生殖遗传技术的发展及应用

自2003年人类基因组计划完成了对人类三十亿对核苷酸序列的识别,基因组医学的大门正式开启。透过这扇门,人们看到了更为广阔的全新基因组医学领域,标志着后基因组时代的到来。随后的 Hapmap 计划、千人基因组计划等的实施,使得人们对基因组的了解越来越深入,与之相对应,解析基因组的技术也越来越先进。这些都加速了人类了解自身疾病背后隐藏的遗传因素的步伐。越来越多的疾病与遗传因素的关系被发现,为辅助生殖医学的发展打下了良好的基础。荧光原位杂交、全基因组扩增(whole genome amplification,WGA)、基于芯片的比较基因组杂交、单核苷酸多态性芯片以及新一代高通量测序技术等基因组扩增和分析技术的出现进一步推动了生殖遗传学的发展。本节将对近几十年生殖遗传学技术的发展及应用进行简单介绍。

(一)染色体核型分析技术

染色体核型分析是指将待测细胞的染色体按照该生物固有的染色体形态特征和规定,进行配对、编号和分组,并进行形态分析的过程。自20世纪70年代以来,人类染色体核型分析进入显带时期。显带技术就是通过特殊的染色方法使染色体的不同区域着色,使染色体在光镜下呈现出明暗相间的带纹。每条染色体都有特定的带纹,甚至每条染色体的长臂和短臂都有特异性。一般染色体显带技术有G显带(最常用)、0显带和R显带等。

人体的染色体核型

染色体核型分析是鉴定染色体数目异常和较大的结构异常最简单经济的方法,是目前产前诊断中广泛应用的技术。常规方法可区分400~600条带,大致分辨率在5~10Mb,并且可检测平衡易位、倒位等。缺点是:需细胞培养,检测周期长;人工消耗大;诊断范围受限;不能检测染色体微缺失、微重复等。

(二)荧光原位杂交技术

荧光原位杂交技术是在20世纪80年代末在放射性原位杂交技术的基础上发展起来的一种非放射性分子细胞遗传技术。该技术将分子生物学(探针)与细胞遗传学(染色体)结合,用于检测染色体异常。FISH 的基本原理是将 DNA(或 RNA)探针用特殊的核苷酸分子标记,然后将探针直接杂交到染色体或DNA纤维切片上,再用与荧光素分子耦联的单克隆抗体与探针分子特异性结合,来检测 DNA序列在染色体或DNA纤维切片上的定性、定位、相对定量分析。

目前,FISH技术广泛应用于临床染色体异常疾病的产前诊断中。FISH不但能显示中期分裂象,还能显示于间期核,具有安全、快速、敏感度高等优点。与传统的细胞遗传学方法相比,其优势在于:①无需细胞培养,间期细胞即可用于杂交分析;②检测时只需计数间期细胞核上不同的杂交点,比传统的核型分析操作简单;③与核型条带分析方法相比,运用特定探针检测更敏感,更具特异性,特别是对染色体微小片段异常的检测,更有针对性。但是,一次FISH仅能检测有限的几条染色体,无法一次性的对染色体进行全方位检测,会造成漏诊,因此,FISH并不能取代染色体核型分析技术,在必要时,需同时使用两种技术。

单细胞FISH技术也可应用于PGD。1992年 Griflin 等首次将双色FISH技术用于胚胎植人前性别选择。1994年Harper等开始将FISH技术用于PGD 诊断性连锁疾病及检测非整倍体获得了成功。随后,有大量采用FISH 进行 PGD 的研究和临床实践,主要目的是筛查染色体非整倍性、易位和性连锁疾病。该技术的应用在一定程度上提高了胚胎的种植率和妊娠率。但由于受到探针数量的限制,不能实现对染色体非整倍性改变和染色体重排的全面检测,分辨率也只能达到5Mbp,且该方法在单细胞水平的诊断失败率为

7.5%。此外,FISH技术本身有一定局限性,如细胞固定、荧光信号重叠、信号分裂等,影响结果的准确性,限制了其在植人前染色体异常诊断中的广泛开展,逐渐被后来发展起来的微阵列(microarray)技术取代。但对于不涉及到拷贝数变异的平衡易位、倒位的 PGD 检测,FISH 技术仍具优势。

(三)PCR 技术

PCR 技术又称聚合酶链反应技术,是利用 DNA 在体外 95℃高温时变性会变成单链,低温(通常是60℃左右)时引物与单链按碱基互补配对的原则结合,再调温度至DNA聚合酶最适反应温度(72℃左右),DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖(5'-3')的方向合成互补链。

PCR 技术1985年首次应用于遗传病基因诊断,目前已有近百种遗传病可用PCR技术进行诊断和产前诊断。由于PCR技术可将微量的 DNA扩增数百万倍,因此它适用于各种来源的 DNA 标本,包括羊水穿刺、绒毛采样、脐血胎儿血液采集、胎儿活检、母外周血分离胎儿细胞、宫颈刷取细胞及着床前取细胞等。

单细胞 PCR 技术是目前最为广泛采用的单基因病PGD技术。1990年,英国的Handyside等首先应用PCR技术扩增了Y染色体长臂特异重复序列,对胚胎进行性别诊断,植入女性胚胎,避免了高危X连锁疾病的发生,成功获得正常女婴。随后,有越来越多的采用单细胞PCR技术进行单基因疾病PGD的报道出现。由于仅有一套 DNA模板,单细胞PCR 面临很多问题,最突出的是污染(contamination)、等位基因脱扣(alleledrop- out,ADO)、优势扩增(preferential amplification, PA)及扩增失败(amplification failure,AF)。其中ADO是指一个细胞内来自双亲的两个等位基因只有一个扩增到可供检测的水平的现象,是影响PGD 准确性的主要因素之一。ADO发生率约为5%~20%,其危害在于可导致杂合子胚胎的误诊,严重影响显性遗传病 PGD 的诊断可靠性。目前,可采用多重PCR、单倍型分析、荧光 PCR等方法来提高单细胞PCR技术用于PGD的准确性

(四)全基因组扩增技术

PGD/PGS的研究和临床应用的成功要素是基于单细胞遗传学分析诊断的准确性和可靠性。如前所述,单细胞FISH技术和单细胞PCR技术都受限于有限的遗传物质。WGA 是一种能对微量甚至是极微量DNA进行有效扩增的技术,是以最小的扩增偏倚,对全部基因组序列进行非选择性、均匀扩增的技术,其目的是在无序列扩增倾向性的前提下大幅增加可用于遗传分析的DNA的总量,为实现微量或极微量DNA遗传信息分析和重复检测提供可能,其扩增产物可被多种常规分子技术用于下游的遗传学分析。尽管现有多种被优化的WGA技术,但本质上都可归于扩增前引物延伸反应(Primer extension oreamplification,PEP)、简并寡核苷酸引物 PCR(Degenerate oligonucleotide primer PCR,DOP PCR)和多重置换扩增(Multiple displacement amplification,MDA)这三种方法,但是各种方法均有其优势和不足。其中MDA作为一种基于酶促反应而不依赖PCR的WGA方法,同其他的WGA方法相比,具有操作简单、产量稳定和产物量大、扩增片段长、基因组均匀扩增等特点。最近,美国《自然》杂志介绍了一种全新的WGA方法--多次退火环状循环扩增技术(multiple annealing and looping based amplification cycles,MALBAC),能够为单细胞提供高保真的全基因组扩增,具有覆盖率高、扩增偏倚小的特点,具有巨大的应用前景。目前,WGA技术已广泛应用于基于芯片和二代测字平台的 PGD/PGS 中。

(五)染色体微阵列芯片技术

比较基因组杂交技术是1992年由 Kallioniemi等建立,是在FISH基础上发展起来的细胞分子遗传学方法。DNA 芯片是指固相载体上高密度的有序的固定了大量靶基因或寡核苷酸探针的膜片或者玻片。aCGH是CGH集合芯片技术发展起来的技术,有效地提高了传统CGH的诊断效率。其主要的优点在于可实现对 24种染色体的同时检测,并能以更高的精度检测小片段染色体的拷贝数变化、结构改变等,近些年随着 WGA技术的发展,aCGH逐渐开始应用于染色体异常PGD及PGS诊断。aCGH为不同患者不同染色体异常提供了一种通用的检测方法,不需要针对不同个体设计不同的探针,大大节约了实验室的工作时间,简化了实验室工作流程,与此同时还可以全面地分析胚胎其他染色体的异常。

除了 aCGH 芯片,还有一种单核苷酸多态微阵列芯片技术。SNP 芯片的基本原理是应用已知的核苷酸序列作为探针与荧光标记的靶核苷酸序列进行杂交,通过对信号的检测进行SNP定性与定量分析。SNP 芯片与aCGH比较,在染色体异常 PGD上具有相似的检测效能,但是 SNP芯片可用来判断染色体的整倍性变化,弥补了 aCGH 芯片的不足。目前 SNP 芯片和 aCGH 均已开始渐进取代 FISH 技术,越来越多的用于染色体异常 PGD 和 PGS,大大提高了 PGS 的准确性和临床妊娠率。值得注意的是,SNP 芯片还可以通过对胚胎样本及家系进行 SNP分型,建立 SNP单体型图,从而可以作为单基因病PGD的通用检测手段,这也是SNP芯片的一个潜在的应用前景。

(六)新一代测序技术

新一代测序技术又称二代测序技术,或高通量测序技术,其诞生是 DNA测序史上一次划时代的革命。随着测序通量的增加、测序成本的降低以及生物信息学分析方法的改进,以及单细胞全基因组扩增技术的进步,二代测序技术已逐渐应用于PGD/PGS领域。近几年,二代测序技术作为一种有效的技术用于诊断卵母细胞染色体异常和胚胎染色体异常,且分辨率高于芯片平台。到目前为止,已经有一系列的研究证实 NGS 在胚胎植入前非整倍体改变和染色体非平衡易位(罗伯逊易位和相互易位)中的价值。

高通量测序技术在生殖遗传领域的另一重要应用便是无创产前诊断技术,即NIPT(non- invasive prenatalt)技术。1997年香港中文大学卢煜明教授发现,妊娠男性胎儿的母亲外周血血清和血浆中可检测到Y染色体片段,且随着妊娠周数增加而稳定存在,分娩后迅速消失,提出外周血可作为 NIPT 的理想材料。而随着二代测序技术的发展,这种想法成为现实。目前利用二代测序技术结合生物信息学分析,能够使得对胎儿 13- 三体、18- 三体和 21- 三体的诊断敏感度达到 98%,特异度达到 99.5%。除了检测染色体数目异常,NGS 还能用来检测染色体上的小片段缺失。此外,由于母亲的外周血中包含了胎儿所有的遗传信息,理论上来说对母亲的外周血游离 DNA 进行测序可以检测到各种胎儿的致病基因,可用于胎儿单基因遗传病的诊断,目前此方面技术正在发展中。

(七)生殖遗传新技术

除了上述介绍的曾经或正在广泛使用的生殖遗传学技术外,一批生殖遗传学新技术正在逐渐兴起或已经开始用于临床,比如基因编辑技术、胞质置换、线粒体置换、重构卵、克隆等。

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