1 基因组和基因测序
根据人类基因组计划（The Human Genome Project）估计，人类拥有20000-25000个蛋白编码基因。基因组（genome）指一个生物体所包含DNA的全部遗传信息。基因组由基因区域和非编码区域组成。人类的基因组大小约为30亿个碱基对（bp）（3GB），其中非编码区域占到绝大多数，编码蛋白质的区域仅占约2%左右。
外显子是基因组中能够转录组出成熟RNA的部分。一个基因组中所有外显子的集合，即为外显子组（exome）。人类拥有约18万个外显子，约占人类基因组的1%，即约3000万个bp（30MB）。通常所说的全外显子组测序，是指针对蛋白编码基因的外显子，很少涉及非编码基因。
基因（gene）是DNA中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段，是控制生物性状的基本遗传单位。人类基因区间的大小可从数百个bp至超过200万个bp不等。
图：蛋白编码基因由内含子（非编码序列）和外显子（包括编码序列以及UTR区域）组成。要翻译有功能的蛋白，要进行以下步骤：基因从DNA转录为RNA前体，顺利获得剪接形成成熟RNA，成熟RNA序列翻译成氨基酸链，以及蛋白质分子的翻译后修饰。图源：http://www.britannica.com/science/gene
关于外显子，需要注意的一个特殊情况是非翻译区（UTR）。在mRNA的两侧分别存在5'UTR（前导序列）和3'UTR（尾部序列），它们的作用分别是调控翻译的启动和终止。它们由外显子序列构成，但不会被翻译成氨基酸。所以，并非所有外显子序列都会被翻译成氨基酸。
图：信使RNA前体（pre-mRNA）中的外显子。外显子既包括编码氨基酸的序列（红色），也包括不被翻译的序列（灰色）。 图源：http://en.wikipedia.org/wiki/Exon
2 全外显子测序
2.1 简介
对外显子组（基因组里的所有外显子）进行测序的方法，即为全外显子组测序（Whole-Exome Sequencing，WES），也称为外显子组测序、全外显子测序，全外测序等。全基因组测序（Whole-Genome Sequencing，WGS）是对整个基因组进行测序。靶向测序（Targeted-sequencing，也称Panel sequencing）是对选定的基因进行测序，通常有几十个至一千个基因不等。因而，从覆盖基因组的范围来说，全基因组测序>全外显子组测序>靶向测序。全外测序可以视作一种特殊的靶向测序——它靶向的区域是基因组上的所有外显子。打个比喻：我们去菜市场买菜，菜市场里有丰富多样的瓜果蔬菜肉类（WGS），任君挑选。我们一般会根据自己的喜好需求挑选自己喜欢的（WES或者其他定制化panel），如果我们能确定吃饭的客人的喜好，那我们可以直接选择对应的菜品（定制化panel），如果我们不确定客人的喜好，或者吃饭的人多，那我们可能要多选一些菜品，做一大桌，客人喜欢哪个就吃哪个（WES）。
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| SNPs、InDels、CNV、Fusion、SV | | |
(1)SNP: single nucleotide polymorphism，单核苷酸变异；
(2)InDels:insertions,deletions，小片段插入缺失；
(3)CNV:copy-number variations，拷贝数变异；
(4)Fusion:基因融合；
(5)SV:Structural Variants，结构变异，常指的是那些在染色体水平发生了较大片段（大小至少为50 bp）的变异 |
2.2 WES的优势
科研家们可以选择全基因组测序（WGS）或一种更有针对性的方法，只关注外显子，即全外显子测序（WES），和WGS相比，WES在以下三个方面具有优势(1)时间：与WGS相比，进行WES需要的时间更少；(2)数据：与WGS相比，WES产生的数据集要小得多，对于生物信息学分析来说更容易管理；2.3 WES技术适用的临床人群
Ø 具有非典型性疾病特征，或经过多种医学检测未查明致病原因的患者。Ø 涉及某一脏器或多脏器综合征的、临床表型提示涉及单基因疾病的患者。Ø 不明原因体格发育迟缓、智力发育迟缓、多神经发育异常、精神状态异常的患者。
2.4 WES的应用方向
人类全外显子组所占基因组比例不超过2%，但它包含了约85%与疾病相关的变异，因此在研究编码基因变异层面，全外测序是比全基因组测序更为经济高效的替代方法。全外测序适用于孟德尔疾病、肿瘤、复杂疾病等多个研究领域。对于表现出异质性的疾病，或者患者表现出多个系统受累的复杂疾病症状时，尤为适合使用全外测序。
图：外显子组仅占整个基因组的不到2%。图源：http://www.my46.org/intro/whole-genome-and-exome-sequencing
由于外显子组仅占基因组的不到2%，WES相比于WGS，能够减少测序费用、提高测序深度、缩短测序周期，从而以更低的成本检测到更多的低频变异。而相对于panel测序，WES有着广阔得多的覆盖范围。（1）例如在肿瘤临床检测中，寻求肺癌靶向治疗的患者通常会先做panel测序，因为与肺癌靶向治疗相关的基因是比较明确的，几十至一百多个基因的panel测序通常就可以满足需求。（2）而对于寻求免疫治疗的患者，通常会使用全外或大panel测序，来评估肿瘤突变负荷（Tumor Mutational Burden, TMB），TMB高的患者通常对免疫治疗有更好的响应。全外测序是业内公认的评估TMB的金标准。（3）在肿瘤方面，除临床检测外，WES也适用于类似绘制突变图谱、探索耐药机制这样的研究场景。（4）全外测序也适用于遗传疾病检测。遗传疾病，尤其是单基因遗传病（又称孟德尔疾病），种类多，涉及的基因也多。在OMIM数据库中收录的单基因疾病已有超过5000种，相关基因已有近4000个。如果要进行一次全面的单基因遗传病的筛查，全外无疑是全面、方便、合适且具性价比的选择。（5）如果我们只想检测常见的某十几种遗传病，定制panel来进行检测也是可行的，但全外无疑会更具研究价值。随着新的疾病及其分子机制被不断揭示，需要加入解读列表的基因会越来越多。如果某人接受过全外检测，数年后他想看看自己有没有携带新发现的致病突变，那么他只需要带着检测数据请一位遗传咨询师为他解读就可以了，而不用再做一次检测。从这个角度来说，全外从长远来看也是更具性价比的。2.4.1 WES应用于孟德尔遗传疾病
人体基因组中直接参与蛋白质编码的区域称为外显子。人类外显子组序列包括22000多个基因的180000多个外显子，虽然仅占人类全基因组的1-2%，但约85%的疾病相关遗传突变都在这个区域，涵盖了与个体表型相关的大部分功能性变异。2.4.2 WES应用于产前诊断
研究发现，在妊娠过程中，大约2%～4%的胎儿存在明显的结构异常，现在常用的染色体核型分析和染色体拷贝数分析技术只能为20%左右的这类胎儿给予诊断，还有一半以上的病例未能得到有效的诊疗。大规模的前瞻性研究表明，在染色体核型和染色体拷贝数分析均未见异常的胎儿中，产前WES可将结构异常胎儿的诊断率提高8.5%～10%。而且单基因变异在婴幼儿期疾病中的占比较高，因此产前WES对于部分严重先天性疾病在孕期的诊断可能发挥重要的作用。2.4.3 WES应用于癌症研究
WES是对基因组外显子以及周边区域DNA进行富集捕获，然后利用二代测序取得序列信息，最后结合外显子公共数据库和生信分析方法来解释变异与疾病之间关联的一种技术。同时WES容易实现大于100X的测序深度，因此WES是高效的发现人类疾病信息的研究手段。现在WES技术已被广泛应用在多个方面，其中癌症研究是最热门、最复杂、也是全人类最想攻克的难题。下图是研究肿瘤外显子的14个分析内容，左边是比较常见的分析点，右边是比较新颖的分析点，如突变特征分析、肿瘤突变负荷分析（TMB）、杂合性缺失分析（LOH）、同源重组缺陷分析（HRD）、微卫星不稳定分析（MSI）、新抗原变异分析（HLA）。2.5 WES的局限性
第一时间，WES对于涉及拷贝数变异、非编码区变异和结构变异的疾病研究不适用。其次，在对目标区域进行捕获时，存在捕获不均、捕获偏差等现象，可顺利获得增加测序深度，取得更多的序列信息进行统计分析，尽可能弥补这些偏差。3 检测项目介绍
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| 检测先证者(有症状)及其父母样本中核基因组的20000多个基因以及先证者线粒体基因组，检测变异类型包括SNV、Indel和CNV。家系全外相较于单人全外能有效排除可能遗传自父母的非致病位点，更方便分析新发变异 | 辅助医生进行罕见病、疑难病临床诊断或辅助排除遗传因素 |
| 检测先证者（有症状）样本中核基因组的20000多个基因以及线粒体基因组，检测变异类型包括SNV、Indel和CNV，并顺利获得一代测序进行父母样本的疑似致病SNV/Indel变异的验证 | 辅助医生进行罕见病、疑难病临床诊断或辅助排除遗传因素 |
| 检测先证者（有症状）样本中核基因组的20000多个基因，检测变异类型包括SNV、Indel和CNV，并顺利获得一代测序进行父母样本的疑似致病SNV/Indel变异的验证 | 辅助医生进行罕见病、疑难病临床诊断或辅助排除遗传因素 |
| 检测先证者(有症状)及其父母样本中核基因组的20000多个基因，检测变异类型包括SNV、lndel和CNV。家系全外相较于单人全外能有效排除可能遗传自父母的非致病位点，更方便分析新发变异。 | 辅助医生进行罕见病、疑难病临床诊断或辅助排除遗传因素 |
参考资料：
1.http://www.my46.org/intro/whole-genome-and-exome-sequencing.
2.http://en.wikipedia.org/wiki/Exon.
3.http://www.britannica.com/science/gene.
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