21-羟化酶缺乏症(21-hydroxylase deficiency,21-OHD)是由
CYP21A2基因变异所致的常染色体隐性遗传病,是先天性肾上腺皮质增生症(congenital adrenal hyperplasia,CAH)的主要类型,占全部CAH的95%以上
[1]。
CYP21A2基因不同的变异类型可引起21-羟化酶活性不同程度的丧失
[2-4],根据临床表现分为经典型和非经典型。经典型包括失盐型和单纯男性化型。失盐型残余酶活性几乎为零,患者在新生儿期即可出现致命的失盐危象,如不能及时发现并治疗,可导致新生儿死亡。失盐型和单纯男性化型的女性新生儿在出生前便会出现非经典型外生殖器表现,早发现、早治疗可以明显改善预后。非经典型则症状较轻,可以表现为多毛、痤疮、阴蒂肥大、月经不调或停经、不孕等。目前我国对21-OHD的筛查主要通过新生儿筛查,以滤纸干纸片中17-羟孕酮含量作为筛查指标。但该激素水平受较多因素影响且存在延迟升高的现象,加之我国新生儿筛查覆盖率低,仅为18.9% ~ 19.9%,存在较高漏筛率
[5]。
单基因病携带者筛查是减少隐性遗传病发生率的重要手段,尤其是孕前携带者筛查能预防单基因病的首次发生,从而减少出生缺陷。随着二代测序技术的发展和检测成本的下降,利用二代测序技术同时筛查数十甚至数百种基因是目前携带者筛查的主流方案
[6]。美国医学遗传学与基因组学学会(American College of Medical Genetics and Genomics,ACMG)指南建议所有孕妇和备孕者进行携带率大于1/200的疾病的筛查
[7]。研究显示
CYP21A2基因80% ~ 90%基因型与表型相关,人群最高携带者频率为0.048
[7-9],是指南推荐进行携带者筛查的候选基因。通过筛查备孕及早孕期人群
CYP21A2基因致病变异的携带情况可识别高危夫妇,提早发现患儿,判断其病情严重程度,并尽早开始治疗。
CYP21A2基因位于染色体6p21.33主要组织相容性复合体Ⅲ区,距其上游约30 kb是与之串联排列的假基因
CYP21A1P,两者外显子序列同源性高达98%,内含子同源性达96%,以短读长为特点的二代测序对
CYP21A2基因的检测有一定的困难
[10-11]。目前全球范围内对
CYP21A2基因变异的大规模携带者筛查鲜有报道
[12-14]。本课题组开展了一项针对中国普通育龄期夫妇的大规模多中心前瞻性扩展性携带者筛查研究
[15]。拟利用特异性PCR结合二代测序靶向捕获及自行研制的生物信息学算法将
CYP21A2真假基因区分,研究普通夫妇
CYP21A2基因致病变异携带情况,探讨二代测序筛查
CYP21A2基因的可行性。
1 对象与方法
1.1 研究对象
2022年7月20日至2023年10月31日,在全国12家三级甲等医院招募备孕或孕早期夫妇。纳入标准:(1)备孕或早孕期(≤13周)的夫妇;(2)自愿参与,夫妻双方均签署知情同意书,并接受随访。慎入标准:有遗传病家族史或生育过遗传性疾病孩子的正常夫妇,需要先针对家系中患者的病因进行遗传学诊断和排查。夫妇如坚持要求参加本项目,应了解本项目检测范围和局限性等,由医师评估是否适合进行本单基因病携带者筛查,本项目不能替代其他遗传学检测。排除标准:(1)通过辅助生殖受孕的夫妇(第一、第二、第三代试管婴儿)以及非自体配子妊娠夫妇;(2)夫妻一方或双方表型异常,高度怀疑或诊断患有遗传性疾病;(3)接受过器官移植、一年之内有异源性输血或免疫治疗的孕妇或配偶。本研究已通过解放军总医院医学伦理审查委员会审核(伦审第S2021-474-01号),所有参与者均签署知情同意书。
1.2 标本采集及检测方法
首先进行PCR结合二代测序检测CYP21A2基因,根据二代测序检测结果选择高危夫妇以及携带2个以上变异的全部样本进行三代测序验证。
1.2.1 CYP21A2基因携带者筛查检测方法
(1)标本采集及DNA的提取:抽取3 mL外周静脉血于乙二胺四乙酸二钾(ethylenediaminetetraacetic acid dipotassium salt,EDTA-K
2)抗凝管中,2 ~ 4℃冰箱保存。使用通用下一代测序文库制备试剂盒(Biosan Tech)进行核基因组DNA文库制备。(2)真基因扩增:在
CYP21A2基因两侧设计特异性引物(F2/F引物与R引物)进行扩增(
图1),5’端F引物序列为GCGGGTCGGTGGGAGGT,R引物位于
TNXB基因第35号外显子5’端,序列为TCGCACCCAGTATGAC。为避免引物结合区域SNP导致的扩增单个拷贝,
CYP21A2基因5’端增加一条F2引物序列为TCCTTGCTTCTTGAT GGGTAGTC3。正常情况下F引物结合并扩增,F2引物因扩增片段更长无法产生扩增产物,扩增产物为F-R片段。少数情况下F引物结合区域存在变异导致F引物无法结合,F2引物结合扩增目标片段,扩增产物为F2-R片段。PCR扩增后产物加入核基因组DNA中一起进行预文库构建。(3)二代测序:使用定制的携带者筛查捕获探针试剂盒(Biosan Tech),结合目标区域捕获和高通量测序方法,在MGI-DNB-T7测序仪上对样本进行测序。(4)测序结果分析:将获得的DNA序列与NCBI人类参考基因组(GRCh37/hg19)进行比较,检测到的变异进行了生物信息学分析和致病性解读,最终报告P和LP变异。在序列比对过程中,为了避免Reads比对到
CYP21A2基因区域造成结果的误差,比对时封闭
CYP21A1P区域信息。统计突变位点的突变型占该位点所有Reads基因型的比例,0.4 ~ 0.6判定为杂合突变,0.95 ~ 1.0判定为纯合突变。
1.2.2 三代测序验证
选取二代测序中携带2个及2个以上变异的样本、高危夫妇样本进行三代测序验证(由贝瑞公司进行)。(1)样本DNA的提取:取待测样本1 mL,使用大容量血液基因组提取试剂盒通过Purifier HT自动核酸提取器(中国江苏无锡纪凡生物技术有限公司)提取基因组DNA。(2)CYP21A2基因、CYP21A1P基因和融合基因的扩增:分别在真假基因5’端设计引物A2-F和A1P-F,在TNXA/B全长基因3’端设计下游引物TNXA-R和TNXB-R,然后进行多重长片段扩增(Multiple LR-PCR)。(3)文库构建及测序:使用Sequel Binding Kit 2.0(PacBio)和内部对照试剂盒1.0(PacBio)构建单分子实时环状测序(single molecule real-time cell,SMRT cell)文库。将引物和DNA聚合酶添加到SMRT cell 单元上,在环化共有序列(circular consensus sequencing,CCS)模式下用Sequel Ⅱ测序试剂盒2.0进行测序。(4)测序结果分析:用SMRT链接分析软件(PacBio)与人GRCh38/hg38基因组两个参考序列CYP21A2-TNXB和CYP21A1P-TNXA进行比对。CYP21A1P/CYP21A2融合基因与CYP21A2-TNXB比对,同时两参考序列进行比对以确定融合基因的连接区域。报告临床意义不明以上的变异。
1.3 统计学分析
计量资料以均数±标准差(x)表示;计数资料以频数和百分率(%)表示。
2 结果
2.1 CYP21A2 基因变异携带率及分布情况
2.1.1 研究对象一般特征
共纳入来自我国12家三甲医院33 104例自我报告无症状个体,含16 494对夫妇及116例单独筛查的女性。根据身份证号判断,33 104例样本分别来自中国23个省、5个自治区、4个直辖市,以及中国香港和中国澳门。其中女性16 610例,男性16 494例。受试者平均年龄(33.39±2.83)岁,其中女性(32.77±2.83)岁,男性(34.01±2.12)岁。
2.1.2 CYP21A2基因携带者筛查结果
经二代测序共发现636例携带者,其中单个变异携带者612例,2个及以上变异者24例,其中最多同时检出6个变异。女性携带者310例,男性携带者326例。发现高危夫妇11对,均为单个变异携带者(
表1)。
2.1.3 三代测序验证结果
对二代测序检出的11对高危夫妇及多个变异携带者行三代测序验证,确认携带者为631例,人群总携带者率为1/52.46(631/33 104),女性携带者率为1/53.92(308/16 610),男性携带者率为1/51.07(323/16 494)。
对于11对高危夫妇所携带的单个致病变异,三代测序与二代测序结果一致,其中有2对高危夫妇已通过三代试管技术助孕并成功分娩。在二代测序提示为多个变异携带者的个体中,3例为致病变异呈反式排列的轻型患者(
表2,编号1、2、3),2例为因基因重组导致真基因重复的健康个体(
表2,编号4、5),因此,最终确认携带者为631例。在多个变异携带者中,二代、三代测序检测相符率只有79.17%(19/24)。
2.2 检出变异在 CYP21A2 基因上的分布情况
本研究检出变异684个,共计34种,34种变异分布在
CYP21A2基因的10个外显子及2号、8号内含子上(
图2),其中10种存在于假基因,且占检出变异总数的88.01%(602/684)。未见于
CYP21A1P假基因的变异24种,占检出变异总数的11.99%(82/684)。
2.3 CYP21A2 不同变异的检出频次及相应表型
本研究中检出最多的5种变异为c.844G>T(202/66 208,0.31%)、c.293-13C>G(148/66 208,0.22%)、c.518T>A(100/66 208,0.15%)、c.955C>T(57/66 208,0.09%)、c.1069C>T(36/66 208,0.05%),这5种变异占检出变异总数的79.39%(
图3)。在34种变异中,c.955C>T、c.1069C>T、c.923dup、c.332-339del、c.59C>T使21-羟化酶残余活性降低至1%以下,可导致严重失盐表型,占全部变异总数的13.74%;c.293-13C>G、c.518T>A、c.[710T>A;713T>A;719T>A]、c.274A>G、c.1451G>C、c.719T>A、c.874G>A使21-羟化酶残余酶活性降低至<20%,引起的临床表型变异较大,多与失盐型及单纯男性化表型相关,占检出变异总数的38.60%;c.844G>T、c.913C>T、c.92C>T、c.1360C>T、c.1126G>A、c.448C>T、c.1024C>T、c.1100G>A、c.1108C>T对21-羟化酶活性影响较小,表型多与非经典型CAH相关,占检出变异总数的41.23%。c.1451G>A、c.1451-1452delinsC多表现为非经典型或单纯男性化型,占检出变异总数的2.92%。
3 讨 论
单基因病携带者筛查是降低隐性遗传病发生率的有效手段,其中孕前、产前筛查处于出生缺陷防控的源头窗口期,能够预防单基因病的首次发生。以往受技术条件限制,传统的携带者筛查通常仅针对特定高危人群或少数几种疾病。随着高通量测序技术的发展与应用,检测成本下降,扩展性携带者筛查正越来越多地成为常染色体隐性遗传病的一级预防手段,对育龄期夫妇的携带者筛查可提前识别高危夫妇,为其提供包括产前诊断、胚胎植入前遗传学检测等在内的多种选择,从而预防严重患儿的首次发生或尽早开展救治。CYP21A2基因变异引起的肾上腺皮质增生症严重时可引起新生儿死亡及女婴男性化,早期诊断和治疗可避免严重的临床后果,对该基因的携带者筛查有重要意义。
根据既往研究,
CYP21A2基因人群最高携带者频率约为0.048,是符合指南推荐纳入筛查的候选基因,但是由于
CYP21A2基因的复杂性,绝大多数携带者筛查研究并未包含此基因
[7]。
CYP21A2基因所在的主要组织相容性复合体Ⅲ区有多个高度同源的真假基因串联排列,形成了30 kb串联重复的遗传单位,即RCCX模块(RP-C4-CYP21-TNX)
[16]。通常人类的单倍体为RCCX双模块,具有不同RCCX数目及长度的同源染色体在减数分裂过程中可能发生错位和不平等交叉,引起DNA链的断裂,从而导致
CYP21A2基因重复或全部缺失。
CYP21A1P假基因位于距
CYP21A2基因上游约30 kb处,并与之串联排列,二者之间高度同源性促进了真假基因交换,使位于假基因上的有害变异转移至真基因,导致
CYP21A2基因功能异常。目前研究认为
CYP21A2基因95%的致病变异由真假基因间重组所致,其中约75%
CYP21A2基因致病变异是由于假基因上的致病变异通过有丝分裂时基因转换事件转移至真基因,20% ~ 25%
CYP21A2基因致病变异源于减数分裂期间真假基因间的不平等交换,只有不到5%的致病变异不是上述机制形成
[17-18]。
二代测序技术可以实现短片段(通常<150 bp)的高通量测序,对序列特异性高的基因有较高的准确性。该项技术的兴起显著扩展了单次检测可覆盖的基因范围。然而,对于CYP21A2基因而言,由于存在同源度极高的假基因,在分析数据时无法区分短片段的来源,导致二代测序结果不可靠。为解决二代测序检测CYP21A2基因时因高度同源假基因干扰而导致无法获得正确比对结果的问题,本研究设计了一套整合实验与生物信息学分析的针对性策略。通过基于CYP21A2真基因特有侧翼序列设计特异性引物,在PCR扩增阶段即实现对该基因的定向富集,从而在源头上大幅降低了假基因同源序列的干扰。随后,结合自主研发的高特异性生物信息学比对算法,在数据分析环节进一步屏蔽残余的假基因干扰,实现了对CYP21A2真基因序列的精准识别与变异检出。这一策略不仅充分发挥了二代测序技术高通量、低成本的优势,使其能够在一次性筛查数百个基因的同时,以可控的附加成本将CYP21A2基因纳入检测范围,也成功填补了现有携带者筛查在该基因检测层面的技术缺口。理论上,本研究采用的PCR-NGS优化方案可覆盖约75%的21-OHD相关致病变异类型,主要包括点突变、小片段缺失与重复等,从而显著提升对真基因区发生的基因转换事件及新生变异的检出准确性与报告可靠性。
本研究对33 104例备孕及孕早期健康夫妇开展了包含
CYP21A2基因在内的扩展性携带者筛查,并对二代测序检出的多位点变异携带者及高风险夫妇样本进行了三代测序验证。结果显示,
CYP21A2基因致病性变异的携带率为1/52.46(631例携带者),此携带率与近期中国人群研究结果一致
[19]。共识别出11对高风险夫妇及3例经确认的轻型患者,其中有两对高危夫妇已通过三代试管技术助孕并成功分娩。据此估算,21-OHD在我国人群中的理论发病率至少为1/11 009,显著高于基于新生儿筛查所报告的发病率(约1/23 024)
[20]。分析该差异的原因可能源于新生儿筛查依赖足跟血中17-羟孕酮的检测,该指标易受胎龄、体重、应激状态及采血时间等因素干扰,且存在生理性延迟升高现象,可能导致表型较轻的非经典型或单纯男性化型患儿在新生儿筛查阶段出现假阴性结果
[21-23]。同时我国针对CAH的新生儿筛查也未广泛开展。基于基因检测的携带者筛查能更直接、更早期地识别
CYP21A2致病变异的携带状态,为弥补当前新生儿筛查体系在灵敏度与覆盖面上的不足,提供重要的互补路径。
在本研究检出的所有致病变异等位基因中,高达88.01%来源于假基因的基因转换事件,进一步印证了该机制是导致
CYP21A2基因变异的主要人群遗传基础。从变异分布来看,检出频率最高的变异为c.844G>T,其在携带者中的等位基因频率为0.31%。值得注意的是,该变异同样也是中欧及塞浦路斯地区CAH携带者筛查中最常见的变异类型
[12],提示其可能在一定人群范围内具有相对保守的分布特征。然而,在不同地域人群中,
CYP21A2的变异谱表现出明显的异质性:南印度地区以30 kb大片段缺失最为常见,其次为c.518T>A及E6突变簇
[24];而在中国台湾地区的研究中,c.518T>A则是该人群最主要的变异类型
[13];福建地区一项针对1 774 555例新生儿的研究显示,c.293-13C>G变异最为常见(31.19%)
[25]。这些差异凸显了
CYP21A2基因致病谱系的人群特异性,提示在制定携带者筛查策略时,必须结合当地人群的遗传背景,建立具有针对性的变异检测方案。
21-OHD的基因型与表型之间存在较强的相关性,在严重的失盐型与临床表现轻微的非经典型患者中尤为显著;然而,在中度严重程度的患者中,其表型差异则较为明显
[26-28]。本研究中检出的c.955C>T、c.1069C>T及c.59C>T 3种变异,均可使21-羟化酶残余活性下降至1%以下,引起严重失盐表型,占全部检出变异的13.74%;与非经典型相关的变异占总检出变异的41.23%;而38.60%的变异则与临床表现异质性较大的中度表型相关,这些变异通常导致酶活性部分保留(1% ~ 80%),临床谱系覆盖从失盐表现至不同程度的雄激素异常。近期一项针对儿童21-OHD患者的研究显示,基因型-表型总体符合率为73.1%,其中严重变异组符合率可达88%,而轻度变异组符合率仅为32%
[29]。在女性患者中,非经典型先天性肾上腺皮质增生症常表现为高雄激素血症、月经紊乱、排卵障碍及多毛等表现,其临床特征与多囊卵巢综合征(polycystic ovary syndrome,PCOS)存在显著重叠,鉴别诊断具有一定挑战。因此,对于临床怀疑为PCOS,尤其是表现不典型、对常规治疗效果欠佳或具有相关家族史的育龄期女性,建议将
CYP21A2基因筛查纳入鉴别诊断流程。通过基因检测明确诊断,不仅有助于制定更具针对性的内分泌管理方案(如合理使用糖皮质激素),也能为患者及其家庭提供准确的遗传咨询与再发风险评估,从而实现对病情的精准管理与生育指导。
受技术原理所限,本研究采用的二代测序方案无法识别由
CYP21A2基因与其同源假基因之间不平等交换所形成的真假/假真融合基因,无法提示与
TNXB基因变异相关的CAH-X综合征,该病占21-OHD的10%
[30]。具体原因:首先是由于PCR扩增靶点仅针对真基因特征性侧翼区域设计,当发生大片段交换导致引物结合位点丢失或结构重构时,部分真假或假真融合基因无法被有效扩增,从而导致20% ~ 25%的由不等交换引起的致病变异被漏检。这类变异通常导致酶活性严重丧失,因此漏检对象多为失盐型高风险携带者
[3]。其次,二代测序的短读长特性限制了其对多个变异之间相位关系的解析能力,亦无法直接判断是否发生结构重组。因此,在检测到两个及以上杂合变异时,难以区分该个体是复合杂合状态(反式排列)还是携带状态(顺式排列),可能将轻型或非经典型患者误判为携带者。第三,真基因下游引物位于
TNXB基因第35号外显子区域,而
TNXB共有44个外显子。该方法仅能覆盖
TNXB基因第36 ~ 44号外显子,生物信息学分析亦未纳入
TNXB其余外显子序列,因此难以检出
TNXB基因其他区域的新发变异或结构性重排,可能导致与CAH-X综合征相关的携带者漏筛,根据既往研究,该病占21-OHD的10%
[30]。为厘清上述复杂基因型,本研究对二代测序检出的多位点变异携带者样本进行了三代测序验证。结果显示,其中3例为复合杂合致病变异的轻型患者,2例为仅携带真基因重复的健康个体,另有5例检出涉及真假基因的大片段交换事件。三代测序凭借其长读长优势,能够准确识别CYP21A2/假基因拷贝数、嵌合基因结构、重组边界与范围,并可明确多个变异的顺反式排列关系
[31-32]。然而,由于该技术目前成本较高、通量有限,在大规模人群携带者筛查中广泛应用仍面临实际制约。
综上所述,本研究通过对33 104例中国育龄夫妇开展基于PCR富集结合靶向二代测序及自主生物信息学分析流程的
CYP21A2基因的携带者筛查,证实该策略可有效检出源于该基因的基因转化事件及新发变异,这些变异构成了21-OHD的主要遗传病因。然而,该方案仍存在明确的技术局限,在实际筛查中仍存在一定的残余风险。尽管如此,考虑到
CYP21A2基因在中国人群中的高携带率及其所致疾病的临床严重性,本研究表明,在有限的成本增加前提下,将
CYP21A2基因纳入扩展性携带者筛查的检测组合具有显著的公共卫生价值与成本效益。为确保筛查的合理应用,必须在检测前后开展详细的遗传咨询,并对检出多个变异的个体采用三代测序或其他技术进行相位验证与结果确认。未来有必要进一步研发针对
CYP21A2融合基因等复杂变异的经济有效的识别方法,弥补二代测序筛查方法的局限性
[33-34]。
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国家重点研发计划(2022YFC2703301)
国家重点研发计划(2021YFC1005303)
国家重点研发计划(2021YFC1005300)