卢煜明母体血液 母体血液中的胎儿基因

根据孕妇血液中DNA序列上含有的变异的相对数量,就能够推断出胎儿的基因组序列。这种非侵入性诊断技术的发展产生了一些影响。

在二十世纪中叶之前,人类胎儿的健康检查仍然是非常原始的,主要是通过子宫触诊来评价胎儿生长情况。然而,在过去三十五年里,胎儿成像技术与母体血液中化学成分的检测技术得到了飞速发展,极大地提高了对胎儿健康情况的评估能力。

近日Fan等人证实,目前已经有可能从一小勺母体血液中准确地确定胎儿的全基因组序列。但是仍应当慎重考虑这种非侵入性产前筛查技术可能会产生的潜在影响,特别是由于这项技术是在许多医疗保健服务人员对分子遗传学的复杂概念并不了解的情况下发展起来的。

Fan等人通过对母亲血浆中的游离DNA进行测序,确定了两个无血缘关系的胎儿的全基因序列(即DNA核苷酸的排列顺序,由字母A、G、T和C表示)。在妊娠过程中,胎盘中的细胞会发生程序性细胞死亡,进而不断向母体血液中释放大量核酸,因此孕妇血液中既含有自身的DNA,也含其胎儿的DNA。

由于人类是二倍体生物(即每条染色体均存在两个拷贝),因此孕妇血液中含有三个单倍体(单拷贝)的基因组:两个单倍体来源于自身的基因组(其中一个单倍体传递给胎儿,另一个未传递),另一个单倍体基因组由父亲传递给胎儿(图1)。

图1 胎儿基因组的追溯。在人类细胞中,每条染色体均存在两个拷贝,因此每个DNA序列也存在两个拷贝。然而,卵子细胞与精子细胞中每条染色体只有一份拷贝,但这一份拷贝却混杂有同源染色体对中两条染色体的序列信息。

在细胞复制过程中,染色体发生重组,一长段DNA序列紧密相连,形成一个物理单位,这段DNA序列称为单体型(haplotype)。当受精过程中,卵子细胞与精子细胞结合,胎儿基因组就获得了一份母亲的单体型和一份父亲的单体型。

a,亲代同源染色体之间的序列存在一些细微的差异,根据这些差异就能够推断出胎儿单体型来源于哪条染色体;在本示例中,该染色体位置上的胎儿基因组来源于母亲的“黄色”染色体和父亲的“深蓝色”染色体。

b,孕妇血液中含有自身的DNA和胎儿的DNA。因此,对于每种单体型而言,血源性DNA 就包含有胎儿遗传的父体序列拷贝(蓝色)、未传递给胎儿的母体序列拷贝(桔红色),以及胎儿遗传的母体序列拷贝(黄色),而母体遗传给胎儿的序列拷贝数要比未遗传的序列拷贝数(桔红色)多。

随着快速的、经济有效的DNA测序技术的出现,就意味着现在已经有可能能够对样本中特异性DNA分子的数量进行计数。最近有研究发现,亲代将长片段DNA以整体形式(被称为单体型)传递给他们的后代,Fan等人根据这些研究结果来进行实验设计。

在某些含有单体型的DNA序列中,母体同源序列的两个拷贝之间仅存在一个DNA碱基的差异——称为单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism);Fan等人尤为关注这些DNA序列。

随后,他们统计了这些差异序列的数量,并运用了以下前提条件:即在血浆DNA中大量存在的单体型相当于胎儿遗传自母体的那部分基因组(图1)。此外,有些DNA序列存在于母亲血浆DNA中,但是并不存在于母体基因组中,Fan等人通过检测这些DNA序列,来推测父体对胎儿基因组有多大的贡献。

在第二系列试验中,Fan等人重点研究了基因组中与临床更加相关的“外显子组”部分——即编码蛋白质的DNA序列。外显子组比整个基因组要小很多,因此研究者们能够更加详细地分析特异性DNA序列,并且能够区分出哪些序列变异是由亲代遗传的,而哪些变异是新发生的突变。

研究者们运用这两种方法检测了两名孕妇的血样。其中一名孕妇的第22号染色体上存在有一个大片段序列的缺失,这种缺失性变异与一种名为迪格奥尔格综合症(DiGeorge syndrome)的疾病有关。通过分析第22号染色体上缺失区域附近的基因,研究者推断出,发生缺失变异的第22号染色体上的单体型大量存在于母体血液中,这表明胎儿与母体都拥有这段变异的DNA,并因而会同样发生迪格奥尔格综合症。

这一研究发现证实,即使胎儿携带有与母体相同的变异,也能够进行非侵入性产前诊断。

另一项由Kitzman等人做出的研究报告促使该项技术在一个月之内得到发展。Kitzman等人的报告指出,通过检测母体、父体的血样和脐带血中的DNA序列,可以推断出胎儿携带的基因型。尽管父体DNA样本能够使检测分析更加容易,但是Fan等人的研究也指出这并不是必需的做法。此外,将父亲的DNA序列与胎儿的序列进行比较,有可能会揭露出错误的亲子关系,而Fan等人的方法就能够避免这种情况发生。

我们能对胎儿基因组进行非侵入型测序,这如何能够改善产前保健水平呢?Fan等人设想,这项技术能够使医生在分娩后立刻治疗新生儿的遗传病。但是我认为,我们应当更加有效地运用这些测序信息,以便于当胎儿仍在子宫内时就开始治疗。

然而,引人注目的是,在我们还没有全面考虑新生儿DNA的全基因组测序可能会产生哪些影响之前,我们目前就已经有三例对胎儿基因组进行非侵入性测序的示例了。不论从伦理方面还是临床方面而言,胎儿的情况比新生儿更加复杂,主要原因有两条:第一,“患者”在子宫内,不能对其进行全面检查;第二,准父母可以选择终止妊娠。

因此,这些研究也提出了许多伦理学问题和实际问题:准父母们和医生们该如何运用这些基因组信息呢?例如,Kitzman等人通过胎儿基因组进行测序,检测出了44个自发性点突变。其中一个突变能够使ACMSD基因编码的蛋白质发生单个氨基酸的替换,这个氨基酸替换与帕金森病(Parkinson’s disease)有关;这就说明这一突变将会对未出生孩子的晚期生活产生重要的临床意义。

准爸妈们是否想要知晓这种信息呢?现在,我们将这个点突变乘以几百——这是全基因组序列中能够获得的“显著性”遗传信息的合理数量,并设想在什么时候通过什么方式向准父母们提供遗传资讯,向他们解释所有这些数据的含义。

尽管常规化胎儿基因组测序似乎依然是未来主义的概念,但是目前美国与中国已经向一些高危孕妇提供了染色体数目异常的非侵入性产前诊断服务。通过胎儿基因组测序可以获得大量遗传信息,然而,在我们能够以一种有用的方式来应用这些信息之前,我们应当缩小检测技术和其结果的临床解释之间的缺口。为了让准父母们了解其胎儿的碱基排列情况,我们需要投入大量人力物力,使医疗保健服务人员了解人类基因组的相关知识。