中国科学家在国际上首次建立全新植入前胚胎遗传学诊断方法

MARSALA方法示意图

2015年12月28日，《美国国家科学院院刊》，在网上公布了北京大学、和唐团队的最新研究成果。本研究首次建立了一种全新的植入前遗传诊断方法马萨拉(通过非整倍体测序和连锁分析揭示突变等位基因，高通量测序同时检测突变位点、染色体异常和连锁分析)，可在早期胚胎阶段同时准确诊断各种单基因遗传病和染色体疾病，避免出生患有严重遗传病的儿童。

MARSALA技术作为一种新的植入前胚胎遗传诊断方法，其关键创新点在于通过单细胞水平的一步高通量测序来检测整个基因组中致病基因的突变位点和染色体异常，同时完成高精度的连锁分析，从而全面提高诊断的覆盖率和准确性。

每个人体细胞包含两套遗传物质，一套来自母亲，一套来自父亲。每组遗传物质包含30亿个碱基，分布在23条染色体上。这些碱基包括四种类型:a、t、g和c。一个细胞中的60亿个碱基按照特定的规则排列组合，形成每个个体的特定遗传序列信息。

染色体数目异常会导致染色体疾病。如果21号染色体的一个额外拷贝被加到每个细胞上，变成三个拷贝，就会导致唐氏综合症。然而，60亿个碱基中任何一个的改变(新碱基的替换、缺失或插入)都可能改变基因组中编码的遗传信息，导致身体不能正常工作，从而导致遗传疾病。

遗传病通常很难治愈。避免遗传性儿童的出生是降低遗传性疾病发病率的最有效方法。常规产前诊断需要在妊娠12周左右穿刺绒毛膜绒毛或在妊娠中期18周左右穿刺羊水并进行遗传分析。一旦诊断出遗传病，终止妊娠将给孕妇及其家人带来巨大痛苦。基于此，植入前胚胎遗传诊断技术应运而生。

植入前遗传诊断(PGD)是胚胎植入前的遗传诊断技术。然而，PGD面临的最大挑战是每个胚胎可用于医学检查的细胞数量非常少，通常只有1至5个细胞，因此后续的遗传分析不能直接进行。对这极少数细胞的遗传物质进行几十万倍的扩增是遗传分析中首先要解决的问题。扩增过程中的任何问题，如一些碱基未扩增或扩增错误，都会导致诊断错误。

胚胎植入前的产前诊断或遗传诊断需要高准确性、低假阳性率和假阴性率、简单的操作步骤和最大限度地减少人为操作误差。同时，为了让更多有需要的人受益，应该尽可能降低诊断成本。

目前临床上常用的三种诊断方法在准确性、可操作性和诊断成本方面都存在局限性。其中，“原位荧光杂交法”只能用于少数染色体疾病，并受到探针来源和荧光显微镜的限制。“聚合酶链反应方法”(聚合酶链反应、聚合酶链反应、聚合酶链反应)只能用于单基因疾病或染色体数目的变化；“高通量芯片技术”可用于全基因组的染色体检测，分辨率也有显著提高。近年来临床应用的核仁组成图技术可以同时检测单基因疾病和染色体异常，但不能直接分析突变位点，只能间接推断。

北京大学的研究团队对一种新的植入前遗传诊断方法进行了研究，并建立了MARSALA方法。与目前常用的方法相比，MARSALA方法有以下六个突出的优点:

一是高精度综合分析。MARSALA不仅能准确诊断单基因遗传病，还能准确筛查染色体异常。其次，由于致病突变位点的序列信息至少可以被读取数千次，因此其结果比传统的诊断方法更加直观可靠。

其次，它可以进行多重检查，大大提高了诊断的准确性和可靠性。在深入分析突变位点序列信息的同时，完成高精度的遗传连锁分析，提供多重SNP连锁位点信息，对致病等位基因进行多重检测和重复验证，全面减少突变位点扩增和测序错误、样品交叉污染等带来的问题；

第三，成本大大降低。使用MARSALA进行胚胎诊断可以在两倍基因组覆盖的测序深度(2X)下满足所有分析要求。

第四，操作方便。一步高通量测序可以获得基因突变、染色体异常和突变位点连锁信息的准确诊断结果。

第五，它与各种遗传病患者的家庭有很高的兼容性。即使没有患有遗传病的后代出生，只要有试管婴儿夫妇的样本，就可以对胚胎进行准确的诊断。

第六，适用范围广。只要对致病基因进行预测，任何类型的基因突变都可以通过MARSALA方法进行诊断，无论是单个基因位点的替换、缺失和插入，还是多个基因位点的复合突变，甚至是大基因片段的缺失、三核苷酸重复等。换句话说，MARSALA方法可用于对由突变基因引起的4000多种已知单基因遗传病进行高精度植入前遗传诊断。

该研究详述了两个成功诊断的案例。一种是常染色体显性遗传疾病，其中单碱基缺失导致移码突变，导致多发性骨软骨瘤。男孩和女孩的后代都有50%的患病风险。另一个例子是X染色体连锁隐性遗传疾病外胚层发育不良，发生单碱基置换突变，如果后代是男孩，有50%的几率患病；如果后代是女孩，她们有50%的机会成为遗传疾病的携带者。北京大学的团队使用MARSALA方法对胚胎进行遗传诊断，并对突变位点和染色体状况进行高精度诊断，帮助两对夫妇获得健康的后代。目前，两个婴儿都超过一岁。

技术进步为精密医学增添了翅膀。胚胎遗传诊断新方法的研究探索和应用是基础与临床结合的跨学科合作成果，也是转化医学的成果。

谢晓亮教授、教授和唐研究员是本文的共同作者。北京大学第三医院副教授严博士、北京大学生命科学学院生物动态光学成像中心副研究员博士和博士后徐是本文的合著者。益康基因科技有限公司参与合作研究。

该研究得到了国家自然科学基金、科技部863计划、北京市科委项目和北京大学-清华大学生命科学联合中心的支持。

随着这项研究成果被世界所知、所接受并得到进一步推广，它将为越来越多的遗传病家庭带来好消息，为人类健康做出更大的贡献。