DNA串联重复序列动态突变相关疾病的遗传
DNA串联重复序列/动态突变相关疾病的遗传检测和遗传咨询
特殊变异类型导致的疾病在遗传检测和遗传咨询中都需要特别对待，而遗传检测方法/项目的选择需要我们对这些疾病先有一个临床诊断或临床怀疑，本文就DNA串联重复序列扩增相关疾病做一个笼统的介绍，以供临床医生和基因检测相关人员参考。
目录：
DNA串联重复序列简介
DNA串联重复序列扩增相关疾病的发现
DNA串联重复序列扩增相关疾病
DNA串联重复序列扩增相关疾病的特点
DNA串联重复序列扩增相关疾病的遗传检测
案例分析：FMR1相关疾病
01
DNA串联重复序列简介
串联重复序列在基因组中是非常常见的现象，我们称之为微卫星DNA和小卫星DNA，由简单序列的串联重复形成，且重复数是可变的。最常见的重复单元通常由单碱基、二碱基或三碱基组成，也有由四碱基、五碱基、六碱基，甚至更多碱基构成重复单元的情形。短串联重复序列（Shorttandemrepeats，STRs，也称为微卫星DNA）由1-6个碱基组成重复单元，在人类基因组中有超过1百万个STR位点，占整个基因组DNA的约3%。小卫星DNA则是由大于6个碱基组成重复单元。
串联重复序列由于重复数目的不同，会对基因的功能产生影响。目前，已知是由于串联重复序列的数目变化引起的单基因遗传病约50种，由于这些串联重复序列的数目在亲代和子代之间，甚至是同一个个体的不同组织或细胞之间可能存在差异，这种串联重复数改变相关的变异我们称之为动态变异，和疾病相关的动态变异，我们早期更多地称之为动态突变。本文希望能够比较完整地介绍DNA串联重复序列本身和相关疾病的特点。需要说明的是，尽管同为重复序列相关性疾病，他们之间依然存在不同的特性，也不是每一个特性都适合于所有的重复序列相关疾病，在面对具体疾病时，一定要基于具体疾病进行遗传咨询。限于篇幅和时间，本文不会详细介绍这些疾病具体的临床表型，仅在最后以FMR1基因相关疾病举例介绍。
02
DNA串联重复序列扩增相关疾病的发现
年，英国眼科医生EdwardNettleship发现一个奇特的现象：某些特定的退行性遗传病儿童的临床症状出现的年龄早于他们的父母，Nettleship将这种现象称为遗传早现（geneticanticipation）。BrunoFleischer随后在强直性肌营养不良（DM）伴白内障的遗传学研究中发现了相似的现象。
但是在20世纪，关于“遗传早现”的争议很大，尤其是优生论者对该概念的滥用，如纳粹曾经以此作为对那些具有轻微智力障碍的个体进行绝育的辩护依据，他们认为“轻微智力障碍”是后代患严重精神智力异常疾病的先兆。科学界也曾一度拒绝“遗传早现”这种非（经典）孟德尔遗传模式。但是越来越多的证据表明，诸如DM和亨廷顿舞蹈病（Huntington’sdisease,HD）这样的疾病不能用经典的孟德尔遗传模式来解释。在年，StephanySherman用充实的证据证明脆性X综合征（fragileXsyndrome）的外显率和表现度随着往子代传递的过程中逐渐增加。在年，多个小组鉴定了脆性X综合征的致病基因FMR1，这些研究证明了脆性X综合征是由于FMR1基因5’-非翻译区（5’-UTR）的重复序列CGG的异常扩增导致的，且在亲代往子代传递的过程中，重复序列CGG的重复数会增加，导致子代的临床症状更严重。同一年，KennethFischbeck实验室鉴定出了X连锁脊髓延髓肌萎缩症(spinalandbulbarmuscularatrophy，SBMA，又称为肯尼迪病)的致病基因AR。SBMA是由于AR基因编码区的重复序列CAG的异常扩增导致的。DM和HD等部分其他具有遗传早现特征的疾病的致病基因也随后被发现，“遗传早现”的概念又重新作为一个科学概念而被提出。
03
DNA串联重复序列扩增相关疾病
目前已知的DNA串联重复序列扩增相关单基因遗传病约50种，部分重复序列扩增和多基因遗传病，如自闭症谱系障碍、精神分裂症等相关。本文只介绍单基因遗传的DNA串联重复序列扩增相关疾病。
已知的DNA串联重复序列扩增相关遗传病中，重复序列多以三碱基为重复单元，少数为四碱基、五碱基、六碱基，甚至更多碱基为重复单元。下表是部分DNA串联重复序列扩增相关遗传病。
表1：目前已知的重复序列扩增相关疾病
重复单元
致病基因和重复序列在致病基因的位置
疾病
遗传方式
重复序列正常重复数
重复序列致病重复数
ATTCT
ATXN10，内含子
脊髓小脑共济失调10型（SCA10）
常染色体显性遗传
10-22
-4
DAB1，内含子
脊髓小脑共济失调37型（SCA37）
常染色体显性遗传
＜30
46-71
CAG
ATXN1，编码区
脊髓小脑共济失调1型（SCA1）
常染色体显性遗传
6-39
40-83
ATXN2，编码区
脊髓小脑共济失调2型（SCA2）
常染色体显性遗传
＜31
33-
ATXN3，编码区
脊髓小脑共济失调3型（SCA3）
常染色体显性遗传
＜44
52-86
CACNA1A，编码区
脊髓小脑共济失调6型（SCA6）
常染色体显性遗传
＜18
20-33
TBP，编码区
脊髓小脑共济失调17型（SCA17）
常染色体显性遗传
25-44
47-63
ATN1，编码区
齿状核红核苍白球路易氏体萎缩(DRPLA)
常染色体显性遗传
6-35
49-88
HTT，编码区
亨廷顿舞蹈病（HD）
常染色体显性遗传
＜36
40-
ATXN8，编码区
脊髓小脑共济失调8型（SCA8）
常染色体显性遗传
15-50
71-
PPP2R2B，5’UTR
脊髓小脑共济失调12型（SCA12）
常染色体显性遗传
7-32
51-78
ATXN7，编码区
脊髓小脑共济失调7型（SCA7）
常染色体显性遗传
7-17
38-
AR，编码区
脊髓延髓肌萎缩症(SBMA)
X连锁隐性遗传
10-36
38-62
GLS，5’UTR
全面发育迟缓，进行性共济失调和谷氨酰胺升高
常染色体隐性遗传
8-16
-1
CCCCGCCCCGCG
CSTB，5UTR
癫痫，进行性肌阵挛1A(EPM1A)
常染色体隐性遗传
2-3
38-77
CCCTCT
TAF1，内含子
X连锁肌张力障碍帕金森病(XDP)
X连锁隐性遗传
N/A
30-60
CCTG
CNBP，内含子
强直性营养不良2型（DM2）
常染色体显性遗传
＜30
75-11,
CTG
DMPK，3’UTR
强直性营养不良1型（DM1）
常染色体显性遗传
5-37
50-5,
JPH3，3’UTR
亨廷顿舞蹈病样2型
常染色体显性遗传
6-28
＞41
ATXN8OS，3’UTR
脊髓小脑共济失调8型（SCA8）
常染色体显性遗传
15-34
89-
TCF4，内含子
Fuchs角膜内皮营养不良3型
常染色体显性遗传
＜40
＞50
GAA
FXN，内含子
Friedreich共济失调1型(FRDA)
常染色体隐性遗传
5-30
＞70
CGG
XYLT1，5’UTR
Baratela-Scottsyndrome(BSS)
常染色体隐性遗传
9-20
-
AFF2，5’UTR
与脆性部位FRAXE相关的X-连锁智力障碍
X连锁隐性遗传
4-39
＞
DIP2B，5UTR
智力障碍，FRA12A型
常染色体显性遗传
12-26
＞
FMR1，5UTR
脆性X综合征（FXS）
X连锁显性遗传
5-45
＞
NOTCH2NLC
神经元核内包涵体疾病(NIID)
常染色体显性遗传
7-43
＞60
GCN(polyAla)
PABPN1，编码区
眼咽肌营养不良（OPMD）
常染色体显性遗传
6
7-17
HOXD13，编码区
Synpolydactyly1
常染色体显性遗传
15
22-29
PHOX2B，编码区
先天性中枢性通气不足综合征
常染色体显性遗传
20
24-33
GGCCTG
NOP56，内含子
脊髓小脑共济失调36型（SCA36）
常染色体显性遗传
3-14
-2
GGGGCC
C9orf72，内含子
额颞叶智障和/或肌萎缩性侧索硬化症1型(FTDALS1)
常染色体显性遗传
2-19
＞
TGGAA
BEAN1，内含子
脊髓小脑共济失调31型（SCA31）
常染色体显性遗传
26
-
TTTCA/TTTTA
SAMD12，内含子
家族性成人肌阵挛性癫痫1型(FAME1)
常染色体显性遗传
7-20
-3,
TNRC6A，内含子
家族性成人肌阵挛性癫痫6型(FAME6)
常染色体显性遗传
18
＞22
RAPGEF2，内含子
家族性成人肌阵挛性癫痫7型(FAME7)
常染色体显性遗传
18
＞22
MARCHF6，内含子
家族性成人肌阵挛性癫痫3型(FAME3)
常染色体显性遗传
9-20
-1,
STARD7，内含子
家族性成人肌阵挛性癫痫2型(FAME2)
常染色体显性遗传
5-35
40-1,
AAGGG
RFC1，内含子
小脑共济失调，神经病和前庭反射障碍综合征(CANVAS)
常染色体隐性遗传
11
-2,
注1：不同来源中，正常和异常重复数的界定可能存在些许差异，一定程度上是受中间重复数和研究样本量(包括患者和对照)的影响。
注2：部分疾病存在中间变异。具体到每一个疾病的重复数情况，建议结合OMIM、Genereviews、GHR和文献等数据库和/或资料来综合判断。此处的重复数情况仅供参考。
04
DNA串联重复序列扩增相关疾病的特点
DNA串联重复序列扩增相关疾病有一些主要的特点，但需要注意的是，不是每一个特点都适用于所有疾病，也不是每一个疾病都具有所有特点。具体疾病具体看待。
特点1：
遗传早现：由于亲代(患者或中间变异携带者)在向子代传递的过程中，重复序列有扩增的倾向，子代重复序列的增加，往往导致子代的发病年龄更早，病情更重。
注1：亲代向子代传递的过程中，重复序列并非都会扩增（否则，传几代之后且不都扩增到致病的范围了）。事实上，重复数目在一定范围内，在亲代和子代间传递时，重复序列是稳定的，并不会扩增；当重复数目达到一定数目，如致病性数目和中间突变数目（如果存在中间突变的话）时，在亲代向子代间传递时就存在了扩增的风险。
注2：当重复序列不稳定时，个体的体细胞之间也会存在扩增的现象，重复序列扩增并非专属于亲代向子代的传递过程中。
特点2：
重复序列扩增可能存在性别倾向：在亲代往子代传递的过程中，父母的性别对扩增有重要的影响。如在FMR1基因中，母亲携带前突变时，向子代传递的过程中具有极大的扩增风险，而父亲携带前突变时，向子代传递的过程中基本不存在扩增的风险。FRDA中，GAA的重复序列也是在母亲向子代传递的过程中不稳定。由CAG重复扩增导致的疾病中，则主要是父亲向子代传递的过程中不稳定（SCA8则相反）。SCA2和SCA7则不存在性别倾向。此外，年龄也可能影响亲代向子代传递中的不稳定性。当然，遗传咨询时需根据具体疾病进行咨询。
特点3：
部分重复序列扩增相关疾病存在中间突变：对于一些疾病，正常重复序列和致病性重复序列之间还存在中间重复序列，中间重复序列往往表现为外显不全。
如在脊髓小脑共济失调3型（SCA3）中：
表2
分型
CAG重复次数
临床表现
正常范围
≤44
正常个体
中间变异
45-51
外显不全，部分个体可能出现脊髓小脑共济失调3型。
全变异
≥52
脊髓小脑共济失调3型。
在脆性X综合征的致病基因FMR1中，则更为复杂，具体如下：
表3
分型
FMR1基因CGG重复次数
临床表现
正常范围
5-45
正常个体
中间变异或灰色区域
46-54
没有发病风险，其下一代子女也不会是脆性X综合征患者。但有一定的扩增风险，在传递给子代时可能扩增为前变异。
前变异
55-
轻微认知和/或行为缺陷；脆性X震颤和/或共济失调综合征；脆性X综合征相关卵巢不全。
全变异
＞
脆性X综合征
特点4：
DNA串联重复序列扩增相关疾病多为神经系统疾病和神经肌肉疾病。通过表1，我们知道该类疾病的临床表现主要包括智力障碍、癫痫、共济失调和肌病。
特点5：
重复序列的数目往往和疾病的严重程度呈正相关，和疾病的发病年龄呈负相关。如疾病SCA7、SCA3、SCA2、SCA37、HD、DM1、DRPLA、XDP、FAME3和FRDA。但部分疾病可能不存在明确的相关性。
特点6：
重复序列的位置可以位于基因的外显子、内含子、启动子区、5’和3’UTR区。
如下图：
特点7：
重复扩增对于一些重复序列扩增相关疾病是必须的，但是在部分疾病中，其他变异类型可以导致相同的疾病。如FMR1基因导致脆性X综合征的主要变异类型是重复序列扩增和超甲基化，但是不到5%的患者是由于点突变或缺失造成的。
特点8：
一个重复序列的扩增并不会促进另一个重复序列的扩增。换句话说，一般情况下，一个重复序列扩增相关疾病的患者只患有一种重复序列扩增相关疾病。
特点9：
遗传方式包括常染色体显性遗传、常染色体隐性遗传和X连锁遗传。
特点10：
遗传早现可以是一个显著的特点，也可能不存在遗传早现。
特点11：
重复序列扩增相关疾病的致病机制包括功能缺失和功能获得，因疾病而异。如脆性X综合征和Friedreich共济失调1型均是由于相应基因的功能缺失所致。如强直性营养不良2型是由于RNA水平的功能获得而致病；而一些多聚丙氨酸（polyA）和多聚谷氨酰胺（polyQ）增加导致的疾病则是由于蛋白水平的功能获得而致病。当然，一些疾病的致病机制尚不清楚。
特点12：
大多数在成年后发病，部分涉及智力障碍或发育迟缓的疾病则发病较早，如脆性X综合征(FXS)、与脆性部位FRAXE相关的X-连锁智力障碍、整体发育迟缓，进行性共济失调和谷氨酰胺升高（GDPAG）、智力障碍，FRA12A型和癫痫、进行性肌阵挛1A(EPM1A)的发病年龄较早。
05
遗传检测
DNA串联重复序列扩增相关疾病的遗传检测目前尚不能用常规二代测序检测，多数可以使用PCR扩增+毛细管电泳进行检测，或可以使用三代测序进行检测。近两年，有文献报道可以通过对二代测序进行生信分析来计算重复数，可能在不久的将来，有望将此作为遗传病分析中的常规分析，可作为提示。以及其他方法，如Southern印记杂交法……
06
案例分析-FMR1相关疾病
脆性X综合征（FXS）是一种发病率仅次于先天愚型的遗传性智力障碍综合征，男性发病率约为1/4,，女性发病率约为1/(6,-8,)。该病为X连锁不完全显性遗传病，95%以上的FXS是由于FMR1基因5’非翻译区CGG三核苷酸重复扩增的动态变异和超甲基化所致，不到5%的患者由FMR1基因点变异或缺失变异造成。
FMR1基因CGG三核苷酸重复数目的不同，可引起不同的临床表型，具体如下：
表4：
分型
CGG重复次数
临床表现
正常范围
5-45
正常个体
中间变异或灰色区域
46-54
没有发病风险，其下一代子女也不会是脆性X综合征患者。但有一定的扩增风险，在传递给子代时可能扩增为前变异。
前变异
55-
轻微认知和/或行为缺陷；脆性X震颤和/或共济失调综合征；脆性X综合征相关卵巢不全。
全变异
＞
脆性X综合征
临床表型：
脆性X综合征（FXS）：多见于男性，表现为不同程度的智力障碍、特殊面容和结缔组织功能异常，男性在青春期后以巨睾常见。临床表现有很大的个体差异，患者可能缺乏某些症状，目前尚无明确的临床诊断标准。
脆性X震颤和/或共济失调综合征（FXTAS）：患者多为男性，平均发病年龄为60.2±6.2岁，其外显率和年龄有关，年龄越大，发病率越高。主要临床表现包括：①意向性震颤：包括静止性、姿势性及动作性震颤，以动作性震颤为主；②小脑共济失调：包括辨距不良、协调及轮替不能、共济失调步态及构音障碍等；③认知功能受损：在FXTAS患者中有很大的变异性，最早表现为执行功能下降、记忆力下降等，进展缓慢，仅小部分病例发展为痴呆；④帕金森样表现，包括面具脸、行动迟缓与静止性震颤等。另外，还可出现周围神经病、自主神经功能紊乱和精神障碍。
FXTAS的外显率和年龄相关，具体如下：
表5：
年龄和前变异男性携带者FXTAS患病风险的相关性
前变异男性携带者年龄（岁）
FXTAS患病概率
50-59
17%
60-69
38%
70-79
47%
≥80
75%
脆性X综合征相关原发性卵巢功能不全（FXPOI）：原发性卵巢功能不全（POI）又称为卵巢早衰，是指女性40岁之前卵巢功能衰竭，卵巢内卵泡基本耗尽而达到绝经的状态，出现闭经，并伴随着雌激素水平降低和促卵泡激素（FSH）水平升高。携带脆性X染色体前变异是发生POI的一个危险因素，约22%的女性前变异携带者将患FXPOI，患病风险和CGG重复次数呈非线性相关，具体如下:
表6：
FMR1基因CGG重复数和FXPOI的关系
CGG重复次数
患病概率
特点
59-79
约6.9%
卵巢受损相对缓慢。
80-99
约25.1%
发病年龄最小，绝经年龄也最低。
-
约16.4%
卵巢受损相对缓慢。
≥
和正常人相似，约1%
/
遗传特点：
已知的FMR1基因的变异类型有3类：95%以上的FXS是由于FMR1基因5’非翻译区CGG三核苷酸重复扩增的动态变异和超甲基化所致，不到5%的患者因FMR1基因点变异或缺失变异导致。
FMR1基因的5’UTR区域包括一段CGG三核苷酸重复序列。CGG重复的高度扩增只见于母亲向子代传递，而父亲的不稳定重复在向子代传递时，扩展的概率极低，约30%子代的重复序列比其父亲的缩短，称为重复序列收缩。男性全变异个体则多数不能生育。
携带前变异的女性有50%的概率将变异传递给后代，在子代中转变为全变异的概率与母亲前变异CGG的重复次数有关，具体如下：
表7：
母亲前变异扩增为全变异至下一代的风险
母亲前变异CGG重复次数
扩增为全变异的概率
55-59
3.7%
60-69
5.3%
70-79
31.1%
80-89
57.8%
90-99
80.1%
-
＞94%
＞
%
注：男性全变异个体多数不能生育。
案例：
以下是一个脆性X综合征家系中CGG重复次数在亲子代之间传递时的扩增情况，我们可以看到：母亲携带的前变异向后代传递时出现了明显的扩增，而父亲携带的前变异向后代传递时比较稳定。了解这一特性对于脆性X综合征的遗传咨询尤其重要。
参考文献：
doi:10./jbc.REV..
doi:10./nature。
doi:10./nrg...
陆国辉，张学主编.产前遗传病诊断（第二版），广东科技出版社。
doi:10./s---5.
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尘宇讲遗传
