[技术] 首个女性个人遗传图谱完成：创造完美人类
2013年12月20日，著名学术期刊《细胞》杂志发布世界上首个人类女性个人遗传谱图。在这篇题为《Genome Analyses of single human oocytes》的论文中，来自北京大学的研究团队应用单细胞基因组高通量测序技术首次详细描绘了人类单个卵子的基因组，并将这种新方法应用到人类体外辅助生殖中。这项研究的先进性在于在卵子被用于胚胎移植之前，研究人员就能够通过分析卵子的两个极体细胞推断获得卵子本身的全部基因组信息，从而减少严重先天性遗传缺陷婴儿的出生，降低辅助生殖的遗传风险，提高人口素质，为育龄夫妇和全社会减轻医疗负担和社会抚养负担。该研究团队由北京大学生物动态光学成像中心汤富酬研究组、谢晓亮研究组和北京大学第三医院妇产科乔杰研究组组成。目前广泛应用在体外受精过程中的遗传分析技术是通过从胚胎中分离出一个或几个细胞来确定胚胎的染色体数目或筛查特定的基因突变。第三医院妇产科主任乔杰认为，与全基因组测序分析方法相比，这些传统遗传分析方法得到的遗传信息量很有限，而且从正在发育的胚胎中取出一个细胞也有可能会影响胚胎的后续发育。在人类卵子的形成过程中，两个包含有基因组拷贝的独立结构（极体细胞）被转移到卵子细胞的外缘，这两个极体细胞能够在卵子接受体外受精时被无创地分离出来，并且他们的DNA成分能够被测序分析。然而无论是分析这些卵子附属结构（极体细胞）还是分析单个胚胎细胞，医生和研究者们都面临着一个严重的挑战，那就是如何从样品中获得足够多的用于遗传检测的DNA。要想分析一个单细胞的基因组，其遗传物质就必须被复制或者“扩增”。但是这个“扩增”过程是不完美的。基因组中某些区域可能比其他区域产生更多的拷贝，同时复制也有可能改变原始基因组序列信息。如果要将这种技术作为一个临床筛查和诊断的潜在工具，这两种错误都令人担忧。MALBAC单细胞基因组高通量测序技术最早是由著名华人科学家、哈佛大学的谢晓亮教授发明的。“我们必须将犯错的可能性降到最低。”谢晓亮教授说。他的实验小组发明了一种更均匀地复制遗传物质的基因组扩增方法，然而这种方法在扩增过程中也不可避免地引入了单核苷酸的改变。尽管没有一种扩增过程是完美的，但研究人员仍希望谢晓亮的方法或者其他改进后的方法能够推动整个领域的前进。在这项研究中，通过对单个卵子全基因组进行高精度的分析，研究人员成功地对二倍体的人类基因组进行分型，确定了卵母细胞减数分裂中的同源重组位点，首次建立了人类女性的个人遗传图谱，并且对交叉互换干扰和染色单体干扰等遗传重组特点进行了全面的分析。研究人员进一步探索了该研究成果对植入前遗传学诊断的重要指导意义。通过对每个卵子两个极体的基因组进行高精度的分析，研究人员能够准确地推断出卵子中基因组的完整性以及携带的遗传性致病基因的情况，从而选择出一个正常的，没有遗传缺陷的胚胎用于胚胎移植。“在人类基因组三十亿个碱基中诊断出一个碱基的遗传突变，就如同大海捞针，需要很高的扩增准确率和很高的测序深度”汤富酬研究员说，“幸好我们有两套分开的基因组信息，我们就能够根据继承的是哪套遗传物质来判断是否遗传某个单基因突变”在这项研究中，遗传检测将告诉每位接受体外受精并且了解自己家族携带遗传缺陷的准妈妈，她的每一个卵子是否携带了这个已知的遗传缺陷。乔杰教授说，那些在体外受精过程中已经失败了三次以上并且查不出原因的女性也可以参加这项试验。该试验将验证DNA测序技术结合基因组扩增技术能在多高的精度上检测出可能导致疾病或者生育问题的基因组变化，例如单核苷酸变化以及更大的染色体结构或数目变化。“单个卵母细胞测序技术有一个局限”，乔杰说，“就是只能用于检测女方家族的遗传疾病，因为它只检测卵子发育过程中附属结构的遗传物质，而非精子的遗传物质。要想检测来自男方的遗传疾病或新发突变，需要对受精后胚胎进行检测，本研究中对胚胎也进行了初步分析。”每年约有11,000对不孕不育夫妇在北医三院生殖中心接受体外受精治疗。“我们每年会遇到很多疑难病例，”乔杰说，“我们相信通过我们的努力能够进一步减少遗传疾病的发生率，提高正常妊娠率。”著名癌症生物学家和遗传学家、美国Jackson 实验室总裁、CEO Edison Liu博士评论说：“该项研究成果将对人类生殖史产生里程碑式的影响。”北京大学生物动态光学成像中心谢晓亮教授、汤富酬研究员及北京大学第三医院的乔杰教授是该论文的共同通讯作者，研究生侯宇、樊伟和闫丽盈博士是这篇论文的共同第一作者。该项研究得到了国家重点基础研究计划，国家自然科学基金, 北京市科学技术委员会前沿技术专项以及北京大学985三期临床医院合作研究专项的支持。2013年12月出版的《自然》杂志也同步对这项研究进行了报道。英国BBS电台也对该项研究成果进行了报道。
