国际生殖健康/计划生育杂志2013年11月第32卷第6期JIntReprodHeahh/FamPlan,November2013,Vo1.32,No.6 ・433・ ・热点问题・ 单基因病的产前诊断研究进展 严恺金帆 【摘要】单基因病是导致新生儿出生缺陷的主要原因之一,大多数单基因病患者预后不佳。对于有 单基因病患儿出生史的家系,在先证者致病基因及突变类型明确的基础上,可通过产前诊断防止患儿的出 生。目前,单基因病的产前诊断可分为植入前遗传学诊断(PGD)和妊娠期产前诊断。传统的产前诊断通过有 创手术获取胎儿源性标本,准确性高,但具有一定程度的流产风险。PGD和无创产前诊断(NIPD)作为新的产 前诊断方式,在一定程度上可作为传统方式的补充。综述单基因病产前诊断技术的研究进展及遗传咨询的 重要意义,为临床实践产前诊断的方案制定提供一定的思路。 【关键词】遗传性疾病,先天性;产前诊断;植入前诊断;基因;遗传咨询;单基因病 Prenatal Diagnosis of Single-Gene Defects YAN Kai,JIN Fan.Department of Reproductive and Genetics, Women S Hospital,ghejiuag University;Key Laboratory of Reproductive彻 Genetcis,Ministyr of Education, Hangzhou 310006,Chint ̄ Corresponding author:JIN Fan,E-mail:jinfan@zju.edu.cn 【Abstract】Single-gene defects,which has the unfavorable prognosis,is the main cause of the newborn S defect.Couples can prevent birth of child carrying the same genetic disorder with the proband.Currently,the prenatal diagnosis contains preimplantation genetic diagnosis and tdmester prenatal diagnosis.Traditional invasive prenatal diagnosis acquire specimens from fetal relying on surgery.It is accurate,but with a certain risk of miscarriage.The new method of prenatla diagnosis(such as preimplantation genetic diagnosis and non-invasive prenatal diagnosis)and the traditional way are complementary to one another.In this review,we discuss the progress of prenatal diagnosis of Single-gene defects and the significance of genetic counseling in order to provide some ideas in clinical practice. 【Key words】 Genetic diseases,inborn;Prenatla diagnosis;Preimplantation diagnosis;Genes;Genetic counseling;Single—gene defects (_,Int Reprod HealtMFam Plan,2013,32:433—437) 产前诊断又称宫内诊断,是指胎儿出生前采用 单基因遗传病主要临床表现为:不同程度的生 各种方法预测其是否有先天性疾病(包括畸形和遗 长发育迟缓,智力障碍;单器官或多器官畸形,听力 传性疾病),为能否继续妊娠提供科学依据。其中遗 或神经运动功能障碍,免疫缺陷等。至今为止仍无 传性疾病的产前诊断主要针对染色体病及孟德尔 根治遗传病的有效方法,因此减少遗传病患儿的出 遗传病(Mendelian inheritant disease)。孟德尔遗传 生是遗传性出生缺陷防控的重点。作为围生医学的 病是指按照孟德尔方式传递的疾病,通常由一对等 重要组成部分,产前诊断是一个正迅速发展,技术 位基因控制由单个基因突变引起,涉及单个核苷酸 不断完善的新领域。在先证者临床及基因诊断明确 到整个基因改变,故又称单基因病(single—gene 的基础上,通过产前(妊娠前)基因诊断能在妊娠早 defects)。根据致病基因所在染色体及基因表现型的 期及中期甚至在胚胎期对患有遗传性疾病家系中 不同可以把孟德尔遗传病分为常染色体(autosoma1) 的高危胎儿进行遗传学分析,防止具有遗传学缺陷 遗传和性连锁sex—linked)遗传两大类,两者各进一 的胎儿出生,为遗传病的防控及优生优育提供了切 步分为显性(dominant)遗传和隐性recessive)遗传 实有效的途径。 两种,涉及Y染色体的又称为Y连锁遗传。截至到 2013年6月25日,OMIM(online mendelian inheritance 1单基因病产前诊断的方法 in man)数据库已收入分子机制明确的单基因病4 1.1按照检测策略,基因诊断可以分为直接基因诊 912种,涉及致病基因2 992个。 、 断和间接基因诊断两大类 作者单位:310006杭州,浙江大学医学院附属妇产科医院生殖 1.1.1直接基因诊断即直接检测致病基因本身, 遗传科,生殖遗传教育部重点实验室 此类方法主要适用于先证者基因突变位点、类型、 通信作者:金帆,E—mail:jinfan@zju.edu.cn 致病性明确的家系。根据检测的针对性不同,又可 .434. 垦堕 堕堡壁 型笙宣墨查 ! 至! 旦笙 堂笙 塑 垦! ! ! ! !竺! !!! ! ! !!:墼,N0. 以分为DNA诊断和RNA诊断两部分。DNA诊断主要 分析DNA编码区序列单个碱基改变或小片段缺失/ 插入的突变以及外显子缺失重复等。 ①针对单个碱基改变或小片段缺失/插入的检 测。多数单基因遗传病均起因于致病基因外显子编 码区碱基序列改变,导致编码的蛋白质生物学活性 降低或丧失而发病。因此,对此类疾病进行产前诊 断可采用特异引物聚合酶链反应(PCR)技术扩增目 的片段,采用双脱氧链终止法测序的方法进行突变 检测。该方法简便、快捷,但对于低比例嵌合的情况 特异性不佳。另外,针对某些具有突变热点的单基 因遗传病已有相应的DNA微阵列芯片开发应用,但 其缺点是无法包含少见的或未报道的基因突变…。 ②针对外显子缺失或重复的检测。除点突变 外,外显子缺失或重复亦可导致单基因病的发生。 理论上,任何单基因遗传病均可能由外显子的缺失 或重复导致。杜氏 氏进行I生肌营养不良(Duchenne/ Becker muscular dystrophy,DMD ̄MD)、脊髓性肌肉 萎缩症(spinal muscular atrophy,SMA)以及遗传方 式为常染色体显性遗传的某些疾病致病基因常常 会出现缺失或重复改变。过去检测基因的拷贝数变 异主要依靠DNA印迹技术(southern blotting),该技 术耗时、繁琐,同时对患者的DNA需求量大,具有放 射性,不利于广泛开展及应用于临床。现以印迹技 术分析为基础的定量PCR等相继被尝试应用,但其 准确度无法与DNA等同,难以应用于复杂重排的检 测且操作复杂,因此很难被大规模地应用。多重链 接探针扩增技术(multiplex ligation-dependent probe ampliifcation,MLPA)是一种以多重PCR为基础,确保 每一靶向位点均由单一引物对扩增的新技术『21。步 骤包括DNA的变性及其与探针的杂交、连接、PCR扩 增、扩增产物电泳分离及数据分析等。其基本原理 并非通过PCR扩增样本DNA,而是扩增与DNA靶序 列杂交的探针。与传统的方法相比,其具有操作简 便、检测时间短(48 h)、无放射性污染、特异性及敏 感性高等优点。此外,MLPA技术还可运用于检测单 核苷酸多态性位点(single nucleotide polymor phism, SNP)、DNA甲基化分析f3]以及癌症基因突变检测等 方面 。同时,MLPA技术在无创产前诊断中也有潜 在的应用价值[51。此外,在MLPA检测的结果解读中, 应注意某些SNP位点或点突变可能导致探针无法杂 交,因此出现单个外显子缺失的结果,此时,应注意 利用双脱氧链终止法测序进行验证。 RNA诊断主要运用实时荧光定量PCR技术或 mRNA逆转录cDNA测序技术分析mRNA表达量的异 常、外显子的变异和剪接加工缺陷等。 1.1.2间接基因诊断根据短串联重复序列(STR) 等提供的遗传学信息,可通过对受检者及其家系进 行连锁分析,推断是否携带致病突变的等位基因。 连锁分析是基于紧密连锁的基因或遗传标记,通常 一起传给子代,因而可以间接地判断致病基因是否 也传递给子代。此方法适用于先证者本身的突变信 息不足以提供诊断依据,但该疾病临床诊断、在家 系中的遗传方式及致病基因定位明确的病例,常见 的如DMD,BMD。其优点在于:①利用PCR扩增多态 性等位基因,既避免了使用同位素造成放射性污染 又能达到快速诊断的目的。②单一位点人群中女性 杂合子的频率高达93%,极大地有利于连锁分析。 ③利用基因上下游的调控区以及基因内的sTR能发 现DMD基因内的重组事件,从而能把假阳性、假阴 性尽可能地限定到最低水平。 1.2根据诊断时间段的不同。可以将产前诊断分为 植入前遗传学诊断(PGD)和妊娠期产前诊断两种 1.2.1 PGD PGD又称孕前诊断。主要原理是借助 辅助生殖技术(ART)获取体外培养的胚胎,通过卵 子极体活检、卵裂胚胎的卵裂球活检或囊胚滋养外 胚层细胞活检,获取一个或数个细胞进行单细胞或 数个细胞的遗传学分析,完成植入前胚胎的遗传学 诊断,依据分析结果,选择无遗传缺陷的胚胎移植 回母体子宫获得无遗传缺陷妊娠。与传统的产前诊 断比较,PGD可避免妊娠中期流产或引产给妊娠妇 女造成的生理或心理创伤。 1 969年,Robert Edwards首次成功从6一细胞的兔 胚中分离出卵裂球,并由此提出了PGD的设想[61。随 着ART及PCR技术的相继问世,PGD技术的设想逐 渐变成现实。此后,先后有多个研究小组相继成功 地建立了卵裂期胚胎活检的动物模型 1。1990年, Handyside等[91首次报道一囊性纤维化家系通过PGD 技术成功出生一名健康女婴。 目前,PGD的诊断依赖于单个卵裂球细胞或者 少数几个囊胚滋养层细胞,其难点在于可供检测的 遗传物质(检测模板)有限。最经典的PGD单基因病 诊断使用巢式一针对突变位点的定点特异靶向引物 PCR,单细胞全基因组扩增技术(whole genome ampliifcation,WGA)后续特异引物PCR也是常用的 方法 “】。然而,由于存在无可避免的高等位基因 丢失(ADO)率,使该法应用受限ll2_ l4】。为了减少单细 胞PCR中的ADO发生率,现有不少生殖实验室开始 国际生殖健康/计划生育杂志2013年11月第32卷第6期J Int Reprod Heahh/Fam Plan,November 2013,V01.32,No.6 ・435・ 引入胚胎植入前遗传学单体型分析(preimplantation genetic haplotyping,PGH)的方法[15 7】。通过对多个 SNP位点检测结合家系SNP单体型连锁分析策略,从 理论上解决了模板中等位基因丢失的问题。不过, 该技术实际检测过程中存在有效SNP位点筛选和 PCR实验条件优化流程复杂的问题,使其在PGD中的 推广受到限制。近年也有用基因芯片技术进行单基 因遗传病PGD的报道,但目前此法检测成本偏高,I临 床实际应用困难较大。高通量测序技术的出现大大 加速了临床检测技术的革新,可以预见基于高通量 测序平台的单基因遗传病PGD是未来的发展趋势。 1.2.2有创产前诊断又称为侵人性的产前诊断 (invasive prenatal diagnosis)。理论上,任何来源于胚 胎源性的细胞均可用于产前基因诊断。目前较常用 的产前诊断取材手术有绒毛膜绒毛取样(chorionic villus sampling,CVS)、羊膜腔穿刺(amniocentesis)、 经皮脐静脉穿刺(percutaneous umbilical cord blood sampling)以及胎儿镜活检等。不同的取材方式均具 有其自身的特点。羊膜腔穿刺通常限于妊娠16—24 周,施行手术的成功率较高,达95%以上,因此成为 首选的方法。CVS虽具有检测妊娠周小的优势,但是 其胎儿丢失的风险约为1%,明显高于羊膜腔穿刺 术l埘。此外,过早的CVS手术还有导致胎儿短肢畸形 的可能【 制。而经皮脐静脉穿刺术通常在妊娠妇女 妊娠周超过羊膜腔穿刺最佳时间才施行;若羊水穿 刺或CVS检测结果出现疑问,为验证诊断也可施行 脐静脉穿刺,其流产风险要显著高于羊膜腔穿刺 术。此外,脐血样本存在一定的母血污染概率,标本 分析前必须通过相应的方法排除母血的污染。 1.2-3无创产前诊断 又称非侵人性的产前诊断 技术non—invasive prenatal diagnosis,NIPD)。1997年 Lo等【21]通过PCR法扩增母体外周血血浆中Y染色体 特异DNA序列,证明在妊娠男性胎儿的母血浆中存 在胎儿游离DNA(cffDNA)。2008年Chiu等[221和Fan 等[Z3l两个研究小组首创了基于新一代测序技术检测 妊娠妇女外周血血浆胎儿游离DNA,成功地检测出 21号染色体三体胚胎。随后出现类似方法成功检出 染色体4.2 Mb微缺失胎儿的报道[241。后续大量临床 样本的研究证实该技术对21一三体综合征检测准确 率高达97.90%~100%,精确度均为100% 咖。这一基 于妊娠妇女外周血血浆DNA ̄tJ序的方法具有准确 率高、无创、高通量、容易质控等优点。2011年10月 sequenom公司在美国正式开展针对21一三体综合征 的无 ̄mJDNA产前检测临床服务。Liao等 和Lo等[291 通过对妊娠妇女血浆游离DNA进行高达65x人类基 因组覆盖度的测序分析,检测出胎儿携带有不少于 父源95%特异性SNP,通过测序结果推导出胎儿和 妊娠妇女基因组遗传图谱,成功检测出1例胎儿遗 传了父亲的地中海贫血症基因4 bp的已知碱基突 变。目前,无创产前诊断技术可通过性别鉴定,防止 具有患x一连锁的孟德尔遗传病的胎儿出生。对于其 他遗传方式的孟德尔遗传病,由于母体外周血血浆 中胎儿游离DNA所占比例较低,无法排除母体本身 背景的干扰,因而目前检测仅仅局限于父源的突变[3o1。 2临床遗传咨询在单基因病产前诊断中的意义 遗传咨询是临床遗传学的重要组成部分,其理 论基础是孟德尔发现的分离定律、自由组合定律以 及摩尔根发现的连锁与交换定律。自1906年有遗传 咨询至今,遗传咨询模式经历了4种变化,即优生模 式(eugenic mode1)、医学和预防模式(medica reventive mode1)、做出决定模式(decision—making mode1)和心 理治疗模式(psych0ther印eutic mode1)。为适应基因 组医学的迅速发展以及对遗传咨询师本身职业的 新要求,美国国家遗传咨询协会(National Society of Genetic Counseling,NSGC)于2006年5月对遗传咨询 重新定义,即:帮助人们理解和适应遗传因素对疾 病的作用及其对医学、心理和家庭的影响。包括:① 通过对家族史的解释来评估疾病的发生或再发风 险。②进行有关疾病的遗传、实验室检查、治疗处理 及预防的教育,并提供与疾病有关的各种可以求助 的渠道及研究方向。③辅导促进知情选择和对所患 疾病及其再发风险的逐步认知和接受。在美国等国 家遗传咨询已作为一门医学专科,通常是由一组人 员来提供此项服务,包括遗传咨询师、临床遗传学 家、遗传护士和遗传学实验室专家等。美国媒体曾 指出,美国应拥有的遗传咨询师数量应与律师的数 量相当。与国外相比,国内遗传咨询仍处于起步阶 段,遗传咨询由相关专业的专科医师和遗传学专家 共同承担。相较于中国人口基数,中国目前能提供 遗传咨询的机构还非常少,而生育政策和国民的普 遍意识及经济承受能力,又使得社会对遗传咨询工 作有广泛的需求。单基因病产前诊断中遗传咨询的 核心意义在于就一个家庭中遗传病的发生或再发 风险,避免相同患儿的出生。 3 中国单基因病产前诊断的现状及存在的问题 目前,一些医学遗传基础较好的医学院所如中 ・436・ 国际生殖健康/计划生育杂志2013年11月第32卷第6期JlntReprodHeakh/FamPlan,November2013,Vo1.32.No.6 国协和医科大学、中南大学医学遗传学国家重点实 验室等一些三级甲等以上的医院或省级妇幼保健 医院均开展了单基因病产前诊断服务。201 1年湖南 家辉遗传专科医院在湖南长沙成立,成为中国首家 遗传病诊断和防控的遗传专科医院。上述开展该项 目的服务机构从技术层面看,基本能够做到紧跟科 技发展前沿,不断更新和完善。因此,问题主要存在 于体制和宣传教育方面。首要表现在临床工作和基 因诊断的脱节,大多数临床执业医师没有接受过系 统的医学遗传学培训,不能对实验室基因诊断结果 进行详尽的解读;其次是基层医疗机构对于单基因 病产前诊断认识不足,常常出现丈夫带着未行基因 诊断的患儿(或已去世)和妊娠中期的妻子来医院 就诊,造成诊断时间上的延误,对医患双方均造成 较大的心理压力。 4展望 在发现“母体外周血血浆中存在胎儿游离DNA” 这一现象十余年后,NIPD已经成功地运用于临床实 践中。目前可以作为初步的测试用于确定胎儿性 别、胎)LRhD血型以及父系遗传的基因突变。此外, NIPD在PGD中也具有巨大的应用前景,从而帮助某 些妊娠困难的夫妇避免胎儿丢失的风险。对于患有 x一连锁疾病家系的高危胎儿,可通过性别鉴定来减 少50%的有创手术风险。目前,对胎儿母源性基因突 变的检测仍处于研究中,相信在不久的将来可以攻 克这一难题[3tl。而对于NIPD是否能完全取代传统的 有创产前诊断一直存在争议。即使是目前运用较为 成熟的无创非整倍体产前诊断,仍需最终采用羊水 或脐带血穿刺来进行最后的验证。Ohno等[321认为 NIPD作为筛查工具比作为诊断工具具有更高的效 益成本比以及更低的正常妊娠胎儿丢失率。因此短 期内NIPD作为传统单基因病产前诊断的补充是比 较合理的。 由于国内目前尚没有遗传咨询师这一职业设 置,同时基于社会对遗传咨询的广泛需求和优生优 育的基本国策,最便捷的满足需求的方法是尽快开 展遗传咨询师的相关培训,培养能够处理常见基本 遗传学问题的遗传咨询队伍。同时,积极开展遗传 咨询师的继续教育,使遗传咨询人员的知识不断更 新、掌握最新动态。 参考文献 [1】 Schmidt HH.Introducing sin e—nucleotide polymorphism markers in the diagnosis of Wilson disease[J1.Clin Chem,2007,53(9): 1568-l569. 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