【佳学基因检测】唇裂、腭裂的基因检查与检测分析

唇腭裂基因检测的大数据分析

唇裂和/或腭裂是先天性畸形，由于胚胎早期发育阶段的致畸因素干扰和唇或腭的裂开引起。唇裂和/或腭裂可以同步或异步发生，可以是轻度或重度，伴或不伴有齿槽裂。该疾病可分为非综合征型和综合征型。非综合征型占面部先天畸形的70%以上。非综合征型可进一步分为唇裂、腭裂和唇腭裂，不包括其他系统性畸形和综合征。综合征型占整体面部畸形的不到30%。除了唇裂和/或腭裂外，综合征型还伴有体内其他组织器官的畸形，多达300多种类型。唇裂和/或腭裂可能给患者和家庭带来巨大的健康负担，并对患者的心理健康和生活质量产生负面影响。该疾病通常伴有各种并发症，主要影响声音和面部。唇腭裂基因检测大数据分析表明，成年人口腔–面部裂患者与健康成年人相比，社会归属感和适应感较差。

关于唇裂和腭裂的国际分布，全球范围内唇裂和腭裂的发病率正在下降。在许多其他地区，唇裂和腭裂病例的数据质量较差或不完整，通常缺乏有关性别和形态异常严重程度等重要变量的信息。来自世界各地唇裂和/或腭裂发病率的公布数据存在较大差异。先前的研究揭示，非洲人口患病率最低，约为0.4/1000；在印度，该病在2007年至2011年的平均患病指数为0.398/1000。欧洲的发病率约为1/1000；亚洲和南美洲的发病率相对较高，约为2/1000。唇裂和/或腭裂在亚洲（尤其是中国和日本）出生时的发病率最高，中国是发病率较高的地区之一，约为1.663/1000。

预防和诊断唇腭裂所需要做的基因检测

非综合征型唇腭裂该如何进行基因检测？

口腔面裂（OFCs）通常与综合征性缺陷一起观察到，而综合征性缺陷往往由导致一个或多个基因功能丧失的突变和缺失引起。然而，更常见的是非综合征性口腔面裂，这些往往不可归因于单一易于识别的突变，而可能由许多不同的风险因素和基因变异控制，这些变异不导致功能丧失，也不会单独导致可观察的表型。因此，试图确定非综合征性裂缝的遗传原因在许多情况下都被证明是困难的，即使在评估同一基因组变异与OFCs的联系的研究中，结果也可能高度变异。这可能是由于患者群体之间的遗传背景差异、环境影响或实验技术和分析方法的差异所致。基因解码技术被发现在诊断这类唇腭裂时，比基于数据库比对的基因检测更为有效。

全基因组关联研究（GWAS）提供了一种无偏见的方法来识别遗传风险因素，并已进行了几项研究以确定与裂缝分离的基因组区域，大多数寻求与非综合征性唇腭裂（NSCL/P）最常见类型的OFCs的联系。许多早期的基因组扫描提供了与裂缝关联的暗示性证据，但未能建立全基因组显著性。然而，对包括这些早期研究数据的13项扫描的荟萃分析在当时证明了对9q21的最强大证据，因此在该位点的关键候选基因的连锁关系被评估，并报道了与patched（PTCH1）、受体酪氨酸激酶样孤儿受体2（ROR2）、转化生长因子-β受体1（TGFBR1）和forkhead box E1（FOXE1）的正相关。同一研究组于2009年进行的一项GWAS和精细映射也显示了FOXE1与NSCL/P的关联证据，这一点后来被多项其他研究加强，以及包括干扰素调节因子6（IRF6）所在的1q32等几个新位点，在重要的头颅面部调节因子中，这些位点此前已在定向研究中有所涉及，但未在基因组扫描中涉及。在此期间的几项其他GWAS也确定了其他与NSCL/P相关的重要位点，包括与基因荒漠中8q24.21基因组区域的强相关。虽然这个位点在NSCL/P中的作用还不完全清楚，但变异可能影响8q24上的转录因子c-MYC（MYC）的表达，该基因参与了头颅面部的发育。

2010年的一项全基因组关联研究发现与位于ventral anterior homeobox 1（VAX1）和骨形成蛋白调节因子noggin（NOG）附近标记的基因组关联，这些基因在随后的扫描中均得到了确认。肌节段家族转录因子（Msx）基因受Bmp信号调控，先前的定向研究已指出MSX1变异与非综合征性唇腭裂（NSCL/P）的病因有关，尽管尚未在全基因组关联研究中确认。VAX1是在头颅面部发育中起重要作用的转录因子，定向研究进一步加强了VAX1单核苷酸多态性与NSCL/P相关性的证据。另一项2010年的研究报道了与4个区域的关联，包括两个新位点，V-maf肌肉腱性纤维肉瘤致癌基因B（MAFB）和ATP结合盒亚家族A成员4（ABCA4），这些在复制研究中得到了确认。自那时以来，MAFB已在多个基因组扫描中被确认，而ABCA4变异可能通过改变同一位点上ARHGAP29的表达来促进NSCL/P的发生。早期鉴定的候选基因之一是转化生长因子-α（TGFA），但不一致的结果未能为其在OFCs中的作用提供强有力的证据。

2017年在中国人群中进行的一项GWAS和荟萃分析与NSCL/P联系起来了许多先前已知的基因以及几个新的位点。这些作者还进行了网络分析，描述了NSCL/P相关基因之间的相互作用，连接了几个调控唇腭融合的信号通路和转录因子。在这项研究中新发现的一个基因是转录因子AP-2α（TFAP2A），通过定向研究已被强烈推测为NSCL/P的一个强有力候选基因，基于其在动物OFC模型中的作用。识别到的信号通路基因包括多个FGF通路组分及其广泛的网络相互作用，包括FGF10、FGFR1受体和拮抗剂Sprouty 1和2（SPRY1/2），前三者均为新发现。还鉴定了Sonic hedgehog（SHH）和wingless-type MMTV integration site family（WNT）通路的成分，包括PTCH1和WNT9B，后者是一个重要的CL/P小鼠模型基因的同源物。许多先前与OFCs相关的基因也在Yu等人的研究中确认/识别，以及另一项最近进行的广泛GWAS。

TP63基因编码另一种与多种综合征相关的转录因子，其中可能包括OFCs。TP63是WNT信号通路的典型靶点，并且最近在GWA荟萃分析和外显子测序研究中被认为与NSCL/P有关。一项最近的研究首次发现了Pre-B细胞白血病家族盒1（PBX1）和PBX2突变与OFC的关联，并且还在PBX1和WNT9B之间，以及IRF6与PBX1、PBX2和TP63之间的基因-基因相互作用在NSCL/P的病因中发挥作用。这些发现与之前的研究结果一致，该研究将Pbx、p63和Irf6与动物模型中的Wnt信号通路在中面部发育中联系起来。

细胞外基质（ECM）在颅颜发育过程中的组织运动中扮演着许多重要角色，因此其功能与OFCs密切相关。ECM活性如何参与OFCs的机制将在一篇伴随审阅文章中详细讨论，尽管已有几个涉及ECM调控基因的研究与NSCL/P相关，包括基因组范围和有针对性的研究都指出了涉及laminin相关netrin 1（NTN1）的可能性。其他涉及细胞外基质重塑蛋白基因的可能与非综合征性OFCs相关的分子基因包括编码细胞外基质重塑蛋白质酶3和16（MMP3/16）、组织金属蛋白酶抑制剂2（TIMP2）以及ADAM金属蛋白酶与血栓素1型结构域20（ADAMTS20）。胶原基因COL4A3和COL4A4在3种人群的案例-父母三联体中与NSCL/P显示了连锁不平衡，而COL2A1和COL11A2在病例-对照基因分型研究中与NSCPO相关联。Fgf信号与ECM相互作用，在唇腭融合中起着关键作用。Notch信号也如此，多项研究将Notch配体基因jagged 2（JAG2）的多态性与非综合征性裂隙相关联。

环境暴露与OFCs密切相关。因此，许多编码与此类暴露相关的化学物质代谢或解毒酶的基因突变也可能促成裂隙的表现。维生素A/视黄酸代谢与信号传导对颅颜发育尤为重要，细胞代谢产物水平的偏差可能导致包括OFCs在内的先天缺陷。因此，几个与视黄酸活性相关的基因已与非综合征性裂隙相关联，包括视黄酸受体α（RARA），可能还包括ABC转运蛋白A4（ABCA4），它作为视黄酸的翻转酶型转运蛋白。

叶酸是合成甲硫氨酸及许多其他重要细胞化合物所需的关键维生素，饮食摄入不足可能导致OFCs。NSCL/P中研究最深入的基因之一编码叶酸代谢酶甲烯四氢叶酸还原酶（MTHFR），特别是母亲而不是胎儿的错义突变已被证明增加OFC风险。编码与叶酸/同型半胱氨酸代谢途径相关的其他多个酶的基因也与NSCL/P相关联，母系基因型的重要性类似，进一步证明了母亲的叶酸代谢在调节胎儿唇腭融合中的重要性。这些包括甲硫氨酸合成酶（MTR）、甲硫氨酸合成酶还原酶（MTRR）、甲烯四氢叶酸脱氢酶（MTHFD1）、还原叶酸载体1（SLC19A1）、甜菜碱-同型半胱氨酸甲基转移酶（BHMT），以及BHMT与二甲基甘氨酸脱氢酶（DMGDH）之间的基因-基因相互作用，DMGDH使用叶酸作为辅因子，在国际队列中显著增加了NSCL/P的风险。

脂质代谢在颅颜发育过程中扮演重要角色，并在动物模型中通过Tgf-β信号调节二次腭发育。已涉及与非综合征性裂隙研究相关的多个涉及脂质代谢的基因，包括脂肪酸水解酶和雄激素依赖性TFPI调节蛋白（ADTRP）、载脂蛋白C2（APOC2）和硬脂酸辅酶A去饱和酶5（SCD5），以及在寡硫脂蛋白酶1和2（PON1/2）变异之间的基因-基因相互作用已被确定对NSCL/P的风险有贡献。编码参与药物和环境毒素代谢酶的基因的变异也可能有助于形成OFCs，包括芳香烃受体核转运蛋白（ARNT）、酒精脱氢酶1C（ADH1C）和磺酸转移酶2A1（SULT2A1）。此外，研究探讨毒素代谢在OFC发育中的作用已经表明，基因与环境的相互作用对NSCL/P的风险有贡献，包括母体吸烟与胎儿谷胱甘肽S-转移酶T1（GSTT1）、芳香胺N-乙酰转移酶1（NAT1）和NAT2的变异之间的关联，以及母体职业化学物质暴露与胎儿NAT2和GSTM1变异之间的关联。
 

综合征性口颌裂的发生的基因原因揭密

虽然综合征性口颌裂（OFCs）更常见地归因于一种先天原因或破坏性基因，而非综合征性口颌裂（NSOFCs），但在确定潜在机制时也存在其他挑战。许多可能包括口颌裂的综合征性疾病在基因型和表型上是异质的，而且裂隙的表现与其他定义特征的结合在穿透性上也可能变化多端。对于许多综合征性疾病，裂隙较轻或不常见时，与OFC表型相关的潜在病因可能更难确定。通常存在多个致病基因和因素，特别是如果裂隙是次要特征而不是特定疾病研究的主要焦点，则特定基因在裂隙相关案例中的作用可能没有得到充分描述。此外，许多综合征由删除引起，这些删除会破坏多个基因，进一步复杂化特定位点与唇或腭融合之间的联系。然而，在许多情况下，如果有小组或个体患者的病例研究数据，通常更容易将口颌裂归因于特定破坏的基因或位点的作用。

范德Woude综合征（VWS）占据综合征性口颌裂最常见的形式，这些裂隙通常与非综合征性唇腭裂难以区分，但通常包括唇窝。大多数病例由IRF6基因突变引起，这些突变也与主导性跖膜翼状综合征（PPS）相关联，这种疾病影响皮肤和生殖器，并且经常包括CL/P。麦穗状头3（GRHL3）基因，一种表皮IRF6靶标，在一些未能确定IRF6致病变异的VWS病例中被鉴定为病因。细胞质IRF6与细胞骨架重塑和细胞粘附的调节因子非转移表达1（NME1）和NME2相互作用。IRF6 VWS突变中断了这种相互作用，最近在一个VWS患者中发现了NME1的错义突变，而在一个NSCL/P患者中鉴定了NME2的错义突变。

皮埃罗-罗宾序列（PRS）指的是一组特征性颅颜表型，通常一起观察到：舌后下垂、腭裂、微小颌骨和上呼吸道阻塞。存在多种潜在机制模型，腭缺陷似乎是次要影响，由于舌头和下颌位置改变而不是腭板（PS）本身的内在缺陷。主导模型建议，下颌发育不全导致高位、后位的舌头阻碍了PS的升起和上呼吸道。另一种模型则认为，子宫内下颌压迫可能限制其生长并改变舌头发育，同样阻碍了腭和上呼吸道。第三种模型表明，迟滞的神经肌肉发育减少了舌头刺激下颌和腭骨生长的能力，导致观察到的表型。这一序列通常作为更广泛综合征的一部分观察到，但并非总是如此。孤立的PRS已与SRY相关的高迁移性分子框9（SOX9）基因附近的突变相关联（Benko等人，2009年；Jakobsen等人，2007年）。SOX9突变还导致驼背畸形，影响骨骼和生殖发育，并可包括PRS（Foster等人，1994年；Wagner等人，1994年）。最近，报告了BMPR1B基因突变也是两个无关家族中PRS的原因。与包括裂隙的综合征相关的几个编码ECM成分和ECM相互作用蛋白的基因也有关联。Stickler综合征和相似的马歇尔综合征经常包括PRS，并且可以由多个胶原蛋白基因的突变引起，包括COL2A1、COL11A1、COL11A2、COL9A1、COL9A2以及胶原交联酶基因赖氧化酶样3（LOXL3）。迄今为止，在与裂隙相关的形式中已确定了COL2A1、COL11A1和LOXL3突变患者。Filamins参与细胞-ECM粘附，FLNA突变导致耳鼻腭数字综合征，其特征为腭裂，而糖脂肽基因GPC3与Simpson-Golabi-Behmel综合征伴CL/P有关。

Fgf信号通路在唇腭发育中起着重要作用，与口颌裂综合征相关的几种疾病可能由Fgf信号通路组分的突变引起。颅骨早期骨缝闭合引起的颅缝早闭综合征通常伴随口颌裂。这些综合征通常与改变的Fgf信号有关，特别是与FGFR2变异相关。阿佩尔综合征和克劳孔综合征都以颅缝早闭为特征，可能伴有腭裂，并且这两种综合征与FGFR2突变相关联。阿佩尔综合征是一种以颅骨早期骨缝闭合和指间膜粘连为特征的疾病，通常包括腭裂。在阿佩尔患者中，具有S252W置换突变（位于细胞外免疫球蛋白II和III区域之间的连接区域），裂隙最常见（约59%），这种突变消除了配体特异性并导致异位激活。另一种类型的FGFR2增功能突变引起克劳孔综合征，也常伴有腭裂，并且携带克劳孔突变的小鼠同样表现出腭裂。FGFR3突变也可以导致一种形式的克劳孔综合征，但是患有这种形式的患者不表现出口颌裂。然而，在墨西哥一个具有非典型颅骨早期骨缝闭合和软骨发育不全的家族中，已鉴定出FGFR3的错义突变，包括腭裂。Muencke综合征的患者偶尔也报道CLP或CPO，这是另一种由突变FGFR3引起的颅骨早期骨缝闭合。在特发性低促性腺激素性性腺功能减退症(IHH)和常染色体显性Kallmann综合征(伴有嗅闻功能缺失的IHH)患者中,已经确定了一些影响Fgf信号通路的致病性突变,可能会导致口腔面部裂解缺陷。FGFR1的突变与这两种综合征的某些形式相关,这些形式包括唇腭裂,最近的研究还将FGF8的突变与Kallmann综合征联系起来。

WNT信号通路也与综合征性裂解缺陷有关。在四肢缺失且伴有唇腭裂的患者中,发现了WNT3和WNT调节基因R-spondin 2 (RSPO2)的突变。Robinow综合征是一种影响肢体和生殖器发育的骨骼发育异常,其特征性颅面特征常包括唇腭裂或唇裂。它是由几种与非经典WNT信号通路相关的基因突变引起的。更严重的隐性形式与ROR2基因突变有关,而显性形式则由WNT5A、disheveled 1(DVL1)和DVL3等配体和信号传导分子的突变引起。

22q11.2缺失综合征,或称为面心畸形综合征,包括一系列与22号染色体缺失相关的疾病。它影响神经嵴细胞的发育,导致具有特征性颅面表型,包括唇裂。DiGeorge综合征患者具有相似的表型特征,但其致病突变映射到同一基因组区域,而非缺失该染色体带段。这些综合征受影响的区域包括T-box转录因子1(TBX1),可能就是导致相关颅面缺陷的基因,常见的缺陷包括从拱形腭垂或双阙舌到明显的唇裂的不同程度的腭裂。Opitz G/BBB综合征也可能包括唇腭裂或唇裂,分为X连锁和常染色体显性两种类型。然而,后一种类型被确定也是由22q11.2缺失引起的,而X连锁Opitz G/BBB综合征则由MID1和SPECCL1基因的突变引起。

全脑发育不全症以大脑前区未分化为两个半球为特征,常伴有中线颅面结构缺陷。近年来发现,编码辛眼睛同源异源转录因子SIX3及Nodal/TGF-β调节因子转化生长相互作用因子(TGIF1)的基因突变会导致伴有唇腭裂的全脑发育不全症。此外,Hedgehog信号通路对颅面模式形成至关重要,该通路中的几个基因的突变如SHH、PTCH1和胶质细胞促分裂原癌基因2(GLI2)均与伴有唇腭裂的全脑发育不全症有关。PTCH1突变还会导致囊肿性纤维化颅面型基底细胞癌综合征(也称为Gorlin-Goltz综合征),该综合征常伴有口腔面部裂解缺陷。
 

唇腭裂的致病基因鉴定基因检测为什么选择基于全外显子测序的基因解码基因检测更准确？

选择基于全外显子测序(whole exome sequencing, WES)的基因检测解码对于唇腭裂的致病基因鉴定更为准确,主要有以下几个原因:

全面性

人类基因组中只有约1.5%的序列编码蛋白质,这部分区域被称为外显子。许多与唇腭裂相关的遗传突变都位于外显子区域。WES能够对所有已知的编码区域进行测序,从而有效检测到这些致病突变。

高效率

相比于对整个基因组进行测序,WES只需要测序外显子区域,数据量相对较少,分析也更高效。这降低了成本并缩短了周期。

较高的突变检出率

由于WES侧重于编码区,对这些功能区域有较高的测序深度和覆盖度,从而能够更好地检测出罕见和临床相关的编码区变异,包括单核苷酸变异和小插入缺失等。

与表型相关性更强

编码区变异通常与疾病的表型和致病机理关系更为直接,因此WES数据对于解释唇腭裂等复杂疾病的遗传学基础更具优势。

参考数据库和分析流程较为成熟

由于WES技术的广泛应用,目前已经积累了大量的人群基因组数据、注释信息和分析流程,有助于对检出的变异进行解读和分类。

总之,与全基因组测序相比,WES在鉴定唇腭裂等肢体缺陷的潜在致病基因时具有更高的效率和准确性,是目前更为推荐的分子诊断策略之一。