Nature | 多隊列大規模數據分析揭示短串聯重復序列的擴增可提示疾病風險和腦萎縮

撰文 |章臺柳

短串聯重復序列（ short tandem repeats ， STRs ）是一類重要的遺傳變異，可導致多種神經退行性和神經肌肉疾病，包括亨廷頓?。℉D）、運動神經元?。∕ND）、脊髓小腦性共濟失調（SCAs）、強直性肌營養不良 1 型（DM 1 ）和 2 型（DM 2 ）以及脊髓延髓性肌萎縮癥（SBMA）。重復序列在代際傳遞或體細胞過程中發生的擴增增加，以及重復基序組成的變化，已被證明會影響疾病風險、外顯率、嚴重程度、進展和發病年齡。自 1991 年首次發現 FMR1 基因中的致病性重復序列與脆性 X 綜合征之間的關聯以來，目前已有超過 70 種神經系統疾病與重復擴增相關。重復序列相關疾病可通過多種機制表現，包括 RNA 積累（ DM1 ）、蛋白質錯誤折疊（ SCA2 ）、翻譯后修飾（ SCA1 ）以及由于高甲基化導致的轉錄抑制（脆性 X 綜合征）。盡管這些疾病較為罕見，但治療、護理的高昂成本，為病人帶來沉重的經濟和精神負擔，更突顯了更好地理解這些疾病以促進和支持藥物發現的必要性。

雖然某些重復擴增疾?。ɡ?HD 和 SCAs ）在特定國家和人群中的患病率估計值已有報道，但大多數 STR 的頻率和外顯率估計值存在偏差，這些偏差源于疾病確定、罕見性、疾病認知度、獲得可靠醫療保健的機會以及患者參與基因檢測的意愿。事實上，兩項使用 PCR 估算重復長度的大規模人群研究（一項針對 DMPK ，涵蓋超過 50,000 名個體【1】；另一項針對 HTT ，涵蓋超過 7,000 名個體【2】）估計的重復擴增攜帶者頻率高于先前報道。這些觀察結果說明了采用基因型優先方法進行人群規模研究的必要性，以檢查擴增重復序列的頻率、與重復長度增加相關的風險以及重復位點中基序的變異性。目前為止，專注于重復擴增相關疾病的研究大多是疾病特異性或位點特異性的，樣本量受到疾病罕見性以及估算重復長度檢測方法高昂成本的限制。然而，由于生物庫規模的全外顯子組測序（WES）和全基因組測序（WGS）數據的廣泛可用性以及專用的計算方法，現在正在出現能夠同時調用多個位點的重復序列并提供對潛在致病性擴增普遍性見解的人群規模分析。

2 026 年 4 月 8 日 ，來自 再生元遺傳學中心 （Regeneron Genetics Center） 的 Sahar Gelfman 團隊 在 Nature 雜 志上發表文章 Population-scale repeat expansions elucidate disease risk and brain atrophy ，利用短讀長測序的全外顯子組和全基因組數據，分析了1,020,833個多樣化樣本，對病理性重復擴增進行了人群規模的調查，估算了37個疾病相關STR位點的重復長度，計算了致病性重復序列的攜帶者頻率，并比較了不同祖先群體的差異。與先前研究結果一致，對于大多數位點，致病性重復序列的頻率高于相應疾病的患病率，在不同祖先群體之間有所不同，并且與流行病學研究中報道的亞群間疾病患病率差異相對應。重復長度與 7,671 種二元性狀的關聯分析捕捉到了已知的位點 - 性狀關聯，包括 HTT 與亨廷頓病、 DMPK 與強直性肌病、 C9orf72 與運動神經元病等。最后，即使在疾病診斷之前，幾個位點的重復擴增也與神經絲輕鏈蛋白水平升高（ NfL ）以及特定疾病相關腦區腦容量減少密切相關。例如， HTT 擴增攜帶者表現出 22.1% 的殼核體積損失，而 CACNA1A 擴增攜帶者則顯示出 24.6% 的小腦體積損失。這些觀察結果表明，腦容量減少和 NfL 水平升高均發生在疾病診斷之前。本研究展示了如何利用短讀長測序數據在多樣化人群規模隊列中表征重復擴增，及其在流行病學和臨床生物標志物開發中的應用。

研究人員綜合全外顯子組和全基因組數據，并設計了一個工作流程對來自7個隊列的1,020,833個全外顯子組測序樣本中3 7 個疾病相關STR位點進行分析。在整個隊列水平，以及由遺傳祖先定義的五個亞組（歐洲祖先、非洲祖先、南亞祖先、混血西班牙裔或拉丁美洲祖先以及東亞祖先）中，計算了每個位點上攜帶重復序列長度超過已報道的前突變和致病閾值的個體頻率。接著，基于以下標準為每個位點獨立定義了重復擴增閾值：(1) 前突變和 (2) 來自廣泛文獻檢索得到的致病截斷值，以及 (3) 根據每個隊列中重復長度分布經驗得出的前1%、(4) 前0.1%和 (5) 前0.01%的閾值。然后，在這些重復長度基因型與7,671個基于ICD10的二元性狀之間進行了全表型組關聯研究。最后，比較了致病性重復擴增攜帶者與非攜帶者在1,201個腦影像衍生定量體積表型和2,939個蛋白質表達水平上的差異。

研究人員生成了通過全外顯子組測序或全基因組測序數據（或兩者）可靠調用的37個位點中每個位點的重復長度分布，并計算了前突變和致病范圍內重復攜帶者的頻率，并與疾病患病率進行比較。結果顯示，致病性重復攜帶者的頻率高于其相關疾病的患病率，與之前的研究結果一致。使用一組單核苷酸多態性來推斷遺傳結構，將每個樣本分配到以下五個組之一：歐洲祖先（EUR）、非洲祖先（AFR）、南亞祖先（SAS）、混血西班牙裔或拉丁美洲祖先（AMR）以及東亞祖先（EAS）。計算每個組內的攜帶者頻率，確定了幾個已知和未報道過的血統特異性富集。例如， AR （ 2.51% ）和 CACNA1A （ 0.11% ）的致病性擴增在 EAS 中富集，特別是與 AFR 中的低頻率相比時（ AR ： 0.46% ，； CACNA1A ： 0.01% ）。這些富集與相應祖先和地理區域中疾病患病率的已知差異一致，例如 AFR 中 SBMA （ AR ）的較低患病率以及日本和韓國中 SCA6 （ CACNA1A ）的較高患病率。與其他祖先相比，EUR中出現DMPK（WES）以及C9orf72、FXN和TCF4（WGS）的擴增富集，與報道的EUR中ALS、Fuchs內皮角膜營養不良和弗里德賴希共濟失調的較高患病率一致。除了復現已報道的疾病富集外，還發現與 EUR 相比， AFR 中 CNBP 和 JPH3 前突變擴增存在新的富集（ CNBP ： WGS ， 0.98% vs 0.12% ，； JPH3 ： WGS ， 0.98% vs 0% ）。在特定祖先群體中觀察到的這些富集和缺失，有助于為特定亞群中的疾病風險建立基線預期。

那么，重復擴增的長度與性狀之間是否關聯？研究確定了7個獨特位點的1 68 個顯著關聯：AR、ATXN2、CACNA1A、C9orf72、DMPK、HTT和TCF4，其中75個是獨特的位點-性狀關聯，每個位點有多個顯著的重復閾值。觀察到較為主要的關聯包括：DMPK的致病性（≥50個重復序列）擴增與強直性肌病、HTT的致病性（≥40）擴增與亨廷頓病、C9orf72的致病性（≥60）重復長度與MND、TCF4（≥50）與遺傳性角膜營養不良等。對于每個位點，觀察到多個與相關性狀的顯著關聯。例如，白內障、心臟起搏器和植入物與DMPK擴增密切相關，這與DM1廣泛且預期的臨床譜一致。值得注意的是，位點 - 性狀風險通常隨著重復長度閾值的增加而增強。例如，在 HTT 重復長度閾值的前 0.01% （ WES 和 WGS 分別為 44 和 41 個重復序列）觀察到最強的 HD 風險， OR 為 2,570 。然而，在 1% 重復閾值（ 1:100 ，即 32 個 CAG 重復序列， WES 和 WGS ， OR = 62 ）和 0.1% 閾值（ 1:1,000 ， WES 和 WGS 分別為 38 和 37 ， OR = 410.2 ）仍然觀察到高風險，這表明較短重復序列的外顯率較低，并隨重復長度逐漸增加。同時，外顯率隨著年齡的增長而逐漸增加，并且在較長致病性重復序列的攜帶者中更為明顯。

在神經退行性疾病中，腦容量減少和NfL水平升高是預期會發生的變化，那么從未診斷為相應疾病的重復擴增攜帶者的腦影像和NfL讀數是否會發生變化？研究人員選擇了導致神經退行性疾病的基因，這些基因在UKB中既有未確診的致病性重復擴增攜帶者，也有相應的MRI或NfL數據。結果顯示，HTT、CACNA1A、C9orf72和TCF4這四個位點與體積表型顯著相關，且每個位點擴增攜帶者受影響最大的區域與相應疾病早期階段受影響的區域相同。測試HTT、CACNA1A和C9orf72重復序列對從血漿中2,939種蛋白質表達的影響，發現 HTT 重復序列與 NfL 水平升高之間存在強關聯。這種相關性意味著，與 HTT 正常重復序列攜帶者相比，致病性重復序列攜帶者的 NfL 水平增加了 1.9 倍。與正常重復序列攜帶者相比， C9orf72 致病性重復序列攜帶者的NfL水平確實顯示出顯著增加（1.14倍變化）。在CACNA1A擴增攜帶者中未觀察到這種效應。

總的來說，研究利用大規模人群數據，系統性地描繪了致病性重復擴增的攜帶者頻率，量化了其與疾病風險和腦結構變化的關聯，強調了重復長度在疾病發生發展中的核心作用。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10345-6

制版人：十一

參考文獻

1. Kay, C. et al. Huntington disease reduced penetrance alleles occur at high frequency in the general population.Neurology87 , 282–288 (2016).

2. Johnson, N. E. et al. Population-based prevalence of myotonic dystrophy type 1 using genetic analysis of statewide blood screening program.Neurology96 , e1045–e1053 (2021).

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