休·莱恩霍夫说,他九岁的女儿比娅“活泼开朗”、“像个假小子”而且“非常时髦、任性的女孩”。但在即将发表的一篇研究论文中,他使用了截然不同的术语,描述了她的眼距过宽(眼睛之间间距过大)和悬雍垂裂(悬挂在腭后部的组织裂缝)。这两者都可能是某种遗传综合征的特征,莱恩霍夫自比娅2003年出生后不久就一直为此困扰。由于无法增加太多肌肉,比娅在纤细的腿上戴着支具,以支撑她弯曲的脚。除此之外,她很健康,但莱恩霍夫一直担心他女儿的病情可能会伴随严重的心脏问题。
莱恩霍夫是加利福尼亚州圣卡洛斯的一位生物技术企业家,他在 20 世纪 80 年代曾接受过临床遗传学家的培训。他四处寻医问药,希望能确诊女儿的病情。他购买了实验室设备,以便自己研究女儿的 DNA——在此过程中,他成为了 DIY 生物学运动的象征,也是使用 DNA 技术诊断罕见疾病的先驱(参见Nature 449, 773–776; 2007)。
基因组测序公司 Illumina(位于加利福尼亚州圣地亚哥)的研发主管加里·施罗思帮助了莱恩霍夫寻找线索,他说:“说到个人基因组学,再也没有比试图弄清楚自己孩子出了什么问题更私人的事情了。”
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在经历了近十年的探索后,莱恩霍夫终于找到了答案。通过对他全家进行部分基因组测序,他和一组合作者发现了一个基因突变,该基因编码转化生长因子-β3 (TGF-β3)。TGF-β 通路中的基因控制胚胎发生、细胞分化和细胞死亡,几个相关基因的突变与马凡综合征和洛伊-迪茨综合征有关,这两种综合征的症状与比娅的病情有重叠之处。根据即将发表在《美国医学遗传学杂志》上的一篇论文,这种以前未曾与任何疾病相关的突变似乎是导致比娅临床特征的原因。
哈尔·迪茨是巴尔的摩马里兰州约翰·霍普金斯大学医学院的临床医生,莱恩霍夫曾在此接受遗传学家培训。迪茨对遗传罪魁祸首出现在该通路中并不感到惊讶。“早期的主要假设是这与此有关,”迪茨说,他于 2005 年共同发现了洛伊-迪茨综合征。
长期以来,莱恩霍夫一直在向迪茨等专家寻求帮助。2005 年,在约翰·霍普金斯大学进行的一次检查显示比娅患有悬雍垂裂。这一特征与其他特征相结合,暗示了洛伊-迪茨综合征,该综合征是由 TGF-β 受体中的突变引起的。但医生在对这些基因进行单独测序后,没有发现任何已知的突变。这让人松了一口气:洛伊-迪茨综合征与毁灭性的心血管并发症有关,平均寿命为 26 岁。
2008 年,Illumina 首席执行官杰伊·弗莱特利为莱恩霍夫提供了对比娅的转录组(她细胞样本表达的所有 RNA)以及她的父母和两个兄弟的转录组进行测序的机会。在深入研究数据后,莱恩霍夫和他的合作者发现,比娅从父母双方各遗传了一个看起来有缺陷的CPNE1副本,这是一个研究甚少的基因,似乎编码一种膜蛋白。这看起来像是答案。
但问题仍然存在。该基因与比娅的特征没有明显的联系,公开的基因组数据表明,CPNE1突变存在于大约千分之一的人口中——这表明应该有更多像比娅这样的人。
莱恩霍夫对此并不满意,于 2009 年回到 Illumina 寻求更多帮助。他提出了外显子测序,这种测序捕获基因组的整个蛋白质编码部分,并且在某些方面比转录组测序更全面。当时,Illumina 正在开发其外显子测序技术,该公司再次将莱恩霍夫一家作为测试组。
分析结果显示,只有一个基因副本发生了突变,该基因编码 TGF-β3——仅在比娅身上。在细胞培养和蛙卵实验中,缺陷基因似乎产生了一种无功能蛋白,从而减少了 TGF-β 信号传导。这种机制与许多人怀疑的马凡综合征和洛伊-迪茨综合征中的情况不同,在后两种综合征中,突变反常地增强了 TGF-β 信号传导。莱恩霍夫的一位合作者目前正在改造一只与比娅具有相同基因变异的小鼠,这可能有助于阐明该突变是增强还是抑制了信号传导。
最新的研究并没有定义一种新的“莱恩霍夫综合征”。为此,莱恩霍夫和他的合作者需要找到其他与比娅具有相似特征和遗传标记的患者。莱恩霍夫说,如果他找到一位患有类似症状且像他最近获得空手道橙带的女儿一样活泼的老年人,他会感到欣慰;这将告诉他,心血管并发症并非命中注定。“如果我看到一个这样的病例,我可能会说,‘哈利路亚’,”他说。