染色体微阵列技术原理染色体微阵列技术原理与临床应用与临床应用金域医学检验中心袁海明一.出生缺陷概念及概况二.遗传病常见诊断方法及比较三.染色体微阵列技术临床应用四.病例分享五.染色体微阵列技术局限性、结果判读及带来的挑战一.出生缺陷概念及概况出生缺陷出生缺陷也称先天异常，是指由于遗传因素、环境因素或两者共同作用于孕前或孕期，引起胚胎或胎儿在发育过程中发生解剖学结构和/或功能上的异常。2012年卫生部统计我国出生缺陷率达年卫生部统计我国出生缺陷率达5.6%，每年新增每年新增出生缺陷患儿出生缺陷患儿90-120万例。万例。随着二胎政策的全面放开，孕妇年龄增加及环境因素影响，估计出生缺陷数量还会增加。保守估计，我国有上千万的罕见病群体，几乎无法得到有效诊断和治疗，甚至遭到严重歧视。出生缺陷出生缺陷出生缺陷遗传因素遗传因素环境因素环境因素（理、化、生物因素、生活方式）（理、化、生物因素、生活方式）遗传遗传+环境因素环境因素染色体异常（所有新生儿中，染色染色体异常（所有新生儿中，染色体异常占体异常占0.92%，多为新发而非遗，多为新发而非遗传）传）单基因突变（多为孟德尔遗传，少单基因突变（多为孟德尔遗传，少数为新发）数为新发）基因基因组：细胞核胞核DNA成分和成分和线粒体粒体DNA分子的分子的总和和基基 因因: 基因基因组内一个个具体的内一个个具体的结构和功能构和功能单位位染色体：基因的染色体：基因的载体体细胞核胞核DNA: 46条染色体，条染色体，30亿个碱基，个碱基，编码21000个个基因。基因。线粒体粒体DNA: 双双链闭合合环状分子，状分子，16569个碱基，个碱基，编码37个基因，个基因，编码2种种rRNA、22种种tRNA和和13种氧化磷酸种氧化磷酸化相关蛋白。化相关蛋白。Progeria syndrome A point mutation of the LMNA gene longevity More than 150 genes prevents cholesterol buildupv 精确控制胚胎发育和分化的每一个步骤精确控制胚胎发育和分化的每一个步骤; ;v 决定了个体的所有生命特征决定了个体的所有生命特征; ;v 决定了个体决定了个体患各种疾病的可能性患各种疾病的可能性.遗传病：遗传物质发生突变所引起的疾病。遗传病：遗传物质发生突变所引起的疾病。种类：确定的遗传疾病超过种类：确定的遗传疾病超过7000种。种。 1、单基因病单基因病-涉及一对基因，涉及一对基因，AR、AD、XR、XD、Y连锁遗传病病。隐性遗传。隐性遗传4000，显性遗传，显性遗传3000。 2、多基因病多基因病-多对基因和环境共同作用所导致的疾病。多对基因和环境共同作用所导致的疾病。 3、染色体病染色体病-数目异常及结构异常引起的疾病。数目异常及结构异常引起的疾病。 4、体细胞遗传病体细胞遗传病-体细胞突变如肿瘤。体细胞突变如肿瘤。 5、线粒体病粒体病-线粒体功能异常粒体功能异常为主要起因的一大主要起因的一大类疾病。疾病。特征：垂直传递、终生性、发病率低、危害严重、家族性特征：垂直传递、终生性、发病率低、危害严重、家族性发病、多无有效治疗。成为危害人类健康的主要疾病。发病、多无有效治疗。成为危害人类健康的主要疾病。遗传病病Genetic/Genomic DisordersGenomic disorders (number)vTrisomy 21vTrisomy 18vTrisomy 13vMosaic trisomies of other chromosomesGenomic disorders (structure)vMore than 400 known disorders Monogenic disordersvDominant (4,000)vRecessive (3,000) Multigenic disordersvGenes + Environments二.遗传病常见诊断方法及比较遗传病的诊断染色体核型分析Karyotyping荧光原位杂交Fluorescence In Situ Hybridization (FISH)染色体微阵列技术Chromosomal microarray analysis (CMA)测序技术 First-generation-Sanger method Novel sequencing techniques传统核型分析技术u除了染色体非整倍体，染色体微缺失和微重复等基因组失衡是导致胎儿发育迟缓、畸形和其他先天性疾病的主要原因。Structural variation in the human genome and its role in diseaseJ. Annu Rev Med. 2010,61:437-55是目前较为成熟的遗传性疾病诊断技术是目前较为成熟的遗传性疾病诊断技术传统核型分析技术绒毛活检取材绒毛活检取材 孕中期羊膜腔穿刺羊水孕中期羊膜腔穿刺羊水 细胞培养细胞培养 染色体核型分析染色体核型分析染色体数量变化、平衡、不平衡易位、转位和显微镜下染色体数量变化、平衡、不平衡易位、转位和显微镜下可见的大片段缺失和重复。可见的大片段缺失和重复。 核型分析局限性材料受限，需要新鲜的组织、血样进行活细胞培养不能分辨长度在10Mb以下染色体片断的缺失、重复或易位染色体亚端粒区域异常诊断率较低不能检测LOH和UPD单细胞分析单细胞分析 高分辨率分析高分辨率分析荧光原位杂交技术（fluorescentin-situhybridization，FISH)可对相应位点的缺失、重复、易位及多倍体等染色体异常作出诊断可对相应位点的缺失、重复、易位及多倍体等染色体异常作出诊断 提高了染色体异常的诊断精度提高了染色体异常的诊断精度FISH探针能同时与分裂期染色体或间期核染色丝特异杂交探针能同时与分裂期染色体或间期核染色丝特异杂交-无需细无需细胞培养，可用于单细胞分析胞培养，可用于单细胞分析Chromosome 13q13-14荧光标记的荧光标记的DNA探针探针中期分裂相中期分裂相间期细胞核间期细胞核Chromosome 21q21FISH局限性只能检测已知突变的疾病，对背景未知的基因引发的疾病无法检测。不能分辨LOH和UPD一次最多只能检测5-8个位点，无法进行整个基因组的检测，增加探针又会面临准确性下降的问题。对植入前胚胎的检测，缺乏覆盖全基因组检测的能力 染色体微阵列技术（chromosomalmicroarrayanalysis）微阵列比较基因组杂交( (array comparative genomic hybridization, aCGH) )SNParray微阵列比较基因组杂交技术微阵列比较基因组杂交技术( (array comparative genomic hybridization, aCGH) ) aCGH技技术图示：正常示：正常对照照样品和患者品和患者样品基因品基因组DNA用两种不同的用两种不同的荧光染料光染料进行行标记（正常（正常样品用品用Cy3标记呈呈现绿色，患者色，患者样品用品用Cy5标记呈呈现红色）。色）。绿色峰色峰（Cy3）表明）表明红色信号缺失，与色信号缺失，与对照照样品相比患者品相比患者DNA样品品发生缺失。相反如果生缺失。相反如果Cy5信号增信号增强强显示示为红色峰（色峰（红色箭色箭头），表明患者），表明患者DNA样品特定基因品特定基因组区域区域发生生获得。得。aCGH芯片能芯片能够定位定位DNA拷拷贝数量数量变化在基因化在基因组的位置。的位置。lSNP芯片含有大量寡核苷酸探针，起初设计被用于检测SNP等位基因。lSNP芯片不仅能够研究拷贝数变异（CNV），而且还能够对SNP基因型进行分析SNParray染色体微染色体微阵列列(chromosomal microarray analysis,CMA)技技术优势l全基因全基因组范范围内同内同时检测染色体数目异常和染色体数目异常和结构异常如染色体微缺失构异常如染色体微缺失(deletion)和微重复和微重复(duplication)，并能，并能较准确的准确的测定其大小，并精确定位。定其大小，并精确定位。l不需要不需要细胞培养，可直接胞培养，可直接检测血液、羊水血液、羊水(amniotic fluid, AF)和和绒毛膜毛膜绒毛毛(chorionic villus sampling, CVS) 样本，出本，出报告速度更快，告速度更快，结果更加准确可靠。果更加准确可靠。l检测10%水平的嵌合体水平的嵌合体l鉴定定杂合子缺失合子缺失LOH和和单亲二倍体二倍体(uniparental disomy ，UPD)，亲缘关系的关系的分析。分析。l分辨率高：分辨率高：30Kbl结合全基因合全基因扩增技增技术，可以，可以进行胚胎全染色体行胚胎全染色体组的的检测-PGS/PGD自身局限性：自身局限性：不能检测染色体平衡易位不能检测染色体平衡易位(相互易位相互易位、罗伯逊易位罗伯逊易位、倒位倒位、平衡插入）平衡插入）不能检测点突变及串联重复序列扩增导致的遗传病不能检测点突变及串联重复序列扩增导致的遗传病(如脆性如脆性X染色体综合征）染色体综合征）不能检测到低于本平台检测下限的基因组不平衡现象不能检测到低于本平台检测下限的基因组不平衡现象不能检测三倍体以上的多倍体不能检测三倍体以上的多倍体会检测出临床意义不明拷贝数变异会检测出临床意义不明拷贝数变异(copy number variants, CNVs)。CMA基因芯片染色体核型分析FISH检测范围整套染色体数目异常和微缺失、微重复结构异常整套染色体数目异常，大片段缺失、重复，平衡及不平衡易位，倒位靶向检测细胞培养不需要需要两者均可单亲二倍体YesNoNo近亲结婚YesNoNo分辨率30Kb5-10Mb100Kb嵌合体YesYesYes染色体芯片与传统细胞遗传学技术比较染色体微缺失和微重复综合征染色体微缺失和微重复综合征概念：概念：染色体微阵列技术（chromosomal microarray analysis，CMA）和荧光原位杂交技术（florescence in situ hybridization， FISH）的应用，使许多用传统染色体核型分析难以识别的染色体综合征得以发现。这些综合征缺失和重复的大小多在几百Kb到几兆碱基对。与单基因病不同，其症状受多基因影响，因而又称连续性基因缺失或重复综合征(contiguous gene deletion or duplication syndrome）。大部分综合征不能被染色体核型分析所识别，因而成为微缺失和微重复综合征(microdeletion and microduplication syndrome）。 拷拷贝数数变异异(copy number variants, CNVs)： 指大于指大于1 kb染色体染色体变异异(基因基因组变异异)，包括核型分析，包括核型分析检测不到的基因不到的基因组微缺失和微重复，被微缺失和微重复，被发现广泛存在于人广泛存在于人类基因基因组中。已有大量研究中。已有大量研究证实CNVs与与许多疾病相关，多疾病相关，包括数百种染色体微缺失、微重复包括数百种染色体微缺失、微重复综合征，是先天畸形和合征，是先天畸形和神神经发育障碍的主要育障碍的主要遗传病因，包括智力低下病因，包括智力低下(mental retardation, MR)，自，自闭症症 (autism), 精神分裂症精神分裂症(Schizophrenia)等。等。三、染色体微阵列技术临床应用出生缺陷干预-关注生殖全程染色体异常染色体异常产前诊断产前诊断孕前诊断孕前诊断精子精子产后先天性疾病诊断产后先天性疾病诊断卵子卵子+胚胎胚胎胎儿胎儿新生儿、儿童新生儿、儿童早期诊断早期诊断早期干预早期干预改善预后改善预后夫妻双方检测夫妻双方检测正常正常再次生育再发风险低再次生育再发风险低致病片段携带致病片段携带再次生育再发风险高再次生育再发风险高 染色体微阵列技术临床应用染色体微阵列技术临床应用植入前遗传病筛查和植入前遗传病诊断植入前遗传病筛查和植入前遗传病诊断( (PGD/PGS) )产前诊断产前诊断产后遗传病诊断产后遗传病诊断反复习惯性自然流产病因分析反复习惯性自然流产病因分析对植入前胚胎或卵裂球作染色体和/或基因学检测，将无疾病胚胎植入子宫妊娠，并出生正常子代的技术辅助生殖与遗传学技术相结合的一种产前诊断方法关键点是建立单细胞遗传诊断技术孕前诊断孕前诊断-植入前遗传学诊断技术植入前遗传学诊断技术(preimplantation Genetic Diagnosis, PGD)l高龄产妇高龄产妇l反复体外受精失败反复体外受精失败l反复反复流产流产l严重的男性不育症严重的男性不育症l父母为平衡易位、倒位携带者父母为平衡易位、倒位携带者非整倍体是辅助生殖低妊娠率和高流产率的主要因素，PGS的目的是识别整倍体的正常胚胎转移，以实现增加怀孕的机会CMA植入前胚胎遗传学筛查植入前胚胎遗传学筛查/ /诊断适应人群诊断适应人群1 in 10 couplesCMA产前诊断适应人群产前诊断适应人群l父母为平衡易位携带者l胎儿B超检查发现异常l羊水染色体核型分析已发现异常，但无法确定异常染色体的确切位置或来源l胎儿发现新发的染色体相互易位，需进一步排除微缺失和微重复l希望更全面、更准确的了解胎儿染色体情况，以排除出生缺陷的可能性（生长发育迟缓，智力低下、自闭症等原因）产前诊断产前诊断产前诊断产前诊断1.用于检测用于检测CNV的染色体芯片（的染色体芯片（CMA)在在下列情况应作为一线检测手段下列情况应作为一线检测手段v非已知综合症的多发畸形非已知综合症的多发畸形v非综合症型的发育迟缓非综合症型的发育迟缓/智力低下智力低下v孤独症谱系疾病孤独症谱系疾病2.进一步明确发育迟缓、语言发育落后和进一步明确发育迟缓、语言发育落后和其他尚不明确遗传学病因的症状其他尚不明确遗传学病因的症状3.对于一些对于一些CMA检出不平衡的病例，建议检出不平衡的病例，建议用细胞遗传用细胞遗传/FISH进行确认，同时对父进行确认，同时对父母进行临床遗传评估和咨询母进行临床遗传评估和咨询产后出生缺陷患儿遗传病诊断产后出生缺陷患儿遗传病诊断The American Journal of Human Genetics 86, 749764, May 14, 2010 发育障碍和智力低下等先天缺陷疾病首选发育障碍和智力低下等先天缺陷疾病首选CMA产后出生缺陷患儿遗传病诊断产后出生缺陷患儿遗传病诊断21698例不明原因发育迟缓、低智，孤独症，多发畸形例不明原因发育迟缓、低智，孤独症，多发畸形芯片（芯片（CMA)检测：诊断率检测：诊断率15%-20%核型分析：诊断率仅核型分析：诊断率仅3% 金域检验（2013-2016）：4750例，26.3%截止2016年5月，金域检验已采用CMA检测出生缺陷/遗传病病例4750例，其中阳性病例1249例，检出阳性率达26.3%患者临床表型智力低下、发育迟缓、多发畸形、自闭症患者临床表型解析临床表型例数阳性率智力低下16916.0%发育迟缓29625.0%多发畸形11626.7%自闭症1237.3%癫痫1277.9%两个系统的异常52329.1%三个或以上系统的异常64633.9%智力低下、发育迟缓、多发畸形等为CMA主要适应症；合并不同临床表型病例，CMA诊断阳性率较高；CMA检出CNV类型分析CMA可检出微缺失/微重复、单亲二倍体、非整倍体、嵌合体等多种CNV类型CNV片段大于5MB（核型分析检测下限）:理想情况下核型检出率为4.95%，远低于CMA26.1%的检出率。检出微缺失/微重复综合征举例微缺失/微重复类型检测出最常见染色体522例阳性样本中所检测出的UPD类型及疾病相关性患者双亲评估十分必要为降低患者父母再生育风险，对于患者父母进行相关检测，可有效指导其再次生育。由于CMA不能检测染色体平衡易位，故核型分析和FISH技术在某些特定情况下仍具有优势。部分染色体微缺失/微重复阳性样本按其遗传方式分类小结CMA对于智力低下、发育迟缓、多发畸形等多种临床异常可有效诊断，明显优于染色体核型分析，可取代其作为遗传病诊断的一线检测手段；对于患者双亲后续遗传学检测及分析，要选择合适的方法学，做好遗传咨询工作，对再次生育做指导。染色体异常是导致流产的重要病因约10%15%妊娠会发生自然流产，其中绝大多数发生在孕早期，且50%左右是由于染色体异常所致。包括染色体数目异常占86%(包括非整倍体和多倍体)，结构异常(染色体缺失和/或重复)占6%，嵌合体占8%。（以往文献报道）染色体芯片对流产物检测目前流产物检测常用手段为核型分析与荧光原位杂交(fluorescentinsituhybridization,FISH)。核型分析：5Mb以上遗传物质改变，无法对许多具有致病性的染色体亚显微结构的变异-染色体微缺失/微重复做出检测。此外需对绒毛组织进行细胞培养，耗时较长，且容易污染。一些活性差的细胞生长受到抑制，或者母体细胞过度生长，这都会导致得不到准确核型。而临床上部分流产物已不具有细胞活性，导致培养失败。FISH检测：可避免细胞培养，然而仅能对特异染色体数目异常进行筛查，常用探针为13、16、18、21、22、X、Y探针，无法对与特异探针结合的其它染色体数目异常进行检测，因此存在假阴性的可能。CMA：可在全基因组范围内同时检测染色体数目异常和染色体微缺失、微重复等结构异常、嵌合体和ROHs等，无需细胞培养，实验周期短，结果更加准确可靠非整倍体中16三体所占比例最高(20.5%)，且均在孕早期流产。其次为Turner综合征(14.5%)，流产可发生孕期各阶段。绝大多数染色体非整倍体为新生突变，而D组(13,14,15)和G组(21,22)有发生罗伯逊易位的可能，建议夫妻双方做核型分析，排除罗伯逊易位的可能性。孕妇年龄为发生染色体数目异常高危因素，而本文小于35岁发生染色体数目异常导致流产占24.6%由于染色体结构异常导致流产81.25%为反复习惯性流产，提示夫妻双方是平衡易位(75%)，建议再次生育做PGD。染色体内部微缺失/微重复例如DiGeorge、Williams、Beckwith-Wiedemann等综合征流产发生在孕晚期，核型分析无法检测。UPD小结CMA能够提供快速、准确的流产物全基因组分析，能够检测染色体数目异常、结构异常、嵌合体和ROHs等，且无需标本培养，能提供比传统的细胞遗传学检测更多的遗传信息，可为流产病因分析和对夫妻双方再次生育指导提供更有价值的信息。指导下一次妊娠减轻患者不必要的心理负担。检测标本检测标本活检的单个卵裂球活检的单个卵裂球绒毛绒毛引产胎儿组织引产胎儿组织羊水羊水脐血脐血外周血外周血四.病例分享Association of CNV with obesityAssociation of CNV with obesityAssociation of CNV with epilepsy癫痫神经、精神系统疾病，例如ADHD,精神分裂症肥胖、矮小先天性心脏病过度生长综合征CMA出生缺陷检测适应症智力低下生长、运动、语言发育迟缓多发畸形自闭症谱系疾病主要适应症拓展适应症出生缺陷患儿检测流程出生缺陷患儿检测流程63Genotype first vs Phenotype firstWhole genome screening vs Candidate approach Graf WD, Le Pichon JB, Bittel DC, Abdelmoity AT, and Yu S. Practice parameter: evaluation of the child with microcephaly (an evidence-based review): report of the quality standards subcommittee of the American Academy of Neurology and the Practice Committee of the Child Neurology Society. Neurology. 2010;74(13):1080-1. Ledbetter DH. Cytogenetic technology-genotype and phenotype. N Engl J Med. 2008;359(16):1728-30.Bejjani BA and Shaffer LG. Clinical utility of contemporary molecular cytogenetics. Annu Rev Genomics Hum Genet. 2008;9:71-86. 五.染色体微阵列技术局限性、结果判读及带来的挑战自身局限性：自身局限性：不能检测染色体平衡易位不能检测染色体平衡易位(相互易位相互易位、罗伯逊易位罗伯逊易位、倒位倒位、平衡平衡插入）插入）不能检测点突变及串联重复序列扩增导致的遗传病不能检测点突变及串联重复序列扩增导致的遗传病(如脆性如脆性X染染色体综合征）色体综合征）不能检测到低于本平台检测下限的基因组不平衡现象不能检测到低于本平台检测下限的基因组不平衡现象不能检测三倍体以上的多倍体不能检测三倍体以上的多倍体会检测出临床意义不明会检测出临床意义不明CNV。由于由于CMA不能不能检测染色体平衡易位，故染色体核型分析和染色体平衡易位，故染色体核型分析和FISH技技术在某些特定情况下具有在某些特定情况下具有优势。染色体末端染色体末端发生缺失生缺失或或重复重复染色体末端同染色体末端同时发生缺失和重复生缺失和重复单亲二倍体：染色体二倍体：染色体D,G组非整倍体情况：染色体非整倍体情况：染色体D,G组染色体内部染色体内部发生缺失和（或）重复生缺失和（或）重复染色体微阵列检测结果会得出很多拷贝数改变染色体微阵列检测结果会得出很多拷贝数改变(copy number variants，CNV），其数据解读是个具有挑战性的工作。），其数据解读是个具有挑战性的工作。ACMG指南，指南，CNV分为分为五五个等级：个等级：临床致病性临床致病性CNV：包括明确的染色体微缺失：包括明确的染色体微缺失/微重复综合征微重复综合征临床可能致病性临床可能致病性CNV：与已知的微缺失：与已知的微缺失/微重复综合征的区微重复综合征的区域有部分重叠的域有部分重叠的CNV，含有可能致病基因的，含有可能致病基因的CNV临床意义不确定性临床意义不确定性CNV：在现有数据库及文献报道中，：在现有数据库及文献报道中，CNV区域所包含的基因缺失或重复对基因功能的影响未知区域所包含的基因缺失或重复对基因功能的影响未知可能良性可能良性良性良性CNV：正常人携带的：正常人携带的CNV。CNV 数据分析流程数据分析流程lInternational Standard Cytogenomic Array Consortium(ISCA): https:/www.iscaconsortium.org/lDatabase of Genomic Variants(DGV): http:/projects.tcag.ca/variation/lDatabase of Chromosomal Imbalance and Phenotype in Humans using Ensembl Resources (DECIPHER) : http:/decipher.sanger.ac.uk/lNational Center for Biotechnology Information(NCBI): http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/lUCSC Genome Bioinformatics Site：http:/genome.ucsc.edu/l Genetics home reference: http:/ghr.nlm.nih.gov/l GeneTests: http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/GeneTests/相关数据库相关数据库染色体芯片染色体芯片选择商商业化的化的全基因全基因组芯片：芯片：Affymetrix Cytoscan靶向微靶向微阵列芯片列芯片：波士波士顿儿童医院儿童医院ClariView Array(4180k）贝勒医学院勒医学院aCGH+SNP芯片芯片(4180k、2400k）ISCA研研发的的ISCA aCGH+SNP芯片芯片(4180k）香港中文大学研香港中文大学研发的胎儿芯片的胎儿芯片aCGH(444k）Thank You !