編者按：目前已知有6000到8000種罕見病，其中很多影響兒童的正常發育。一項開拓性研究項目表明，在人類基因組測序完成後17年，我們的基因終於開始幫助揭開這些罕見病的奧秘，並且給世界各地的父母們帶來希望。
個體化醫療的時代真的到來了麽？
Evie Walker坐在她母親Alison的腿上，她正在玩一個她從來不會厭倦的遊戲——把媽媽的手翻過來再翻過去，摸摸這兒，再看看那兒。當她向四周觀望時，眼裡充滿的是你會在很多嬰兒中看到的好奇和驚嘆。Evie說的話包括一系列尖叫和簡單音符。在過去幾個月裡，她已經開始不需要攙扶就能夠站立了，甚至開始邁出了幾步，這讓她的父母們非常驕傲，也讓他們對未來充滿希望。
雖然她看起來像個嬰兒，但是Evie已經八歲了。她患有PURA綜合征，一種在4年前還沒有正式存在的罕見發育障礙。發育障礙影響到兒童的正常精神和身體發育。在她被確診之前，Evie的父母只知道她患有「發育遲緩」，這是一個涵蓋了由無數種不同原因導致的一系列發育癥狀的模糊疾病類別，其中有些疾病帶來的是令人心碎的不良預後。
但是得益於基因組測序的發展，越來越多的家庭像Evie的父母一樣能夠獲得關於他們孩子的一個準確診斷，並且對未來有了一個清晰的認識。有些情況下，例如和Evie一樣，他們發現孩子們患上的是一種全新疾病，在其它情況下，他們會發現一種潛在療法，來治療看似無法治療的疾病。
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不只是患有發育障礙的兒童能夠從這一技術中獲益。2018年10月，英國全民公費醫療服務體系（NHS）將啟動基因組醫療服務，13個基因組醫療中心將為無法確診的罕見病和癌症患者提供全基因組測序服務。
通過發現驅動腫瘤生長的確切基因組變化，醫生們可以選擇更有效的療法。通過提供基因組醫療服務，NHS宣稱英國將成為世界上少數「為全國居民提供綜合而且平等的基因組測試和管理」的國家之一。發育障礙和癌症患者將是最先獲益的人群，而且，隨著我們對基因的了解日益深入，這些機構可以檢測其它疾病，比如早期失智症和多發性硬化症，它們可能由多個基因變異決定。
自從第一版人類基因組圖譜發表以來，科學家們一直說我們站在個體化基因組醫療的新時代的大門口，這一時代真的到來了麽？
尋找罕見病原因的「西遊記」
Archie Walker 15個月大的時候他的小妹妹Evie降生了。他們的母親Alison兩次懷孕都非常順利，當Evie在預產期後一周自然分娩出生時，似乎家庭中又將增添健康的一員，她還是個睡覺特香的小寶寶。可是這個優點迅速變成了憂慮的源頭。她的父母需要叫醒她才能給她餵奶，而且她吃奶的時間也不長，她摸起來總是不正常的冷。Evie出生後5天，Alison向醫生說出了她的憂慮，醫生的建議是：趕快帶她去醫院！
初診護士迅速把她送進了緊急護理病房，隨後的一周裡，醫護團隊努力維持她的體溫並且幫助她進食。「我們以為這只是一個小挫折，我們會帶回家我們的小天使，一切都會好起來。」Alison說。
但是即使Evie回到了家，她仍然非常容易犯困，隨著她慢慢長大，很明顯她無法達到正常發育的裡程碑。她經常會回到醫院，接受各種檢測激素或營養缺陷的血檢，檢查神經損傷的大腦掃描和檢查常見遺傳病的遺傳測試。
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她的父母曾經以為這些檢測最終將告訴他們如何治療Evie的癥狀。「然而我們開始醒悟到我們不但不知道怎麼治好她，而且不知道問題是從何而來。」Alison說。
當Evie兩歲的時候，醫院的遺傳顧問師告訴了她父母這個令人心碎的消息。Evie不但不可能趕上與她同齡的兒童，醫生們甚至不能肯定她會繼續發育。Evie還不能抬起頭，站立，說話或者行走，但是，所有醫學檢測的結果都正常！
Walker一家的經歷令人揪心，但是卻令人意外地常見。根據歐盟的定義，罕見病隻影響1萬人中少於5個人。目前有6000到8000種已知的罕見病，每周在醫療期刊上就會多出5種新的罕見病。這些罕見病有的廣為人知，比如囊性纖維化和亨廷頓病，有的是兒童癌症，還有的是不為人知的發育障礙，比如PURA綜合征。大約四分之三的罕見病會影響到兒童，而三分之一出生時就患病的嬰兒無法見到他們5歲的生日。
這些兒童的父母們尋找病因時經歷的艱苦旅程好像唐僧取經時需要經受的「九九八十一難」。如果幸運的話，他們仍然需要經受多次檢測、誤診、困惑和絕望之後才能找到疾病的原因。據統計，大約80%罕見病的原因是遺傳性的，但是即使對人類基因組的理解在最近幾十年裡取得了突破性的進展，在一個患者中找尋造成罕見病的基因突變卻不像想像中那樣簡單。
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下一代測序技術帶來的突破
給尋找病因帶來突破性變化的因素之一是下一代測序技術的開發。下一代測序技術將DNA切成小段，然後同時進行上百萬甚至上億個DNA測序反應，從而極大加快了測序的過程。只在最近幾年，研究人員才能夠能以經濟有效的方式對整個基因組進行測序。
Helen Firth博士是劍橋大學醫院的臨床遺傳學家，她將整個職業生涯都投入到了幫助罕見病患者上面。
「一旦你能夠拿到一個診斷，你可以試圖從其它患有同樣疾病的患者中學到未來會發生什麼，」她說：「這樣你可以嘗試針對疾病來修正未來的醫療監測和護理，並且為患者家屬們提供有用的資訊，比如另一個孩子患病的幾率。」
但是，即便做出最大努力，很多年來Firth博士只能診斷出大約四分之一到三分之一她經手的患者。遺傳學家使用的傳統工具是染色體核型分析（karyotyping），它能夠將所有的染色體分隊排列起來，觀察它們是否有缺失，重複，或者攜帶微小的結構變化。染色體核型分析如今仍然是發現基因組大型異常的有用工具，但是它無法發現微小的點突變，這通常只會影響一個鹼基，但是卻可能產生非常嚴重的後果。
直到2010年，Firth博士和英國Wellcome Sanger研究所的人類遺傳學負責人Matt Hurles博士認為，如果能夠系統性地應用測序技術，他們可能診斷出更多的患者。於是，與NHS遺傳學服務和其它研究團隊合作，他們啟動了名為「解讀發育障礙」（Deciphering Developmental Disorders, DDD）的研究項目，這一項目募集了12000名患有未能確診的發育障礙的英國兒童和成人，然後對他們DNA中編碼蛋白的基因進行測序。研究人員同時對他們父母的DNA進行測序，這樣他們能夠發現在精子或卵子中，或在早期胚胎髮育中發生的新（de novo）突變。
「來自這些家庭的問題一直是，為什麼很多人都有一個生病的孩子，而其他孩子都很健康，」Hurles博士說：「我們發現，往往是由於這些新突變讓這些孩子患病。」
前面提到的Evie就是參與DDD項目的一名患者。她和父母分別提供了唾液樣本，研究人員將他們20000個基因中每個基因的序列與包含1450個已知發育障礙基因的資料庫進行了比較。雖然這種方法能讓許多DDD項目參與者得到診斷，但它對Evie卻不起作用。對於像Evie一樣在DDD研究中沒有得到診斷的人，研究人員轉而研究他們的其他基因，這些基因與疾病無關，但可能含有大量的新突變。
於是，研究人員發現了PURA基因，它能編碼一種蛋白質，幫助調節許多其他基因的表達。Evie和另外兩名女孩在PURA基因的不同區域有小的缺失或突變，這可能導致了她們的疾病。雖然這些女孩有類似的癥狀，但又各不相同。Hurles博士表示：「我們經常發現不同患者之間的癥狀差別很大，這也可能是這些疾病未被診斷出的原因之一，因為醫生不能說：這些疾病都是一回事。」
迄今為止，有近1500種基因中的罕見突變已被證明可導致發育障礙。而DDD研究目前已經確定了30種與發育障礙相關的新基因，以及14種全新的疾病。隨著數據分析的進行，它還可能發現更多的新基因和疾病。
「幫助多年來無法獲得診斷的家庭參與DDD研究，然後終於能夠向他們解釋（導致疾病的）分子原因。這真是令人欣慰的事。」Firth博士說。
更多的病例，更多的突破
在世界的另一邊——澳大利亞墨爾本，六歲的Sarah Anderson正在經歷她的疾病診斷的艱苦歷程。在Sarah出生36小時後，她開始表現出一系列癥狀：不能保持體溫，身體異常鬆弛，無法正常進食，還會暫停呼吸。
「我記得遺傳學家進來說，『她只有七天時間，多享受跟她在一起的時光，多陪陪她吧』，我當時想，不應該是這樣。」Sarah的母親Mel說。
幸運的是，Sarah活下來了。但隨著她漸漸長大，人們發現她無法達到正常的發育裡程碑，而且難以控制自己的動作。在14個月大時，Sarah患上了嚴重的癲癇症，每天癲癇發作多達20次，這使她筋疲力盡，也讓其他的癥狀更加嚴重。但Sarah一直沒有得到正確的診斷，直到父母湊足8000美元的基因組測序費用。雖然測序沒能提供即時的診斷，但將疾病範圍縮小至20個基因左右，其中就包括PURA。
事情的轉機來自一位了解Sarah病情的醫生參加的一次學術會議，這次會議展示了DDD研究的早期結果，其中就包括PURA和其他一些基因。會後，這位醫生告訴演講者，他有一位這樣的患者。在經過幾個月的郵件和電話溝通後，負責Sarah案例的神經科醫生收到了來自英國研究人員關於這一新疾病的論文草稿，其中包括他們診斷出的第一個孩子的照片。
「突然之間，他們變得比我還興奮，」 Mel回憶道：「神經科醫生激動得說不出話來，後來我們看到這個孩子......」 Mel深深地吸了一口氣，照片裡是一個漂亮的四歲女孩，圓臉，長長的黑髮，嘴巴微張。這個女孩就是Evie Walker。
雖然醫生現在可以給Sarah的家人一個診斷，但他們並不知道這意味著什麼。Sarah的神經科醫生告訴Mel：「找到其他患者，把父母聯合起來，設立一個研究基金，找人進行研究，這是你們獲得答案的唯一方法。」
在2014年秋季，一篇描述三名具有PURA突變的英國女孩和Sarah的論文獲得發表。與此同時，一支來自美國的團隊也發表文章，描述了另一組具有相似突變的兒童。Mel女士決定去見這些人。在與其他七個家庭會面後，他們一致同意建立一個基金會。不久後，他們推出了一個網站，並開始正式註冊該基金會。然後，他們聯繫了所有能找到的曾研究過PURA基因或蛋白的研究人員。
其中一位是來自慕尼黑結構生物學研究所（Institute of Structural Biology）的Dierk Niessing博士。Niessing博士在其職業生涯的早期階段一直試圖解析PURA蛋白的結構問題，並更多地了解它的作用。缺乏PURA基因的小鼠的神經系統顯示出嚴重缺陷，它們在飲食、呼吸和行走方面也存在障礙。Niessing博士說：「很多機體功能都變弱了。所以，我猜測它是一種重要的蛋白質，也許在某些時候會發現疾病。」當2014年的論文發表後，他的猜測被證明是正確的。
2016年，PURA綜合征基金會（PURA Syndrome Foundation）在倫敦附近召開了第一次會議，Evie和媽媽Alison都出席了會議。這也是Alison與Mel的第一次會面。「那就像遇到一個失散多年的姐妹。」 Alison說：「最初我非常難過，因為這麼多人都經歷了與我們相同的事。但給我寬慰的是，我知道，當我只想把頭埋在手中抽泣時，他們能夠理解。」
兒童發育障礙與癌症的共同之處
DDD項目不僅可以幫助診斷髮育障礙患者，從這些研究中發現的一個重要主題是，這些疾病與兒童和成人癌症之間有共同之處，它們都是由突變基因引起的。胚胎和癌症有幾個共同特徵：兩者都來自單個細胞，並進行快速生長。而且控制細胞分裂和遷移的發育信號通路在癌症中會被重新激活並失調。
越來越多的相同基因，甚至相同突變都被發現。例如，BRAF基因突變會導致Costello綜合征，它表現為智力障礙和發育遲緩、皮膚鬆散皺褶、關節異常柔韌和嘴巴大。BRAF突變也會誘發癌症，包括部分兒童腦癌和成人黑色素瘤。突變發生的時機很重要：發育障礙很大程度上是由於卵子或精子中的突變而產生（這些突變不存在於父母的其他細胞中 ），或者來自於卵子受精後不久發生的突變。
成人癌症研究已經在利用疾病的遺傳學尋找新療法方面取得了長足進步。許多新的抗癌藥物可以針對那些相對常見的驅動腫瘤生長的基因突變，並且可以通過對患者進行活檢來預測他們是否能對藥物有響應。但兒童癌症研究更具挑戰性。引起兒童癌症的突變通常非常罕見，因此很難得知要尋找什麼。如果一個兒童患者對化療沒有響應，醫生可能會對接下來要做的嘗試感到茫然。更好的方法是在發病時識別驅動突變，並直接進行靶向治療，這是基因組測序發揮它作用的時機。
自2011年以來，密西根大學的Rajen Mody博士及其同事一直在對未能對標準治療產應響應的兒童癌症患者進行正常DNA和腫瘤DNA測序，以及腫瘤RNA測序。與DNA測序相比，RNA測序在檢測基因融合方面更有效，這是兒童癌症中常見的一種突變類型。
到目前為止，他們已經對375名兒童的腫瘤進行了測序。對其中三分之一的患者，他們已經成功使用已有藥物來針對識別的特定突變或融合進行治療。Sanger研究所的研究員Sam Behjati博士表示，兒童癌症中的許多突變都是可靶向的，並且通常都有已存在的用於成人癌症的好藥物可用。
以黑色素瘤為例，成人黑色素瘤患者通常攜帶BRAF基因突變，針對這類患者，BRAF抑製劑藥物通常是有效的。一些兒童腦癌患者也具有BRAF突變，針對這些患者，這些藥物也會有效。
「整個靶向療法行業在兒童中會比在成人中取得更好的效果，因為它可以治癒一些患者，」Behjati博士說：「而在成人中，它通常只能控制癌症一段時間。」
癌症與發育障礙之間的交集意味著類似的方法可以為治療發育障礙帶來益處。Hurles博士說：「借鑒癌症療法的研發成果，是一種加快解決發育障礙的方法。」
10萬基因組計劃
「10萬基因組計劃」於2012年由英國時任首相David Cameron先生髮起，他的兒子Ivan在出生時就患有罕見的神經疾病，並因此失去了生命。這一計劃的目標是對10萬個來自癌症、罕見病和傳染病患者的基因組進行測序，以便為他們找到診斷和潛在治療方法。
截至今年9月，該計劃已對超過75000個基因組進行了測序，其中大多數來自未確診的罕見病家族，約有四分之一的病例已經確診。其中一名男孩被診斷為嚴重免疫缺陷和神經系統疾病，他在四個月大時去世。「他的父母非常苦惱。他們想嘗試繼續要孩子，但又害怕再生下一個像他一樣的孩子，所以他們參與了這個項目。」來自英格蘭基因組學公司的Mark Caulfield博士說道 。這個孩子的DNA揭示了一種蛋白質突變，這種蛋白質負責將維生素B12轉運至細胞。
不久之後，這個男孩的母親再次懷孕，就在嬰兒出生之前，他們發現這個孩子攜帶相同的突變。不過，根據攜帶這種突變的其他兒童的病例報告，醫生們發現給予高劑量的維生素B12可以克服這個問題，於是他們決定這樣做。
「到目前為止，他依然在按照正常的裡程碑進行發育，並沒有像第一個孩子那樣，」Caulfield博士說：「我們開始看到，對於一些人來說，基因組測序可以幫助治療。」
到目前為止，DDD研究已經設法為大約35％至40％的參與家庭找到了答案，但剩下的家庭仍然沒有獲得診斷：為什麼診斷他們如此困難？這可能是因為DDD項目僅關注基因組的蛋白質編碼區和保守的調控序列。為了為更多患者找到答案，DDD項目已申請獲取10萬基因組計劃的數據。不過大型全基因組測序項目（包括10萬基因組計劃）也會遇到限制。
其中一個問題是，雖然它被稱為全基因組測序，但有些DNA區域的測序結果並不準確。「我們能高品質讀取97.3％的基因組，但有些基因序列非常難以讀取，因為當你嘗試拚接DNA序列時，有些序列不會反覆出現。」 Caulfield博士說。此外，雖然目前的DNA測序技術在識別DNA序列中的單鹼基變化方面已經做得不錯，但它在識別基因片段插入或刪除時還存在不足。對於非常罕見的疾病，也可能是由於具有相同類型突變的其他患者太少，不足以提供足夠資訊做出診斷。
「到目前為止，只有約30％的基因在人類疾病中具有已知的作用，還有更多的基因尚待發現，」Firth博士說：「我們將繼續重新分析參與DDD研究的家庭的序列數據。這將使我們能夠為更多的兒童提供診斷，而導致發育障礙的基因列表也會隨著我們自己的研究和其他人的研究而增加。」
每一個新病例，都為未來增添一點希望
越來越多的醫院為新生兒重症監護室（NICU）的嬰兒提供基因組測序，這意味著兒童被診斷患有罕見病（例如PURA綜合征）的年齡正在降低。這可能消除多年的不確定性，並在某些情況下及早採取治療措施。即使對於PURA綜合征這種沒有治療手段的疾病，父母可以從其他人那裡了解孩子的病情，以及解決問題的方法，這對他們也是巨大的安慰。
「即使是PURA這種我們在幾年前才發現的基因，我們現在也了解了這類兒童患者的典型裡程碑是什麼樣的，」Firth博士說：「我們編寫了疾病手冊，可以與患兒家長分享。」
而對於患兒家長Alison來說，最大的問題是女兒的未來會怎樣。到目前為止，只有少數成年人被診斷為PURA綜合征，但尚不清楚這是否是因為患有這種疾病的兒童往往難以存活至成年，還是因為很少有成年人接受過這種疾病的檢測。
在2016年的會議上，Alison遇到一個家庭，他們的女兒比Evie還小，但能站起來，還能走路，這讓她看到Evie在正確護理下可能獲得的進展。
Mel和Alison都希望繼續在患兒家庭之間分享資訊，增加對PURA綜合征的研究，這或許能幫助她們的女兒找到一種治療方法。到目前為止，全世界約有250人確診患有這種疾病，而它在四年前還沒有正式存在。
每一個新病例，都為研究這一疾病增加一點理解，也為患者的未來增添一點希望。
參考資料：
[1] Searching for a diagnosis: how scientists are untangling the mystery of developmental disorders. Retrieved October 29, 2018, from https://mosaicscience.com/story/developmental-delay-disorders-milestones-childhood-genetic/
[2] Turnbull et al., (2018). The 100?000 Genomes Project: bringing whole genome sequencing to the NHS. BMJ https://doi.org/10.1136/bmj.k1687
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