基因組劑量變異(CNV)如何影響表型變化

不論是核苷酸層次或大片段的 DNA 改變，皆被認為會藉由改變基因的表達 量來造成表型變化，因此藉由轉錄分析或評估單一基因的表達量的研究模式，可 以瞭解 CNV 對表型變化的意義 (12)。部份文獻以老鼠模型來研究 CNV 裡的內 含基因在不同組織的轉錄與表達，研究發現位於 CNV 內的基因，其基因的表達 量較 CNV 外、沒有劑量變化的其他基因要來的低，表達量的變異情形也較大，

這顯示 CNV 的內含基因與其他非 CNV 區域內的基因相較，有較為獨特的轉錄 表達模式。在分析的老鼠模型與組織中發現，約僅有 5%~18%的 CNV 基因表達 量與基因的數目呈微弱的正比關係；而有 2~15%的 CNV 內含基因其表達量和基 因的劑量呈反比關係，造成此反比效應的機制仍不清楚，但可能可以用一些僅在 個體發育早期表現的基因來解釋，這一類的基因在表達的初期其表現量是與基因 劑量呈正比的，但當基因表達量達到一定程度時，基因產物反而會直接或間接的

誘導 Repressor 的表達，使得原先基因的表現量下降甚至是被終止；另一個可能 的解釋是，CNV 內含基因其增加的劑量，造成空間上的障礙，使得轉錄的過程 中某些轉錄調控因子沒有辦法鍵結至調控區，因此當基因的劑量愈是增加，愈是 使基因表現量降低。再者，有三分之二的 CNV 內含基因，不論在任何組織間，

其表達量和基因的劑量的多寡沒有關聯，顯示有代償機制的存在，或缺失/重複 的片斷包含了不完整的調控序列。此外，基因印痕作用也可能調控 CNV 所在位 置的基因表達。

因此，CNV 的存在影響基因的表達及表型變化，大致可以區分為以下幾種 機制：

1. 劑量效應 (Dosage Effect)：DNA 片段的缺失或複製導致基因劑量改變，

基因表現量因基因的劑量呈比例的增加或減少。

2. 位置效應 (Position Effect)：CNV 的存在可能使得某些功能性基因與調控 序列(Cis-Acting)的距離增加，使得調控序列表現的效能降低，間接影響 基因的表現量。

3. 改變基因組的結構：CNV 的存在可能改變染色質的結構，干擾某些調控 因子的結合；或影響細胞核內染色質在間期(Interphase)時的排列及分 佈，進而干擾基因的表達。

4. CNV 其劑量的多態性影響基因表達的水準：外顯率(Penetrance)是研究遺 傳性疾病時必需考慮的一個重要因素。值得注意的是，許多顯性遺傳疾 病的外顯率有一定程度的變化。例如結節性硬化症以及第一型神經纖維 瘤和乳腺癌就是典型的例子。針對此現象，Beckmann 等(23)提出 CNVs 可能是導致某些致病突變體基因外顯率降低的決定性原因。因此，對於 一個致病的顯性突變基因而言，在未攜帶突變等位基因的染色體上多獲 得一個正常等位基因的 CNV，可以通過基因劑量影響表型，使個體表現 正常。

此外，基因組劑量的變化除了會影響其內含基因的表現外，也會影響其鄰 近、沒有劑量變化的基因表現，影響的範圍甚至可以達到 0.5 Mb。而其改變鄰 近基因的表現，亦是經由位置效應或改變基因組的結構等機制來達成。

第六節 基因組劑量變異(CNV)對個體表型及疾病易感性的影響

基因組廣泛分佈的劑量變異可以引起基因組和分子表型的異質性，影響複 雜性疾病的發生。文獻指出(16)，大約有 40%的 CNV 位於基因貧乏的區域(Gene Desert)，但儘管如此，仍有大量的基因位於 CNV 內。Redon 等(15)在 1447 個經 HapMap 檢測到的 CNVs 區域中，發現 2908 個 NCBI 參考序列基因和 285 個 OMIM 基因，顯示 CNV 與複雜性疾病或孟德爾遺傳性狀相關。存在 CNV 的基 因通常不編碼與生長發育相關的蛋白，但是，存在 CNV 的基因常影響人體對外 界環境的反應，在細胞連接、感觀理解、化學刺激、神經生理過程中發揮重要作 用。不存在 CNVs 的基因往往是劑量敏感性基因，參與維持細胞的生長發育，包 括細胞信號傳導、增殖、激酶化和磷酸化等過程。此外，一些 CNV 區域覆蓋非 編碼的 RNAs 區域，包括 miRNAs。miRNAs 調節基因表達轉錄後加工的能力，

對生長發育、正常生理過程及包括癌症在內的複雜性疾病的形成起重要作用。

目前已發現不少複雜性疾病和 CNV 有密切關聯。2008 年 9 月發表在 Nature 的一項研究證實了先前的發現(18)，在 22 號染色體的一個區域有長度為 3 百萬 鹼 基 對 缺 失 的 人 ， 三 成 患 有 精 神 疾 病 ， 如 自 閉 症 (Autism) 和 精 神 分 裂 症 (Schizophrenia）等。2008 年 8 月發表在 Nature Genetics(19)的一項研究發現克羅 恩病（Crohn's Disease）和 IRGM 基因（和對抗侵入性細菌有關）上游區域 20,000 鹼基對的缺失之間、存在著相關性，IRGM 缺失可能會使罹患克羅恩病的風險增 加 40%，但一個人實際患病與否可能取決於別的遺傳或環境因素。而在 2009 年 1 月另一篇發表在 Nature Genetics 上的文章(21)發現體重指數和一個名為 NEGR1 的基因中、45,000 個鹼基對缺失具有很高的相關性，這個基因調節飢餓感、代謝

與下視丘的神經生長。

人群中一些發生頻率大於 1%的基因組多態性結構變異也與疾病易感性有 關，如與睾丸激素代謝有關的 UGT2B17 基因，其缺失會增加罹患前列腺癌的風 險；CCL3L1 基因劑量增加可以減少感染 HIV 的風險；DEFB4 基因其劑量減少 會增加患節結性腸炎的風險；FCGR3 基因的劑量減少則容易患血管性腎炎。另 外，在 1q21.1、15q11.2、15q13.3 等位置發生結構重組，亦被認為與智能障礙或 精神分裂症有關 (12)，但在這些位置有相同結構變異的不同個體，卻不一定有 完全相同的表型，這說明了某些疾病的狀況並非單純的和 CNV 的劑量相關，而 與基因組存在的結構改變較有關係，因此不論基因的劑量，而是干擾了某些特殊 的途徑。至於多樣、不同類型的結構變異，也可能同時對某一類複雜疾病產生影 響。

由於複雜性疾病染色體層次的分子機制仍未完全明朗，在基因組層次僅憑 CNVs 來解釋複雜疾病的發生是不適當的。理論上，複雜性疾病的基因組變異，

對表型的影響應較為“彈性(Soft)＂。例如，非編碼區序列基因組劑量的變異，

儘管改變了基因的劑量但並不使基因的功能完全消失。由於 CNVs 存在多種作用 機制，對於分子表型和基因表達的影響效果也不同，因此對 CNVs 的臨床意義和 遺傳方式的解釋必須加倍小心，需要基於全面的基因組變異評估。

第七節 基因組劑量變異(CNV)的臨床意義與重要性 (5)

根據先前的「人類基因組計劃」，原本認為人類的基因組有 99.9%的序列 是相似的，隨著分析方法的進步，才揭露了基因組劑量變異的大量存在，推翻了 早期認為人類基因組大致相似的結論。由於 CNV 發生的頻率遠遠高於顯微鏡下 觀察到的染色體結構變異，而且在整個基因組中覆蓋的核苷酸總數大大超過 SNP 的總數，因此基因組劑量變異必定和表型變異緊密關聯，同時在物種的演化和發 展中發揮著重要作用。

大片段的重複或缺失已知與某些遺傳疾病的存在有關，可能是因為對劑量 敏感的生長發育基因，其劑量發生了改變。這樣的觀念引導了基因診斷方法的建 立。如果一個新偶發的染色體異常在一個基因組結構異常的病人被辨識出來，而 這個變異並不是已知常見的染色體多型性，那麼這個異常便會被認為可能是引起 異常表型的原因。

一般而言，標準的細胞遺傳學分析方法，全基因組的染色分析通常可以辨 識 5~8 Mb 及更大的染色體重組/變異。然而，更高解析度的全基因組分析方法，

可以發現更多細微的基因組異常，隨著分析方法解析度的改善，伴隨而來的是增 加解釋基因組不平衡的難度。為了協助全基因組、高解析度 CGH 分析結果做正 確的診斷解釋，關於人類基因組不平衡與相關表型的資料庫已經被建立，並且廣 泛收集許多 CGH 的分析結果及其他相關的分析訊息，這個資料庫的目標是要改 善次顯微染色體不平衡的研究及醫療照護。

基因組的不平衡若是由一個表型正常的人遺傳而來，通常會被認為臨床的 重要性較低。但若另一個人有著相同的基因組變異，但也許沒有遺傳其他代償性 的變異，就可能就會導致不一樣的臨床表型。這些情形顯示著解釋這些基因組不 平衡的臨床意義是缺乏信心的，因此瞭解基因組劑量變異在基因組中存在的位 置，及其與個體健康之間的關連性，是非常重要的。

CNV 並不會導致早發型、高度遺傳的疾病，因此被認為其必然是功能正常 的，但其可能會和其他的結構變異相互作用，或結合 SNP 及環境因素共同對個 體的表型發生影響，因此在晚發型遺傳疾病或一般性、複雜性的疾病，仍然扮演 著相當重要的角色。根據最近已知的 CNV 其功能性的貢獻，顯示特殊環境因素 的刺激，影響著分子與環境之間的交互作用，例如藥物的解毒作用

(Glutathione-S-Tranferase, Cytochrome P450 Gene, Carboxylesterase Gene Families)、免疫反應和發炎反應(Leukocyte Immunoglobulin Like Receptor, Defensin, APOBEC Gene)、組織表面完整性(Late Epidermal Confide Envelop and Mucin Gene Families)、表面抗原(Galectin, Melanoma Antigen Gene, RH Blood

Typing Gene family)等。同樣的，某些包含有基因的 CNV，會使得不同的個體在 藥物反應、免疫能力、疾病抗性/ 易感性等有差異性。例如不同的個體、不同的 族群間 CCL3L1 基因的劑量有所不同，其是 HIV-1 的 Suppressive Cytokine 和 Ligand for HIV Coreceptor CCR5 的基因，當個體 CCL3L1 的基因劑量較少時，

CCR5-CCL3L1 的複合體就較少，便會留下較多的 CCR5 供 HIV 病毒結合、進入，

因此會加 HIV/AIDS 的易感性。最近，在老鼠體內發現 Fcgr3 基因的劑量變化，

因此會加 HIV/AIDS 的易感性。最近，在老鼠體內發現 Fcgr3 基因的劑量變化，