Adv Sci | 北京大学乔杰等团队开发基于RNA胚胎植入前基因检测的新方法

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来源：生物探索 2024-06-30 09:34
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北京大学乔杰、闫丽盈及Yan Zhiqiang共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“Concurrent Preimplantation Genetic Testing and Competence Assessment of Human Embryos by Transcriptome Sequencing”的研究论文，该研究开发了一种利用滋养外胚层细胞中丰富的mRNA转录拷贝来诊断基因突变并同时评估胚胎能力的方法。用19个捐赠的囊胚证实了该方法的可行性。接下来，将该方法应用于26个单基因缺陷家族的82个胚胎，同时进行突变检测和能力评估。8 |! T/ Y) \" i5 w
直接突变检测的准确率高达95%，明显高于基于DNA的方法。同时，这种方法正确预测了8个胚胎中有7个(87.5%)未能植入。在预测成功植入的6个胚胎中，有4个达到了预期(66.7%)。值得注意的是，该方法在检测突变的条件下具有优势，这在使用基于DNA的PGT时是具有挑战性的，例如检测具有高新发率的致病基因，多个假基因或CAG三核苷酸重复序列的异常扩增。综上所述，本研究建立了基于RNA的PGT的可行性，也为评估植入能力提供了信息。0 G( |3 J/ C$ [. N1 C1 c# F
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人类在线孟德尔遗传(OMIM, http://omim.org)数据库中记录了8000多种单基因疾病。虽然单基因疾病被认为是罕见的，但总的来说，它们的患病率高达人口的1%。此外，绝大多数单基因疾病在婴儿和儿童中表现出来，通常与终身残疾和死亡有关，目前没有有效的治疗方法。然而，在过去几十年的研究中，随着临床和分子遗传学领域的快速发展，现在已经确定了多达6500种单基因疾病的生物学基础。对于已确定致病变异或有疾病史的家庭，或两者兼而有之，植入前基因检测(PGT)应提供阻止疾病传播给下一代的能力。" b$ F& B4 v8 T9 ]( C
自20世纪90年代首次采用聚合酶链反应(PCR)技术检测单基因/单基因缺陷(PGT-M)以来，PGT已广泛应用于临床。随后，多重PCR和荧光原位杂交(FISH)作为一种高通量筛选染色体数量和结构异常的方法被引入。在过去的十年中，包括下一代测序(NGS)和基于单细胞全基因组扩增(WGA)的单核苷酸多态性(SNP)阵列在内的全基因组技术和策略已被用于进行PGT-M的非整倍体分析和突变诊断。2 h! q: c1 ?6 C' }2 I% a) c- p9 ]
对于胚胎突变诊断，PGT-M先进行全基因组分析，然后进行基于PCR的直接突变检测和基于短串联重复序列(STR)/SNP的连锁分析。WGA方法，如多次位移扩增(MDA)和多次退火和基于环的扩增循环(MALBAC)被利用，因为这些方法可以为随后的基因检测准备足够数量的DNA。然而，DNA扩增失败和DNA污染通常发生在约10%的样品中。此外，不均匀的基因组覆盖率和高等位基因drop-out (ADO)率(≈20%)是影响PGT-M准确性和适用性的因素。虽然连锁分析可以提高诊断的可靠性和准确性，但需要具有临床相关遗传变异的相关家庭成员来构建突变连锁单倍型。然而，连锁分析不适用于新生突变或缺乏阳性家族史的受试者。例如，1型神经纤维瘤病(NF1，患病率1:2500-1:3000)是由NF1基因突变引起的，是一种常见的神经皮肤疾病，新生突变率高达50%。这种高的新生突变率和多个假基因的存在，对胚胎的连锁分析和直接突变检测都提出了挑战。5 \# n& z/ O3 |9 C) U  ~  n
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示意图（Credit: Advanced Science）2 L# _, C2 k0 Y) Z7 {' ^  w
先前的研究表明，非整倍体筛查可以提高植入成功率，但基于DNA的PGT并不能显著提高植入成功率和被测胚胎的累计活产率。目前，人们认识到基于DNA的PGT并不能预测胚胎的着床潜力和发育能力。然而，胚胎外组织对于检测着床前胚胎的能力也很重要。着床过程涉及由滋养外胚层(TE)形成的囊胚外层细胞层与子宫内膜相互作用，胚胎附着于子宫内膜上皮，然后侵入子宫内膜间质。来自TE的滋养细胞对胎盘有重要贡献，在着床期间必须保持多能性。TE中基因表达的精确调控在胚胎着床和随后的发育中起着关键作用。另一组学研究也提出了通过分析TE转录组来评估胚胎能力的可能性。1 I% H& x4 ^, R! V8 T$ U2 ^# K. Q" ?
考虑到基于DNA的PGT-M的局限性，研究人员假设基于RNA的诊断可能是一种可行的替代方法，可能具有与胚胎基因检测相当甚至更高的适应性和准确性。此外，TE转录组可以提供胚胎基因表达和分子稳态的多维信息，这些信息可以为选择可存活胚胎提供额外的见解。该研究开发了一种基于转录组的PGT-M方法，并对来自26个单基因疾病家族的胚胎进行了适用性测试。研究表明TE转录组分析可用于胚胎着床前的突变检测、连锁分析和能力评估。/ [3 {2 H5 s' U5 A* W" n' e2 A
该研究还对成功植入和失败植入的胚胎进行了差异表达分析，以确定与植入和发育潜力高度相关的一组基因。总的来说，该研究表明分析TE转录组的基于RNA的PGT-M可以作为检测基因突变和评估胚胎能力的临床诊断方法，特别是在出现高水平候选基因表达、低亲本表达偏倚、有问题的WGA覆盖或这些因素的任何组合的情况下，对基于DNA的PGT-M构成挑战。
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