低深度高通量全基因組測序在產前診斷中的意義

　　胎兒染色體核型分析常被用于高危妊娠的產前檢查中，隨著技術的發展，染色體微陣列分析（chromosomal microarray analysis，CMA）在產前診斷中的應用也逐步推進，并成為檢測高危妊娠中顯微和亞顯微水平染色體結構變異的一線技術。高深度全基因組測序（whole genome sequencing，WGS）可以提供整個基因組的全面視圖，是一種高通量的檢測單核苷酸變異、插入/缺失、拷貝數變異和基因組結構重組的技術手段。但目前而言，高深度WGS的價格高昂，且變異信息較多，較難在產前診斷中廣泛應用；而基于低深度WGS的水平，能夠在降低每個樣本的測序成本基礎上，同時提高檢測通量，達到低深度高通量的目的（low-pass WGS）1。那么，是否可以借助低深度高通量全基因組測序技術，進一步提升產前診斷的準確性、靈敏度，為臨床決策提供更多精準信息呢？

　　近期，由香港中文大學醫學院婦產科學系等團隊發表于國際醫學遺傳學權威學術雜志Genetics in Medicine的文章對低深度高通量全基因組測序和染色體微陣列分析進行了比較，分析結果支持將低深度全基因組測序用于產前診斷中以提供更多有意義的臨床信息。2

圖：相關研究成果發表于Genetics in Medicine雜志。圖片來源：Genetics in Medicine

　　背景 | 傳統的入侵性產前診斷技術及其局限3

　　臨床上，倘若孕婦曾經歷流產，或在超聲波檢查時發現胎兒出現異常或唐氏綜合癥篩查呈陽性，醫生都會建議她們接受侵入性產前檢查，以診斷胎兒是否患有遺傳疾病。傳統的胎兒染色體核型分析通過顯微鏡觀察染色體的結構。約三分之二胎兒的細胞核型報告會呈現正常，但當中至少有一成胎兒會出現結構異常或發育遲緩等，這與多種綜合癥或遺傳病有密切關系。

　　香港中文大學醫學院婦產科學系系主任梁德楊教授介紹說：“如果我們能夠在產前診斷中發現胎兒患有臨床顯著的基因組失衡，就能夠為孕婦及其家人提供更多資訊，以助他們作出相應決定，并檢視日后生育的計劃。許多綜合癥或遺傳病其實都與染色體細微結構出現異常有關，但傳統的染色體核型分析難以將這類微細的基因異常辨認出來。”3

　　為了克服傳統染色體核型技術的局限性，香港中文大學醫學院于2009年在亞洲地區率先引入并應用基因芯片技術于產前診斷之中，運用染色體微陣列分析以檢測超過100種已知的基因序列缺失或重復。該院婦產科學系團隊還于今年9月進一步引入了全基因組測序技術，從而更精準及全面地檢測基因中的微缺失或微重復，找到更微細的致病性變異。

圖：香港中文大學醫學院婦產科學系成功引入嶄新的全基因組測序技術。（右起）香港中文大學醫學院婦產科學系副教授蔡光偉教授、系主任梁德楊教授和研究助理教授董梓瑞博士。圖片來源：香港中文大學

　　數據 | 低深度全基因組測序vs染色體微陣列分析

　　基因芯片技術和全基因組測序技術均通過使用絨毛活檢細胞、羊水或胎兒臍帶血測量DNA序列中的拷貝數變異，以檢測胎兒是否出現基因組異常。DNA拷貝數是指某個基因或基因組部分的拷貝數目出現重復或遺漏。這些DNA拷貝數的差異令每個人有不同特征，但部分DNA拷貝數異常會導致某些疾病發生。

　　為了比較低深度全基因組測序（low-pass GS）和染色體微陣列分析（CMA），實驗團隊在2016年底到2019年初之間入組了1023名孕婦，同時進行了上述兩種檢測。在全部樣本中，CMA檢測出87例非整倍性和37例致病或可能致病的染色體拷貝數變異，共121例樣本的異常（兩種染色體異常存在部分重疊）；而low-pass GS不僅檢測到了全部的CMA報道的染色體異常，還額外檢測到17例非整倍性或致病/可能致病的染色體拷貝數變異。以染色體微陣列分析為基準，低深度全基因組測序達到了99.9%（121/121）的靈敏度和87.7%的特異性（121/138），總體診斷陽性率為13.5%（138/1023）。

　　另一方面，不同技術對于DNA起始量的要求影響著臨床應用的難度。實驗團隊按照CMA起始量300ng DNA和low-pass GS起始量50ng的標準進行了樣本制備。根據兩種技術的臨床質控標準，低深度全基因組測序樣本中有5例未能通過初期實驗，而染色體微陣列分析則有47例，兩種技術的重復實驗率分別為0.5%（5/1023）和4.6%（47/1023），表明低深度全基因組測序應用于產前診斷的樣本要求更低，實驗也更加穩定。

　　應用 | 新技術能檢測出更多具臨床意義的基因組及染色體異常

　　低深度全基因組測序與染色體微陣列分析的比較展示出前者應用于臨床產前診斷的巨大潛力，得益于測序深度的有效控制，在測序價格的持續降低的今天，這一技術有了更為廣闊和光明的前景。香港中文大學醫學院婦產科學系副教授蔡光偉表示：“全基因組測序是一種先進的測序方法，可以提供全基因組序列信息。過去五年，我們的團隊通過利用低深度高通量全基因組測序的方法，成功開發了全基因組DNA拷貝數分析（命名為FetalSeq），單次運行可檢測的樣本數量亦更多（48個樣本），并證明它比基因芯片技術能夠為產前診斷提供額外及更精準的遺傳信息。”3

　　談及低深度全基因組測序技術的臨床意義，香港中文大學醫學院婦產科學系研究助理教授董梓瑞博士認為：“通過分析全基因組，FetalSeq胎兒測序平臺有助鑒定由染色體疾病、致病性DNA拷貝數變異或單基因病癥如杜興氏肌肉營養不良癥。此技術能夠為孕婦及其家庭提供更準確的胎兒診斷，以便計劃日后的健康管理。”3

　　香港中文大學醫學院婦產科學系是香港產前基因診斷的領導團隊之一。自2009年引入基因芯片技術分析，以識別染色體數字異常（如唐氏綜合癥）和微缺失或重復綜合癥以來，其團隊一直致力提供相關服務及研究以配合入侵性基因檢測的需求增長。自2019年6月起，香港醫院管理局向所有香港高危孕婦提供免費的基因芯片技術分析。最近，香港中文大學發表的另一份研究運用基因芯片技術分析與產前診斷有顯著臨床意義的DNA拷貝數，證明每64個進行入侵性遺傳診斷的懷孕個案當中就有1個會發生致病性的基因畸變。4 相信，未來低深度全基因組測序在臨床領域將會有著更大的發展空間，為臨床提供更多精準、可信的遺傳信息，為人類健康做出更加突出的貢獻。