导读
基因融合是肿瘤诊断和药物开发的重要生物标志物，精确诊断变得日益重要。本文综述了基因融合与常见肿瘤之间的联系，系统评估了荧光原位杂交（FISH）、聚合酶链式反应（PCR）、免疫组织化学（IHC）、电化学发光（ECL）和二代测序（NGS）等检测技术。FISH是检测DNA水平重排的金标准，而PCR和NGS应用广泛，PCR用于验证已知的融合，NGS则提供全面的全基因组检测。本文还评估了STAR-Fusion、FusionCatcher和Arriba等生物信息学工具的诊断准确性。深度学习（DL）技术，特别是卷积神经网络（CNN）和递归神经网络（RNN）等人工智能（AI）技术，正在改变基因融合研究，通过从基因组数据中精确检测和注释基因，消除偏差。最后，文章概述了基因融合分析的先进技术，强调其在发现未知基因融合方面的潜力。
图文摘要
01. 基因融合与癌症的关系
图1. 基因融合的机制与类型。 a 基因融合是由染色体结构重排引起的。易位包括互易性易位，产生两个可能包含致病基因的衍生染色体（左侧），以及伴随染色体短臂和染色体数目丢失的非互易性易位（右侧）。倒位分为靠近着丝粒的染色体单臂倒位，不涉及着丝粒（左侧），以及围绕着丝粒的倒位，涉及两个染色体臂上的断点（右侧）。串联重复是指染色体特定区域内的基因或基因片段的重复。对于缺失，染色体上的基因或基因片段会被删除或丢失。A 和 B 表示断点的位置，用小蓝箭头标记，而大黑箭头表示染色体重排的结果；b 各类融合类型的分布模式（基因-基因、基因-基因间区、基因间区-基因间区）；c 基因融合断点的示意图。紫色符号表示5'基因伴侣，绿色符号表示3'基因伴侣。对于基因融合，断点可以出现在以下基因组区域：5' UTR（从左到右的第一列）、编码区（CDS）（第二列）、3' UTR（第三列）和非编码区（第四列）。虚线表示基因融合断点的连接，圆圈的大小和数量表示相应融合类型的出现次数。
图2. 肿瘤中ALK基因融合的类型。a ALK基因测序结果来自Genome Browser的完整参考序列；b 在非小细胞肺癌（NSCLC）中，ALK与EML4的重排形式；c NSCLC患者中的ALK融合；d ALK的融合位点以垂直条表示，已识别出五种EML4-ALK变异（V），即1、2、3、4和5。在这些变异中，EML4 cDNA的外显子13、20、6、14和2与ALK cDNA的外显子20（e20）发生融合。
02. RNA和DNA水平基因融合检测的比较及其优势
图3. RNA和DNA基因融合检测的比较。a 用示意图展示了在DNA和RNA水平的NGS分析中，由于基因组复杂性可能导致假阴性基因融合结果的潜在情况。在某些情况下，RNA水平的方法可以克服DNA检测的局限性；b 示意图展示了基因融合检测中使用的主要NGS靶向方法。杂交捕获：通过使用生物素标记的DNA或RNA探针，在杂交步骤中靶向特定区域以实现基因特异性富集。经典扩增方法：通过使用融合变异特异性引物的多重PCR实现目标区域的富集。锚定多重PCR（AMP）：此方法专注于一个融合伙伴，通过锚定目标特异性引物的一端，而另一端随机连接到通用接头，AMP通过仅获取来自一端的信息来富集目标区域。
03. 基因融合检测的方法
图4. 常见的基因融合检测方法。a 基因融合检测的金标准。在肺癌样本MO-16-000393中，FISH显示出ROS1基因的重排。阳性信号由每个细胞中一组融合的红点和绿点组成，伴有至少一个孤立的绿点。白色箭头指示融合点，灰色箭头指示孤立的绿点；b 反转录PCR (RT-PCR) 检测基因融合；c 杂交捕获方法；d 常规多重PCR (MPCR) 使用基因特异性引物（GSPs）选择性扩增已知的融合连接点；e 单端双工唯一分子标识符（UMI）接头的设计。
图5. 基因融合检测的电化学发光方法。a 基于构型熵驱动的DT-SDR和CeO2/MXene异质结的“开-关”电化学发光（ECL）生物传感器的示意图，用于高度灵敏地检测BCR-ABL基因融合；b 基于良好调控的轨道DNA步行者和Au@g-C3N4纳米颗粒的超灵敏“开-关”ECL生物传感器的示意图，用于BCR-ABL基因融合的测定。
本文亮点
本文探讨了基因融合与常见肿瘤之间的复杂关系，全面回顾了基因融合检测技术。
文章评估了荧光原位杂交、聚合酶链式反应和二代测序等主要检测方法的优缺点，并探讨了电化学发光在高灵敏度基因融合检测中的新兴应用。
它强调了STAR-Fusion、FusionCatcher、Arriba等生物信息学工具的诊断准确性，并突出人工智能，特别是深度学习技术，在变革基因融合研究中的重要作用。
作者：赵月棠
审核：方 俊
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https://link.springer.com/article/10.1007/s44258-024-00033-3
引用格式
Su, X., Zheng, Q., Xiu, X. et al. Challenges and prospects in utilizing technologies for gene fusion analysis in cancer diagnostics. Med-X 2, 14 (2024). https://doi.org/10.1007/s44258-024-00033-3
作者简介
宿星蕾，上海大学生命科学学院生物与医学专业硕士，导师韩达教授，合作指导教师：宋萍副教授。主要研究方向为分子标志物筛选与癌症精准诊断及术后监测。
郑强廷，同济大学生命科学与技术学院博士后，导师为张云芳教授，合作导师：宋萍副教授。研究方向为热力学差异的核酸探针设计及其在肿瘤原位检测的应用。
王玉东，中国福利会国际和平妇幼保健院/上海交通大学医学院附属国际和平妇幼保健院院长，主任医师，博士研究生导师，上海市卫生局优秀学科带头人。擅长妇科良、恶性肿瘤，妊娠合并妇科肿瘤，年轻患者保留生殖内分泌功能的妇科肿瘤手术及子宫内膜异位症的综合治疗。
韩达 ，上海交通大学医学院研究员，博士生导师，国家杰出青年基金项目获得者（2022）。科技部重点研发项目“合成生物学专项”项目负责人，获得中国化学会青年化学奖、中国化学会菁青化学新锐奖等奖励，入选全球权威青年科技创新人才榜单《麻省理工科技评论》 “35岁以下科技创新35人”。主要从事核酸化学与分子诊断相关研究，开发智能核酸工具应用于解决细胞分析与疾病诊断等生物医学中难点问题。重点关注恶性肿瘤的早期诊断与筛查方法的研究，结合人工智能与分子工程技术，开发了可针对早期肺癌、胰腺癌等恶性肿瘤进行精准诊断的液体活检标志物组合与检测技术。
宋萍，上海交通大学生物医学工程学院副教授，博士生导师，核酸生物医学工程课题组长。获国家海外优秀青年项目，上海市海外高层次人才计划，上海交通大学“小米学者”。主持国家自然科学基金面上项目，主持和参与科技部重大专项研发计划，中央高校优秀青年团队重要成员，教育部优秀创新创业导师。主要研究方向包括1）基于PCR、qPCR以及基因测序的癌症早期诊断及术后监测，2）基因组和转录组新技术的研发和临床应用，3）DNA数据存储。申请并获批9项中国、美国以及国际专利，实现多项专利的产业化转化。
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