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2015年ACMG的变异解读标准与指南 (适用新手) 丨上篇



根据2015年美国医学遗传学与基因组学学会(The American College of Medical Genetics and Genomics, ACMG)发布的序列变异解读指南进行翻译及解读,并对相关的内容注解 ,适用于新手阅读、温习、理解,大神请绕路。

大部分内容来源:

1.Gastier-Foster J, Grody WW, Hegde M, Lyon E, Spector E, Voelkerding K, Rehm HL; ACMG Laboratory Quality Assurance Committee. Standards and guidelines for the interpretation of sequence variants: a joint consensus recommendation of the American College of Medical Genetics and Genomics and the Association for Molecular Pathology. Genet Med. 2015 May;17(5):405-24. 

2.王秋菊, 沈亦平, 邬玲仟, 等. 遗传变异分类标准与指南. 中国科学: 生命科学, 2017, 47: 668–688


原文:A mutation is defined as a permanent change in the nucleotide sequence, whereas a polymorphism is defined as a variant with a frequency above 1%.
 
突变mutation 是指核苷酸序列的永久性改变。
多态性polymorphism 是指频率超过1%的变异。
由于这两个术语已经错误地与致病性和良性结果关联了起来,所以往往会造成混淆。
 

原文:it is recommended that both terms be replaced by the term “variant” with the following modifiers: (i) pathogenic, (ii) likely pathogenic, (iii) uncertain significance, (iv) likely benign, or (v) benign.

we propose that the terms “likely pathogenic” and “likely benign” be used to mean greater than 90% certainty of a variant either being disease causing or benign to provide laboratories with a common, albeit arbitrary, definition.


 根据变异的致病性,分为5类,

(i) 致病的, (ii)可能致病的, (iii) 意义未明确, (iv) 可能良性 (v) 良性

“可能致病的”和“可能良性的”用来说明一个具有大于 90%可能引起致病或者可能良性的变异, 尽管是人为的界定,但还是给实验室提供了一种共同的定义。 
 
Similarly, the International Agency for Research on Cancer guideline2 supports a 95% level of certainty of pathogenicity

类似地, 国际癌症机构指南支持致病性的确定水平为 95%。
 
标准的基因变异命名由人类基因组变异协会(the Human Genome Variation Society, HGVS)维护和版本化(https://www.hgvs.org/mutnomen), 除非另有说明, 一般推荐该命名法作为确定变异命名的首要准则
 
“g.” for genomic sequence,“c.” for coding DNA sequence, “p.” for protein, “m.” for mitochondria
 
“g”为基因组序列, “c”为编码 cDNA 序列, “p” 为蛋白质,,“m”为线粒体
 
two sets of criteria: one for classification of pathogenic or likely pathogenic variants and one for classification of benign or likely benign variants (Table 4). Each pathogenic criterion is weighted as very strong (PVS1), strong (PS1-4); moderate (PM1-6), or supporting (PP1-5), and each benign criterion is weighted as stand-alone (BA1), strong (BS1-4), or supporting (BP1-6)

变异的分类
一是用于对致病或可能致病的变异进行分类,另一是用于对良性或可能良性的变异进行分类。

致病变异标准可分为非常强(very strong, PVS1),(strong, PS1~4);中等(moderate, PM1~6), 或辅助证据(supporting, PP1~5)。

良性变异证据可分为独立(stand-alone, BA1),(strong, BS1~4),或辅助证据(BP1~6)。
 
注:每个类别中的数字只是作为有助于参考的分类标注,不表示分类的任何差异, 仅用来标记以帮助指代不同的规则,不具有任何意义。
 
PVS1 null variants
PVS1 极强致病性变异
 
Certain types of variants (e.g., nonsense, frameshift, canonical ±1 or 2 splice sites, initiation codon, single exon or multiexon deletion) can often be assumed to disrupt gene function by leading to a complete absence of the gene product by lack of transcription or nonsense-mediated decay of an altered transcript. One must, however, exercise caution when classifying these variants as pathogenic by considering the following principles:
 
某些特定类型的变异(如无义突变、移码突变、经典剪接位点±1 或 2 点突变、起始密码子变异、单个或多个外显子缺失)被认为因无转录产物或由无义突变引起的转录子降解,导致基因产物完全缺失而破坏基因功能。当将这类变异归类为致病性时,从业人员需谨慎考虑以下原则。
 
无义突变 (nonsense mutation) :是单个碱基对的替换,导致一个终止密码子提前出现。这种过早出现的终止密码子会导致了一种截短的、可能没有功能的蛋白质产生。
 



移码突变 (frameshift mutation):是一种突变类型,插入或删除碱基对的数量不能被3整除。“可被3整除”是很重要的,因为三个碱基组成的一个密码子,每一个密码子对应一个氨基酸,而这些氨基酸用于构建蛋白质。所以移码突变,就会破坏了这个阅读框。
 


剪切位点突变 (splice sites mutation):这类突变包括碱基对的插入删除或序列的改变,影响了RNA的剪切,並可能导致产生的蛋白质失去功能

剪切是转录的过程中将内含子剪切掉,保留外显子的过程。


经典or非经典的剪接位点区别是在于,经典型是那些最初描述和最常见的剪接位点(在~99%的内含子中),在供体位点(外显子5'端之后两个)是GT碱基,在受体位点(外显子3'端前两个)是AG,比较罕见位点的变异GC/AG和AT/AC,但也被认为是典型的。

而发生在内含子其他位置突变都是非经典的。非经典型的剪接突变通常具有组织特异性,并在中枢神经系统中特别丰富,从而增加蛋白质组多样性或调节基因表达。

剪切体变异的分类

错义突变

(i) 当将该类变异归类为致病性时,需确认无功能变异(null variants)是已知的致病机理,且与该疾病的遗传模式相一致。

例如,有些基因(如许多肥厚性心肌病基因)只有杂合错义突变时才致病,而杂合无功能变异却是良性的。仅基于这一项证据来看,对显性肥厚性心肌病来说,MYH7 基因上出现一个新的杂合无义突变不一定是致病的,而 CFTR 基因上出现一个新的杂合无义突变则有可能是一个隐性致病变异。
 

(ii) 当文献中将3′远端下游截短变异注释成致病突变时,要特别小心。特别是当所预测的终止密码子出现在最后一个外显子, 或者出现在倒数第二个外显子的最后 50 个碱基对时,这种无义突变介导的转录降解可能不会发生,这个蛋白很可能会表达 (This is especially true if the predicted stop codon occurs in the last exon or in the last 50 base pairs of the penultimate exon, such that nonsense-mediated decay)。据此所预测的截短蛋白的长度也是致病性评估的因素,但这些变异未经功能分析是无法进行判定的。

 
无义介导的mRNA降解(Nonsense-mediated mRNA Decay,NMD):NMD机制于1979年几乎同时于人类和酵母菌细胞中发现,这一机制在广泛种系间的保守性,体现了这一机制重要的生物学意义。NMD是一种存在于所有真核生物中的遗传纠错机制。这一机制通过降解含有提前终止密码子的异常mRNA转录子以减少基因表达上的错误。如果没有这一机制,这些异常的mRNA可能会翻译出有害的功能获得性或具有显性抑制效应的蛋白质,可能损害人体正常的生理机制。鉴于NMD机制对于基因表达有着包括阻止提前终止的无义密码子的翻译等广泛调节,故而其对表型的调节作用愈发显著。β地中海贫血便是其中一例。
 


显性负性作用 (dominant negative effect):又称显性负效应,某些信号转导蛋白突变后不仅自身无功能,还能抑制或阻断同一细胞内的野生型信号转导蛋白的作用。凡一对等位基因中因其中一个突变或丢失所致的另一个正常等位基因的功能活性丧失,都称为显性负突变。换言之,显性负突变即杂合的突变产生了纯合突变的效应。比如TP53基因其中一个等位基因突变,就带来这种效应。
 
突变也可以根据其对蛋白质功能的影响进行分类:
功能获得突变 (gain-of-function mutation):该类突变后会使蛋白质活性增强,或者获得了新的功能,或干扰野生型蛋白的正常功能。功能获得突变几乎总是显性或半显性的。
 
功能缺失突变 (loss-of-function mutation):更为常见,突变会导致蛋白质功能减弱或丧失。其改变的基因产物具有新的分子功能或新的基因表达方式。功能缺失突变一般都是隐性。
 
(iii) 就剪接位点变异而言,因外显子剪切位点的供体/受体位点改变或产生了新的剪切位点,从而可能导致外显子丢失、缩短,也可能会使内含子序列变成外显子部分

虽然剪切位点变异可能被预测为无功能变异,然而该变异类型造成的影响需要通过RNA 或蛋白质功能分析确认(confirmation of impact requires functional analysis by either RNA or protein analysis)。还必须考虑可读框内缺失/插入的可能性,其长度变化较小(PM4),可以保留蛋白质的关键结构域,因此导致轻微或中性效应,或功能获得效应(gain-of-function effect)
 
(iv) 基因会有不同的转录本,哪一种转录本与生物学功能相关,在哪些组织会表达哪些转录本,这些都是需要进行重点考虑的。如果一个截短变异只限于一个或并非所有转录本,则必须谨慎考虑到可能存在其他同功型蛋白质,防止过度解释。
 
(v) 如果发现一个无功能变异位于某个外显子上,而该外显子先前无致病变异报道,那么该外显子可能被选择性剪切了,此时需要谨慎考虑该变异的致病性。当预测的截短变异是偶然发现时(与检测指征无关)则应特别小心,在这种情况下该位点致病的可能性非常低。

PS1 same amino acid change

PS1 突变为同一氨基酸

In most cases, when one missense variant is known to be pathogenic, a different nucleotide change that results in the same amino acid (e.g., c.34G>C (p.Val12Leu) and c.34G>T (p.Val12Leu)) can also be assumed to be pathogenic, particularly if the mechanism of pathogenicity occurs through altered protein function. However, it is important to assess the possibility that the variant may act directly through the specific DNA change (e.g., through splicing disruption as assessed by at least computational analysis) instead of through the amino acid change, in which case the assumption of pathogenicity may no longer be valid.

多数情况下,尤其是当致病机制是蛋白质功能发生改变时,如已确定某一错义变异是致病变异,应考虑到与其位于同一变异位点的不同形式的碱基改变也可能产生相同的错义突变结果——氨基酸改变相同(如 c.34G>C (p.Val12Leu)和 c.34G>T (p. Val 12 Leu)),那么,这些变异也应是致病突变。此外,还应考虑到,变异可能不是通过改变氨基酸的水平,而是通过改变 DNA 的序列来发挥作用,例如,破坏剪接位点(可通过软件分析确定),在这种情况下,上述的假设是不成立的。


PS2 PM6 de novo variants

PS2 PM6 新发变异

A variant observed to have arisen de novo (parental samples testing negative) is considered strong support for pathogenicity if the following conditions are met:

当将一个新发变异(父母样本检测结果阴性)归类为强的致病证据时, 需要满足以下条件: 

(i) 身份检验表明患者的父母是其生物学父母。注意如果父母的身份是假定的而没有被证实,则判定为 PM6;

(ii) 患者的家族史符合新发变异特征。例如,显性遗传病患者的父母均未患病、在存在生殖细胞嵌合现象时也可能有 1 个以上同胞患病;(iii) 患者的表型与变异基因异常引起的表型相吻合。例如,患者具有特殊面容、多毛和上肢缺陷(即 Cornelia de Lange综合征),检测到 NIPBL 基因的新生突变即为强致病证据,而患者仅表现为非特异性的发育迟缓,通过外显子组测序发现的该基因的新发变异,则判断此变异致病性的证据较弱。


PS3 BS3 functional studies

PS3 BS3 功能研究

Functional studies can be a powerful tool in support of pathogenicity; however, not all functional studies are effective in predicting an impact on a gene or protein function.

例如, 一些酶学实验利用成熟完善的方法可以用来评估错义变异在代谢途径中对酶活性的影响(如α-半乳糖苷酶功能实验);而另一方面,某些功能实验在评估变异对蛋白质功能的影响时缺乏一致性。

评估一个功能检测方法是否有效时,必须考虑该功能实验在多大程度上反映了其发挥功能的生物环境。例如,与体外表达蛋白相比,直接在患者或动物模型的活检组织中进行酶的功能实验更有说服力。

同样,可以反映蛋白质全部生物学功能 (如酶分解底物功能)的实验则比仅反映一部分功能(如一种有附带结合能力的蛋白水解 ATP 的功能)的实验证据性更强。

功能实验的有效性、重复性和稳定性应重点考虑,这些参数用来评估功能实验的分析性能以及判定样本诊断信息的完整性,该完整性容易受标本采集的方法及时间、存储及运输的影响。CLIA(临床实验室改进修正案)认证实验室建立的检测方法或商品化试剂盒可减少这些因素对实验的影响。

评估变异在剪接位点、编码序列、非翻译区以及更深的内含子区域的影响时,对变异在mRNA 水平(如mRNA 的稳定性、加工或翻译)进行评估,可以提供丰富的信息。相关的技术方法包括对 RNA 和/或cDNA 衍生物进行直接分析,以及体外微小基因剪接分析。

注:在人体或者动物模型的活检组织中做这些实验自然比在体外表达蛋白中验证更有说服力。这也是一直遇到的问题,如何真实的在体外重现体内的生物环境。如果能直接证明这个酶的全部功能自然比只证明一个功能更有说服力(有些酶具有不同的功能域,功能会有不同)。相关技术有RNA测序、cDNA分析、微小基因技术(minigene)

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