PGT生殖遺傳阻斷技術研究領域取得重要研究成果

　　2021年7月，國際權威臨床醫學研究期刊Clinical and Translational Medicine（IF=11.492）在線發表了復旦大學附屬婦產科醫院（上海紅房子婦產科醫院）徐叢劍教授團隊的一項研究（A comprehensive and universal approach for embryo testing in patients with different genetic disorders. PMID: 34323405），該項研究在國際上首次通過前瞻性隊列報道了臨床上適用于不同單基因病和染色體結構變異患者/攜帶者的一體化PGT技術，通過一次檢測便能同時檢測出胚胎中的基因變異、染色體非整倍體和染色體結構重排等多種遺傳異常，且對不同的遺傳病具有普遍適用性，經濟高效，為臨床上遺傳性出生缺陷早期胚胎阻斷提供了最佳方案選擇。

　　圖1 一體化（comprehensive and universal）PGT示意圖

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　　立于臨床 提出問題

　　染色體病和單基因病是造成我國出生缺陷的重要原因之一，目前全球有7000多種罕見病報到，總的發病率約為1%，約占全部人類疾病的10%，而其中約80%是遺傳基因改變造成的遺傳病[1-2]。據統計，全世界約有3億名罕見病患者，中國約有2000萬，嚴重影響身體健康。此外，平衡性染色體結構異常是導致女性復發性流產和不孕不育重要因素[3-4]，其中染色體平衡易位最為常見。據統計，通過對新生兒染色體核型分析發現每370名新生兒中就有一名是肉眼可見的平衡易位攜帶者[5]，發病率是唐氏綜合征的2倍，再加上隱匿性的平衡易位發病率會更高，已知在復發性流產夫婦中發生率最高，每12對夫婦就有1對是因為染色體平衡易位所導致[6]。根據復旦大學附屬婦產科醫院的染色體結構變異大隊列統計，這些患者中約70%~80%為父母遺傳性，約20%~30%為新發變異。平衡性染色體結構異常人群基數龐大，埋下了生育隱患，嚴重影響生殖健康。

　　對于這些遺傳病患者夫婦進行生育干預，目前臨床上主要通過胚胎植入前遺傳學檢測（preimplantation genetic testing，PGT）技術，也就是我們所說的第三代試管嬰兒技術，進行輔助生殖治療，屬于出生缺陷一級預防策略[7-9]。但目前的PGT技術也存在不足，如不同類型的指征（PGT-A、PGT-M、PGT-SR）需要不同的技術方法，甚至相同指征、不同的病種也可能需要不同的技術方法。

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　　厚積薄發，積極探索

　　在2017年時，該研究團隊便研發了基于遺傳標記的胚胎植入前全基因組單體型連鎖分析（preimplantation genetic haplotyping，PGH）技術，該技術能夠精準的在胚胎期診斷出“染色體結構異常核型攜帶”和“染色體正常核型”的胚胎[10-11]，2019年該技術已經獲得國家發明ZL授權，為國際上該領域首個發明ZL。基于PGH技術這一基礎，團隊繼續進行進一步的深入探索，致力于打造一個更加高效、適用于臨床的一體化綜合性和通用性PGT技術，通過一次檢測對胚胎中多個遺傳變異進行綜合性的精準篩查，且對不同的單基因病和染色體病患者具有通用性，尤其適用于同時患有兩種甚至多種遺傳病的患者。

　　為此，研究前瞻性納入了十余對具有孕育單基因病患兒風險、且一方具有明顯染色體結構重組（包括相互易位、羅氏易位和倒位）的同時攜帶兩種遺傳變異的夫婦，經體外促排卵后進行PGT治療。本研究中使用了團隊定制的高密度基因芯片對核心家系和胚胎細胞進行全基因組SNP等位基因分型，該芯片具有3萬多個定制的中國人群高頻SNP等位基因位點，更加適合中國人群。

　　表1 患者基本病史信息

　　圖2 隊列病例遺傳家族史

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　　縝密分析 力求精準

　　研究團隊自主創建生信分析Pipeline，對數據質控后進行多維度遺傳變異解析。在Pipeline中，我們將染色體上每2 Mb的長度定義為一個分析window，在基因組范圍內可獲得1000多個window，當window中包含2個及以上有效遺傳標記位點時有效，根據分析，在所有的window中有效率>98%。對于單基因病SNV或indel變異，Pipeline對夫婦雙方和各自一名親屬同時進行核心家系全基因組單體型分析模型構建，然后對胚胎進行全基因組單體型分析，通過胚胎的致病變異附近window的單體型來分析胚胎的基因型。因本研究納入的病例大多沒有先證者，這里的親屬主要是患者的父親或母親，具體流程如圖3所示。

　　圖3 胚胎基因變異分析流程示意圖

　　對于染色體結構變異，Pipeline中使用cnvPartition算法對胚胎數據的B Allele Frequency和Log R Ratio進行分析，來檢測胚胎中不平衡易位/倒位造成的染色體片段缺失或重復，同時分析胚胎中其他染色體的非整倍體，并可檢測出染色體UPD和三倍體胚胎。對于胚胎中平衡性結構變異的檢測，Pipeline通過對夫婦雙方和結構變異攜帶者一名親屬或一枚不平衡的胚胎進行核心家系全基因組單體型分析模型構建，然后對胚胎進行全基因組單體型分析，通過胚胎兩個重排斷裂點附件window的單體型來分析胚胎的染色體核型。這里需要注意的是，在使用不同樣本構建分析模型時，分析思路不同，具體流程如圖4所示。每條染色體上window的分布如圖5所示。

　　圖5 染色體上有效window分布情況

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　　防控缺陷 服務臨床

　　本研究中基于SNP-based FHLA的PGT技術是一種綜合且通用的檢測平臺，一次檢測能夠同時完成多種遺傳變異的整合分析，且適用于不同的遺傳病，大幅提高了臨床診斷效能，為PGT技術的臨床應用開辟了新的視野，是目前輔助生殖技術的重要補充。對于染色體結構變異攜帶者，不僅解決了患者自身的流產生育問題，也有效地阻斷了向子代的遺傳傳遞，對于提高子代生殖健康意義重大。此外，該技術適用于同時具有兩種甚至多種遺傳病的復雜攜帶者，多種遺傳變異無需再分別多次檢測，簡化了臨床實踐。該研究技術的另外一個特色是，適用于單基因病無先證者家系。2020年，國際上首例同時阻斷單基因病和染色體平衡易位的試管嬰兒于復旦大學附屬婦產科醫院集愛生殖中心誕生。該技術已申報了國家發明ZL，一體化的綜合性通用PGT技術將在防控出生缺陷、提高子代生殖健康中發揮重要作用，助力健康中國。

　　本文圖片來源于“A comprehensive and universal approach for embryo testing in patients with different genetic disorders. ( PMID: 34323405 )”一文。

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　　研究團隊簡介

　　本研究是復旦大學附屬婦產科醫院徐叢劍教授團隊的一項重要原創成果，徐叢劍教授為該論文的通訊作者，孫曉溪教授為共同通訊作者，該團隊的核心成員張碩博士為該論文的唯一第一作者。該研究得到了徐叢劍教授上海市科委重大專項和醫學創新專項基金的資助。