2020基因组时代产前诊断面临的机遇和挑战

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2020 基因组时代产前诊断面临的机遇和挑战

关键词：产前诊断；染色体微阵列分析；全外显子组测序；全基因组测

自 20 世纪 70 年代开始，染色体核型分析技术作为诊断胎儿染色体异

常的金标准已使用多年，但该技术存在分辨率较低（5~10Mb）、培养周

期长、检测通量低及有培养失败风险等局限性。随后，靶向诊断技术

（FISH、QF-PCR、MLPA）的出现，大大缩短了检测时间，与染色体核

型技术联合应用，可早期诊断常见的胎儿染色体异常。此外， Sanger 测

序作为基因变异检测的金标准，可用于明确致病的单基因疾病的产前诊断。

然而，以上技术均无法实现在全基因组范围内进行快速、高分辨率地诊断

胎儿致病性变异。

2013 年，美国妇产科医师学会（ACOG）推荐染色体微阵列分析

（chromosomal microarray analysis，CMA）作为胎儿结构畸形的一

线诊断方案，标志着产前基因组时代的到来。随着基因组检测技术的迅猛

发展， CMA 、拷贝数变异测序（ copy number variation

sequencing ， CNV-seq ）、全外显子组测序（ whole exome

sequencing，WES）等新兴技术已逐渐被应用于产前诊断领域。此类技

术的应用，在显著提高胎儿遗传学病因诊断率的同时，也面临着诸多挑战，

如变异结果的分析与解读、产前样本的特殊性、临床意义不明的变异

（variant of uncertain significance ，VOUS）及胎儿和父母的偶然发

现（与检测目的无关的变异）等。如何正确、合理、有效地利用基因组检

测技术进行产前诊断是临床医生共同关心的重要问题。

1((((基因组时代带来的机遇

不同于传统的遗传学检测技术，基因组时代带来了更多高分辨率技术，如

CMA、CNV-seq、WES 以及全基因组测序（wholegenome

sequencing，WGS）技术，可检测从染色体水平到拷贝数变异水平甚至单

碱基水平变异，发现的病种也大大增加。这些技术应用于产前诊断，可显著

提升产前遗传学检测阳性率，对大量原因未明的畸形胎儿进行病因学诊断，

大大推动了产前遗传学诊断技术的应用和发展。CMA、CNV-seq 技术现已

被临床广泛接受与使用。

1.1(((CMA 和 CNV-seq( CMA 技术又称“分子核型分析”，分为两大类：微

阵列比较基因组杂交（ array-based comparative genomic

hybridization ， aCGH ）和单核苷酸多态性微阵列（ single

nucleotidepolymorphism array，SNP array）技术，两者均可以在全基

因组范围内检测非整倍体、染色体大片段结构异常及微缺失微重复，具有检

测分辨率高（100kb）、准确性高、无需细胞培养、检测周期短（3d）等优

势。此外，SNP array 还可检测三倍体、母体细胞污染、单亲二倍体和亲缘

关系。CMA 技术首先被应用于智力低下、发育迟缓、先天畸形、自闭症谱

系障碍等疾病的遗传学病因诊断，随后在产前诊断领域被证实了有重要的临

床应用价值。2012 年，Wapner 等［1］基于产前诊断样本开展的一项大规

模研究发现，在超声结构异常但核型正常的胎儿中，CMA 可增加 6%的染色

体异常检出率；在超声结构正常且核型正常的胎儿中，CMA 可增加 1.7%的

异常检出率。2013 年，ACOG 建议将 CMA 作为超声结构异常胎儿的一线诊

断方案［2］；指南中还建议，对于已接受侵入性产前诊断的孕妇，都可以

考虑进行 CMA 检测。目前，该技术已广泛应用于产前诊断。

CNV-seq 对样本 DNA 进行全基因组低深度高通量测序，可实现全基因组范

围内快速、高分辨地检测 CNVs，与 CMA 相比，具有检测通量高、价格低

廉等优势，为染色体异常的产前诊断提供了新的手段。最近，Wang 等

［3］开展了 1023 例产前诊断样本的前瞻性研究，以比较 CNV-seq 与

CMA 在产前诊断中的诊断效率，他们发现，与 CMA 相比，CNV-seq 可额

外检出 1.7%致病或可能致病的 CNVs。CNV-seq 技术目前已被国内许多实

验室用作产前诊断的检测手段，但该技术不能检测多倍体及杂合性丢失

（loss of heterozygosity，LOH），有一定漏检风险，且尚未见大规模多

中心研究报道。

1.2(((WES WES 技术由于既可检测已知致病基因突变位点，又可发现新的

疾病相关基因，且仅需对占全基因组序列 1%左右的外显子组进行测序，已

被广泛应用于儿科神经发育类疾病、先天畸形、癫痫等疾病的遗传学病因研

究。研究发现， WES 对儿童发育疾病中致病性基因变异的检出率为

25%~40%［4-6］。相较于 WGS，WES 具有检测成本较低、对样本 DNA

的需求量较小、报告周期更短以及测序深度更高等优势，更适用于产前样本

的检测。近几年，该技术已逐渐被应用于产前诊断样本进而进行病因学研究。

2019年，Lancet 发表了 2 篇关于 WES 在产前样本中应用的大规模前瞻性

研究，结果显示，在核型和（或）CMA 检测未见异常的胎儿结构畸形病例

中，WES 可额外检出 8.5%~10%的致病性基因变异［7-8］。两项研究都提

示：多发畸形胎儿中致病性变异检出率（ 15.4%~19%）明显增加。此外，

Lord等［7］团队的研究提示，胎儿致病性变异更常见于胎儿心脏结构畸形

（11.1%）及骨骼系统畸形（15.4%）；而 Petrovski 等［8］的研究结果显

示，WES 在胎儿淋巴水囊瘤（24.0%）、骨骼系统畸形（24.0%）、中枢神

经系统畸形（22.0%）及肾脏畸形（16.0%）病例中检出率较高。2020 年，

美国医学遗传学与基因组学学会（ACMG）建议，对于产前超声结构异常的

胎儿，当核型和 CMA 未明确诊断时，可考虑进行 WES 检测［9］。鉴于

WES 报告周期较长及结果解释的复杂性，目前该技术在产前诊断领域还未进

入临床应用阶段。

1.3(((WGS WGS 对样本 DNA 基因组中全部序列进行检测，不仅包含外显

子，还覆盖内含子和基因间序列，较 WES 的检测范围更广。该技术在一次

实验中可同时检测单核苷酸变异（ single nucleotide

variations，SNVs）、基因组小片段的插入和缺失（Insertions/Deletions

，Indels）、CNVs、结构变异（structural variations，SVs）、线粒体基

因组（mitochondrial genome DNA，mtDNA）变异等多种类型遗传变异，

已逐渐成为出生后人群遗传病诊断的重要工具。 Gilissen 等［10］采用

WGS 对重度智力低下患者进行遗传学病因研究，发现 WGS 的累积阳性检出

率（62.0%）明显高于 CMA（11.6%）和 WES（27.0%）。然而，由于测

序成本高、数据量大、分析难度大，目前有关 WGS 在产前样本中的应用研

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摘要：

2020基因组时代产前诊断面临的机遇和挑战摘要20世纪70年代以来染色体核型分析作为胎儿染色体异常诊断金标准存在分辨率低、培养周期长等局限。随后靶向诊断技术缩短了检测时间Sanger测序明确了单基因疾病产前诊断但无法实现全基因组快速、高分辨率诊断。2013年ACOG推荐CMA为胎儿结构畸形一线诊断方案标志着产前基因组时代到来。此后CMA、CNVseq、WES等新兴技术逐渐应用于产前诊断提高了胎儿遗传学病因诊断率但也面临挑战。机遇：CMA、CNVseq、WES、WGS等高分辨率技术可检测多层次变异增加病种发现提升阳性率。CMA分两类能检测多种异常已广泛应用。CNVseq高通量、低价格但有漏检风险。WES可检测已知和新的基因突变适用于产前样本但报告周期长、结果解释复杂。WGS检测范围广但成本高、分析难度大应用研究少。挑战：产前样本数据分析和变异解读难度大胎儿表型和检测周期特殊影响诊断率。CMA及测序技术增加VOUS和偶然发现检出率需充分遗传咨询。新技术对遗传咨询医师要求高需多学科合作医师要不断学习。结语：基因组检测技术推动遗传病检测发展但胎儿疾病产前评估数据不全面临床医生应融合多种技术根据

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