中國科學家國際首次建立全新植入前胚胎遺傳學診斷方法

MARSALA方法示意圖

　　2015年12月28日，美國科學院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences USA，PNAS)在線發表了北京大學謝曉亮、喬杰、湯富酬團隊的最新研究成果。該項研究在國際上首次建立了一種全新的植入前胚胎遺傳學診斷方法MARSALA (mutated allele revealed by sequencing with aneuploidy and linkage analyses，高通量測序同時檢測突變位點、染色體異常以及連鎖分析)，可以在早期胚胎階段對各種單基因遺傳疾病和染色體疾病同時進行精確診斷，以避免嚴重遺傳病患兒的出生。

　　作為植入前胚胎遺傳學診斷的新方法，MARSALA技術關鍵的創新點是在單細胞水平上，通過一步高通量測序即可檢測致病基因突變位點和全基因組范圍染色體異常，同時完成高精度連鎖分析，全面提高診斷的覆蓋面和精準性。

　　人類的每一個體細胞都含有兩套遺傳物質，一套來自母親，一套來自父親。每一套遺傳物質包含30億個堿基，分布在23條染色體上。這些堿基，包括A、T、G、C四種類型。一個細胞中的60億個堿基遵從特定的規律排列、組合，形成每一個個體特異的遺傳序列信息。

　　染色體數量異常將會導致染色體疾病。如每個細胞中21號染色體額外增加一個拷貝，變成三個拷貝，即會導致唐氏綜合征。而60億個堿基中任意一個堿基的改變（取代、缺失或者插入新的堿基），都可能會改變基因組中編碼的遺傳信息，導致機體不能正常運行，從而發生遺傳疾病。

　　遺傳疾病通常很難治愈，避免遺傳患兒的出生是目前降低遺傳疾病發生率的最有效途徑。常規的產前診斷需要在孕12周左右進行絨毛穿刺或者在孕中期18周左右進行羊水穿刺和遺傳分析，一旦確診遺傳疾病，如果選擇終止妊娠，會給孕婦個人及家庭都帶來巨大痛苦。基于此，植入前胚胎遺傳學診斷技術應運而生。

　　植入前胚胎遺傳學診斷(Preimplantation Genetic Diagnosis, PGD)是一種在胚胎著床前就進行遺傳診斷的技術。但PGD面臨的最大挑戰是每個胚胎能用于醫學檢測的細胞數量極少，通常只有1至5個細胞，以至無法對其直接進行后續的遺傳分析。對這極少量的細胞的遺傳物質進行數十萬倍的擴增，是遺傳分析必須首先解決的問題。擴增過程中出現的任何問題，如有些堿基未被擴增出來或者擴增失誤等，均會導致診斷錯誤。

　　產前診斷或胚胎植入前遺傳診斷要求準確性要高，假陽性率和假陰性率要低，操作步驟簡單，盡量減少人為操作誤差。同時，為惠及更多有需求的人群，診斷成本要盡可能降低。

　　目前，臨床上常用的三種診斷方法在準確性、可操作性、診斷成本等方面均有其局限性。其中“原位熒光雜交方法”只能針對少數幾種染色體疾病，而且受到探針來源及熒光顯微鏡的限制；“PCR方法”（Polymerase Chain Reaction，PCR，聚合酶鏈反應）只能針對單基因疾病或染色體數量的改變；“高通量芯片技術”，可進行全基因組范圍的染色體檢測，分辨率也顯著提高，近年來應用在臨床上的Karyomapping技術，能夠同時檢測單基因疾病及染色體異常，但無法直接對突變位點進行分析，只能間接推斷。

　　北京大學的研究團隊開展了植入前胚胎遺傳學診斷新方法研究，建立了MARSALA方法，與目前常用方法相比，MARSALA方法具有以下六大突出優勢：

　　一是精度高、分析全面。MARSALA不僅能精確診斷單基因遺傳病，還能同時精準篩查染色體異常；其次，因致病突變位點序列信息可被讀取至少數千次，所以結果比傳統的診斷方法更加直觀、可靠；

　　二是能夠進行多重校驗，大大提高診斷的精確度和可靠性。在深度解析突變位點序列信息的同時，完成高精度遺傳連鎖分析，提供多個SNP（Single Nucleotide Polymorphisms，單核苷酸多態性）連鎖位點信息，對致病等位基因進行多重檢測和反復校驗，全方位降低因突變位點擴增和測序錯誤以及樣品交叉污染等帶來的問題；

　　三是成本大大降低。利用MARSALA進行胚胎診斷，在基因組兩倍覆蓋度的測序深度下（2X）就能滿足所有分析需求；

　　四是操作方便。一步高通量測序就能得到基因突變、染色體異常以及突變位點連鎖信息三個方面的精準診斷結果；

　　五是對各種遺傳病患者家系的兼容性高。即使未生育有遺傳疾病的后代，只要有試管嬰兒夫婦的標本，即可進行胚胎的精確診斷；

　　六是適用范圍廣，只要預知致病基因，無論是單個基因位點的替換、缺失、插入，還是多個基因位點的復合突變，甚至是基因大片段缺失、三核苷酸重復等等，任何類型的基因突變均可采用MARSALA方法進行診斷。也就是說目前突變基因導致的已知的四千多種單基因遺傳疾病都可采用MARSALA方法進行高精度的植入前遺傳診斷。

　　該項研究詳細介紹了兩個診斷成功的病例。一個是常染色體顯性遺傳疾病，單個堿基缺失導致移碼突變導致多發性骨軟骨瘤，其后代無論男孩女孩均有50%患病風險；另一例是X染色體連鎖的隱性遺傳疾病外胚層發育不良，單個堿基發生替換突變，后代若為男孩，則有50%幾率患病；后代若為女孩，50%幾率會成為遺傳疾病攜帶者。北京大學團隊利用MARSALA方法對胚胎進行了遺傳學診斷，對突變位點及染色體情況均進行了高精度診斷，幫助兩對夫婦得到了健康的后代，目前兩個嬰兒都已滿一歲。

　　技術的進步為精準醫學插上了翅膀。此項研究探索、應用新的方法進行胚胎遺傳學診斷，是基礎與臨床相結合的跨學科合作成果，也是轉化醫學的成果。

　　謝曉亮教授、喬杰教授、湯富酬研究員為論文共同通訊作者，北大第三醫院副研究員閆麗盈博士、北大生命科學學院生物動態光學成像中心副研究員黃蕾博士、博士后許麗婭為論文并列第一作者，億康基因科技有限公司合作參與了此項研究。

　　該項研究得到了國家自然科學基金、科技部863計劃、北京市科委項目以及北大-清華生命科學聯合中心的支持。

　　隨著這一研究成果被世人所認識、接受，獲得進一步推廣，將會為越來越多的遺傳病家庭帶來福音，也將為人類健康做出更大的貢獻。