方法文章

导航MARRVEL：一种整合人类基因组学与模式生物遗传学信息的基于网络的工具

DOI：

10.3791/59542

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2019年8月15日

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1Program in Developmental Biology, Baylor College of Medicine, 2Medical Scientist Training Program, Baylor College of Medicine, 3Department of Pediatrics, Baylor College of Medicine, 4Jan and Dan Duncan Neurological Research Institute, Texas Children's Hospital, 5Department of Molecular and Human Genetics, Baylor College of Medicine, 6Department of Neuroscience, Baylor College of Medicine, 7Howard Hughes Medical Institute, Baylor College of Medicine

本文内容

摘要

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本文介绍了一种高效访问和分析多种人类及模式生物数据库的实验方案。该方案演示了如何利用MARRVEL工具分析通过下一代测序技术鉴定出的候选致病性变异位点。

摘要

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通过全外显子组/全基因组测序，人类遗传学家能够识别与疾病表型共分离的罕见变异。为了评估某一特定变异是否具有致病性，必须查询多个数据库，以确定目标基因是否与遗传病相关、该特定变异是否曾被报道，以及模式生物数据库中是否存在可能提示该基因在人类中功能的功能性数据。MARRVEL（Model organism Aggregated Resources for Rare Variant ExpLoration，罕见变异探索的模式生物整合资源）是一种一站式数据整合工具，涵盖人类基因和变异及其在七种模式生物中的直系同源基因，这些模式生物包括小鼠、大鼠、斑马鱼、果蝇、线虫、裂殖酵母和芽殖酵母。在本方案中，我们将概述MARRVEL的用途，并讨论如何利用不同数据集来评估已知致病基因中的意义未明变异（VUS），或意义未明基因（GUS）中的变异是否可能具有致病性。本方案将指导用户从一个感兴趣的人类基因（无论是否带有特定变异）出发，同时检索多个数据库。我们还将讨论如何利用OMIM、ExAC/gnomAD、ClinVar、Geno2MP、DGV和DECIPHER中的数据。此外，我们将说明如何解读与每个基因相关联的直系同源候选基因列表、表达模式以及模式生物中的GO术语。进一步地，我们将阐述蛋白质结构域注释信息的价值，并解释如何利用多物种蛋白质序列比对功能，评估目标变异是否影响进化上保守的结构域或氨基酸。最后，我们将介绍该网站的三个不同应用场景。MARRVEL是一个易于访问的开放获取网站，专为临床和基础研究人员设计，可作为开展功能研究实验设计的起点。

引言

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下一代测序技术在科研和临床遗传学实验室中的应用正在不断扩大1。全外显子组测序（WES）和全基因组测序（WGS）分析可在已知致病基因中发现大量意义未明的罕见变异（VUS），同时也会发现尚未与孟德尔遗传病相关联的基因中的变异（GUS：意义未明的基因）。面对临床测序报告中列出的一系列基因和变异，医学遗传学家必须手动访问多个在线资源，以获取更多信息，从而评估哪些变异可能与特定患者所表现出的表型相关。这一过程耗时较长，且其效率高度依赖于个体的专业水平。尽管已有若干指南性文献发表2,3，但由于目前尚无标准化的变异分析方法，WES和WGS的解读仍需依赖人工审校。对于VUS的解读，既往报道的基因型-表型关系、遗传模式以及该变异在普通人群中的等位基因频率等信息具有重要价值。此外，若能了解该变异是否影响关键蛋白结构域或进化上保守的氨基酸残基，将有助于提高或降低其致病可能性的判断。为了收集所有这些信息，通常需要在10至20个人类及模式生物数据库之间进行检索，因为相关信息分散于万维网各处。

同样，研究特定基因和通路的模式生物科学家通常希望将其研究发现与人类疾病的机制相联系，并希望充分利用人类基因组学领域所产生的知识。然而，由于人类基因组相关数据集的快速扩展和不断更新，寻找能够提供有用信息的数据库一直存在挑战。此外，由于大多数模式生物数据....

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方案

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1. 如何开始搜索

  1. 对于基于人类基因和变异体的搜索，请参见步骤 1.1.1–1.1.2。对于仅基于人类基因的搜索（无变异体输入），请参见步骤 1.2。对于模式生物基因的搜索，请参见步骤 1.3.1–1.3.2。
    1. 前往 MARRVEL4 的主页 http://marrvel.org/。首先输入一个人类基因符号。确保每输入一个字符后，候选基因名称会显示在输入框下方。如果搜索结果为空，请通过 HUGO 基因命名委员会网站5（HGNC；https://www.genenames.org/）确认所使用的基因符号是否为最新。
    2. 输入一个人类变异体。搜索栏支持两种变异体命名方式：一种是基因组位置命名法，类似于 ExAC 和 GnomAD6 中变异体的显示方式；另一种是依据 HGVS 指南的转录本命名法。搜索框内的灰色文字展示了这些格式的示例。对于基因组位置命名法，请使用 hg19/GRCh37 对应的坐标。完成后进入步骤 2。
      注意：如果搜索返回错误，最常见的原因是基因符号未更新或变异体命名不正确。在这种情况下，可使用 HGNC（https://www.genenames.org/）、Mutalyzer7（https://www.mutalyzer.nl/）和 TransV....

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结果

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人类遗传学家和模式生物科学家以不同的方式使用 MARRVEL，各自具有不同的预期目标。以下是 MARRVEL 可能用途的三个案例。

评估显性遗传病中变异的致病性
大多数访问 MARRVEL 的用户使用该网站分析罕见人类变异可能导致某种疾病的概率。例如，在一个患有畸形特征和腭裂、心脏缺陷、骨骼及指（趾）异常、甲状腺相关表型以及免疫缺陷的小型家系中，发现 TBX2 基因存在一个错义变异（17:59477596 G>A，p.R20Q），该变异以常染色体显性方式遗传12。患有这些症状的母亲和两个孩子均携带该变异，而父亲则未携带。9岁的儿子表型最严重，而36岁的母亲和6岁的女儿病情较轻。为了评估该变异是否可能具有致病性，可在 http://MARRVEL.org 的起始页面输入基因和变异信息，开始 MARRVEL 搜索。请注意，如果原始临床报告中在变异前标注了 Chr 以表示“染色体”，则在变异搜索栏中需将其删除。在原始研究进行时，结果页面显示该.......

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讨论

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本方案中的关键步骤包括初始输入（步骤 1.1–1.3）以及后续对输出结果的解读。搜索结果呈阴性的最常见原因是基因和/或变异体存在多种命名方式。尽管 MARRVEL 会定期更新，但这些更新可能导致 MARRVEL 所关联的不同数据库之间出现数据不一致。因此，故障排查的第一步始终是检查使用基因或变异体的其他名称是否可以获得成功的搜索结果。如果问题仍然无法解决，请通过 http://marrvel.org/message 上的反馈表单向开发团队发送消息。

MARRVEL 的一个局限性在于，它尚未包含基因和变异分析所需的所有有用数据库。例如，目前未提供 CADD18 等致病性预测算法。同样，可能为基因中已知致病变异提供结构和功能关联的蛋白质结构信息及蛋白质-蛋白质相互作用信息，目前也未在 MARRVEL 中展示。在下一次主要更新中，我们计划将这些信息整合到 MARRVEL 中，同时还将从模式生物网站、IMPC、Monarch Initiative 以及基因组资源联盟（AGR，https://www.alliancegenome.org/）纳入.......

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披露

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作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

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我们感谢 Rami Al-Ouran、Seon-Young Kim、Yanhui (Claire) Hu、Ying-Wooi Wan、Naveen Manoharan、Sasidhar Pasupuleti、Aram Comjean、Dongxue Mao、Michael Wangler、Hsiao-Tuan Chao、Stephanie Mohr 和 Norbert Perrimon 博士在 MARRVEL 的开发与维护过程中提供的支持。我们感谢 Samantha L. Deal 和 J. Michael Harnish 对本稿件提出的宝贵意见。 

MARRVEL 的初步开发部分得到了美国国立卫生研究院共同基金资助的未确诊疾病网络模式生物筛选中心（U54NS093793）的支持 通过美国国立卫生研究院研究基础设施项目办公室（ORIP） (R24OD022005) JW 由美国国立卫生研究院尤妮斯·肯尼迪·施莱佛国家儿童健康与人类发展研究所支持 & 人类发展研究所（F30HD094503）以及贝勒医学院罗伯特与简·麦克奈尔基金会麦克奈尔医学博士/哲学博士学生学者项目。HJB 还获得美国国立卫生研究院普通医学科学研究所（R01GM067858）的支持，并为霍华德·休斯医学研究所研究员。ZL 获得美国国立卫生研究院普通医学科学研究所（R01GM120033）、衰老研究所（R01AG057339）以及哈芬顿基金会的支持。SY 额外获得....

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
人类遗传学ClinVarPMID: 29165669https://www.ncbi.nlm.nih.gov/clinvar/
人类遗传学DECIPHERPMID: 19344873 https://decipher.sanger.ac.uk/
人类遗传学DGVPMID: 24174537http://dgv.tcag.ca/dgv/app/home
同源基因预测DIOPTPMID: 21880147 https://www.flyrnai.org/cgi-bin/DRSC_orthologs.pl
人类基因/转录本命名法EnsemblPMID: 29155950 https://useast.ensembl.org/
人类遗传学ExAC PMID: 27535533http://exac.broadinstitute.org/
主要模式生物数据库FlyBase (黑腹果蝇)PMID:26467478http://flybase.org
模式生物数据库整合工具Gene2FunctionPMID: 28663344http://www.gene2function.org/search/
人类遗传学Geno2MPN/Ahttp://geno2mp.gs.washington.edu/Geno2MP/
人类遗传学gnomADPMID: 27535533http://gnomad.broadinstitute.org/
基因本体GO CentralPMID: 10802651, 25428369 http://www.geneontology.org/
人类基因/蛋白表达GTExPMID: 29019975, 23715323 https://gtexportal.org/home/
人类基因命名法HGNCPMID: 27799471 https://www.genenames.org/
主要模式生物数据库IMPC (小鼠)PMID: 27626380http://www.mousephenotype.org/
主要模式生物数据库MGI (小鼠)PMID:25348401http://www.informatics.jax.org/
模式生物数据库整合工具Monarch InitiativePMID: 27899636https://monarchinitiative.org/
人类变异体命名法MutalyzerPMID: 18000842 https://mutalyzer.nl/
人类遗传学OMIMPMID: 28654725https://omim.org/
主要模式生物数据库PomBase (裂殖酵母)PMID:22039153https://www.pombase.org/
文献PubMedN/Ahttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/
主要模式生物数据库RGD (大鼠)PMID:25355511https://rgd.mcw.edu/
主要模式生物数据库SGD (芽殖酵母)PMID: 22110037https://www.yeastgenome.org/
人类基因/蛋白表达人类蛋白质图谱PMID: 21752111https://www.proteinatlas.org/
主要模式生物数据库WormBase (秀丽隐杆线虫)PMID:26578572http://wormbase.org
主要模式生物数据库ZFIN (斑马鱼)PMID:26097180https://zfin.org/

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Yang, Y., et al. Clinical whole-exome sequencing for the diagnosis of mendelian disorders. New England Journal of Medicine. 369 (16), 1502-1511 (2013).
  2. Richards, S., et al.

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