*本文轉載自公眾號「生物探索」
無創(chuàng)DNA產前檢測，英文全稱Non-invasive Prenatal Testing，簡稱NIPT，是一種在新生兒出生前檢測其是否存在染色體異常的檢驗方法。這種檢測方式，無需羊水穿刺 (在超音波導引之下，將一根細長針穿過孕婦的肚皮，子宮壁，進入羊水腔，抽取一些羊水的過程叫作“羊水穿刺”)，只需采集孕婦外周血便能夠進行篩查，從而避免了產婦感染和流產的風險。
為什么僅僅通過孕婦外周血就能了解胎兒的遺傳突變呢？1997年，香港中文大學教授盧煜明首次發(fā)現(xiàn)，在懷孕期間，母親的血液中含有胎兒游離的DNA (cfDNA)，對這些DNA片段進行測序，竟然可以結合生物信息分析得計算胎兒患染色體非整倍體的風險，從而不僅能夠檢測到胎兒是否患有三大染色體疾病 (21三體綜合征——唐氏綜合征、13三體綜合征——帕陶氏綜合征、18三體綜合征——愛德華氏綜合征)，還可發(fā)現(xiàn)其他染色體非整倍體及染色體缺失/重復。
唐氏綜合征 (21三體綜合征)
(圖片來源：美國國家人類基因研究所)
上面也說到了，這些被檢測的DNA是一些游離片段，其大小約100多bp。想象一下，人的基因組大概是3,000,000,000bp以上，這片段是不是少到可憐呢？是的，在NIPT的初始年代，很難實現(xiàn)穩(wěn)定地對胎兒基因進行測序。但隨著高通量測序技術 (NGS) 應運而生，NIPT技術也逐漸走向成熟，也在產前檢測市場占據重要位置。
基于兩種測序方法的臨床應用
目前，NIPT 技術在臨床上的應用，主要基于兩種基本測序方法來分析cfDNA：隨機測序 (全基因組測序，WGS) 和靶向測序 (僅對特定染色體的cfDNA進行測序)。目前基于NIPT分析的大多數(shù)計算方法都可適用于低覆蓋率的全基因組測序 (WGS)，而不適用于高覆蓋度的靶向等位基因計數(shù)的測序。
胎兒染色體非整倍體產前篩查中
母體血漿DNA測序的兩種主要方法
(圖片來源：參考資料[2])
為了破解這一難題，提高產前檢測的精準性，來自赫爾辛基大學、塔爾圖大學和愛沙尼亞健康技術能力中心 (CCHT) 的研究人員們開發(fā)了一項基于高覆蓋率序列的NIPT新型計算框架，該算法可從高覆蓋度的靶向測序數(shù)據中檢測胎兒三體性和三體染色體的親本起源。相關內容已發(fā)表在《PLOS ONE》雜志上。
(圖片來源：參考資料[1])
靶向測序再出發(fā)
計算框架包括三個步驟
(圖片來源：參考資料[1])
該研究的主要作者、高級研究員Priit Palta博士表示，計算框架包括三個步驟：①模擬懷孕的cfDNA樣本與胎兒的整倍性，母系或父系遺傳的三體性；②使用基于隱馬爾可夫模型 (HMM) 的讀數(shù) (RC)，等位基因比率 (AR) 和組合 (RCAR) 模型對樣本進行基因分類；③使用HMM模式，決策樹 (DT) 或支持向量機 (SVM) 對基因座分類結果進行染色體分類。所使用的模型是由模擬數(shù)據集開發(fā)的，涵蓋各種染色體數(shù)量的生物學相關情景，如父母來源的額外染色體、胎兒DNA分數(shù)和測序閱讀深度。
研究結果發(fā)現(xiàn)，基于讀數(shù)計數(shù)的HMM在檢測胎兒整倍性和模擬數(shù)據集三體性方面達到了0.89的最佳總體分類準確度。此外，通過在HMM分類結果上使用DT和SVM，可以將最終的三體分類準確度分別提高到0.98和0.99。
讓人驚訝地是，即使胎兒分數(shù)低至2％，基于讀數(shù)和基于等位基因比率的模型也可以實現(xiàn)檢測胎兒三體性的高準確度 (高達0.98)。這意味著，這一新型算法框架可以在更高覆蓋率的測序數(shù)據中實現(xiàn)更準確的檢測，可以顯著改善了三體性檢測的精準性。特別是，在臨界情況下 (例如，非常低的胎兒分數(shù)) 甚至在懷孕10周之前執(zhí)行NIPT也同樣合適。
Kaarel Krjut?kov博士
(圖片來源：CCHT)
