随着当今社会不孕不育的现象越来越普遍，人们对辅助生殖的需求也越来越大。胚胎植入前基因检测（PGT）可从体外受精胚胎中筛选一些细胞并检测相关遗传病和染色体疾病，已被广泛应用于临床实践中。但由于胚胎活检中DNA的数量和质量有限，全面分析胚胎基因组仍存在成本高、耗时长、等位基因缺失相关检测不准确等，大大阻碍了基因中罕见有害变体的检测。
为了克服上述限制，美国MyOme公司研究团队扩展了全基因组重测序（WGR）策略，该策略通过亲本基因组测序和胚胎基因分型来预测胚胎的遗传基因组序列。研究团队将这种方法应用于10对夫妇的110个胚胎，评估了其未来患癌症、糖尿病和其他10种常见疾病的风险，最终证明胚胎WGR是可行的，并可以精确计算多基因风险评分（PRS）。此外，研究发现，第5天胚胎活检中多基因风险评分相关位点的基因型准确率为99.0%~99.4%，第3天胚胎活检中基因型准确率为97.2%~99.1%。该研究结果已发表在Nature Medicine上，文章题为“Whole-genome risk prediction of common diseasesin human preimplantation embryos”。
文章发表于Nature Medicine
该研究样本来源于通过机构审查委员会（IRB）协议进行体外受精（IVF）和临床PGT的夫妇，DNA样本从10名拥有PGT检测结果的出生婴儿获得。非整倍体植入前基因检测（PGT-A）结果显示，68个胚胎为整倍体，42个胚胎携带一条或多条非整倍体染色体。胚胎WGR是通过对父母双方进行基因组测序和同胞胚胎的阵列检测来实现的。分子和统计方法的结合将亲本变体与对应于个体染色体的“单倍型”联系起来。此外，相关单倍型片段的组装以重建近似整个胚胎基因组。
研究人员通过将基因型预测与出生婴儿的实际基因型进行比较，以评估WGR的准确性。该研究预测胚胎中平均有580万个位点（图1），范围为 5.4 ~ 640万个变体。与出生婴儿相比，第3天胚胎活检WGR预测准确率为96.3%~98.4%，第5天胚胎活检WGR准确率为98.0%~98.9%。
图1.WGR方法，来源：Nature Medicine
在四对夫妇中，研究人员利用DNA长片段进行了一种改良的文库制备（转座酶联长读长测序，TELL Seq）捕捉罕见变异的阶段（图2）。结果显示，WGR方法能够预测胚胎基因组中的罕见和常见变异。
研究人员利用重建的胚胎基因组来计算PRS，发现第5天的外胚层活检病例中，多基因风险评分相关位点的基因型准确率为99.0%~99.4%（图1）。
图2. 对罕见变异进行WGR，来源：Nature Medicine
随后，研究人员分析了不同家族胚胎之间以及家族内同胞胚胎之间的疾病风险差异，基于基因组，预测胚胎可能在几十年后发展的常见疾病易感性：乳腺癌、结直肠癌、胰腺癌、前列腺癌、房颤、冠状动脉疾病、慢性疾病、溃疡性结肠炎、狼疮、白癜风、1型和2型糖尿病。例如研究中的一些胚胎患房颤的风险是其他胚胎的两倍。
在预测乳腺癌易感性遗传风险的家族内和家族间差异时，研究人员分析了PGT中单基因和多基因变体的潜在影响。在一对有乳腺癌家族史且因单基因疾病接受PGT治疗的夫妇中，研究人员在母亲中发现了致病性BRCA1变体，在该家族的20个整倍体胚胎中，研究人员预测到13个胚胎携带致病性BRCA1变体。研究人员将携带致病性BRCA1或BRCA2变体的效应与多基因模型的效应结合起来，计算每个胚胎的单一风险预测，发现预测的乳腺癌遗传风险在胚胎中变化了15倍，范围从0.35~5.35（图3）。
图3. 对有乳腺癌家族史、BRCA1变体和多个胚胎的研究参与者进行多基因/单基因预测，来源：Nature Medicine
此外，研究人员探讨了PGT中多基因疾病的PRS单独使用是否会导致高风险胚胎的意外移植。在14个低PRS的胚胎中，9个携带了致病性BRCA1变体。通过比较其他夫妇胚胎的乳腺癌风险，除BRCA1突变的胚胎外，大多数胚胎的乳腺癌发生率预计不到两倍或更高（图4）。
图4. 10对夫妇及其胚胎的乳腺癌基因组风险预测，来源：Nature Medicine
综上所述，该文章在临床前研究中证明了胚胎WGR是可行的，与10名出生婴儿的基因组样本的结果相比，胚胎WGR能够准确计算PRS。研究还观察了不同家庭和同胞胚胎疾病风险预测的异质性，利用胚胎WGR对常见变异进行PRS检测，结合罕见变异分析能更好地预测疾病风险的异质性。因此，胚胎WGR可能对推断遗传基因组序列，以及为有个人和/或家族病史的夫妇进行IVF时的胚胎预测遗传风险建模具有重要作用。
参考资料：
1.Kumar A, Im K, Banjevic M, et al. Whole-genome risk prediction of common diseases in human preimplantation embryos. Nat Med. 2022;28（3）:513-516. https://www.nature.com/articles/s41591-022-01735-0
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