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高分辨率无创胎儿外显子组筛查

发布时间: 2024-01-08 10:56:26 浏览次数: 2022来源:复旦大学生殖与发育研究院

01.文献导读


胎儿基因诊断可指导临床治疗,并为新生儿健康的精准医疗筛查建立基础。虽然无创产前检测(noninvasive prenatal testing, NIPT)通过检测非整倍体及与产前诊断相关的少量变异,使得胎儿筛查发生巨大改变,但全面基因检测仍需要羊膜腔穿刺等有创操作。2023年11月23日,来自马萨诸塞州总医院、布莱根妇女医院、麻省理工学院以及哈佛大学布罗德研究所的研究人员在《The New England Journal of Medicine》杂志上发表了题为“High-Resolution and Noninvasive Fetal Exome Screening”的文章,报道了一种有可能广泛应用的高分辨率无创产前基因筛查方法,称之为无创胎儿测序(noninvasive fetal screening, NIFS)。在该篇文章中,研究者们通过分析51名孕妇的血液样本对NIFS方法进行评估,表明NIFS能够捕获遗传自母体的基因突变,以及母体中不存在的与产前诊断相关的新发突变。该方法可以通过母体血液循环中的游离DNA(cell free DNA, cfDNA)筛查胎儿整个外显子组,以检测胎儿DNA序列的所有基因变异,并区分潜在的致病性变异与遗传自母体的可能良性变异。


02.研究背景


活产婴儿中出生缺陷的发病率约为5%,其中约20%可归因于可识别的遗传疾病。有超过8600种疾病具有已知或怀疑的潜在遗传病因,其中大多数没有有效的治疗方法[1]。近年来,在全球范围内无创产前检测(noninvasive prenatal testing, NIPT)被开发和实施以筛查常见的胎儿染色体非整倍体和微缺失/微重复综合征[2]。NIPT是基于母体血液循环中含有母体和胎儿的cfDNA进行检测。胎儿cfDNA被认为来源于胎盘滋养细胞的凋亡,然后进入母体循环。胎儿cfDNA仅占母体血浆总cfDNA的一小部分,在妊娠中期约为10%,在妊娠早期更低,这为临床进行NIPS带来了一定挑战。此外,研究表明胎儿游离DNA(cell free DNA, cfDNA)可用于筛查或诊断常见的单基因疾病[3]。目前研究人员已开发了一种可同时筛查染色体和单基因疾病的综合NIPT以检测大量遗传出生缺陷,但此方法可检测的单基因疾病类型依然有限[1]。外显子组筛查仍需要通过侵入性手段进行基因检测,如羊膜腔穿刺术,这涉及到巨大的成本,并为母亲和胎儿带来一些固有的风险,限制了许多单基因疾病的诊断[4,5]

该研究开发了一种非侵入性高分辨率产前基因筛查方法,称为无创胎儿测序(non-invasive fetal sequencing, NIFS), 此方法基于孕妇血液循环中的cfDNA通过全外显子组探针杂交捕获以筛查胎儿全外显子组,检测胎儿DNA序列的所有基因突变。NIFS在发现单核苷酸变异(SNV),尤其是新发SNV和父系遗传SNV方面非常灵敏(灵敏度的中位数,96.3%)。这一结果在不同的胎儿分数(fetal fraction, FF,即胎盘或胎儿来源的cfDNA占总cfDNA的比例)情况下都非常稳健(灵敏度,92.6%-97.1%;阳性预测值,87.9%-92.2%)。总体而言,胎儿SNV基因型能够以相对较高的灵敏度与母体基因型区分,但当母体基因型是杂合子时,准确度则会在FF较低时降低(65.6%-93.2%)。对于插入或缺失(indel),其在NIFS和标准外显子组测序中的错误发现率均高于SNV,发现检测到新发indel和父系遗传indel的灵敏度中位数为81.9%(范围:66.4%-84.6%),而对于母系杂合遗传变异,灵敏度中位数为71.3%(范围:51.7%-77.8%)。


03.研究内容


在该项研究中,研究人员比较了在11个胎儿和28名母亲的NIFS中发现的变异与通过匹配胚系外显子组测序发现的变异。在对照胚系外显子组测序进行过滤之前,NIFS检测SNV的灵敏度为99.7%,检测indel的灵敏度为93.9%,这一结果提示,随着这些方法的进一步发展,有可能达到更高的灵敏度。由于该队列中大片段拷贝数变异(CNV)数量较少,因此无法对这一变异类型进行基准测试。研究人员还发现,在28名母亲的582,839个经胚系外显子组测序确认的变异中,NIFS能够对母体变异进行高灵敏度基因分型(灵敏度为98.3%),这一结果突显了将该方法用于携带者筛查的潜力。


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图1 通过高分辨率无创产前检测方法(NIFS)进行无创胎儿外显子组筛查的工作流程

A. 从母体血浆提取cfDNA,随后进行外显子组捕获,并计算FF;
B. 在考虑FF的基础上开发检测新发变异的方法,根据母体和胎儿基因型组合显示每个位点上相应特定等位基因比例。每个簇代表一个特定母体-胎儿基因型组合;
C. 在被转诊接受有创检测的14名孕妇中进行NIFS原理验证应用,以及临床关注的代表性变异。


研究人员进一步通过分析51名孕妇血液样本评估了NIFS方法的可行性,这些孕妇在入组参与者的医院具有代表性。孕妇孕龄涵盖妊娠早、中、晚期,其中5名孕妇处于妊娠早期,9名处于妊娠中期,37名处于妊娠晚期。FF为6%-51%。研究人员捕获并测序了22,995个基因,平均覆盖度为210×。并利用基于机器学习的方法(通过FF和cfDNA的其他序列特征进行建模)发现SNV和indel,并探索了CNV的read-depth谱。

研究人员还在被转诊接受标准诊断检查的14名孕妇中评估了NIFS的实用性,结果显示NIFS可以检测出有创检测所发现的全部变异(6/6,100%),包括:一个多发性畸形胎儿的一处新发CNV(NC_000007.14:g.155368937-159327017del),一个小颌畸形胎儿的COL2A1中的一处剪接变异(NC_000012.12:g.47982610C→T),以及与囊性纤维化相关的CFTR纯合p.Phe508del变异(NC_000007.14:g.117559592_117559594del)。应用该方法进行的携带者筛查在57.1%的母亲中检测出可报告变异,这一结果与标准筛查结果相似。所有样本性别均可准确推断,包括一些复杂病例,如一个女胎伴有一个消失的男胎,一名母亲曾接受过来自男性捐献者的干细胞移植。


04.总结及展望


研究人员基于胎儿非整倍体检测时常规采集的母体血浆样本中的cfDNA,利用全外显子组探针杂交捕获并通过二代测序技术,在核苷酸级分辨率下对各个胎龄胎儿的新发变异进行稳健筛查,并有可能在FF大于15%-20%时检测出母系遗传和隐性疾病变异。此外,该方法还可进行准确的携带者筛查,并检测出可报告的偶然发现(如BRCA2风险变异)。这项研究具有深远的临床意义,特别是对于超声检查怀疑胎儿异常并需要进行侵入性检查的妊娠。后续应该扩大和验证这些发现,并进一步开发NIFS方法。


原文链接:

https://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMc2216144?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed


参考文献

1. Xu C, Li J, Chen S, et al. Genetic deconvolution of fetal and maternal cell-free DNA in maternal plasma enables next-generation non-invasive prenatal screening. Cell Discov 2022;8(1):109.

2. Bianchi DW, Parker RL, Wentworth J, et al. DNA sequencing versus standard prenatal aneuploidy screening. N Engl J Med 2014;370:799-808.

3. Zhang J, Li J, Saucier JB, et al. Non-invasive prenatal sequencing for multiple Mendelian monogenic disorders using circulating cell-free fetal DNA. Nat Med 2019;25:439-47.

4. Fang H, Wu Y, Narzisi G, et al. Reducing INDEL calling errors in whole genome and exome sequencing data. Genome Med 2014;6:89.

5. Guo MH, Gregg AR. Estimating yields of prenatal carrier screening and implications for design of expanded carrier screening panels. Genet Med 2019;21:1940-7.