基于魁北克人群队列的重复扩增及其他罕见神经系统疾病的遗传患病率研究

《Frontiers in Genetics》：Genetic prevalence of repeat expansion and other rare neurological disorders in the Quebec population

　　

背景：重复扩增疾病（repeat expansion disorders, REDs）是一类遗传病，其中大多数导致神经或神经发育表型。近期在重复序列检测方面的改进表明，REDs的总体发生率高于此前的估计。由于奠基者效应塑造了魁北克省的遗传景观，若干种REDs在该省以异常高的频率出现。鉴于这些疾病临床异质性高且难以诊断，其在该省的真实患病率在很大程度上仍属未知。 方法：研究人员利用来自CARTaGENE（CaG）（一项前瞻性魁北克人群队列）的全基因组测序（whole-genome sequencing, WGS）、全外显子组测序（exome sequencing, exome-seq）和RNA测序（RNA-sequencing, RNA-seq）数据，对13个RED位点以及与两种非重复性神经系统疾病——常染色体隐性遗传小脑性共济失调1型（autosomal recessive cerebellar ataxia type 1, ARCA1）和遗传性痉挛性截瘫11型（hereditary spastic paraplegia 11, HSP11）相关的两个基因进行了鉴定。 结果：研究人员估算了前突变（premutation）和完全扩展（full expansion）等位基因的携带者频率和扩展频率，发现FXN、DMPK和FGF14在魁北克表现出最高值。假设符合哈迪-温伯格平衡（Hardy-Weinberg equilibrium），研究人员计算出SCA27B的遗传患病率为每100,000人中55.28例，而该疾病的患病率此前缺乏估算数据。另有若干种REDs的遗传患病率被估算为比先前报告的数字高出多达6.5倍，提示可能存在漏诊或不完全外显。CaG中其他REDs的遗传患病率与报告数值相当，表明奠基者效应作用于特定基因座而非所有重复扩增。这些发现突显了那些应在该省优先配置临床资源的REDs。通过将CaG等位基因频率与gnomAD非芬兰欧洲人（Non-Finnish European, NFE）队列进行比较的富集分析，研究人员鉴定了与ARCA1和HSP11相关的候选奠基者变异，并报告了这两种疾病在全省的遗传患病率估计值。 结论：利用CaG的测序数据，研究人员建立了魁北克罕见神经系统疾病的遗传图谱。这些结果为制定罕见神经系统疾病的遗传筛查和诊断策略提供了宝贵信息。

一、研究背景与科学问题

罕见遗传病的患病率估算是医学遗传学的核心问题之一，对于规划遗传筛查项目、优化诊断路径和指导公共卫生决策至关重要。然而，对于罕见遗传病而言，准确的患病率数据长期匮乏，主要原因在于既往估算多依赖临床病例登记，而这些登记往往受限于诊断延迟、误分类以及对轻症或症状前个体的遗漏。重复扩增疾病（REDs）是一类由短串联重复序列（STR）异常扩增引起的遗传病，多数表现为神经或神经发育表型。近年来，随着重复序列检测技术的进步，人们认识到REDs的总体发生率可能远高于以往认知。魁北克的法裔加拿大人群因其独特的奠基者效应历史——始于1608至1759年间约8500名法国定居者的迁徙，随后经历三次移民浪潮形成的三重奠基者效应——使得某些致病性或有害变异的频率在该人群中显著升高。例如，强直性肌营养不良1型（DM1）和眼咽肌营养不良（OPMD）在魁北克的部分地区呈现出全球最高的患病率。然而，由于REDs临床表现高度异质、症状重叠且诊断困难，大量患者仍处于未确诊或误诊状态，导致该省这些疾病的真实患病率在很大程度上未知。此外，除REDs外，其他罕见神经系统疾病如常染色体隐性遗传小脑性共济失调1型（ARCA1，由SYNE1基因变异引起）和遗传性痉挛性截瘫11型（HSP11，由SPG11基因变异引起）也在魁北克的特定区域（如博斯地区）呈现高频分布，但全省范围内的患病率估算同样缺失。因此，有必要利用基于一般人群的前瞻性队列数据，系统评估这些罕见神经系统疾病在魁北克人群中的遗传负荷。

二、研究设计与技术方法

为填补上述空白，研究人员利用了CARTaGENE（CaG）这一魁北克最大的人群前瞻性队列，该队列包含43,032名40-69岁的参与者，招募自多个都市区域。从该队列中，研究人员获取了2,184份短读长全基因组测序（WGS）、911份RNA测序（RNA-seq）和198份全外显子组测序（exome-seq）数据，涵盖3,189名独立个体。在REDs分析方面，采用ExpansionHunter（EH v5.0.0）对WGS数据进行重复片段长度估算，并结合自定义的变异目录（纳入FGF14位点），依据位点特异性阈值将重复片段分类为前突变或致病性；同时使用ExpansionHunter Denovo（EHdn v0.9.0）检测RFC1基因的扩展基序。携带者频率和扩展频率的计算参照Iba?ez等人描述的方法，分别针对完全扩展和前突变等位基因进行估算，并通过Wilson分数区间计算95%置信区间。遗传患病率的估算则基于哈迪-温伯格平衡假设，对常染色体隐性、显性和X连锁疾病分别采用不同公式，并使用贝叶斯二项式置信区间下限以控制显性疾病估算中的过度膨胀。对于ARCA1和HSP11，研究人员通过整合WGS、RNA-seq和exome-seq数据，采用ANNOVAR等工具注释变异，并以等位基因频率<1%、CADD>15及高致病性/保守性评分等标准筛选罕见变异，最终依据ACMG指南或ClinVar数据库确定致病性。通过与gnomAD非芬兰欧洲人（NFE）队列的比较，利用Fisher精确检验鉴定富集变异。

三、主要研究结果

3.1 RED变异频率

研究人员分析了19个RED基因座，其中13个在CaG队列中检出前突变或完全扩展等位基因。FXN基因拥有最多的疾病相关等位基因，其次为DMPK、FGF14、FMR1、TBP和AR。FXN的致病性扩展携带者频率为1/136，前突变携带者频率为1/121。在显性扩展疾病中，FGF14和C9orf72的致病性扩展频率均为1/546，DMPK为1/728。DMPK的前突变携带者频率高达1/115，为队列中所有变异类型的最高值。ATXN2仅检出一个致病性等位基因。TBP、HTT和JPH3仅观察到前突变等位基因。X连锁的AR基因男性前突变携带者频率为1/331，FMR1的前突变携带者在男性和女性中分别为1/248和1/298，未检出完全扩展。主成分分析和血缘同源（IBD）聚类分析显示，DMPK和FXN的携带者无法被明确分配至特定地理起源区域，但部分携带者归属于一个与萨格奈奠基者效应相关的IBD簇。

3.2 CaG队列中的患病率估算

仅对检出致病性扩展的REDs进行遗传患病率估算。SCA27B和ALS/FTD的遗传患病率均为每100,000人中55.28例，对应每年分别约43例预期受累出生。DM1的遗传患病率为每100,000人中32.64例，是全球患病率（5/100,000）的6.5倍，但低于萨格奈-圣让湖地区报告的158/100,000。SCA2的遗传患病率为1.94/100,000，位于全球报告范围（1-2/100,000）的上限。FRDA的遗传患病率为1.34/100,000，是全球患病率（0.5/100,000）的2.7倍。SBMA男性遗传患病率为4.29/100,000，略高于全球报告值（3.33/100,000）。

3.3 CaG中ARCA1和HSP11变异的富集分析

在SYNE1基因中鉴定出7个致病性变异，其中c.14211dup最为常见（12个等位基因），其次是c.15918-12A>G（10个等位基因）。除c.17816_17820del外，所有SYNE1变异在CaG中的等位基因频率均显著高于gnomAD NFE，c.14211dup的富集程度最高（比值比=2870.19）。基于所有SYNE1变异的总等位基因频率（q=0.0063），估算ARCA1的遗传患病率为每100,000人中3.93例，相当于每年约3.08例新发病例。在SPG11基因中鉴定出3个致病性变异，其中c.1478_1482del最为常见（5个等位基因），所有三个变异均在CaG中显著富集。基于总等位基因频率（q=0.0016），估算HSP11的遗传患病率为每100,000人中0.25例，低于东魁北克的最低患病率（0.56/100,000）。

四、讨论与结论总结

讨论部分指出，本研究首次系统描述了CaG队列中重复扩增疾病及两种SNV/插入缺失所致神经系统疾病的遗传图谱，提供了魁北克人群层面的携带者频率、扩展频率和遗传患病率估计。FXN和DMPK的高频率与预期的奠基者效应一致，且DMPK前突变携带者分布于萨格奈以外区域，提示应扩大遗传咨询覆盖范围。FGF14-GAA扩展是魁北克最常见的显性遗传性共济失调，其遗传患病率（55.28/100,000）为全球首批人群水平估计值。C9orf72扩展导致的ALS/FTD患病率约为全球估计值的4.6至6倍。FMR1前突变携带者的风险需关注。意外的发现包括SCA17前突变在魁北克的高频率以及HDL2在海地裔个体中的检出。ARCA1和HSP11的遗传患病率估算反映了奠基者效应，且区域差异提示需进行精细遗传分析和定制化筛查方案。局限性包括短读长测序对大重复片段的不确定性、样本量有限可能导致的高估偏倚、队列仅覆盖都市区域可能低估其他奠基者地区，以及遗传患病率基于完全外显假设，未来可结合疾病特异性外显率进行修正。

研究结论翻译如下：利用CaG队列的测序数据，研究人员估算了魁北克人群中重复扩增疾病以及ARCA1和HSP11相关奠基者变异的携带者频率、扩展频率和遗传患病率。由于这些估计源自一般人群而非临床病例登记，它们避免了可能限制这些罕见疾病患病率估算的诊断偏倚。若干疾病，包括DM1、FRDA、SCA27B和ALS/FTD，相对于全球估计值呈现富集，这与塑造魁北克遗传景观的奠基者效应一致，并且研究人员为最近描述的REDs（如SCA27B）提供了首批人群水平的遗传患病率估计之一。若干发现出乎意料，包括SCA17前突变的高频率以及在海地裔个体中鉴定出HDL2。总之，这些结果建立了魁北克一般人群中罕见神经系统疾病的遗传图谱，可为遗传诊断、疾病风险评估以及区域适应性筛查面板的设计提供依据。它们也凸显了建立疾病登记的必要性，因为许多这类疾病可能被漏诊、临床异质性高或仅在近期才被描述。将该工作扩展到更大规模队列、更多奠基者区域以及长读长测序，将进一步细化该省重复扩增及其他神经系统疾病的遗传景观。