重磅 | 华大基因在无创单病领域再获重大技术突破

编者按

近年来，随着高通量测序技术的发展和临床需求的不断加大，无创产前基因检测 (Noninvasive Prenatal Testing, NIPT) 在单基因遗传病筛查、诊断方面的应用受到日益关注。目前已知的单基因疾病有8,000余种 (引自OMIM数据库)，平均每人携带2.8个隐性单基因遗传病致病突变^[1]，虽然单一疾病发病率有限，但综合发病率达1%^[2]。若能通过NIPT实现多种单基因病检测，将对降低单基因疾病的综合发病率具有重要意义。

目前全球大部分无创单基因疾病 (以下简称“无创单病”) 的检测方法都无法实现临床级别的筛查，主要受限于需要依赖先证者的分析。对于没有先证者且表型正常的家庭，特别是难以发现的隐性单基因遗传病进行筛查，在临床无疑更具有挑战性。华大基因继前期在开发针对于“地中海贫血”的无创筛查方法所有重要技术突破之后，再接再厉又攻克技术堡垒，在华大自主研发的BGISEQ-500测序平台上即可实现无需先证者的百余种常见隐性单基因病的无创产前筛查。

单体型分型

NIPT技术检测隐性单基因病的核心

相比无创检测胎儿染色体疾病来说，NIPT技术应用于胎儿单基因病检测具有更大的难度。

其技术瓶颈主要包括：① 孕妇血浆中存在大量母源DNA背景信号的干扰，使得胎儿母源性变异无法直接被检出；② 不同单基因病的致病基因的突变类型各不相同，复杂程度也有所不同。

除少数新发显性突变的单基因病外^[3]，目前报道的绝大部分隐性单基因病的无创检测都是借助单体型策略实现 (图1) ，通过对致病位点连锁的单体型分析，能降低因母亲背景信号带来的错误率，同时不受突变类型的限制，具有非常高的准确性。

图1. 依靠先证者无创判断胎儿单体型

早在2013年，华大就率先将核心家系单体型连锁分析的方法运用于无创单病检测。该方法首先利用父亲、母亲、先证者和孕妇的血浆DNA测序数据获得胎儿遗传父母的单体型，进而根据致病位点连锁单体型推测孕妇血浆中胎儿的基因型 (专利号：ZL 2014 1 0484277.6) 。

截止目前，华大基因已发表十几篇无创单病检测文章 (图2) ，完成上百个单病家系样本检测，涉及中国常见的12种单基因病：枫糖尿病^[4]、遗传性耳聋^[5]、先天性肾上腺皮质增生^[6]、进行性肌营养不良^[7]、脊髓性肌萎缩症^[8]、苯丙酮尿症^[9]、甲型血友病、乙型血友病^[10]、α地中海贫血^[11]、β地中海贫血^[11]和隐性多囊肾，通过此方法获得的胎儿基因型和临床侵入性产前诊断的结果一致率均为100%。

图2. 华大研发团队发表的无创单基因病检测的相关文章

国际上，部分研究者也通过相对单体型剂量分析 (RHDO) ^[12]的方法尝试对一些隐性单基因病进行无创检测，但仍需要借助先证者的样本来进行单体型分型，限制了NIPT对于单基因疾病检测的临床转化。由于NIPT技术的筛查特性，它对于没有先证者的表型正常家庭进行的筛查具有重要的临床实用价值。开发不依赖先证者的单体型分型技术可使扩展性胎儿无创隐性单基因疾病的筛查成为可能。

技术壁垒再突破！

不依赖先证者的无创单病检测

案例分享

王某和其丈夫宋某，夫妻双方初次妊娠，无不良孕产史。夫妻双方自愿进行携带者筛查时发现两人均是甲基丙二酸血症cblC亚型的携带者，均在MMACHC基因上携带一个杂合突变：王某携带c.656-658delAGA杂合突变，宋某携带c.609G>A杂合突变，夫妻双方有25%的概率生育患儿。王某在孕21周时进行羊水穿刺产前诊断，同时夫妇双方抽取5mL外周血送检华大基因进行无创单病科研盲测。华大无创单病检测结果显示：“本次妊娠胎儿是遗传母亲正常单体型，遗传父亲致病单体型，因此胎儿为甲基丙二酸血症致病基因的携带者”，产前诊断的结果与华大无创单病筛查结果显示完全一致。

图3. 胎儿遗传父母亲单体型

横坐标代表1号染色体MMACHC基因上下游的100K区域，纵坐标代表的是夫妇双方遗传给胎儿不同单体型的概率值的对数值，Hap0代表父母的致病单体型；Hap1代表父母的正常单体型，褐色竖线表示的MMACHC基因区域，蓝色竖线表示致病突变位点，红色波折线代表无创判断结果，绿色横线代表基线，在基线之上代表胎儿遗传Hap0致病单体型；在基线之下代表胎儿遗传Hap1正常单体型，上图为胎儿遗传父亲的单体型，下图为胎儿遗传母亲的单体型。由图可知，胎儿遗传父亲的致病单体型Hap0+母亲的正常单体型Hap1，故可以判断胎儿MMACHC基因型是c.609G>A/N。

  结 语  

华大基因本次技术壁垒的攻破，成功突破了无创单病检测对于先证者样本的依赖，对没有先证者的正常家庭百余种单基因遗传病也可实现无创筛查，具有显著的临床应用价值，这也将进一步助力我国出生缺陷防控事业的发展。

拓展阅读：

参考文献

1. Bell, C.J. et al. Carrier testing for severe childhood recessive diseases by next-generation sequencing. Sci Transl Med 3, 65ra4 (2011).

2. March of Dimes 全球出生缺陷报告2006.

3. Chitty, L.S. et al. Non-invasive prenatal diagnosis of achondroplasia and thanatophoric dysplasia: next-generation sequencing allows for a safer, more accurate, and comprehensive approach. Prenat Diagn 35, 656-62 (2015).

4. You, Y. et al. Integration of targeted sequencing and NIPT into clinical practice in a Chinese family with maple syrup urine disease. Genet Med 16, 594-600 (2014).

5. Meng, M. et al. Noninvasive prenatal testing for autosomal recessive conditions by maternal plasma sequencing in a case of congenital deafness. Genet Med 16, 972-6 (2014).

6. Ma, D. et al. Haplotype-based approach for noninvasive prenatal diagnosis of congenital adrenal hyperplasia by maternal plasma DNA sequencing. Gene 544, 252-8 (2014).

7. Xu, Y. et al. Haplotype-based approach for noninvasive prenatal tests of Duchenne muscular dystrophy using cell-free fetal DNA in maternal plasma. Genet Med 17, 889-96 (2015).

8. Chen, M. et al. Targeted sequencing of maternal plasma for haplotype-based non-invasive prenatal testing of spinal muscular atrophy. Ultrasound Obstet Gynecol 49, 799-802 (2017).

9. Ye, J. et al. Haplotype-based Noninvasive Prenatal Diagnosis of Hyperphenylalaninemia through Targeted Sequencing of Maternal Plasma. Sci Rep 8, 161 (2018).

10. Hu, P. et al. Noninvasive prenatal diagnosis for X-linked disease by maternal plasma sequencing in a family of Hemophilia B. Taiwan J Obstet Gynecol 56, 686-690 (2017).

11. Wang, W. et al. A Pilot Study of Noninvasive Prenatal Diagnosis of Alpha- and Beta-Thalassemia with Target Capture Sequencing of Cell-Free Fetal DNA in Maternal Blood. Genet Test Mol Biomarkers 21, 433-439 (2017).

12. New, M.I. et al. Noninvasive prenatal diagnosis of congenital adrenal hyperplasia using cell-free fetal DNA in maternal plasma. J Clin Endocrinol Metab 99, E1022-30 (2014).

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