技术升级 | 华大基因高深度全基因组检测助力临床精准诊断
编者语:
19年前，中美英日德法６国联合宣布人类基因组工作框架图绘制完成，与曼哈顿原子弹工程、阿波罗登月计划并称为20世纪人类三大科学工程的伟大计划，取得了里程碑式的成果。今年是中国参与“人类基因组计划”20周年，也是华大成立20周年，正如华大集团首席执行官、执行董事、华大研究院院长徐讯在世界经济论坛 (World Economic Forum) 官网上发表的《We are witnessing a revolution in genomics-and it's only just begun》所述——“基因组作为生命信息的基础，在人类的健康管理、疾病诊断和治疗中发挥着非常重要的作用。”
随着高通量测序技术的发展及基因组测序成本的不断下降，全基因组检测 (Whole Genome Sequencing, WGS) 的应用逐渐从科学研究转向了临床应用，全基因组检测技术在孕前、产前及遗传病辅助诊断中的应用也在不断深入。在《全基因组测序在遗传病检测中的临床应用专家共识》的基础上，华大基因从基因组全视角维度进一步实现高深度全基因组检测技术在遗传病辅助诊断的应用，对包括染色体病、线粒体病、单基因病等在内的各类遗传病进行一站式检测和分析，进一步助力我国精准医学的发展。
未来已来 | 全基因组检测技术逐步迈入临床
全基因组检测已成为目前科研常用技术手段，应用全基因组测序技术发表的相关科研文章数目已经超过23000+篇，相当于从2001年人类基因组草图发布至今，平均每年都有超过1200+篇WGS相关文章发表。
PubMed上“Whole Genome Sequecing”检索文章达23,351篇
2019年2月4日，美国贝勒医学院推出了临床全基因组检测产品，可以检测点突变 (SNV) 、大片段缺失重复 (CNV) 及染色体结构变异 (SV) ，目前尚未加入线粒体基因检测。
2019年5月25日，在上海举办的第九届中国胎儿医学大会上，《专题6：全外显子组/全基因组技术在孕前、产前及NICU中应用》现场，大部分与会的专家学者一致认为全基因组检测技术在临床的应用是大势所趋。
2019年6月，《全基因组测序在遗传病检测中的临床应用专家共识》在《中华儿科杂志》上刊出，明确介绍了全基因组测序在临床应用的重要性及技术规范[1]。
《全基因组测序在遗传病检测中的临床应用专家共识》
助力临床诊断 | 全基因组检测技术优势凸显
在检测范围方面，对比全外显子组、线粒体全基因组、染色体微阵列分析 (Chromosomal Microarray Analysis, CMA) 、片段分析 (Fragment Analysis, FA) 、低深度全基因组测序 (CNV-Seq) 等多项检测技术，全基因组测序的优势显著，针对复杂疾病，能有效缩短临床诊断周期，降低了综合诊疗费用。
表1.全基因组检测技术与其他技术在变异检出能力的对比
据文献报道，针对不同系统疾病，全基因组测序 (WGS) 对比全外显子测序 (WES) 、Panel、CMA等检测具有更高的检出率[2-4]，比如神经系统疾病[5-7]、心血管系统疾病[8]、消化系统疾病[8]、代谢系统疾病[9]、呼吸系统疾病[3]、视觉系统疾病[4,10]、骨骼系统疾病[3, 11,12]、先天性多系统发育异常[3,13]等。
表2. 不同疾病系统的测序方法比较
WGS检测技术也有不适用的疾病类型，例如 ①目标疾病致病基因的相当一部分变异类型不在 WGS检测范围，例如Beckwith‑Wiedemann综合征等基因印迹疾病；②目标疾病致病基因存在同源区域等情况，如先天性肾上腺皮质增生 (CYP21A2 基因相关) 等[1]。
技术升级 | 高深度全基因组检测临床应用
高深度全基因组检测，通过高通量测序平台对受检者血液或其他组织来源的基因组DNA进行高深度全基因组测序及变异检测，并采用华大自主开发的全基因组分析流程，可解决常规测序的SNP和INDEL分析，还可对线粒体突变、染色体数目异常、拷贝数变异、单亲二倍体等染色体水平变异进行检测，对地中海贫血、脊髓性肌萎缩症 (SMA) 等由于同源序列干扰常规流程而无法准确检测的变异类型也可同时检测，实现一次性解决大部分变异类型，可提高遗传病患者检出率。
技术参数：
去重后深度 ≥ 40X
20X覆盖度 ≥ 95%
线粒体2000X覆盖度 ≥ 95%
今年6月发表的《全基因组测序在遗传病检测中的临床应用专家共识》指出，“以NGS技术为主的高覆盖度WGS (通常>40X) 在遗传病临床诊断性检测中的应用，主要针对符合孟德尔遗传规律的基因或基因组疾病。”[1]
根据华大基因标准品研究测试发现，覆盖度>40X，针对SNP及INDEL的检测综合灵敏性、特异性及准确性才能较好的满足临床检验的需求 (>95%)。
WGS测序深度与SNP / INDEL检出
敏感性、特异性、准确性指标 (标准品模拟样本)
解读规范：
高深度全基因组检测依据《临床基因检测报告规范与基因检测行业共识探讨》及T/SZGIA 4—2018团体标准进行数据解读和报告出具，解读规则完全遵守ACMG指南，同时整合华大自主构建的遗传病数据库，标准化疾病背景、去除高频变异、关联已知致病突变，真正解决WGS数据量大、解读难以标准化的问题。
资质认证：
寄 语
在过去的几十年中，随着基因科技与临床应用的发展，越来越多的单基因遗传病得以发现。根据OMIM数据库显示，目前明确的单基因病已超过8000种[14]。单基因病虽然罕见，但综合发病率为1/100[15]。在各种出生缺陷中，单基因病比例高达22.2%[16]。
目前临床上已经广泛应用全外显子测序技术辅助遗传病诊断，但全外显子组只包含基因组的编码部分，仅占整个基因组信息的1-2%[17]。随着科学研究的深入，科学家越来越认识到人类DNA中非编码区所含信息的重要性，包括重复和同源区域对mRNA转录和结构的影响[18]。此外，全基因组检测技术还具有测序均一度更好、可以一次性检测多种类型的变异 (点突变、大片段插入缺失、动态突变、染色体结构异常、线粒体基因变异) 等特点，因此，全基因组检测技术在临床必会有广阔的应用前景。
推动全基因组检测技术在临床更广泛的应用，不仅可以提高临床疑难案例的检出率、有效缩短临床诊断周期、为临床危重症遗传病患者提供更快、更全面的检测方案并提早制定治疗策略，满足临床对各类遗传病辅助诊断的要求，还为进一步的科研发掘提供了更多可能，以期推进遗传病精准诊断的发展，为实现我国出生缺陷防控目标贡献科技的力量。
参考文献：
1. 全基因组测序在遗传病检测中的临床应用专家共识. 中华儿科杂志2019年6月第57卷第6期. Chin J Pediatr，June2019, Vol.57, No.6.
2. Zhou, B. et al. Whole-genome sequencing analysis of CNV using low-coverage and paired-end strategies is efficient and outperforms array-based CNV analysis. J Med Genet 55, 735-743, doi:10.1136/jmedgenet-2018-105272 (2018) .
3.Lionel, A. C. et al. Improved diagnostic yield compared with targeted gene sequencing panels suggests a role for whole-genome sequencing as a first-tier genetic test. Genet Med 20, 435-443, doi:10.1038/gim.2017.119 (2018) .
4. Carss, K. J. et al. Comprehensive Rare Variant Analysis via Whole-Genome Sequencing to Determine the Molecular Pathology of Inherited Retinal Disease. Am J Hum Genet 100, 75-90, doi:10.1016/j.ajhg.2016.12.003 (2017) .
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6. Cassini, T. A. et al. Whole genome sequencing reveals novel IGHMBP2 variant leading to unique cryptic splice-site and Charcot-Marie-Tooth phenotype with early onset symptoms. Mol Genet Genomic Med 7, e00676, doi:10.1002/mgg3.676 (2019) .
7. Lupski, J. R. et al. Whole-genome sequencing in a patient with Charcot-Marie-Tooth neuropathy. N Engl J Med 362, 1181-1191, doi:10.1056/NEJMoa0908094 (2010) .
8. Bagnall, R. D. et al. Whole Genome Sequencing Improves Outcomes of Genetic Testing in Patients With Hypertrophic Cardiomyopathy. J Am Coll Cardiol 72, 419-429, doi:10.1016/j.jacc.2018.04.078 (2018) .
9.Belkadi, A. et al. Whole-genome sequencing is more powerful than whole-exome sequencing for detecting exome variants. Proc Natl Acad Sci U S A 112, 5473-5478, doi:10.1073/pnas.1418631112 (2015) .
10.Ellingford, J. M. et al. Whole Genome Sequencing Increases Molecular Diagnostic Yield Compared with Current Diagnostic Testing for Inherited Retinal Disease. Ophthalmology 123, 1143-1150, doi:10.1016/j.ophtha.2016.01.009 (2016) .
11.Chopra, S. S. et al. Inherited CHST11/MIR3922 deletion is associated with a novel recessive syndrome presenting with skeletal malformation and malignant lymphoproliferative disease. Mol Genet Genomic Med 3, 413-423, doi:10.1002/mgg3.152 (2015) .
12.Falardeau, F., Camurri, M. V. & Campeau, P. M. Genomic approaches to diagnose rare bone disorders. Bone 102, 5-14, doi:10.1016/j.bone.2016.07.020 (2017) .
13.Willig, L. K. et al. Whole-genome sequencing for identification of Mendelian disorders in critically ill infants: a retrospective analysis of diagnostic and clinical findings. Lancet Respir Med 3, 377-387, doi:10.1016/S2213-2600 (15) 00139-3 (2015) .
14. http://www.omim.org/statistics/entry
15.http://www.who.int/genomics/public/geneticdiseases/en/index2.html
16. March of Dimes, Global Report on Birth Defects 2006.
17.Liang WS, Stephenson K, Adkins J, Christofferson A, et al. Whole Exome Library Construction for Next Generation Sequencing. Methods Mol Biol. 2018;1706:163-174. doi: 10.1007/978-1-4939-7471-9_9.
18. Kmoch S, Zeman J. Modern methods in diagnostics and research of molecular bases of rare diseases. Cas Lek Cesk. Summer 2018;157 (3) :133-136.