互动科普

先进的遗传学研究现在已经可以实际运用于疾病的预防。

我们的诊所和医疗院（medical home）就是为了治疗像马克（为了病人的隐私，本文中所涉及的病人及其家属的姓名均为化名）这样的孩子而开设的。这座由“朴素派”社群［“plain” community，17~19世纪从欧洲逃到北美新大陆的宗教组织重浸派（Anabaptist）后裔，包括阿米什人（Amish）和门诺派教徒（Mennonite）］亲手搭建的坚固木构架屋，是一个配备了基因测序设备的先进儿科诊所。我们主要为这些社群提供儿科诊疗服务。今天的朴素派教徒仍旧远离现代生活方式，聚居在北美各地偏远的基督教小村落中。在他们的家庭里，普遍禁止使用电力和电话，他们的衣着和行为准则强调群体的凝聚力，私人和政府的保险计划被拒之门外，社群成员不相信任何会削弱社会互存关系的技术。

这些朴素派教徒选择在现代社会以一种与众不同的方式生活，但每位家长都尝过因孩子生病而提心吊胆的滋味：“我的女儿将来会走路吗？”“你能让他停止抽搐吗？”“这是自闭症吗？”正是家长对儿女的这份关爱之情，促使我们想要把复杂的现代生化和遗传学术语，用通俗易懂的语言介绍给他们，帮助他们找到这些问题的有意义的答案。到目前为止，我们实验室已经在朴素派社群中，确认了超过170种出现率高于正常水平的致病基因突变。在这些基因突变中，将近一半会危及大脑发育。如果不进行治疗，这些基因突变的携带者将在童年时面临死亡或残疾。快速、经济的现场分子水平测试为这些遗传疾病的治疗提供了珍贵的机会；这些测试让我们能够及早发现未来的健康威胁，制定更准确的治疗方案，从而抢在疾病发作前就对其进行有效控制。

与朴素派社群的合作关系，也让我们有机会看到基因组学研究是如何改变我们对于常见疾病的认识的。得益于多个阿米什家庭的全力配合，最近我们发现了与双相情感障碍（bipolar/manic-depressive disorder）相关的特定基因突变。双相情感障碍影响着全球2%~4%的人口，而且不幸的是，很多病患并没有得到确诊和治疗。基因突变和双相情感障碍之间的关联性，使基因组学离主流医学更近了一步。这也为医学界提出了一个挑战：要把我们对人类疾病成因的了解，转变成可以为病患提供切实帮助的治疗方法。

筛查遗传缺陷

金辛格家族当时所需要的是一个明确的答案。我们在几天之内就检测到马克的血样中存在一系列化学异常，表明他的残疾是由于体内缺乏一种酶——亚甲基四氢叶酸还原酶（5,10-methylenetetrahydrofolate reductase，MTHFR）造成的。我们的实验室主管埃里克·普芬伯格（Erik Puffenberger）很快又在马克体内编码MTHFR的基因中发现了变异。这一信息也让我们确定，金辛格家族另外三个孩子也有这样的缺陷。

在查找相关医学文献的时候，我发现S·哈维·马德（S.Harvey Mudd）及同事早在30年前就发表过论文，首次对MTHFR缺乏症进行了描述。马德是中间代谢（intermediary metabolism）研究领域的一位传奇人物。中间代谢是将食物转化成能量及细胞构建成分过程的总称。马德的研究厘清了转硫作用途径（transsulfuration pathway）。这是一个对甲硫氨酸进行循环利用的复杂化学反应网络，同时也为人体内各种分子提供所需的甲基基团。甲硫氨酸是大脑和其他组织生长所必需的氨基酸，甲基标记则对这些组织的功能有着深远的影响。MTHFR正是这一化学供应链的关键一环；就是因为缺乏这种酶，马克脑部的甲硫氨酸和甲基匮乏，造成了严重的神经疾病。

于是，我给马德打了电话。马德当时已经75岁，是美国精神健康研究所（National Institute of Mental Health）的名誉退休研究员。他毫无保留地为我介绍了复杂的转硫作用，并提供了治疗建议：一种叫“甜菜碱”（betaine）的非处方药，能够通过另一种代谢途径为大脑提供甲硫氨酸和甲基。如果以膳食补充剂的形式给药，每天的药费仅为60美分。在之后的几个月中，我经常与诊所的护士克里斯蒂娜·亨德里克森（Christine Hendrickson）一起驱车4个小时，探访金辛格家族所在的小村庄。我们从一个农场到另一个农场，仔细地评估甜菜碱对我们的小病人的疗效。借助装有干冰的冷藏箱、便携式离心机以及连接汽车点烟器的电源转换器，我们能够在现场对采集的血样进行分离和保存。然后，我们将样本送给马德，请他利用研究合作网络，分析样本中的甲硫氨酸、甜菜碱以及转硫作用途径中的其他多种化合物。这样的密切合作让我们建立了甜菜碱的量效关系，并在2007年发表了针对这种疾病的治疗方案。

就在开始甜菜碱治疗的几周后，马克开始行走，并对光亮和声音有了反应。其他病人的病情也很快得到了明显改善，但我们同时也深刻地认识到治疗时间的宝贵。马克和其他较迟接受甜菜碱治疗的孩子，由于在婴幼儿时期大脑发育停滞，留下了终生残疾。在这一短暂时间窗口内形成的复杂神经连接网络，正是我们精神世界的基石。一旦错过了这一时间窗口，大脑的损伤就无法逆转了。马克这一病例的发现，让这个社群的悲剧不再发生。在马德发表关于MTHFR缺乏症的论文之后的30多年间，像马克这样的孩子都只能在惶惑和悲哀中，悄无声息地走完短暂的一生。

我们在制定详细治疗方案的同时，还研发了一种测试方法，用于筛查年轻夫妇所携带的遗传缺陷。利用这一方法，我们惊恐地发现，在金辛格所居住的村庄里，30%的健康阿米什人都携带着一个变异的MTHFR基因。从这一数据我们可推测，在这些夫妇的孩子中，每50个就有一个可能患上MTHFR缺乏症。2003年，由于意识到先期预防治疗（preemptive）对于控制这种疾病的重要性，我们与美国匹兹堡新生儿疾病筛查实验室的生化学家埃德温·内勒（Edwin Naylor）取得了联系。由于使用滤纸采集每个新生儿的血液样本是美国法定新生儿遗传疾病筛查的一部分，我们一起成功研发出了一种检测滤纸血样中MTHFR基因突变的方法。

引人注目的是，第一个通过滤纸检测法诊断出MTHFR缺乏症的病人，恰好是马克的妹妹——鲁丝（Ruth）。鲁丝出生于2003年9月，也就是金辛格夫妇第一次带马克来我们诊所就诊的10个月后。鲁丝在出生后两个星期就开始接受甜菜碱疗法，她在之后12年的跟踪诊疗中茁壮成长。今天的她既是一名成绩斐然的学生，也是一位乖巧的女儿和优秀的棍球手。

2009年，马德及夫人终于在特殊儿童专科诊所20周年庆的活动上，有机会见到金辛格一家。在马德与鲁丝的父母交谈时，鲁丝悄悄爬到了他的大腿上。马德过后告诉我，那是他科研生涯中最值得铭记的时刻了。

马德在2014年1月去世，享年86岁。在他去世的几个星期后，他的夫人收到了一张手工卡片，卡上写道：“亲爱的马德夫人，希望这张卡片为您带去爱的问候。您今天好吗？我很好。今早虽然有雾，但看起来将会是晴朗的一天。我期待能赤脚出游。爱您的鲁丝。”

先期预防

MTHFR缺乏症和其他遗传疾病之所以在朴素派教徒中发病率异常高，根源在于他们独特的社会文化历史。由于重浸派教徒在跨大西洋迁移之后幸存下来的人数不多，他们的基因库的多样性并不丰富。跟我们所有人一样，这些个体也不知道他们的遗传密码中携带着具有致病性基因变异。在封闭社群中，这些基因突变会悄悄地通过携带者代代相传，而发生率则会随机地增加或减少，直到有一天，孩子从同祖的父母那里遗传到了两个具有致病性基因变异。在世界各地的封闭社群中，这种隐性遗传的形式是遗传疾病的重要传播方式。在现代的重浸派教徒中，其祖先携带的多种基因变异为个人和社群带来了很多磨难，这个问题又因为该社群有限的科学教育以及美国医疗体系的局限性而进一步加重。

20世纪60年代，现代医学遗传学先驱——维克托·麦库西克（Victor McKusick）首先意识到，在阿米什人中研究遗传疾病的发病模式很有意义，于是开展了详尽的实地考察。虽然朴素派教徒担心科技的力量会影响他们的社会关系，但他们还是为麦库西克及其合作伙伴敞开了大门，以期福泽后人。1978年出版的《阿米什人的遗传疾病研究》（Medical Genetic Studies of the Amish），记录了这项研究取得的成果——记录了北美阿米什人中18种已知遗传病和16种新发现的遗传疾病。这些早期研究为人类理解遗传疾病提供了许多重要原理，但没有为参与研究的阿米什人带来多少帮助。阿米什人因此开始对这些只关注他们患病模式，而不能或不愿为他们提供治疗的医生感到厌烦。

10多年后，一位名叫D·霍姆斯·莫顿（Holmes Morton）的年轻内科医生采取了一种不同的方法。1988年，莫顿就职于美国费城儿童医院（Children's Hospital of Philadelphia），是该院的生化遗传学研究员。一天，他的同事请他化验一个6岁阿米什男童的尿样。这个男孩叫丹尼（真名），他的运动机能在14个月大时突然发生了无法解释的退化。当地医生认为这种情况是脑瘫造成的，但莫顿利用气相色谱-质谱联用分析技术（gas chromatography/mass spectrometry），在这个男孩的尿样中检测到了一种名为3-羟基戊二酸（3-hydroxyglutaric acid）的物质。查出这种特别的化合物，意味着造成丹尼大脑损伤的是一种叫做I型戊二酸败血症（GA1）的罕见遗传疾病，而非脑瘫。

莫顿从信中了解到，丹尼所在的兰开斯特县还有许多孩子患有这种所谓的阿米什脑瘫，于是他亲自前往丹尼的家乡探访。1991年，他与同事发表了相关的调查报告，在那里发现了10例阿米什人的I型戊二酸败血症确诊病例，将当时全世界已知的该病病例数增加了一倍。莫顿在调查期间，倾听了这里的父母们讲述的悲痛故事。一代又一代，他们眼睁睁看着自己的孩子被神秘的脑病击倒，不免感到一种深深的无助感，只能迁怒于医疗体系太遥远，太分散，太昂贵，无法为他们提供帮助。这种痛苦让莫顿和他的妻子卡罗琳深信，当地亟需一家诊疗所，让这些没有医疗保险的朴素派教徒能带他们生病的孩子来接受负担得起的治疗。

于是，他们开始了一项实验性的医疗计划，这项计划与利益为先的美国医疗体系有着本质的区别：这是莫顿夫妇与多位深受遗传疾病之苦的父母共同开展的民间合作计划。一位阿米什农夫有两个患有I型戊二酸败血症的孙子，他为该计划提供了一块2.5英亩（1英亩约为4 047平方米）的土地来修建诊所。朴素派社群的其他成员则提供建造诊所所需的木材和劳力，一榫一卯地搭起诊所的房屋框架。从那时起，朴素派社群一直持续地为该计划提供支持，将其作为留给子孙的珍贵投资。目前诊所每年的运作费用大约为260万美元，有将近75%来自慈善捐赠，其中就包括朴素派社群慈善拍卖棉被、家具、植物、马驹、烤鸡、手工面包卷和无比馅饼（whoopie pie，阿米什人的传统点心）等所筹得的85万美元。这些资助让病人每次看诊和化验所需支付的费用控制在50~150美元内，比研究机构的医学中心提供的类似医疗服务费用低70%~90%。

莫顿夫妇从一开始就意识到，对于I型戊二酸败血症和其他遗传疾病，最有效的治疗措施就是从新生儿下手，在疾病发作之前就检测遗传风险，并在整个青少年时期为患者提供全面的就地医疗服务。然而先期预防的治疗策略想起来简单，施行起来却不容易。而且细节至关重要：如果不及时，遗传诊断即使再精确也毫无意义；如果过于昂贵，分子疗法即使再巧妙也没有用。我们的诊所是一个科学付诸实践的场所，在提升社群自身医疗水平的同时，也不能让它因为负担不起过高的医疗费用而破产。

我们诊所的底层配备有整套先进的基因测序工具。由普芬伯格领导的实验室小组与诊所的内科医生紧密配合，自1998年起，我们每年发现5~15种朴素派社群特有的有害基因变异。具有针对性的分子策略，让我们的团队能够在24小时内准确地诊断出大多数遗传疾病，而费用仅为50美元。精确的遗传学知识让我们可以预知未来，了解疾病将何时以及怎样发作，帮助我们采取行动，保护孩子免受疾病之苦。

就拿I型戊二酸败血症来说，1994年，莫顿与内勒密切合作，在全美实施选择性新生儿疾病筛查。几年之后，美国科罗拉多大学医学院的史蒂芬·I·古德曼（Stephen I. Goodman）找到了导致“阿米什人”I型戊二酸败血症的特定基因突变。这一发现让普芬伯格能够利用快速低廉的分子检测来诊断这种遗传疾病。由于能在疾病发作前就查出孩子是否患病，并加强治疗，我们将儿童残疾的风险从94%降低到了36%。但每次看到因为此病造成大脑损伤的孩子，我们依然痛心不已。

为此，我在2006年与理查德·芬克尔（Richard Finkel）取得联系。他是一家名为“应用营养”（Applied Nutrition）的营养补充剂公司的创始人。我与他合作，为患有I型戊二酸败血症的婴儿和儿童设计了一款处方饮食，我们把它叫做“医疗配方奶”（medical formula）。我们知道导致I型戊二酸败血症的基因突变会使戊二酸和其他由赖氨酸产生的毒素在大脑中积累，而大脑中的另一种氨基酸——精氨酸却能限制赖氨酸进入大脑。通过合理控制饮食中这两种氨基酸的比例（借助计算机模拟），我们可以降低大脑中赖氨酸的摄入量，从而限制大脑中神经毒素的形成。

我在2006年到2011年的临床试验中，对12个患儿采用了这种疗法。结果显示，接受该疗法的婴儿，脑内毒素减少了一半，住院时间减少2/3，并且完全没有大脑损伤。我们在2011年发表了这一研究发现。至今我们已经利用这种定制的医疗配方奶，总共治疗了25名相继出世的新生儿。该疗法疗效持久，患者脑损伤的发生率低于5%，几乎所有现在出生的I型戊二酸败血症患者都能健康成长。我们在诊断和治疗其他多种遗传疾病时，也采取了类似的创新疗法，这让我们能将病患残疾、住院和死亡的几率降低50%~95%——这无疑有力地佐证了，科学能减少人类的痛苦。 

基因突变与双相情感障碍

研究罕见遗传疾病对生命科学的发展有着特别重要的作用。我们只有通过仔细研究一个基因突变的医学后果，才能全面了解正常基因在人体中的作用。1657年，威廉·哈维（William Harvey）就预见到这一点，他认为研究罕见遗传疾病是发现自然奥秘的最佳途径，并能以此推动主流医学的发展。350年后的今天，我们终于理解了哈维所言之精辟。通过密切观察罕见基因变异与心理健康之间的动态相互作用，我们最近对一种常见疾病有了更深入的了解。

我第一次见到凯蒂（Katie）是在一个清爽的秋季早晨。凯蒂当时大约40岁，她同意参与我们对宾夕法尼亚州阿米什人双相情感障碍的研究。她选择在丈夫戴维（David）修理小型引擎的谷仓里与我们见面。在他们的谷仓中，机械零件散落满地，这对于阿米什人的商店来说，是很少见的。由于凯蒂的双相情感障碍已经困扰了他们10多年，在大多数时间里，戴维不但一个人要做两个人的工作，还时常要独力养育他们的5个孩子。

凯蒂的双相情感障碍第一次发作是在她生完第二个孩子后。她开始急速讲话，有时语速非常快，而且时常神游四方，处于精神错乱的状态。她时不时地连续几晚不睡觉，不停打扫房子。“这地板真脏，真恶心。”在接下来的低潮期，凯蒂则会卧床不起，无望地反思，深深地自责。仿佛丈夫、孩子、父母都不停地在她身后低语“你真没用”。但在我们第一次会面时，她反复提到最让她困扰的是，腹中充满了一种不停折磨她的东西，她将其叫做“糟糕虫”。我们知道这其实是一种慢性感知幻觉（perceptual hallucination）。

精神病（包括双相情感障碍）是人类常见疾病，影响着全世界12%~47%的人口。在美国，精神病占年轻人致残疾病的40%，因自杀死亡的人数比谋杀致死数多一倍。在阿米什人这样的封闭社群中研究精神病和其他常见疾病的遗传模式，具有独特的优势。“阿米什人情感性精神病研究”（Amish Study of Major Affective Disorders）就是这类研究之一。它始于1976年，追踪了多个双相情感障碍发病率高的阿米什人家族。在30多年的历程中，追踪研究的个体数量增加到400多个，成为医学遗传学史上研究范围最广的研究之一。

2011年10月31日，我与普芬伯格参加了由阿兰·舒尔迪纳（Alan Shuldiner）和美国马里兰大学阿米什人研究诊所举办的病人家属见面会。顶尖的精神病学研究人员为一群关注家人和社群精神疾病状况的朴素派教徒，讲解了该领域的研究进展。在会议接近尾声时，研究人员就35年来对阿米什人双相情感障碍的研究进行的总结令人沮丧：“我们可以告诉你们的新发现并不多。”在走回停车位时，3个阿米什姐妹拦住了我。她们的家族参与双相情感障碍家族研究已经20多年了，她们这一代的11个兄弟姐妹中，有9个饱受双相情感障碍之苦。因为我们诊所在攻坚疑难杂症方面颇有声名，她们想知道我们是不是能够帮助她们更好地了解这种疾病是否与某种基因突变有关。

时逢凑巧，我们那时刚开始与美国马萨诸塞州剑桥市的博德研究所（Broad Institute）展开合作，通过对整个外显子组进行测序，来研究儿童的罕见遗传疾病。外显子组包含了编码人体1.9万个蛋白的核苷酸序列。 虽然外显子组的核苷酸序列仅占整个人类基因组的1%，但它包含了绝大多数可能致病的基因突变，而且外显子组测序是目前用于发现致病基因最高效且最便宜的方法。

虽然我们诊所一直专注于儿科疾病的研究，但精神疾病影响着家庭和社群生活的各个层面，因此我们在剑桥的合作者允许我们测定7个成人的外显子组样本（均来自患双相情感障碍的阿米什人）。引人注目的是，这7个双相情感障碍患者都具有一个极其罕见的基因突变——编码KCNH7蛋白的基因发生了由单个碱基替换造成的错义突变（mis-sense change），使得KCNH7蛋白中一个在许多动物中都非常保守的氨基酸发生了改变（也就是说，如果没有这种突变，该氨基酸通常不会发生改变），从而改变了其蛋白结构。一般来说，蛋白质保守区域一旦发生改变，整个蛋白功能也会跟着发生重要改变。

在接下来的两年中，美国哥伦比亚大学精神病学系的桑德·马克斯（Sander Markx）和迈克尔·弗斯特（Michael First）协助我们进一步扩展了这项研究，为我们引入了更多的研究对象，并实行严格的症状分类方法。我们最终还有幸与威尔康奈尔医学院、宾夕法尼亚大学、富兰克林与马歇尔学院（Franklin & Marshall College）以及麦库西克-内森斯遗传医学研究所（McKusick-Nathans Institute of Genetic Medicine）的研究人员进行了合作。这种团队合作的研究方式也让我们能够追踪KCNH7蛋白在细胞中的运动，解释其突变体如何改变神经细胞的放电模式，并为我们的发现建立统计学基础。基于以上研究，我们首次确认了在阿米什人中导致双相情感障碍的特定基因突变，并在2014年发表了这一研究发现。这些发现让全世界的研究人员能在其他人群中，进一步探索KCNH7蛋白和精神疾病之间的关系。

KCNH7蛋白富集于大脑中影响情绪和认知的区域，并在这些区域内形成钾离子出入细胞膜的离子通道。这些出入细胞膜的瞬时离子流，虽然无法用肉眼看到，但却直接影响着我们的思想和感受。我们的日常经验常常掩盖了这一事实，因为我们很难想象这些电化学信号就是暴力、成瘾、精神错乱和自杀的根源。但我们的研究显示，离子流时序和阈值的细微改变就能导致个体反复经历疯狂和绝望的可怕循环。

从基因的层面来分析这些精神疾病，可以让我们更切实地体会到精神病人承受的痛苦。发现KCNH7的基因变异之所以重要，是因为它为科学家与病患之间的理性探讨提供了立足点，并且有助于病人正确看待精神疾病带来的愧疚和耻辱。就短期而言，基因突变与双相情感障碍之间的关联性，能使像凯蒂这样的病人得到更及时、有效的治疗。从长远来看，将有助于设计出调控KCNH7离子通道的药物，为双相情感障碍的治疗提供一种全新、精准的疗法。

基因检测：预测你的未来?

对阿米什人双相情感障碍的遗传学研究预示着未来的医学方向，即遗传信息可用来预测你的未来。我们目前可以在诊所对新生儿的脐带血进行经济快捷的血液检测，评估孩子在未来30年中患双相情感障碍的风险。在成年后发作的精神疾病患者，通常在青少年时期就会表现出异常的想法和行为，而遗传风险因子的早期检测，能使我们更早地为病人提供有效的心理治疗。但是，我们是否应该开始筛查阿米什新生儿的KCNH7基因突变体呢？

这个问题很容易想到，因为它与我们每个人都息息相关。如果对你的外显子组进行测序，你将会发现2万~4万个不同于正常人类基因序列的地方。在你的DNA变异中，大约有20%可能会改变相应蛋白的功能，其中又大约有1 000个变异是极其罕见的，甚至可能是你独有的变异。这些变异中有多少可以预知你的未来呢？如果确能影响你的未来，我们又能或者应该对此采取什么措施呢？答案部分取决于我们拥有的知识——即我们必须知道是否可以在特定时间对特定个体采取适当的干预措施。这或许也是我们诊所成功的关键。过去25年中，诊所辛勤积累起来的人口知识，就像罗塞塔石碑（Rosetta Stone，指有启示作用的发现）一样，让我们能解读特定社会背景下基因组数据的意义，并据此制定针对个体的治疗方案：在特定时机，给特定的病人施以有效的治疗。

在所有人群中，对基因功能的深入了解能让科学家勾勒出各种“细胞机器”的详实结构，弄清楚在健康和患病个体中，各种“分子零件”是如何相互作用的。但是，受到病痛折磨的并不是这些分子零件，而是生病的人。临床医生和分子生物学家在合适的范围内紧密合作，一个病人一个病人的研究，能让基因组学成为医生的好帮手，催生出具有针对性的先期预防措施，防患于未然。

儿科诊疗是测试这一构想的理想场所。我们的诊所在研究基因变异与生命形成阶段环境因素之间复杂关系的同时，也非常注重将获得的知识转化为先进的治疗方法。对儿童的关怀，促使我们将遗传学知识用于疾病预防，并关注那些对病童最有实际意义的研究成果。我们也将继续努力，以孩子的需求为先，不断地缩短基因组学研究与日常医疗之间的距离。