2020基因组时代产前诊断面临的机遇和挑战

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（6

2.0%）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究报道很少。2019年，Choy等［11］采用WGS对50例颈项透明层（NT）增厚的胎儿进行遗传学病因检测，结果显示，与常规核型及CMA（16.0%）相比，WGS（32.0%）的诊断率增加了1倍，提示与常规的产前诊断技术