FUSE：革命性的基因突变分析 改进功能筛选中变异影响的估计和估算

布莱根妇女医院引入了一种名为FUSE（Functional Substitution Estimation，功能替代评估）的新工具，它可以帮助科学家更好地了解基因的变化如何影响蛋白质。

　　

测序技术的进步使得人类全基因组测序成本不断下降。但是，个人即使拿到全基因组测序结果，医生多半不会给出什么具体建议——虽然将生殖系变异映射到个性化的临床风险是精准医学的一个主要目标，但解释单基因变异仍然具有挑战性，即使是在已确定的疾病基因中也是如此。尽管进行了广泛的诊断检测，但大多数变异仅在少数病例或对照中观察到。因此，绝大多数“变异”仍被归类为不确定意义变异（VUS）——这阻碍了其在临床管理中的应用。指南建议，超出检测适应症范围之外的此类结果不应告知样品提供者，这限制了有针对性的治疗干预和预防医学。

深度突变扫描（DMS，Deep mutational scanning）分析能够高通量地对细胞系中存在的数以千计的编码变异进行功能评估。根据扫描结果得到的表型评估与临床表型数据高度一致，并且这些评估已用于系统地解析与临床可操作综合征相关基因中的VUSs。一项使用DMS数据进行BRCA1变异解释的研究发现，功能证据可用于将11%的VUSs重新分类为致病性（297/ 2701）。美国医学遗传学和基因组学学院(ACMG)/分子病理学协会（AMP）序列变异解释指南规定，“完善的”功能研究被认为是“强有力的”证据来源（PS3/BS3标准）。

来自哈佛医学院布莱根妇女医院的研究人员开发了FUSE（功能替代评估）工具，使用二级结构预测和大量功能筛选数据来评估和估算所有可能错义氨基酸（aa）取代的功能影响。USE管道最大限度地减少了实验分析中固有的方差，从整个分析的突变效应的相关观察中进行集体分析，减少功能筛选数据集的统计噪声。FUSE从115个已发表的功能分析中提取数据，评估每个氨基酸位置的平均功能效应，并对单个等位基因变异进行估计。它增强了来自不同检测平台的变异功能效应的相关性，提高了ClinVar中29个基因错义变异的分类精度。在英国生物银行（UK Biobank） BRCA1、LDLR或TP53罕见错义变异患者中，FUSE提高了相关表型的分类准确性。FUSE还可以为没有经过实验筛选的替代计算出不同的效应。这种方法提高了准确性，扩大了功能筛选数据的实用性。

作者视角

你会如何向外行人总结你的研究？

我们的研究引入了一种名为FUSE（功能替代评估）的新工具，它可以帮助科学家更好地了解基因的变化如何影响蛋白质。基因变异可以改变蛋白质的工作方式，可能导致疾病。新的基于crispr的实验可以通过将这些变化安装到细胞的DNA中来帮助我们了解遗传变异的影响。FUSE结合了许多这些实验的数据，以更准确地预测特定基因变化的影响，甚至是尚未测试过的突变。这一进展可以为了解基因变异的影响提供更好的证据，最终可以帮助医生更有效地识别有害突变，从而改善患者护理和个性化治疗。

你的学习填补了哪些知识空白？

在这项研究中，我们旨在提高解释基因突变如何影响蛋白质功能的准确性，这对于了解疾病风险至关重要。高通量功能筛选分析，如深度突变扫描，产生大量关于突变如何影响蛋白质的数据。然而，由于实验的可变性，这些分析的单个测量结果可能存在噪声，这使得精确估计每种变体的影响具有挑战性。

是什么促使你在这个领域进行研究？

近年来，旨在通过实验测量遗传变异对人类基因组影响的研究显著增加。这些努力已经从高通量功能分析中产生了数十万个筛选结果。然而，每个单独的测量都可能受到统计噪声和实验变异性的影响，这可能会限制单独考虑时估计的准确性。受到这一挑战的激励，我们的研究团队认识到通过集体分析大量可用数据来提高这些变量影响估计的准确性的机会。通过整合大量研究的结果，我们旨在减少单个实验中固有的噪声，并提高每个估计的可靠性。我们的两个实验室结合了计算和实验专业知识来解决基因组学中的复杂问题。这种协同作用使我们能够开发一种利用计算方法和实验数据来改进发现的新方法。我们的目标是创造一种工具，不仅可以提高我们对遗传变异的理解，还可以为科学界提供宝贵的资源，最终有助于改善患者护理和个性化医疗。

你使用了什么方法或途径？

为了解决这个问题，我们开发了FUSE。我们收集并整合了100多个功能实验筛选数据集，涵盖了许多基因。通过对这个广泛的数据集进行集体分析，FUSE降低了噪声，提高了每个变体的功能影响估计的准确性。我们还创建了一个名为FUNSUM的新的氨基酸替代矩阵，该矩阵来自高质量和去噪数据，有助于在残留水平上调整预期的功能影响。

你发现了什么？

我们的研究结果表明，FUSE显著提高了功能估计的可靠性，改善了临床数据库（如ClinVar）中致病和良性变异的分类，并更好地预测了罕见变异患者的疾病风险，如使用UK Biobank的数据所示。

这意味着什么？

我们的工作对患者护理和精准医疗具有重要的临床意义。通过提供更准确的遗传变异影响评估，FUSE可以帮助临床医生和遗传咨询师更好地区分有害和良性突变，特别是那些目前被归类为“不确定意义变异”（VUS）的突变。这种改进的解释可以导致更准确的诊断，个性化的风险评估，并为患者提供有关预防策略和治疗方案的知情决策。此外，通过输入附近已经进行筛选的未筛选变异的影响，FUSE解决了实验分析限制造成的空白，扩大了可以评估的变异范围。这意味着我们可以提供可靠的功能影响评估，即使是没有在实验室直接测试的突变。

下一步是什么？

接下来的步骤包括将FUSE应用于更广泛的功能筛选方法，如碱基和起始编辑等新兴平台。我们的目标是进一步衡量由我们最初未筛选的估算功能评分所提供的临床支持的强度。通过与更广泛的科学和医学界合作，我们希望将FUSE整合到现有的工具和数据库中，最终通过增强精准医疗来改善患者的治疗效果。