Genetics in Medicine：香港中文大学医学院团队解读低深度全基因组测序在胎儿产前诊断中的应用

胎儿染色体核型分析常被用于高危妊娠的产前检查中，随着技术的发展，染色体微阵列分析（chromosomal microarray analysis，CMA）在产前诊断中的应用也逐步推进，并成为检测高危妊娠中显微和亚显微水平染色体结构变异的一线技术。高深度全基因组测序（whole genome sequencing，WGS）可以提供整个基因组的全面视图，是一种高通量的检测单核苷酸变异、插入/缺失、拷贝数变异和基因组结构重组的技术手段。但目前而言，高深度WGS的价格高昂，且变异信息较多，较难在产前诊断中广泛应用；而基于低深度WGS的水平，能够在降低每个样本的测序成本基础上，同时提高检测通量，达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组测序技术，进一步提升产前诊断的准确性、灵敏度，为临床决策提供更多精准信息呢？

近期，由香港中文大学医学院妇产科学系等团队发表于国际医学遗传学权威学术杂志Genetics in Medicine的文章对低深度高通量全基因组测序和染色体微阵列分析进行了比较，分析结果支持将低深度全基因组测序用于产前诊断中以提供更多有意义的临床信息。

图：相关研究成果发表于Genetics in Medicine杂志。

图片来源：Genetics in Medicin

背景 | 传统的入侵性产前诊断技术及其局限

临床上，倘若孕妇曾经历流产，或在超声波检查时发现胎儿出现异常或唐氏综合症筛查呈阳性，医生都会建议她们接受侵入性产前检查，以诊断胎儿是否患有遗传疾病。传统的胎儿染色体核型分析通过显微镜观察染色体的结构。约三分之二胎儿的细胞核型报告会呈现正常，但当中至少有一成胎儿会出现结构异常或发育迟缓等，这与多种综合症或遗传病有密切关系。香港中文大学医学院妇产科学系系主任梁德杨教授介绍说：“如果我们能够在产前诊断中发现胎儿患有临床显著的基因组失衡，就能够为孕妇及其家人提供更多资讯，以助他们作出相应决定，并检视日后生育的计划。许多综合症或遗传病其实都与染色体细微结构出现异常有关，但传统的染色体核型分析难以将这类微细的基因异常辨认出来。”3为了克服传统染色体核型技术的局限性，香港中文大学医学院于2009年在亚洲地区率先引入并应用基因芯片技术于产前诊断之中，运用染色体微阵列分析以检测超过100种已知的基因序列缺失或重复。该院妇产科学系团队还于今年9月进一步引入了全基因组测序技术，从而更精准及全面地检测基因中的微缺失或微重复，找到更微细的致病性变异。

图：香港中文大学医学院妇产科学系成功引入崭新的全基因组测序技术。（右起）香港中文大学医学院妇产科学系副教授蔡光伟教授、系主任梁德杨教授和研究助理教授董梓瑞博士。图片来源：香港中文大学

数据 | 低深度全基因组测序vs染色体微阵列分析

基因芯片技术和全基因组测序技术均通过使用绒毛活检细胞、羊水或胎儿脐带血测量DNA序列中的拷贝数变异，以检测胎儿是否出现基因组异常。DNA拷贝数是指某个基因或基因组部分的拷贝数目出现重复或遗漏。这些DNA拷贝数的差异令每个人有不同特征，但部分DNA拷贝数异常会导致某些疾病发生。为了比较低深度全基因组测序（low-pass GS）和染色体微阵列分析（CMA），实验团队在2016年底到2019年初之间入组了1023名孕妇，同时进行了上述两种检测。在全部样本中，CMA检测出87例非整倍性和37例致病或可能致病的染色体拷贝数变异，共121例样本的异常（两种染色体异常存在部分重叠）；而low-pass GS不仅检测到了全部的CMA报道的染色体异常，还额外检测到17例非整倍性或致病/可能致病的染色体拷贝数变异。以染色体微阵列分析为基准，低深度全基因组测序达到了99.9%（121/121）的灵敏度和87.7%的特异性（121/138），总体诊断阳性率为13.5%（138/1023）。另一方面，不同技术对于DNA起始量的要求影响着临床应用的难度。实验团队按照CMA起始量300ng DNA和low-pass GS起始量50ng的标准进行了样本制备。根据两种技术的临床质控标准，低深度全基因组测序样本中有5例未能通过初期实验，而染色体微阵列分析则有47例，两种技术的重复实验率分别为0.5%（5/1023）和4.6%（47/1023），表明低深度全基因组测序应用于产前诊断的样本要求更低，实验也更加稳定。应用 | 新技术能检测出更多具临床意义的基因组及染色体异常低深度全基因组测序与染色体微阵列分析的比较展示出前者应用于临床产前诊断的巨大潜力，得益于测序深度的有效控制，在测序价格的持续降低的今天，这一技术有了更为广阔和光明的前景。香港中文大学医学院妇产科学系副教授蔡光伟表示：“全基因组测序是一种先进的测序方法，可以提供全基因组序列信息。过去五年，我们的团队通过利用低深度高通量全基因组测序的方法，成功开发了全基因组DNA拷贝数分析（命名为FetalSeq），单次运行可检测的样本数量亦更多（48个样本），并证明它比基因芯片技术能够为产前诊断提供额外及更精准的遗传信息。”3谈及低深度全基因组测序技术的临床意义，香港中文大学医学院妇产科学系研究助理教授董梓瑞博士认为：“通过分析全基因组，FetalSeq胎儿测序平台有助鉴定由染色体疾病、致病性DNA拷贝数变异或单基因病症如杜兴氏肌肉营养不良症。此技术能够为孕妇及其家庭提供更准确的胎儿诊断，以便计划日后的健康管理。”3香港中文大学医学院妇产科学系是香港产前基因诊断的领导团队之一。自2009年引入基因芯片技术分析，以识别染色体数字异常（如唐氏综合症）和微缺失或重复综合症以来，其团队一直致力提供相关服务及研究以配合入侵性基因检测的需求增长。自2019年6月起，香港医院管理局向所有香港高危孕妇提供免费的基因芯片技术分析。最近，香港中文大学发表的另一份研究运用基因芯片技术分析与产前诊断有显著临床意义的DNA拷贝数，证明每64个进行入侵性遗传诊断的怀孕个案当中就有1个会发生致病性的基因畸变。4 相信，未来低深度全基因组测序在临床领域将会有着更大的发展空间，为临床提供更多精准、可信的遗传信息，为人类健康做出更加突出的贡献。

华大智造MGISEQ-2000测序平台

近年来，低深度全基因组测序技术的应用前景逐步得到临床实际案例得佐证。本项研究基于华大智造MGISEQ-2000测序平台完成，据悉MGISEQ-2000是华大智造基因测序仪的主力机型，单机运行数据产出达75-1440GB, 支持多种读长，满负荷PE150最快仅需38小时，支持科研、医学临床、司法、农业等领域应用，以其独有的DNBSEQ?技术为核心，数据产出具有高准确性、低重复序列率和低标签跳跃的优势（MGISEQ-2000在部分海外国家产品名称切换为DNBSEQ-G400）。