使用NGS技术寻找遗传疾病的致病基因

       人类遗传疾病的研究核心是基因组。新一代测序（NGS）是一个功能强大的平台，可以同时对数千到数百万个DNA分子进行测序，是大规模平行或深度测序DNA测序技术，该技术彻底改变了基因组研究。使用NGS，可以在一天内对整个人类基因组进行测序。借助NGS技术，研究者可快速准确地找到和疾病相关的基因序列和／或结构的异常改变，从而确定致病基因和致病变异。当前，利用NGS技术研究遗传疾病的主要技术策略包括外显子组测序、目标区域重测序以及全基因组重测序。

基因检测

     高通量平行测序技术在一次运行即可以产生数亿个短片段测序序列,即使如此，实现全基因组水平测序仍然成本较高，大规模化的开展尚不成熟。外显子组测序是指利用DNA序列捕获或者靶向多重扩增技术将人类基因组外显子区域的DNA富集，再进行测序的一种基因组分析方法。尽管外显子组测序不能发现基因非编码区中的潜在致病位点，但它仍是探寻单基因遗传病，甚至复杂遗传疾病的有效手段之一。其主要原因包括：第一，蛋白质编码区域的定位克隆研究已经被认为是研究单基因遗传病的有效手段；第二，已发现的孟德尔式疾病的致病变异约有85%位于基因的蛋白质编码区域；第三，氨基酸序列改变的罕见变异常可能对蛋白质的功能产生较大影响。综上，占人类基因组<2%的外显子组目前被认为是寻找单基因遗传病致病变异的理想区域。外显子组测序技术也因此在2010年被Science杂志评为年度十大科学突破之一。目前主流的外显子组捕获方法包括Illumina公司的Nextera快速捕获外显子试剂盒、Thermo Fisher公司的Ion Ampliseq外显子组试剂盒、Roche NimbleGen公司的SeqCap EZ人类外显子库和Agilent公司的SureSelect外显子靶向序列富集系统。

目标区域重测序(targeted re-sequencing)

     目标区域重测序是指通过靶区域捕获或扩增的方法富集感兴趣的目标区域或基因，然后进行高通量测序。在全基因组测序和外显子组测序成本相对较高的时期，目标区域重测序可提供另一种廉价、高效的选择。目标区域重测序的关键技术在于将待测区域或基因捕获。目前主要有两种方法：一种是基于杂交的方法。无论是基于芯片杂交捕获，还是基于液态杂交捕获，该方法对起始DNA量要求较大。另外一种是基于PCR(聚合酶链式反应)的方法。该方法的优点是特异性和灵敏度高，对起始DNA量要求较少。基于这两种方法，许多公司已开发出用于捕获某些遗传疾病致病基因以及可以个性化定制目标区域的重测序方案。Thermo Fisher公司的Ion ArnpliSeq，通过突破多重PCR的常见障碍，搭建了一个开放性的稳定流程。其针对遗传病设计的Ion AmpliSeq Inherited Disease Panel，利用3个引物池共超过1万对引物，扩增与超过700种遗传病相关的328个基因的外显子区域，包括心血管疾病和遗传代谢类疾病和发育性疾病等。目标区域重测序有助于超大规模和极低成本筛查感兴趣疾病的致病基因，特别在临床诊断方面已显现出巨大潜力。

全基因组重测序

      NGS的发展以及测序成本的降低，极大地增加了人们对人类全基因组测序的能力。现阶段全基因组测序的费用仍然相对较高，外显子组测序和目标区域重测序作为一种替代方法在临床和科研领域推广较大，但以上两种技术上的固有缺陷，使得其只能获得基因外显子内部和边界很小一段区域的变异信息，而对于发生在非编码区的DNA变异则束手无策。而且，此类方法不能检测基因组内片段较大的结构变异。全基因组重测序( whole genome re-sequencing)是对基因组序列已知的物种进行测序，并以此为基础进行个体甚至群体水平的遗传信息分析。利用全基因组重测序技术，医学工作者或科学研究者可以获取最全的基因组信息、筛查遗传改变（如SNP、CNV、Indels和结构变异等）、实现遗传变异分析和预测。随着NGS费用的逐年降低，通过全基因组重测序绘制个人全基因组图谱的成本也将越来越低廉，相应的个体化医疗时代也随之来临。测序技术的快速发展，已使得全基因组重测序逐渐成为临床检测和疾病研究领域的有效方法。