个人基因组大显身手
人类基因组计划完成之后，基因研究的方向转到个人基因组的研究上来。迄今，研究人员已经为一些具体的个人描绘了他们的基因组，例如美国的基因专家克雷格·文特尔、1962年诺贝尔医学奖得主詹姆斯·沃森和一位中国人(暂未透露姓名)。现在，美国一对孪生兄妹诺亚和亚历克茜的个人基因组也被描绘出来。
从个人基因组查病因
个人基因组是否有用，用处何在？首先，个人基因组可以确定一个人来自何方，也会揭示人的进化历程。其次，个人基因组对于治疗疾病和保健有重要作用。
今天，诺亚和亚历克茜的基因组描绘就体现了个人基因组的一个重大作用—治病救人。因为这对孪生兄妹的基因组为治疗他们的疾病提供了线索和方法，让他们恢复了健康。这是今天个人全基因组测序的一个巨大成就。
诺亚和亚历克茜是双胞胎兄妹。两年前，13岁的亚历克茜患了一种疾病，会因咳嗽和难以呼吸而猝死。她的父母非常担心，因此在她的屋子安装了一个婴儿监控器，以便能确认她在晚上还活着。亚历克茜常常剧烈咳嗽并呕吐，而且持续时间长。每天她不得不靠注射肾上腺素来维持呼吸。医生也不能确诊她的病因究竟是什么。
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亚历克茜所患的疾病并非只是咳嗽和呼吸困难，她还患有更严重的疾病，而且是兄妹俩都有病。他们从小就被诊断患有一种遗传病，称为多巴反应性肌张力障碍(DRD)。这是种具有独特临床表现的遗传性运动障碍性疾病，呈常染色体显性或隐性遗传，患病后，会导致人的行动异常。
亚历克茜幼年时表现出严重的咳嗽和呼吸困难时，家人和医生并没有把她的这些症状与多巴反应性肌张力障碍联系起来，因为这似乎是毫不相关的两种疾病。但是，由于亚历克茜的父母都从事的是生物医学信息和基因测序的工作，因而怀疑亚历克茜的病与遗传有关。亚历克茜的父亲乔是加利福尼亚州一家生命技术公司的信息主管，乔的公司与美国休斯敦贝勒医学院人类基因组测序中心有合作关系。于是，乔和妻子雷塔达成一致意见，请贝勒医学院人类基因组测序中心为兄妹俩进行个人基因组测序。该中心主任理查德·吉布斯等人为亚历克茜和诺亚进行了全基因组测序。
复杂的病因
理查德·吉布斯等人对这对双胞胎进行全基因组测序后，把他们的基因组与其父母的基因组进行了对比，发现了三个可能是致病原因的基因。但是最终确认致病基因是这对双胞胎携带的一种叫做墨蝶呤还原酶(SPR)的突变基因。如果这一基因突变，会诱发多巴反应性肌张力障碍。
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亚历克茜和诺亚两人都继承了墨蝶呤还原酶基因的两个变异副本。一个副本来自母亲，另一个来自父亲。来自母亲的基因突变是无义突变，即无法从信使RNA那里读取到生成正常蛋白墨蝶呤还原酶的信息。而来自父亲的基因突变是错义突变，这会导致基因编码的改变，从而引起蛋白质的性质改变。而且，墨蝶呤还原酶基因发生变异后不仅会导致体内多巴胺的减少，也会导致其他两种神经递质—五羟色胺和去甲肾上腺素的减少或缺失。这些神经递质的缺乏便导致了亚历克茜和诺亚的行为异常。
痛苦的治疗的历程
亚历克茜和诺亚出生于1996年，在他们出生后不久，比里夫妇就感觉孩子的行为举止有些异常。比如，亚历克茜和诺亚会产生腹绞痛，一天要呕吐好几次。
在亚历克茜和诺亚两岁时，情况更是糟透。他们被诊断为脑性瘫痪，后来证明这是一次误诊。父母对他们投入了更多的精力和时间进行治疗。治疗也获得了一定疗效，这对双胞胎的病情似乎得到了控制。然而，在5岁半的时候，双胞胎的病情又开始恶化。亚历克茜的眼珠开始上翻，手也无法正常下垂；诺亚则是一天24小时不断呕吐。他们甚至无法像正常人一样走路、说话。
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为了彻底治愈两兄妹的病，母亲雷塔在网上查阅了大量信息，得知这种病类似濑川病，实际上就是多巴反应性肌张力失常。这种病也有好几个名称，如遗传性进行性肌张力失常(HPD)、濑川病、多巴反应性波动性肌张力失常、少年遗传性肌张力失常-帕金森症等。这种病最初的症状是马蹄内翻足和由于下肢肌张力不全造成的步态异常。随着病情的加重，患者还会出现四肢僵硬，运动迟缓，面无表情，半数病人出现震颤。有些患者仅在午后有行走困难和疲劳感，写字握笔略久会产生书写痉孪。
2001年，雷塔送亚历克茜和诺亚到美国密歇根大学神经学教授约翰·芬克那里就诊，后者诊断兄妹俩患的就是多巴反应性肌张力障碍。也因此对兄妹俩对症治疗使用了小剂量的治疗多巴反应性肌张力障碍的药物—左旋多巴。治疗后一年，兄妹俩的症状缓和了许多，他们也能像正常孩子一样上学和玩耍，还能参加体育活动，如踢足球和跑步等。
然而，2009年亚历克茜的呼吸困难复发，而且变得越来越严重。最终她不得不放弃了她热爱的体育活动。由于亚历克茜的呼吸问题变得越来越严重，护理人员曾两次来到家里监护她。随着她的呼吸能力变得越来越弱，母亲雷塔再次寻找治疗方法。尽管诺亚的病情不像亚历克茜那么糟糕，但也令人担忧。最后，通过个人全基因组测序，终于找到了致病基因。
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此后，负责治疗亚历克茜和诺亚的是加州圣地亚哥市雷迪儿童医院的神经科医师詹妮弗·弗里德曼博士。在用新方法进行治疗后一个月，亚历克茜的呼吸功能得到了很大改善，能自主呼吸，不憋气了，而且能参加田径和球类运动。而诺亚的行为举动也改善了不少，他的书写得到了改善，也能够在学校集中精力学习。对此，他们的母亲雷塔万分激动和高兴，认为是基因组测序挽救了她女儿和儿子的生命。
从个人基因组到外显子测序
通过个人基因组检测而获得了对亚历克茜和诺亚的有效治疗方法，这是个人基因组检测应用于临床的一个重大突破。当然，类似多巴反应性肌张力障碍的遗传病只是一种罕见的疾病，美国流行病学调查发现，遗传性特发性肌张力障碍的发病率为1/4万，异常基因的携带者约1/200。因此，从遗传上查出病因并治疗这类疾病是一种可行的方法。
但是，个人基因组检测是否可以应用到一些更为广泛发病的疾病上呢？例如广泛危及人们的癌症和心脑血管病。答案是肯定的。个人基因组检测已经用于指导癌症和心脑血管病的治疗，但是，由于癌症和心脑血管病都是多基因致病，因而个人基因组检测的优势还难以发挥出来。因为筛查多种致病基因是一件比较复杂的工作，目前的进展还比较缓慢。
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目前个人基因组检测最适用于那些单基因致病的疾病，如反应性肌张力障碍、囊性纤维化、镰状细胞病等。这些罕见的遗传病一般都可以查找到明确的单个致病基因。但是，另一个矛盾之处是，在应对癌症和心脑血管病这些普通病方面，研究人员会获得更多的研究基金，而罕见的遗传病方面获得的基金会较少。这也给诊治罕见遗传病带来困难。所以，个人基因组检测尽管有优势，但相对而言，目前还难以在临床上普及。
尽管个人基因组测序是一个及早正确诊断疾病的好方法，但是，在能够广泛运用前，还必须降低费用。现在，测定一个人的基因组是1万美元，这对于很多人来说都是无法负担的。如果能降低费用，让更多的人使用得起，那么，在未来三四年内，90%的单基因缺陷导致的疾病都可以采用这种方法来准确诊断，并能找到适宜的治疗方式。
不过，现在有一种经过改进的外显子检测技术，可能比个人全基因组测序更管用。外显子是基因组中担当蛋白质编码的极小部分，仅占整个基因组的1%左右，而且外显子区域包含着合成蛋白质所需要的信息，涵盖了与个体基因表型相关的大部分功能性变异，同时外显子区域是目前基因组中被研究得最为成熟的一部分，使得研究人员能够对发现的变异基因进行解释和功能分析。
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另外，由于人类的单基因遗传病都表现出孟德尔遗传模式，遗传到后代时是呈自由组合规律。所以，可通过分析遗传标记的遗传模式来定位致病基因。但是，如果患者亲属有限，或者突变是自发出现的，那么这种所谓的连锁分析就不管用。因此，对于7000种已知或可疑的孟德尔疾病，不到一半能够查找到致病基因。但是，如果采用外显子测序，就会找到突变基因，从而确定病根。
采用外显子组测序，会比全基因组测序更经济、高效，投入相对较低的费用即能得到基因编码区的数据，也容易找到致病易感基因。2009年9月，华盛顿大学的杰·申杜雷等人对4名弗-谢二氏综合征患者的外显子组进行了测序，找到了致病基因。他们还将这种方法应用在米勒综合征上，也发现了患者的致病基因。由于外显子测序比个人全基因组测序更省时省力，美国《科学》杂志将其评为2010年十大科学突破之一。
现在，外显子测序可用于查找脑癌、肝癌、胰腺癌、结肠癌、卵巢癌、膀胱癌、心脏病、糖尿病、肥胖症、自闭症以及其他遗传疾病的致病基因或易感基因。因此，未来如果外显子组测序和全基因组测序的费用都能降到1000美元以下，那么，这两种测序方式就可能成为诊治疾病的常规手段。
【责任编辑】张田勘, http://www.100md.com(王小莜)
从个人基因组查病因
个人基因组是否有用，用处何在？首先，个人基因组可以确定一个人来自何方，也会揭示人的进化历程。其次，个人基因组对于治疗疾病和保健有重要作用。
今天，诺亚和亚历克茜的基因组描绘就体现了个人基因组的一个重大作用—治病救人。因为这对孪生兄妹的基因组为治疗他们的疾病提供了线索和方法，让他们恢复了健康。这是今天个人全基因组测序的一个巨大成就。
诺亚和亚历克茜是双胞胎兄妹。两年前，13岁的亚历克茜患了一种疾病，会因咳嗽和难以呼吸而猝死。她的父母非常担心，因此在她的屋子安装了一个婴儿监控器，以便能确认她在晚上还活着。亚历克茜常常剧烈咳嗽并呕吐，而且持续时间长。每天她不得不靠注射肾上腺素来维持呼吸。医生也不能确诊她的病因究竟是什么。
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亚历克茜所患的疾病并非只是咳嗽和呼吸困难，她还患有更严重的疾病，而且是兄妹俩都有病。他们从小就被诊断患有一种遗传病，称为多巴反应性肌张力障碍(DRD)。这是种具有独特临床表现的遗传性运动障碍性疾病，呈常染色体显性或隐性遗传，患病后，会导致人的行动异常。
亚历克茜幼年时表现出严重的咳嗽和呼吸困难时，家人和医生并没有把她的这些症状与多巴反应性肌张力障碍联系起来，因为这似乎是毫不相关的两种疾病。但是，由于亚历克茜的父母都从事的是生物医学信息和基因测序的工作，因而怀疑亚历克茜的病与遗传有关。亚历克茜的父亲乔是加利福尼亚州一家生命技术公司的信息主管，乔的公司与美国休斯敦贝勒医学院人类基因组测序中心有合作关系。于是，乔和妻子雷塔达成一致意见，请贝勒医学院人类基因组测序中心为兄妹俩进行个人基因组测序。该中心主任理查德·吉布斯等人为亚历克茜和诺亚进行了全基因组测序。
复杂的病因
理查德·吉布斯等人对这对双胞胎进行全基因组测序后，把他们的基因组与其父母的基因组进行了对比，发现了三个可能是致病原因的基因。但是最终确认致病基因是这对双胞胎携带的一种叫做墨蝶呤还原酶(SPR)的突变基因。如果这一基因突变，会诱发多巴反应性肌张力障碍。
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亚历克茜和诺亚两人都继承了墨蝶呤还原酶基因的两个变异副本。一个副本来自母亲，另一个来自父亲。来自母亲的基因突变是无义突变，即无法从信使RNA那里读取到生成正常蛋白墨蝶呤还原酶的信息。而来自父亲的基因突变是错义突变，这会导致基因编码的改变，从而引起蛋白质的性质改变。而且，墨蝶呤还原酶基因发生变异后不仅会导致体内多巴胺的减少，也会导致其他两种神经递质—五羟色胺和去甲肾上腺素的减少或缺失。这些神经递质的缺乏便导致了亚历克茜和诺亚的行为异常。
痛苦的治疗的历程
亚历克茜和诺亚出生于1996年，在他们出生后不久，比里夫妇就感觉孩子的行为举止有些异常。比如，亚历克茜和诺亚会产生腹绞痛，一天要呕吐好几次。
在亚历克茜和诺亚两岁时，情况更是糟透。他们被诊断为脑性瘫痪，后来证明这是一次误诊。父母对他们投入了更多的精力和时间进行治疗。治疗也获得了一定疗效，这对双胞胎的病情似乎得到了控制。然而，在5岁半的时候，双胞胎的病情又开始恶化。亚历克茜的眼珠开始上翻，手也无法正常下垂；诺亚则是一天24小时不断呕吐。他们甚至无法像正常人一样走路、说话。
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为了彻底治愈两兄妹的病，母亲雷塔在网上查阅了大量信息，得知这种病类似濑川病，实际上就是多巴反应性肌张力失常。这种病也有好几个名称，如遗传性进行性肌张力失常(HPD)、濑川病、多巴反应性波动性肌张力失常、少年遗传性肌张力失常-帕金森症等。这种病最初的症状是马蹄内翻足和由于下肢肌张力不全造成的步态异常。随着病情的加重，患者还会出现四肢僵硬，运动迟缓，面无表情，半数病人出现震颤。有些患者仅在午后有行走困难和疲劳感，写字握笔略久会产生书写痉孪。
2001年，雷塔送亚历克茜和诺亚到美国密歇根大学神经学教授约翰·芬克那里就诊，后者诊断兄妹俩患的就是多巴反应性肌张力障碍。也因此对兄妹俩对症治疗使用了小剂量的治疗多巴反应性肌张力障碍的药物—左旋多巴。治疗后一年，兄妹俩的症状缓和了许多，他们也能像正常孩子一样上学和玩耍，还能参加体育活动，如踢足球和跑步等。
然而，2009年亚历克茜的呼吸困难复发，而且变得越来越严重。最终她不得不放弃了她热爱的体育活动。由于亚历克茜的呼吸问题变得越来越严重，护理人员曾两次来到家里监护她。随着她的呼吸能力变得越来越弱，母亲雷塔再次寻找治疗方法。尽管诺亚的病情不像亚历克茜那么糟糕，但也令人担忧。最后，通过个人全基因组测序，终于找到了致病基因。
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此后，负责治疗亚历克茜和诺亚的是加州圣地亚哥市雷迪儿童医院的神经科医师詹妮弗·弗里德曼博士。在用新方法进行治疗后一个月，亚历克茜的呼吸功能得到了很大改善，能自主呼吸，不憋气了，而且能参加田径和球类运动。而诺亚的行为举动也改善了不少，他的书写得到了改善，也能够在学校集中精力学习。对此，他们的母亲雷塔万分激动和高兴，认为是基因组测序挽救了她女儿和儿子的生命。
从个人基因组到外显子测序
通过个人基因组检测而获得了对亚历克茜和诺亚的有效治疗方法，这是个人基因组检测应用于临床的一个重大突破。当然，类似多巴反应性肌张力障碍的遗传病只是一种罕见的疾病，美国流行病学调查发现，遗传性特发性肌张力障碍的发病率为1/4万，异常基因的携带者约1/200。因此，从遗传上查出病因并治疗这类疾病是一种可行的方法。
但是，个人基因组检测是否可以应用到一些更为广泛发病的疾病上呢？例如广泛危及人们的癌症和心脑血管病。答案是肯定的。个人基因组检测已经用于指导癌症和心脑血管病的治疗，但是，由于癌症和心脑血管病都是多基因致病，因而个人基因组检测的优势还难以发挥出来。因为筛查多种致病基因是一件比较复杂的工作，目前的进展还比较缓慢。
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目前个人基因组检测最适用于那些单基因致病的疾病，如反应性肌张力障碍、囊性纤维化、镰状细胞病等。这些罕见的遗传病一般都可以查找到明确的单个致病基因。但是，另一个矛盾之处是，在应对癌症和心脑血管病这些普通病方面，研究人员会获得更多的研究基金，而罕见的遗传病方面获得的基金会较少。这也给诊治罕见遗传病带来困难。所以，个人基因组检测尽管有优势，但相对而言，目前还难以在临床上普及。
尽管个人基因组测序是一个及早正确诊断疾病的好方法，但是，在能够广泛运用前，还必须降低费用。现在，测定一个人的基因组是1万美元，这对于很多人来说都是无法负担的。如果能降低费用，让更多的人使用得起，那么，在未来三四年内，90%的单基因缺陷导致的疾病都可以采用这种方法来准确诊断，并能找到适宜的治疗方式。
不过，现在有一种经过改进的外显子检测技术，可能比个人全基因组测序更管用。外显子是基因组中担当蛋白质编码的极小部分，仅占整个基因组的1%左右，而且外显子区域包含着合成蛋白质所需要的信息，涵盖了与个体基因表型相关的大部分功能性变异，同时外显子区域是目前基因组中被研究得最为成熟的一部分，使得研究人员能够对发现的变异基因进行解释和功能分析。
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另外，由于人类的单基因遗传病都表现出孟德尔遗传模式，遗传到后代时是呈自由组合规律。所以，可通过分析遗传标记的遗传模式来定位致病基因。但是，如果患者亲属有限，或者突变是自发出现的，那么这种所谓的连锁分析就不管用。因此，对于7000种已知或可疑的孟德尔疾病，不到一半能够查找到致病基因。但是，如果采用外显子测序，就会找到突变基因，从而确定病根。
采用外显子组测序，会比全基因组测序更经济、高效，投入相对较低的费用即能得到基因编码区的数据，也容易找到致病易感基因。2009年9月，华盛顿大学的杰·申杜雷等人对4名弗-谢二氏综合征患者的外显子组进行了测序，找到了致病基因。他们还将这种方法应用在米勒综合征上，也发现了患者的致病基因。由于外显子测序比个人全基因组测序更省时省力，美国《科学》杂志将其评为2010年十大科学突破之一。
现在，外显子测序可用于查找脑癌、肝癌、胰腺癌、结肠癌、卵巢癌、膀胱癌、心脏病、糖尿病、肥胖症、自闭症以及其他遗传疾病的致病基因或易感基因。因此，未来如果外显子组测序和全基因组测序的费用都能降到1000美元以下，那么，这两种测序方式就可能成为诊治疾病的常规手段。
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