【成功案例】云平台助力解析单侧眼组织缺损和视网膜裂症的家族遗传原因

Unraveling the genetic cause of a consanguineous family with unilateral coloboma and retinoschisis: expanding the phenotypic variability of RAX mutations 

云平台助力解析单侧眼组织缺损和视网膜裂症的家族遗传原因

 

杂志: Scientific Reports 

影响因子:4.259

PMID:28831107

 

研究背景

眼组织缺损(OC)是一种常见的发育结构性缺陷,因视神经不完全闭合发展而成。通常在虹膜、脉络膜视网膜或视盘组织部分发生眼组织缺损。这一疾病进程由多种基因突变引起,具有遗传异质性和复杂性。理解OC发病分子机制及基因型与表型相关性,对于OC的分子诊断具有重要意义。

近期云平台助力温州医科大学黄秀峰老师在Scientific Reports发表了一篇关于眼组织缺损致病性突变的研究,通过对OC患者及其家族成员进行了全外显子组测序(WES),纯合子定位分析、全面变异分析,找到了血缘家族中单侧眼组织缺损与视网膜裂症的遗传原因,阐述了OC基因型表型相关性。跟随小编去看看吧。

 

材料和方法:

材料:采集患者及其家族成员血液,提取DNA

 

测序平台:Illumina HiSeq 2000

 

分析平台:BMKCloud,具体分析如下:

1.全基因组测序结果与人参考基因组进行比对(SOAPaligner),筛选SNV和Indel(SOAPaligner、GATK )

2.SNP阵列分析纯合子定位

3.变异型分析

根据ExAC、NHLBI ESP、1000 Genome、dbSNP137数据库检索,对致病变异型进行初始筛选,并进行Sanger测序验证。评估候选变异型作用。分析错义突变体(SIFT、Polyphen-2、MutationTaster)。预测每个候选变异型多肽的拓扑模型(SMART、RaptorX、PyMol)另外进行序列比对(Clustal Omega),确定核苷酸保守性程度(PhyloP)

 

研究结果:

1.表型检测

患者是一名14岁男性,携带常染色体隐性遗传病,生于近缘家族,全面眼科检查显示其最近左眼视力逐渐丧失,双眼出现轻微白内障症状。眼前段裂隙灯检查显示右眼正常(图1A),但左眼6点钟方向虹膜缺损(图1D)。眼底检查右眼视神经盘缺损(图1B),左眼脉络膜缺损(图1E)。在视觉范围上,右眼生理盲区扩大(图1C),双眼视觉对比敏感度低(图1C,F)。其他家庭成员没有OC或眼部畸形。除OC表型外,眼底荧光血管造影(FFA)和光学相干断层扫描(OCT)结果提示患双侧视网膜血管炎和继发性视网膜劈裂症(图1G,H,K和L)。接受2个月激素治疗后,双眼黄斑水肿逐渐消失(图1I和J)。

图1 RAX基因突变患者临床特征

2.WES及纯合子定位分析表明RAX发生了突变

WES平均测序深度30X,平均覆盖率>95%.

变异型分析的详细过程(图2A)。变体数据库中排除次要等位基因频率(MAF)>0.005的变异型。纯合子分析显示有12个大于2 Mb的纯合子位点(图2B)。在使用逐步筛选策略后,发现在纯合子区域有3个候选变异型(RAX、TRPM5、PCDH17)。在家族成员中扩大检测后筛选得到一个RAX错义突变(c.113 T> C,p.I38T)。且在dbSNP137、1000 Genome、ESP6500、内部数据库、ExAC数据库中没有此错义突变(图3A-B)。

纯合子分析表明RAX基因位于18号染色体上较大的纯合子区域(18.19 Mb)(图2B)。 c.113 T> C变异使疏水性异亮氨酸转变为亲水性苏氨酸。该家族中基因型与表型分离(图3A,B):患者父母是杂合子携带者,其健康的姐妹无此突变。在38位的异亮氨酸高度保守(图3C),核苷酸位点c.113T> C的PhyloP得分为2.986。表明RAX基因的纯合子突变 c.113 T> C是OC的病因。

图2 变异分析流程及纯合子分析图谱

图3 RAX突变鉴定(A.谱系遗传;B.Sanger验证;C.RAX基因 Ile38 氨基酸残基进化保守性)

3.RAX突变比较分析和结构分析

患者在RAX基因的两个等位基因的exon1内有突变(图4A)。RAX c.113 T > C突变导致38位的氨基酸错义突变,氨基酸I38位于八肽模体中,生信分析预测显示I38T错义突变具有破坏性(SIFT得分:0; MutationTaster得分:1),可能对蛋白质,视网膜和前神经折叠同源序列造成损害(PolyPhen2得分:0.873)。子域识别结果表明这个突变不在同源序列、配对序列中(SMART)。对RAX进行潜在功能分析(RaptorX,PyMol),构建结构模型(图4B),结合遗传分析及结构分析结果,我们推测序列改变增加了I38残基的螺旋构象,从而使RAX蛋白空间结构改变。

图4 RAX基因突变结构分析

结果:

在本研究中,我们对UC和视网膜裂症患者及其家庭成员进行了分子遗传学检测。利用全外显子组测序和纯合性定位组合方法,筛选后得到唯一候选致病基因RAX致病突变(c.113 T> C,p.I38T)。结果得到临床、功能模型数据的支持。本研究扩大了对RAX突变表型变异性的理解,有利于进一步理解OC发病分子机制及基因型表型相关性。

 

创新点

本研究不仅证明了WES和纯合子绘图是解析遗传异质性疾病患者致病性突变的有用工具,也有助于进一步阐明OC疾病发病分子机制及基因型表型相关性。

 

参考文献:Huang X F, Huang Z Q, Lin D, et al. Unraveling the genetic cause of a consanguineous family with unilateral coloboma and retinoschisis: expanding the phenotypic variability of RAX mutations.[J]. Sci Rep, 2017, 7(1).