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了解基因型对表型(从分子水平的效应到整个生物体的性状)的影响是做出基因诊断的核心。虽然有许多指标可以衡量个体等位基因的危害性，但用这些指标来预测临床的结果是存在局限性的。特别是当突变型与野生型等位基因组合时，多种机制可保护生物体免受功能性变异的不利影响。

高通量测序可以发现大量罕见的基因变异，因此需要理解为什么一些等位基因在杂合状态(如显性遗传)下是有害的，而另一些只有在双等位基因存在的致病变异时(如隐性遗传)才有害。认识个体基因变异在数量和/或性质上的具体影响，以及阐明等位基因和非等位基因的相互作用，对基因诊断和遗传咨询至关重要。

在线人类孟德尔遗传(Online Mendelian Inheritance in Man, OMIM)数据库目前列出了6,209种单基因疾病和性状(2022年11月8日更新)，这些代表了70%以上的“罕见疾病”(患病率为1:20 00)，据估计，这些疾病共影响全球一般人群的4%-5%。

在OMIM中，目前列出的4,658个常染色体疾病基因，约53% (n=2,464)是显性遗传，35% (n=1,643)是隐性遗传，12% (n=551)是有两种遗传模式。

OMIM目前列出了7,421种单基因疾病和性状(2023年9月1日更新)

等位系列(allelic series)

基因变异对蛋白质的影响通常是多样化的，同一基因的功能性变异可能表现为一系列非常不同(有时相反)的表型，这种现象称为allelic series。

有时不同的变异可影响相同的细胞功能，例如导致酶活性的降低或升高。例如，葡萄糖激酶(glucokinase, GK)基因变异会引起胰岛素分泌减少或增加，导致显性或隐性单基因糖尿病和显性高胰岛素血症。FAR1基因编码纤溶酶原生物合成所需过氧化物酶体脂肪酰基CoA还原酶1，FAR1基因的隐性LoF和显性GoF变异会引起相反的生化反应，但有相似的临床表现如发育迟缓、痉挛性轻瘫、癫痫和白内障。

参与生长刺激作用的蛋白质的杂合活性变异可能作为肿瘤发生的致癌驱动因素或遗传危险因素，而LoF变异体主要影响形态发生。例如，RET原癌基因的生殖系或体细胞的活性变异可引起甲状腺癌和其他恶性肿瘤的发生。而LoF变异是先天性巨结肠的危险因素。

与同一家系中两种疾病共分离相关的变异被称为“Janus突变”(Janus mutations)。（在罗马神话中， 两面神(Janus)是司守门户和万物始末之神，他有两张面孔，凝视着两个相反的方向。）

成纤维细胞生长因子受体1(FGFR1)基因变异对蛋白质特性和信号传导功能会产生不同的影响，反映在一系列表型中。

FGFR1是一种酪氨酸激酶(TK)细胞表面受体，它与细胞外成纤维细胞生长因子(FGF)以2:2的多聚体复合物结合后形成二聚体，激活细胞内信号通路，导致细胞分化、增殖、迁移和其他功能。体细胞活性变异如基因扩增和融合，参与各种恶性肿瘤。FGFR1基因生殖系细胞变异会导致几种不同的临床表型，这些表型取决于蛋白质改变的性质。

a.FGFR1单体(图中显示8个)横跨细胞膜。细胞外结构域在结构上与免疫球蛋白相关，并与FGF配体结合(绿色)。胞内结构域具有TK活性。在缺乏FGF(左)，受体作为单体存在，TK域保持磷酸化和信号输出为零。在FGF存在的情况下(右)，产生一个有效的2FGF:2FGFR1复合体，激活激酶并形成反式磷酸化(绿色双头箭头和注释的P)，从而引起TK激活和下游信号传导(蓝色箭头)。

b.单倍剂量不足:(完全或部分缺失，无义或移码变异，或导致蛋白质不稳定的错义变异)引起的杂合性功能丧失(LoF)变异使信号输出减少50%，但这在大多数生物发育过程中是可以耐受的，但会引起低促性腺激素性性腺功能减退症(有时伴有嗅觉丧失，定义为卡尔曼综合征)，因为在发育过程中，胚胎嗅觉神经元和促性腺激素释放激素神经元对FGF信号剂量敏感。

c.配体依赖的功能获得(GoF):细胞外结构域的一种特殊的杂合错义变异，p.Pro252Arg(黄色星型标记)，会对特定FGF配体的结合亲和力增强，从而增强配体依赖的信号传导。其相关临床表型是Pfeiffer综合征，特征是颅缝早闭和食指内侧偏(medially deviated first digits)。

d.组成性激活(constitutive activation:信号自发激活或持续性激活):靠近跨膜结构域的杂合GoF变异体(黄色星形标记)在没有配体的情况下，形成组成性激活，可能是通过单体的共价二聚化，这会导致正常静止细胞的异位激活，并导致Osteoglophonic发育不良综合征，是一种罕见的常染色体显性遗传病，其主要临床特征为牙齿滞留、长骨干骺端对称性囊性变、颅缝早闭、面中部发育不良、下颌突出及非匀称性矮小等。有一些嵌合性的杂合致病变异会在没有配体的情况下，自发激活TK结构域，从而引起颅脑皮肤脂肪增多症(encephalocraniocutaneous lipomatosis)。

e.显性负效应(dominant negative:):TK结构域内局部的杂合错义变异(黄色星形标记)可干扰正常激活。因此，这些二聚体中有3/4会成为未磷酸化的无效复合物，可以导致输出的信号最多降低75%，相关的疾病就是显性遗传性Hartsfield综合征伴脑畸形(前脑全裂)、手足裂畸形(缺指)、唇腭裂和其他多种特征，如智力障碍，有时还可出现低促性腺激素性性腺功能减退。

f.纯合亚等位基因效应:错义突变(黄色星形标记)会降低但不完全丧失FGFR1功能(可能是降低了FGF结合亲和力或蛋白稳定性)，减少TK活化和总信号输出，其程度与显性负效应类似，从而导致隐性Hartsfield综合征。

很多离子通道病(channelopathies)也具有allelic series效应。例如，钠离子通道基因SCN4A(骨骼表达)、SCN5A(心脏表达)。不同的SCN4A基因变异会激活通道或损害通道，从而导致肌纤维过度兴奋或低兴奋，进而肌强直或肌无力。同样的，SCN5A基因变异可引起不同的心脏表现，如长QT综合征3型(GoF变异)、Brugada综合征或病态窦房结综合征(LoF变异)。

复杂机制

杂合子可能具有选择性优势

一些基因的杂合变异可能会表现出有益的临床效应，在纯合野生型或变异状态下未观察到的。即杂合子比纯合子的适应度高，称为超显性(overdominance)。即在有A与a两个等位基因的情况下，基因型为Aa的个体比AA和aa的适应度都高。此外，超显性可能是杂合优势的一个原因，但杂合优势却不一定是超显性。这一现象可解释某些常染色体隐性疾病的高患病率，如血红蛋白病、囊性纤维化或苯丙酮尿症的。

杂合性CFTR基因变异(当纯合子时可导致囊性纤维化)可预防胃肠道感染时体液大量丢失(这是一种有益的显性效应)，但也增加了某些疾病表现(如支气管扩张或胰腺炎)的风险。

因此，隐性基因的致病变异可能与多种性状相关，这些性状具有不同的遗传模式，并且表型可因其他遗传和外源性因素影响而不同。

平衡杂合子和纯合子的有利与不利效应，有助于适应不断变化的环境。

遗传早现(anticipation)并不局限于重复扩展疾病(repeat expansion disorders)

人们早就认识到，某些遗传性疾病的子代表型比亲代发病更早或程度更严重，但经常被认为是由于认识偏差引起。现在已经确定，不稳定的重复序列扩增可导致重复扩展疾病的遗传早现。与不稳定的重复序列无关的遗传早现，可在一些端粒维持的遗传性疾病(端粒病)中观察到。这个现象首先在TERC基因致病性变异引起的常染色体显性先天性角化不良1型中得到证实。TERC基因编码端粒酶非编码RNA成分，不能恢复正常的端粒长度，会导致连续几代人进行性端粒缩短，并在连续几代人中增加疾病的严重程度。在其他端粒病(telomeropathies)中也发现了这类机制。

表观遗传因素干扰孟德尔遗传模式

在亲本来源依赖性表达的单等位基因相关的疾病中，可以观察到显性和隐性以外的非孟德尔单基因遗传模式。

例如，Angelman综合征是一种与染色体15q11.2上的UBE3A基因相关的严重神经发育疾病，在大脑中，仅母源性UBE3A等位基因表达。致病性LoF变异只有遗传自母亲才会致病，并且可以无症状的在男性中遗传数代。另一个例子，在一些肿瘤易感性中观察到的父系显性遗传。

单基因以外的疾病变异

众所周知，患有“相同”单基因疾病的个体可能表现出不同的临床表现。

外显率(penetrance)和表现度(expressivity)分别用于指并非所有具有特定基因变异的个体都会发生相关疾病，并且个体在特定临床表现上可能存在差异。

外显率和表现度有什么区别？影响因素是哪些？

从概念的角度来看，外显率和表现度这两个术语最适合用于与原发基因疾病不相关的临床表现，因此外显率和表现度代表了单基因遗传之外的修饰因素。特别是，这个术语不应用于描述同一基因中功能不同的变异引起的不同临床表现。

双基因遗传和上位性(epistasis)

双基因遗传(digenic inheritance)的疾病越来越多。双基因遗传疾病是指仅在两个基因各自出现致病性变异，累加起来导致疾病的发生。

双基因遗传病没碰到过？

例如，α-地中海贫血(α-thalassaemia)有一种独特的非孟德尔遗传模式，不能用显性和隐性术语来充分描述，而最好将其视为双基因遗传模式。

α-地中海贫血(α-地贫)是一种双基因遗传的数量性状，人类基因组在染色体16p13.3上有两个同源串联的α-珠蛋白基因HBA1和HBA2，它们产生相同的血红蛋白(Hb)α链。因此，存在五个不同的表型与0到4功能等位基因。

Rotor综合征的高胆红素血症只发生在染色体12p12.1上两个相邻基因SLCO1B1和SLCO1B3的全部4个拷贝缺失，这两个基因有87%相同的cDNA序列(80%的氨基酸)，并编码功能相似的肝脏特异性有机阴离子转运体。Rotor综合征是双基因隐性遗传，通常类似于“孟德尔”隐性遗传。

“上位性”一词是由贝特森(Bateson)创造的，指的是非等位基因因子，它能抑制一种特殊的所谓“本体性状”的表现。现在用于表型产生过程中各种类型的基因-基因相互作用

上位性(epistatic)这个词是贝特森(Bateson)创造的，指的是一个基因的等位基因可以掩盖另一个基因的等位基因的表型效应。当两个基因控制一个性状时，四个孟德尔基因型类别却产生不足四个能被观察到的表型，因为一个基因掩盖了其他基因的表型效应。一个基因的等位基因隐藏另一个基因等位基因效应，这种基因间的相互作用叫做上位性。起掩盖作用的等位基因对被掩盖的基因(下位基因)起上位作用。上位性一词描述了基因修饰因子如何影响下位基因相关的表型。

上位性是不同基因的等位基因间的相互作用，而不是相同基因的等位基因间的作用。

上位性分为隐性上位与显性上位。

隐性上位：即一个基因的隐性纯合等位基因掩盖另一个基因的作用。换言之，当一个个体的第一个基因的上位隐性等位基因纯合型时，其表型不受第二个基因(下位)的等位基因的影响。

隐性上位通常表明两个基因的显性等位基因以同样的途径发挥作用，来达到共同的结果。

例子孟买血型

当ABO等位基因的表达被常染色体隐性的岩藻糖基转移酶(Fucosyltransferase 1, FUT1)缺陷所阻止，可以观察到孟买血型。

在罕见情况下，O型血的父母，其后代却产生A型血(基因型IAi)，也可能是B型血(基因型IBi)，这是一种孟买血型(因其发现于印度孟买)，是极端罕见性状，表面上看起来像O型血。孟买血型是因为第二个基因的隐性纯合等位基因变异(hh)，这一纯合突变掩盖了ABO等位基因表型。

孟买等位基因的纯合体(hh)对决定ABO血型的I基因上位。hh个体无法产生在红细胞表面添加A或B糖的H物质。

在决定血型的红细胞表面分子的构建中，A型个体产生一种将多糖A添加到被称为H物质的糖聚合物上的酶；B型个体产生另一种形式的酶，将多糖B添加到糖聚合物H上；O型个体既不产生A添加酶，也不产生B添加酶，所以它的H物质暴露在其红细胞膜中。所有的A、B或O型血的人都携带至少一种第二个基因的显性野生型H等位基因，因此能产生一些H物质。与之相反，罕见的孟买表型个体第二个基因的基因型是hh，根本不产生H物质。这样，即使这些人产生添加A或B到多糖基的酶，他们也没有能够被添加的H物质。因此，孟买表型个体表面上是O型血。由于这一原因，H物质基因的隐性h等位基因纯合会掩盖ABO基因的作用，使基因型hh对等位基因IA、IB和i（除ii外）的任何组合都是上位的。

因为h对I上位，罕见个体尽管有等位基因IA或IB，也可能看上去是O型血。

显性上位：显性等位基因也可以造成上位性。显性上位取决于相关生化过程的细节，并可以表现为两个不同的表型比率中的一个。显性上位通常表明两个基因的显性等位基因有相反的功能。

上位性也可以解释同一疾病的显性和隐性遗传模式的差异。

例如，痉挛性截瘫7型(spastic paraplegia type 7)通常是由SPG7基因的双等位致病变异引起；但也可由SPG7杂合变异与SPG7相互作用的伴侣蛋白基因变异共同引起。

类似的效应，“协同杂合性”(synergistic heterozygosity)，在一些遗传代谢性疾病表型中可以看到，即相同代谢途径中的隐性杂合性基因变异的联合作用，反映出大分子中相互作用蛋白的联合基因剂量效应。对于复杂的性状，主要由基因变异的叠加效应引起，很少表现出上位性。

肿瘤易感综合征

遗传风险与遗传性疾病

由肿瘤抑制基因的杂合变异引起的大多数癌症风险综合征，在家族中以常染色体显性模式遗传，具有低外显率和多变的表现度，也就是说，并不是所有携带杂合致病性变异的人都会在一生中得肿瘤，不同患者的表现也不同。并不是所有特定的肿瘤可作为遗传病进行遗传，而是受其他基因变异和环境因素以及体细胞事件影响，使得肿瘤发生的概率增加。

Alfred G. Knudson基于视网膜母细胞瘤的统计学研究提出“双重打击假说”。肿瘤发生的机制(两步致病机制):大多数单基因肿瘤易感性是由肿瘤抑制基因的杂合致病变异引起的，代表了显性模式。细胞发病机制是隐性的，双等位基因功能丧失触发肿瘤发生。通常，在同一细胞中需要两个独立的突变事件来产生这种效应。若其本身已遗传了一个等位基因的功能丧失(LoF)变异，当发生单个突变事件足以使肿瘤抑制功能完全丧失。这种情况是具有常染色体显性特征。因此，肿瘤易感综合征的外显率降低和表现度差异是与偶然事件相关的随机现象。然而，需要指出的是，某些肿瘤抑制基因(如TP53基因)的特定致病性变异可能具有功能获得(GoF)效应，并具有潜在的显性细胞致病机制。

单基因神经鞘瘤病的三步致病机制：染色体22q11上三个已知基因(SMARCB1, LZTR1和DGCR8)的遗传杂合变异体导致常染色体显性遗传易感性发展为多发性施万细胞肿瘤。神经鞘瘤也发生于2型神经纤维瘤病(NF2)，NF2由染色体22q12上NF2基因杂合变异引起。体细胞NF2突变常见于与神经鞘瘤病相关的神经鞘瘤，其发病机制可分为三步:①存在遗传性SMARCB1基因杂合致病变异(黄色星型)；②发生体细胞变异，如SMARCB1、NF2缺失；③与遗传性SMARCB1基因变异在同一染色体链上的NF2等位基因发生体细胞突变(黄色星型)。

性别依赖(父系)显性遗传：嗜铬细胞瘤和副神经节瘤(phaeochromocytoma and paraganglioma, PPGL)的易感基因是琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase，SDH;呼吸链复合体2)亚单位基因，SDH由四个同源基因(SDHA, SDHB, SDHC和SDHD)组成。与SDHA基因、SDHB基因和SDHC基因变异相关的PPGL相比，染色体11q上的SDHD基因相关的PPGL几乎只局限于从父亲遗传的变异(黄色星星)。细胞增殖和肿瘤发生涉及染色体11p15.5上印记区域的失调，印记区域中的父源等位基因包含了生长支持基因，母源等位基因包含了生长抑制基因。肿瘤通常表现为母源11号染色体的丢失。这种体细胞事件(如母源性印记区域染色体11p15.5丢失)会导致母源性SDHD等位基因的丢失，并刺激细胞增殖活性。

单等位基因与双等位基因的肿瘤易感性比较

常染色体显性肿瘤易感性和一些肿瘤抑制基因的双等位基因致病变异体引起的儿童期发病综合征(有时与发育异常相关)之间存在重叠。

BRCA2或BRCA1基因的双等位基因致病变异可引起范可尼贫血亚型，这可能与基因的不同转录本有关。

同样，错配修复基因的杂合变异和双等位基因变异可分别引起Lynch综合征和结构性错配修复缺陷综合征(constitutional mismatch repair deficiency syndrome, CMMRD)。而一些与CMMRD相关的复合杂合变异被认为是良性的，与杂合状态下的肿瘤风险有关，这对基因变异的致病性分类和遗传模式的确定具有挑战性。

单基因肿瘤易感性的基因组印记

一些肿瘤的杂合致病变异只有在遗传自特定亲本(通常是父亲)时，才显示出单基因风险。这通常不是由于基因本身的印记，而是由于在染色体环境中存在与生长相关的印记基因。如果杂合致病变异与一个促进生长的印记等位基因(通常是父系的)位于同一染色体链上，则两个基因座的另一个(通常是母系)等位基因会缺失，从而导致母源性的野生型蛋白完全缺失，激活细胞增殖。

性染色体和线粒体遗传

上述遗传机制适用于常染色体基因，通常在所有个体中都是双等位基因。细胞通常只表达大多数性染色体基因的单拷贝，与性染色体基因变异相关的发病机制并不能反映细胞内两个不同等位基因的功能关系。相反，女性的临床表现取决于基因变异对细胞存活和功能的影响，以及正常功能细胞的补偿作用。

X染色体基因的致病变异所引起的临床表现取决于细胞存活和细胞间的代偿机制，主要有四个致病机制(如下)。这些机制都不涉及细胞内两个不同等位基因的功能关系，女性杂合变异的表现机制与常染色体杂合变异有很大不同。同时考虑到杂合子女性的多变表型，对于假常染色体区域(pseudoautosomal regions)以外的X染色体性状，应避免使用显性和隐性两种说法。

a.半合子状态下的致病变异通常与细胞存活不相容，对男性来说具有致死有害效应；而在女性中，则会引起X染色体偏移失活；有时会表现在嵌合型皮肤疾病或某些器官疾病，如色素失禁症或口-面-指综合征1型。存活的受累男性患合子后嵌合致病变异或克兰费尔特(XXY)综合征。

b.变异破坏细胞的基本功能，但不引起细胞死亡，这类变异引起的临床表现在女性中较轻，在男性中则较严重；女性的临床表现通常与X染色偏移失活有关。值得注意的是，受累男孩的杂合子母亲可能在疾病严重程度方面表现出一定的偏差，也就是说，会有较轻的疾病表型，否则他们不会有孩子，但其后代杂合子女儿可能更有可能受到更严重的影响。例如，鸟氨酸氨甲酰转移酶缺乏症(ornithine transcarbamylase deficiency, OTCD)，这是一种X连锁的尿素循环紊乱。

c.与分泌蛋白或其他细胞功能相关的基因变异会使得野生型蛋白在某些细胞中失活，而由邻近的细胞正常功能代偿。这类致病变异的女性携带者通常无症状。例如，血友病和X连锁代谢性疾病。

d.在罕见的情况下，女性杂合子变异或男性嵌合体变异会破坏细胞功能，导致比半合子男性患者更严重的表型。例如，EFNB1基因相关的颅额鼻综合征(craniofrontonasal syndrome/dysplasia, CFNS/CFND)和PCDH19基因相关的癫痫。

需要注意，并非所有的X染色体基因都会经历稳定的X染色体失活。25%~30%的X染色体蛋白质编码基因会完全或不同程度地逃逸X染色体失活，因此在女性中表达双等位基因，这可解释男性和女性之间的一些临床表型差异。

在假常染色体区域PAR1和PAR2(在男性中发生X-Y重组)之外的区域，有17个基因在X和Y染色体上有功能同源性，这些基因编码调控蛋白，对剂量高度敏感。男性和女性的同源功能或表达可能并不完全相同，因为这些基因的致病变异表现为常见的X染色体表现模式，女性的临床表型正常或较男性轻。例如，TBL1X基因和TBL1Y基因，这两个同源基因的致病变异均与感音神经性耳聋相关。

除假常染色体区域外，X和Y染色体基因在XY男性中只有一个拷贝，这些基因的变异是半合子状态，并对编码的转录本和蛋白质有直接影响。因此显性和隐性这两个术语不适用于男性的遗传模式。同样，在女性中，细胞X失活导致大多数X染色体基因的一个拷贝的表观遗传沉默，这意味着单基因拷贝决定细胞表型。对于大多数X染色体基因来说，XY和XX细胞中只有一个拷贝的基因具有转录活性；在细胞水平上，XX个体可以被视为具有功能的半合子的嵌合体。

同样，mtDNA致病性变异也不适合使用显性和隐性术语。mtDNA编码13个呼吸链的蛋白质以及线粒体rRNA和rRNA，并且每个细胞存在多个线粒体。

在大多数mtDNA相关的疾病中，不同的临床表现与变异效应或异质性(heteroplasmy)(即不同器官中，变异的mtDNA拷贝的比例不同)相关。遗传模式是严格的母系遗传，但已有研究表明mtDNA可以双亲遗传，mtDNA可嵌入核基因组中。

线粒体DNA可以进去细胞核DNA中，mtDNA不再是只有母系遗传

医学遗传学诊断存在的难点

了解基因变异对转录本和各种表型的具体影响，以及与野生型等位基因和(或)其他等位基因和非等位基因变异之间的相互作用，是正确解读基因变异致病性的关键。

1.目前的ACMG致病性分类系统并不能完全决定某些基因变异的复杂功能和临床效应。

2.要认识到，在没有其他数据(如转录本测序结果)的情况下，一些功能性解读有时是不正确的。一些变异可能对转录剪接和编码的氨基酸序列产生不止一种潜在的功能效应，这些需要仔细解读和分析。

3.变异数据库可以补充特殊的定性或定量功能效应的信息，而疾病数据库将受益于提供各自的发病机制。

4.CNVs、主要结构基因改变、抑制转录的调节或启动子变异、大多数的移码变异或终止密码子变异可能都会产生定量效应。许多错义变异可以导致蛋白质降解或破坏蛋白质功能，而不影响空间结构。引起剪接不完全中断的剪接位点变异(如Hyp变异)可能代表了导致功能性正常蛋白生成减少的。位于基因非编码区(启动子、5′和3′非翻译区以及内含子)和起始密码子的变异可能对转录产生不利影响，并且通常(但并非总是)导致基因功能完全丧失。C端的无义变异可能比氨基端变异具有更严重的显性功能改变效应，而氨基端变异在单倍充足基因中可能是隐性的。一个有趣的现象是翻译抑制效应是由变异引起的，这些变异会引入真实的5'端的功能性框外翻译起始密码子，或者延伸了短的上游开放阅读框。

5.评估基因剂量敏感性。总体而言，pLI和LOEUF指标可以用来评估。然而，需要意识到，识别错义变异或其他变异的Hyp效应，并预测它们对表型的影响，仍然非常依赖于表型分离的经验观察。

6.预测变异对蛋白质的功能影响，还是有一定的困难。目前已开发出生物信息学方法，通过比较观察到的和预期的变异频率来估计特定基因区域错义变异的可能致病性。引起蛋白质性质改变的变异大多与显性表现有关，家系分离分析可提供有效的信息。对疾病相关文献的全面了解，对蛋白质结构和功能以及相关多聚体的理解，以及对临床信息的整合，对于正确解释罕见和新发的致病变异至关重要。

7.许多表面上的单基因疾病受表观遗传因素或修饰因子影响，或者只有在发生其他体细胞变异后才变得明显，从而解释了外显率的低或差异性。

完结