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产前DNA测序:基因组革命的下一个前沿

2013年04月25日

  2013年1月7号,Illumina——这家世界上最广泛使用的DNA测序仪的生产商以3.5亿美元收购了Verinata公司。而Verinata不过是一家几乎还没有收入的创业公司。吸引Illumina的是Verinata的先进技术:对未出生胎儿进行DNA测序。

  Verinata是美国快速发展的产前DNA检测市场中使用Illumina测序仪的四家公司之一。这些在过去一年半中出现的检测技术可以通过一小管母亲血液中痕量的胎儿DNA而检测唐氏综合症。在以前,唐氏综合症检测意味着要从胎盘或羊水中获取胎儿的细胞,这些方式都具有一定的流产风险。

  无创筛选更加安全方便的优势使得它成为最快被接受的检测,也成为Illumina测序仪在医学上的一个重要的新应用,而此前,测序仪主要用于实验室研究。在1月份,Illumina公司CEO Jay Flatley告诉投资者说,他预计在美国每年将有200万女性进行这种检测,占了所有孕妇数量的一半。“这么快就从实验室研究发展到获得用户认可,这在医学检测上是前所未有的,”塔夫茨大学母婴研究所的执行所长、Verinata公司临床顾问Diana Bianchi说。

  Illumina公司CEO Jay Flatley

  而唐氏筛查可能还仅仅是产前DNA测序的开始。一些和Verinata一样推出唐氏综合症检测的实验室和公司还宣称他们已经掌握了如何从母亲的血液中获取更多信息——包括胎儿全基因组序列——的方法。这是技术上的突破,可能也是商业的突破。怀孕伴随着希望、焦虑,孕妇会频繁地看医生,这可能是基因组测序实现其主要的消费应用的领域。

  “我认为,我们将可以在妊娠早期对每一位胎儿的基因组,至少是部分基因组进行测序。”美国贝勒医学院人类遗传学专家、儿科医生Arthur Beaudet说。目前,一些患者为了了解自己的遗传性疾病或诸如癌症等疾病而接受基因组测序,但是将来人类无需等到发病了才去做测序。“我们可以在出生时就知道相关的信息,”他说。

  不过这些并非触手可及。一个问题,通过母亲的血液而获取胎儿的DNA序列需要进行大量重复测序,这对于常规应用来说太昂贵了。(Illumina目前对成人基因组测序收费9500美元,对胎儿基因组进行测序则成本更高。)同时还存在一个技术问题:胎儿基因组测序结果的准确度还不足以用于诊断。在伦理上存在问题,这一技术在美国是一个雷区。当一个胎儿还在子宫中时,他的遗传命运就被我们知道了,我们该作何选择呢?

  “从技术上将,在我们想明白是否应该这样做之前,所有的这些问题都是有可能的,”华盛顿大学基因组学科学家Jay Shendure说。“获得全基因组后,然后用来做什么呢?还有很多事情需要理顺”。Shendure同时还为Verinata公司的竞争对手Ariosa服务。去年夏天,美国的两个实验室开展的研究证实利用母亲的血液可以获取胎儿基因组信息,Shendure参与了这些研究。他说目前为止这些针对胎儿的研究——包括他自己进行的研究——都是回溯性的研究,也就是说研究所用的血样都是医院先前所存留的。不过,Shendure表示他目前正在联合斯坦福的医生在孕妇中实施这一技术。换句话说,最快在今年就会有第一例在出生前就进行过全基因组测序的婴儿出生。

  全基因组

  1997年,香港科学家卢煜明的研究发现,在孕妇的血液中含有大量胎儿DNA碎片。这些DNA来自于与胎盘中死亡并破裂的细胞。根究卢煜明的研究,母亲血液中游离的DNA中有15%是来自于胎儿。通过快速的DNA测序技术,这些片段可以转变为大量的信息。

  卢煜明教授

  唐氏综合症会导致患者在认知和身体上的障碍。为了筛查这种疾病,遗传学家一般利用显微镜对通过羊膜穿刺术获得的胎儿细胞进行染色体数目观察。如果在21号染色体上出现多余的染色体拷贝,则意味着胎儿会发生唐氏综合症。

  为了从几毫升母亲血液中获得和羊膜穿刺术相同的信息,科学家们采用了卢教授最先提出的一种方法。他们对这些数百万计的循环DNA片段(通常在50至500碱基长)进行随机测序。然后通过计算机程序将这些片段根据人类染色体图片进行拼接。剩下的就是计算了,如果测序得到的信息超过组成21号染色体所需的量,则说明存在额外的拷贝,胎儿则有可能发生唐氏综合症。这种方法很巧妙,因为无需考虑哪些是母亲的DNA,哪些是胎儿的DNA。相同的方法也可以用于检测18号染色体和13号染色体的三体综合征,以X染色体的缺失或复制现象——这些均会导致出生缺陷。

关键词:产前  DNA测序  基因组革命