CD（IF=38）| 张静澜/黄荷凤/吴琰婷/徐晨明等开发新的方法，能够准确地描绘胎儿基因组

目前的无创产前筛查(NIPS)通过分析母体外周血中循环的胎儿细胞游离DNA (cfDNA)来选择非整倍体或微缺失/重复综合征。许多遗传疾病对NIPS难以治疗，主要是因为母体遗传物质构成了母体血浆中存在的大部分cfDNA，这阻碍了胎儿特异性遗传变异的检测。

2022年10月13日，复旦大学，上海交通大学及中国医学科学院等多单位合作， 张静澜、黄荷凤、吴琰婷及徐晨明共同通讯在Cell Discovery（IF=38）在线发表题为“Genetic deconvolution of fetal and maternal cell-free DNA in maternal plasma enables next-generation non-invasive prenatal screening”的研究论文，该研究表明母体血浆中胎儿和母体游离DNA的遗传反卷积使下一代非侵入性产前筛查成为可能。在此，该研究开发了一种新的测序方法，称为协同等位基因意识靶富集测序(COATE-seq)，随后进行测序阅读深度、等位基因片段和连锁单核苷酸多态性的多维基因组分析，以准确分离胎儿基因组与母亲背景。分析混杂因素包括多胎、母体拷贝数变异和缺乏杂合性被成功识别并排除了胎儿变异分析。此外，该研究还鉴定了包括cfDNA片段长度、减数分裂错误起源、减数分裂重组和重组断点在内的胎儿特异性基因组特征，从而加强了对胎儿变异的评估。

在检测的1129例合格妊娠中，检测出54例胎儿非整倍体，8例微缺失/微重复和8例单基因变异，敏感性100%，特异性99.3%。利用开发的综合cfDNA基因组分析工具，作者发现60.3%的非整倍体样本存在异常减数分裂重组，为减数分裂不分离的机制提供了重要的见解。总之，该研究表明胎儿和母亲cfDNA的遗传反卷积能够彻底和准确地描绘胎儿基因组，这为几乎所有类型的人类遗传疾病的下一代产前筛查铺平了道路。

NIPS使用的是一种简单的孕妇血液提取，其中含有孕妇和胎儿循环中的cfDNA。胎儿cfDNA被认为来源于胎盘滋养层外层的凋亡细胞，然后进入母体循环。胎儿cfDNA只占母体血浆中cfDNA总量的一小部分，在妊娠中期估计平均只有10%左右，而在临床提供NIPS的妊娠晚期则更低。在低水平下，只有当由胎儿遗传异常(信号)引入的任何可检测差异超过与检测差异(噪声)相关的差异时，才能识别胎儿变异。在以往的研究中，高达11000-20000个位点用于检测常见的非整倍体。显然，基于单核苷酸多态性(SNP)的NIPS可以通过提高信噪比来改进，这样需要查询的SNP位点就会少得多。

除了在母体和胎儿cfDNA混合物中检测低水平胎儿变异的分析挑战外，准确的NIPS结果经常被多胎、母体种系拷贝数变异(CNVs)、杂合性缺失(AOH)和其他分析挑战所掩盖。在双胞胎妊娠中，每个胎儿贡献的单个cfDNA通常低于患有非整倍体的单胎胎儿，这加剧了NIPS检测的敏感性。此外，超声可能不能准确地识别双胞胎合子或消失的双胞胎，这可能会增加胎儿的健康风险。母体CNVs，如非致病性重复导致大量NIPS检测到的假阳性胎儿三体。根据基因型信息，在NIPS检测胎儿染色体拷贝数异常时，母体AOH减少了可解释杂合位点的数量。这些混杂因素如果没有得到正确的识别，就会导致错误的筛查结果，进而可能导致漏诊或不必要的侵入性诊断确认程序。

目前，有两种流行的NIPS方法，涉及低覆盖率全基因组测序(WGS)或SNPs的靶向测序，以推断胎儿染色体拷贝编号。基于WGS的NIPS利用染色体特异性阅读深度(RD)数据，基于Z评分计算识别胎儿染色体畸变。基于SNP的NIPS通过定量CNVs引起的偏等位基因分数(AF)来检测选定位点上的染色体畸变。这两种方法对胎儿cfDNA的分析有各自的优势和局限性。例如，基于SNP的NIPS在检测母体AOH。区域的胎儿拷贝数变化方面是有限的。低覆盖率的WGS方法由于无法区分母体和胎儿的基因型而受到限制，这限制了其在检测葡萄胎或未识别的双胞胎或消失的双胞胎妊娠的临床应用。对于高覆盖率的NIPS、RD和AF联合使用的建议来自一个模拟数据集，但这种方法的临床有效性需要更大的研究来证实。

利用孕妇血浆样本对多种类型遗传疾病的临床验证（图源自Cell Discovery ）

除了上述RD和AF数据外，cfDNA碎片模式也可用于检测NIPS胎儿变异。胎儿cfDNA片段的大小通常比母体的短。当NIPS试验中胎儿cfDNA分子回收率较高时，可通过从母体血浆中提取较短的cfDNA片段来提高检测灵敏度。据报道，人类非整倍体与异常的母体减数分裂重组相关，表现为不稳定的交叉数量和不寻常的染色体断点。因此，染色体重组的发现将为检测NIPS中的非整倍体提供额外的证据。然而，cfDNA中与人类非整倍体相关的异常减数分裂交叉尚未被报道，这可能是由于目前的分析限制。总的来说，识别胎儿特异性cfDNA特征，包括其片段长度或减数分裂交叉，可以提高NIPS的性能，因为可以利用额外的信息来区分来自母体背景的胎儿变体。

在本研究中，提出了一种新的NIPS方法，采用无偏等位基因靶富集和下一代测序(NGS)来全面分析胎儿染色体非整倍体、MMS和单基因疾病。这种方法使用深度测序来分析与三种不同类型的遗传疾病相关的基因组区域，测试分辨率从单个碱基变异到整个染色体拷贝数变化。此外，该方法通过查询与母体/胎儿基因型、RD、SNP连锁和cfDNA片段长度相关的NGS数据，从遗传学上解卷胎儿和母体cfDNA混合物。通过对多维基因组的22个线索进行协调分析，这种新的NIPS分析方法大大提高了分析性能，并解决了当前方法因多种检测混杂因素而造成的局限性。此外，研究人员从cfDNA研究中发现了与异常染色体重组相关的减数分裂错误，为人类非整倍体的起源提供了重要的见解。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41421-022-00457-4

转自：“iNature”微信公众号

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