本量高达75000-185000个测序方可达到全外显子组的统计学效力，因此，在实际人群中，由外显子组测序发现的罕见变异还是需要和由GWAS所产生的多基因位点评分共同参与评估疾病的风险和个体化治疗效果。

面对应用大样本全外显子测序依旧没有定位到新的T2D效应强的基因，也依旧无法提高T2D遗传解析度的窘境，科学家们建议可以挖掘尚未达到全外显子组显著性差异的基因区域以获得新的思路，另外，随着全基因组测序成本的不断降低，可以囊括GWAS和全外显子测序信息的全基因组测序也是个不错的选择。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1231-2

制版人：小娴子

参考文献

1. Cirulli, E.T. & Goldstein, D. B. Uncovering the roles of rare variants in commondisease through whole-genome sequencing. Nat Rev Genet,2010, 11: 415–425.

2. Zuk, O. etal. Searching for missing heritability: designing rare variant associationstudies. Proc. Natl Acad Sci USA, 2014, 111: E455–E464.

3. Lotta, L. A., Mokrosiński, J., de Oliveira, E. M., Li, C., Sharp, S. J., Luan, J. A., ... & Kaimakis, V. (2019). Human gain-of-function MC4R variants show signaling bias and protect against obesity. Cell, 177(3), 597-607.