Cell | 遗传修饰因子、验证偏倚与复杂疾病的表型差异
- boke
- 2025-10-16
- 10:21 上午
为什么两个携带完全相同 “致病基因变异” 的人，一个可能出现严重智力障碍，另一个却能正常生活？这一 “变异外显度差异” 的谜题，正是遗传学领域的核心挑战。
2025 年发表在《Cell》的一项研究，通过分析 2455 名携带致病性主变异体的个体（涵盖 16p12.1 缺失、16p11.2 CNV、CHD8 等 SNV），结合 8 个不同验证方式的队列，首次系统性揭示：
修饰变异体（罕见 SNV/CNV/STR 扩增）与多基因风险评分（PRS，反映全基因组常见变异累积效应）通过 “累加 / 协同作用” 共同修饰主变异体表型，效应具有主变异特异性、表型特异性、验证方式特异性；
16p12.1 缺失的基因网络 “分散性”（核心基因与基因组其他基因的 “交互连接模式” 松散且无集中方向）是其表型异质性高于 16p11.2 缺失的关键机制，而PRS对这一异质性的调控发挥了重要作用；
验证偏倚导致健康队列（如 UKB）与疾病队列（如 DD）的修饰/修饰变异体负荷反向，PRS同时参与解释不同队列的表型差异；
主 – 修饰变异交互作用是表型异质性的核心驱动因素。
一
研究背景：从 “单基因致病” 到 “多因素协同”，表型异质性的临床与科学挑战
临床现象：表型异质性普遍存在
相同致病变异（如 16p12.1 缺失）的携带者表型差异显著——93% 的 16p12.1 缺失患病儿童从表型轻微的父母那里传该变异，表型覆盖 “严重自闭症 + 智力障碍” 至 “完全健康”。
传统认知局限
既往认为 “遗传病=单个高外显率基因变异”，但实际中，传统 “单基因致病” 模型无法解释孟德尔疾病的外显率（患病概率）与外显度（症状严重程度）差异，仅少数研究提出 “多重遗传诊断” 或 “多基因风险修饰”，但未系统验证PRS 在其中的协同作用。
既往理论基础：“二次打击模型”，疾病发生的核心逻辑
——第一次打击（主变异）
如 16p12.1 缺失，仅使个体 “易感疾病”，不直接导致严重症状，相当于 “在基因组堤坝上凿开缺口”，提高风险但不必然 “溃堤”。
——第二次打击（修饰/修饰变异体）
基因组中其他罕见变异（如错义突变、STR 扩增）、常见变异的累积效应（多基因风险评分 PRS），前者通过干扰局部通路细化表型特征，后者通过全基因组微效位点的累加，影响疾病发病阈值与症状严重程度；相当于 “在缺口处叠加冲击”，最终决定症状严重程度。
——典型案例
同时携带 MKS1（梅克尔 – 格鲁伯综合征相关）和 BBS1（巴德特 – 比德尔综合征相关）变异的个体，会协同导致两种疾病均不典型的癫痫症状，而该症状的严重程度，进一步与精神疾病相关 PRS 存在关联。
核心科学问题：为何携带相同主变异体的个体表型差异显著？修饰变异体的“类型/功能”以及队列“验证方式”偏好的影响如何？
研究目的：通过多队列、全基因组技术，系统解析修饰变异体与验证偏倚对复杂疾病表型异质性的驱动作用，填补 “主 – 修饰变异交互机制” 的研究空白。
二
研究设计：多队列 + 全基因组技术，全面捕捉遗传修饰效应
1. 队列设计：覆盖 “疾病 – 健康” 全光谱，对比验证偏倚
Figure 1. Secondary-variant-phenotype analyses in 2,455 individuals with primary pathogenic variants.
2. 技术方法：全基因组级 变异检测“捕捉所有变异”
三
核心结果：从 “家系” 到 “多队列”，层层解析机制
1）16p12.1 缺失携带者表型异质性量化
先证者 vs 携带缺失的父母：非语言 IQ（Intelligence Quotient，智商） 降低 1.98 个标准差（p=2.13×10⁻⁵），社交障碍（SRS 评分）升高 1.91 个标准差（p=2.59×10⁻⁷），自闭症特征显著；同时，先证者精神分裂症 PRS 高于父母（p=0.009），头围减小（p=0.001）、BMI（Body Mass Index，身体质量指数） 升高（p=0.009）；
先证者 vs 其他队列先证者：16p12.1 缺失先证者 IQ 比 SSC 自闭症先证者低 1.06 个标准差（p=0.004），SRS 评分比 16p11.2 CNV 先证者高 0.96 个标准差（p=8.31×10⁻⁶）；
发育里程碑延迟：先证者翻身、说话、走路等里程碑均显著延迟（p<0.05），与 DD 队列验证目标一致。
Figure 2. Variably expressive phenotypes of family members with the 16p12.1 del.
2）修饰变异体与PRS的累积证据
先证者比携带缺失的父母多携带 23% 的错义（LF）变异（p=0.034，LF 指受进化约束的有害变异）；
三代家系中观察到 “变异负荷逐代增加 + 表型逐代加重” ，同时伴随 PRS 的逐代升高（如 GL_077 家系：祖母轻度认知异常→母亲抑郁焦虑→先证者严重神经发育障碍，精神分裂症 PRS 同步上升）；
先证者与不携带缺失的父母相比，功能缺失型（LF）变异体数量增加（p=0.028）；31% 的先证者（31/99）至少携带 1 种额外致病变异（如 ClinVar 致病性变异、DBD 数据库 LoF 变异），其中 7 名先证者携带明确致病性变异。
Figure S2. Disease association, statistical power, and burden of secondary variants, related to Figure 3
3）变异功能特异性富集
修饰变异体集中在 “大脑发育关键基因”，包括：
胎儿期腹外侧额叶皮质（p=3.32×10⁻⁸）、海马体（p=2.33×10⁻⁷）高表达基因；
成人运动皮质的兴奋性（p=1.22×10⁻⁴）和抑制性神经元（p=2.04×10⁻²⁴）高表达基因；
与 16p12.1 基因（如 VWA3A、CDR2）在神经祖细胞（NPC）中共表达的基因（p=0.017~1.27×10⁻²²），证明其精准干扰主变异相关通路；
同时，PRS 关联基因多涉及全脑神经元信号通路（如突触传递、神经元分化），与修饰变异体的局部通路作用形成互补。
Figure 3. Secondary variants contribute to phenotypic variability within 16p12.1 del. Families
1）16p12.1 与 16p11.2 基因网络差异：
Figure 4. Connectivity of primary and secondary variants in a gene interaction network
Figure S4. Functional effects and network connectivity of secondary variants observed in 16p12.1 del. probands, related to Figures 3 and 4
2）先证者特异性核心基因
即使表型相似（如均患自闭症 + 智力障碍），不同先证者的 “基因互作核心” 不同：
仅患自闭症的先证者（PC_112）：核心基因为 Ras 通路的 HRAS（与自闭症相关），其表达水平与自闭症 PRS 存在关联；
仅患智力障碍的先证者（PC_032）：核心基因为 PI3K-AKT-mTOR 通路的 AKT1（神经发育关键），智力 PRS 较低可能进一步加剧 IQ 降低；
证明 “个体特异性修饰变异体+PRS特征” 共同导致表型异质性。
Figure 5. Secondary variant associations for phenotype domains of 16p12.1 del. probands
Figure S5. Secondary variant associations with 16p12.1 del. phenotypic domains, related to Figure 5
1）表型差异：队列来源决定 “症状谱”
UKB（健康偏向）：16p12.1 缺失携带者主要表型为代谢疾病（肥胖：BMI 升高 1.23，p=0.006）、高血压，神经症状罕见，代谢相关 PRS 相对较高（p=0.003）；
DD/AoU（疾病偏向）：携带者主要表型为神经发育障碍（智力迟缓、自闭症），焦虑患病率是 UKB 的 3~5 倍（p=9.80×10⁻⁵~2.73×10⁻⁵），神经疾病相关 PRS 显著高于 UKB 队列。
Figure 6. Effects of ascertainment on genotype-phenotype associations of 16p12.1 del.
Figure S6. Effects of ascertainment on phenotypes and secondary variant associations in 16p12.1 del. carriers, related to Figure 6
2）修饰变异体与 PRS 的 “反向趋势”
UKB 队列：16p12.1 缺失携带者的错义变异负荷比健康对照低（p=0.008），且各疾病相关 PRS 均处于人群均值附近，“低风险遗传背景” 缓冲主变异风险；
AoU 队列：携带者的 SNV 负荷比对照高（p=3.91×10⁻⁵）——精神分裂症、自闭症相关 PRS 高于人群均值，“高风险遗传背景” 叠加主变异致疾病；
爱沙尼亚生物样本库（健康偏向）：携带者的错义、增强子变异负荷均低于 DD 队列先证者（p≤0.009），PRS 也处于较低水平，进一步验证 “健康携带者需更低遗传负荷”。
3）关联 “反转” 实例：变异 – 表型关联的队列特异性
DD 队列儿童：修饰重复变异与喂养困难正相关（p=0.028），且喂养困难儿童的自闭症 PRS 较高（p=0.03）；SPARK 队列（自闭症偏向）：相同重复变异与喂养困难负相关（p=0.016），因该队列自闭症 PRS 已处于较高水平，额外变异反而产生拮抗效应。
DD 队列 ADHD 个体自闭症 PRS 升高（p=0.017），SPARK 队列 ADHD 个体自闭症 PRS 降低（p=0.035），反映不同队列中 PRS 与表型关联的适应性差异。
“主变异特异性” 指次级 / 修饰变异体（含多基因风险评分 PRS）的效应并非固定，而是依赖于个体携带的 “主变异类型”—— 不同主变异（如 16p11.2 缺失、CHD8 SNV）背景下，相同次级 / 修饰变异体的作用方向、强度可能完全不同。
1）主变异类型16p11.2 缺失 / 重复
16p11.2 缺失携带者：
—— PRS 效应：精神分裂症 PRS 升高与 “全量表 IQ 升高” 呈正相关（β=0.327，p=0.031）—— 即该主变异背景下，精神分裂症相关常见变异的累积风险越高，反而 IQ 越高；
—— 次级 / 修饰变异体效应：额外携带的 “修饰缺失变异”（非 16p11.2 的其他片段缺失）与 “全量表 IQ 降低” 呈负相关（β=-0.288，p=0.039）—— 相同主变异下，不同修饰因素（PRS vs 修饰缺失）的效应甚至相反。
16p11.2 重复携带者：
—— 次级 / 修饰变异体效应：额外携带的 “修饰-缺失” 或 “修饰-重复”，均与 “自闭症行为评分降低” 呈负相关（β=-0.455~-0.522，p≤0.035）—— 即这类修饰变异体反而会减轻自闭症症状；
—— PRS 效应：未观察到任何 PRS（如自闭症 PRS、精神分裂症 PRS）与表型的显著关联—— 与 “16p11.2 缺失” 主变异下 PRS 的明显作用形成鲜明对比。
特异性体现：
同一染色体区域的 “缺失” 与 “重复” 仅为拷贝数差异（主变异类型不同），却导致次级 / 修饰变异体的作用方向（减轻 vs 降低 IQ）、PRS 的作用与否（有效应 vs 无效应）完全不同。
2）CHD8 等 SNV（神经发育强相关基因）
CHD8 是神经发育的核心调控基因，其单核苷酸变异（SNV，如错义、无义突变）属于另一类主变异，该背景下次级 / 修饰变异体与 PRS 的效应同样具有特异性。
次级 / 修饰变异体效应：
——额外携带的 “LF 缺失变异”（功能缺失型片段缺失）与 “全量表 IQ 降低” 呈负相关（β=-0.157，p=4.01×10⁻⁵）—— 效应极强且显著；
——额外携带的 “STR 扩增”（短串联重复序列异常扩增）与 “全量表 IQ 升高” 呈正相关（β=0.109，p=0.005）—— 与 “LF 缺失” 的效应完全相反。
PRS 协同效应：
——智力相关 PRS 每降低 0.1 个标准差（即智力遗传风险每升高一点），会导致 IQ 在 “LF 缺失” 的负效应基础上额外降低 2.3 分（p=0.002）—— 说明 PRS 并非独立作用，而是与次级变异体协同，共同放大对表型的影响，且这种协同仅存在于 CHD8 SNV 主变异背景下。
特异性体现：
相较于 “16p11.2 缺失” 主变异下 “PRS 与次级缺失效应相反”，CHD8 SNV 主变异下 “PRS 与次级缺失效应协同”，且 “STR 扩增” 的作用方向（升高 IQ）与其他主变异背景下（如 16p12.1 缺失中 STR 关联神经缺陷）完全不同。
3）对照验证：无主变异个体 —— 主变异是次级 / 修饰变异体发挥作用的前提
为进一步验证 “主变异特异性”，研究分析了 1528 名无任何明确致病性主变异的自闭症先证者，结果仅发现 1 个微弱关联：仅 “次级 / 修饰重复（LF）” 与 “BMI 降低” 呈负相关（β=-0.086，p=0.032）—— 无其他任何次级 / 修饰变异体（如 SNV、STR）或 PRS 与表型的显著关联。
关键结论：无主变异时，次级 / 修饰变异体的效应几乎可忽略；只有存在主变异时，次级 / 修饰变异体才能显著影响表型 —— 反证 “主变异是次级 / 修饰变异体发挥作用的必要背景，其类型直接决定修饰因素的效应是否存在”。
4）核心机制：主 – 修饰变异的交互作用—— 表型异质性的 “特异性驱动”
研究共识别出 21 个关键交互作用实例，进一步证实 “主变异特异性” 是表型差异的核心原因：
交互实例分类：
——主变异 – 次级 / 修饰变异交互（13 个）：如 “CHD8 SNV 主变异” 与 “修饰-缺失变异” 对 “全量表 IQ” 的交互作用（β=-0.052，p=0.005，FDR=0.033）—— 即 “修饰-缺失” 对 IQ 的降低效应，仅在携带 CHD8 SNV 时才显著，无该主变异则无效应；
——主变异 – PRS 交互（8 个）：如 “某神经发育基因 SNV 主变异” 与 “自闭症 PRS” 对 “SRS 评分” 的交互作用（β=0.064，p=0.002，FDR=0.011）—— 即 “自闭症 PRS 升高” 对社交障碍的加剧效应，仅在携带该 SNV 主变异时才出现。
交互作用的 “特异性特征”：
不同主变异与同一修饰因素的交互效应完全不同 —— 例如 “16p12.1 缺失” 主变异与 “修饰-缺失” 的交互会加剧智力障碍（β=-0.071，p=0.003），而 “16p11.2 缺失” 主变异与 “修饰-缺失” 的交互仅轻微降低 IQ（β=-0.028，p=0.049），效应强度差异达 2.5 倍。
核心价值：这类 “主变异特异性的交互作用”，正是导致 “相同主变异携带者表型差异巨大”的根本原因。
Figure 7. Secondary variant associations in probands with primary variants
Figure S7. Associations between secondary variants and developmental features of 16p11.2 CNV probands, related to Figure 7
四
研究结论与意义：从 “科研发现” 到 “临床应用”
修饰变异体与 PRS 的修饰效应具有 “四特异性”：主变异特异性（16p12.1 vs 16p11.2）、变异类型特异性（STR 关联神经症状、SNV 关联生长特征）、表型特异性（Hedgehog 通路变异关联行为异常）、验证方式特异性（健康 vs 疾病队列）；
基因网络连接性差异（16p12.1 “分散” vs 16p11.2 “集中”）是表型异质性的关键机制，PRS 通过与不同网络的交互，进一步影响异质性程度；
验证偏倚是基因型 – 表型关联研究的重要干扰因素，跨队列荟萃分析可识别稳健关联（如智力 PRS 与 ADHD 相关，p=0.048）；
主变异与修饰因素（修饰变异体、PRS）的交互作用，是表型异质性的核心驱动。
1）科研范式突破
拓展修饰变异体定义：首次纳入非编码变异、STR 扩增，打破 “仅编码变异致病” 的局限，完善 “多因素协同致病” 模型；
明确 PRS 的修饰价值：证明多基因风险可 “改变” 主变异效应（如 16p11.2 缺失者的 BMI，16p12.1 缺失者的精神疾病风险）；
发现跨世代累积：选型婚配（16p12.1 携带者配偶精神疾病相关性高）导致变异负荷与 PRS 风险逐代升高。
2）临床价值
遗传咨询：不能仅以 “携带主变异” 判断患病风险，需结合修饰变异体负荷 + PRS（如 UKB 中 16p12.1 携带者虽有主变异，但无修饰打击，风险低）；
精准治疗：同一疾病（如自闭症）需靶向 “被扰乱的通路” 而非 “单个基因”——16p12.1 缺失者可能因修饰变异体与 PRS 的差异，分别需干预线粒体功能或突触信号；
研究设计：必须纳入多来源队列，同时关注次级变异体与 PRS，避免 “仅选患者” 导致的偏倚（如仅研究 DD 队列会高估神经症状发生率）。
1）统计效力：部分关联仅达 “名义显著性”（如 FDR=0.586），需更大队列验证；
2）技术限制：短读长测序对 STR、复杂结构变异的检测准确性不足，PRS 计算依赖参考人群，可能存在人群分层偏差；
3）队列差异：不同队列基因分型方法不同（如 WGS vs 微阵列），PRS 计算参数存在差异，无法直接对比变异负荷。
五
总结
该研究发现修饰变异体对 16p12.1 缺失及其他主变异体外显度的影响，存在 “家系特异性、表型特异性、验证方式特异性及主变异体特异性” 模式。
16p12.1 缺失及其他主变异体的复杂性，呼吁临床采用 “个体化医疗” 策略 —— 在遗传咨询、疾病管理及治疗方案制定中，充分考虑个体水平的表型特征与更全面的基因组变异类型检测。
参考文献：
Matthew Jensen, et al. Genetic modifiers and ascertainment drive variable expressivity of complex disorders. 2025, Cell 188, 1–18. https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.09.012