PNAS：半导体测序助力胎儿遗传病检测

　　日前，来自中国广州医科大学等机构的科研人员报告了一种基于半导体的DNA测序平台可能有助于增加胎儿遗传病检测的速度并减少成本，研究报告被发表在5月5日的PNAS网络先行版上。

　　什么是基于半导体的DNA测序?

　　半导体DNA测序平台是使用半导体生物传感器芯片，对DNA复制期间产生的氢离子进行实时测定。芯片上密布了数百万个微孔，每个微孔都是单独的反应器，包括一个待测序的DNA模板片段(一种微流控芯片技术)。在加入一种dNTP后，如果加入的这种dNTP和模板中的引导核苷酸互补，就会形成互补链。在形成互补链过程中释会放出一个氢离子(H+)，从而引起PH值的改变。通过实时测定PH值变化值逐步将遗传信息(DNA)翻译成DNA序列组合信息。

　　胎儿遗传病检测发展：从荧光检测到氢离子检测

　　过去对于有必要接受染色体异常检查的孕妇，传统诊断多采用羊膜穿刺或绒毛膜采样的方法，大多在怀孕12周左右进行。这些介入性方法有两大缺点：一是时间长，需要2周到3周才能出结果;二是穿刺针有不到1%的几率扎到胎儿，可能引发感染甚至流产。

　　自从1977年第一代测序技术出现之后，经过了30多年发展， 第三代测序技术已经初露端倪，并向着更快、更准、更便宜的方向发展。目前称得上第三代测序技术主要是Helicos公司的单分子测序技术、Oxford Nanopore Technologies公司的纳米孔单分子测序技术等。然而纳米孔单分子测序技术因为测序量较低而不能用于孕妇的胎儿DNA产前检测。

　　与第二代测序技术相类似，基于半导体的DNA测序平台也属于一种无创检测，其操作基本步骤与二代相似。当试剂通过继承的流体通路进入芯片中，密布于芯片上的反应孔立即成为上百万个微反应体系。这种独特的流体体系、微体系机械设计和半导体技术的组合，使得研究人员能够在两个多小时内获取从10Mb到1Gb以上高精确度序列。

　　只需抽取孕妇2毫升血样，就能诊断与染色体异常有关的先天缺陷，包括最常见的唐氏综合征、导致形体和器官多种异常的爱德华氏综合征等。这项研究的负责人、加州大学圣迭戈分校遗传医学研究所所长Kang Zhang说，这种高通量测序技术，能一次对几十万到几百万条DNA(脱氧核糖核酸)进行序列测定。可把诊断提前到怀孕第9周，4天便能出结果，准确率也非常高。

　　半导体测序在产前检测中的优点：迅速、便捷、成本低

　　近来基于大规模平行测序的方法已经促进了迅速的、非侵入式的出生前遗传测试，这种测试通过分析母亲血浆中流动的无细胞DNA从而测试，被称为非整倍性的染色体拷贝数的异常。

　　这项研究中的基于半导体的实验台测序平台，可在2-4个小时里每秒获取50亿个数据点，因此也就增加了迅速、便携而且具有成本效益的胎儿非整倍性产前诊断的效率。研究人员通过对515名孕妇测试诊断灵敏度和特异性从而验证了这个测序平台，这些孕妇来自中国的两所医院，此前通过核型分析获得了她们的非整倍性数据。

　　研究人员报告称，这个平台发现了全部55例唐氏综合征、16例爱德华综合征、3例Patau综合征——它们的特点都是有额外的染色体拷贝——而特异性和灵敏度在99%到100%之间。此外，这种方法帮助识别出了15名性染色体非整倍性的胎儿。之后，研究人员将这一平台应用到了1760名没有核型分析数据的孕妇身上，结果检测到了15例唐氏综合征、爱德华综合征或Patau综合征，以及1例X染色体非整倍性。

　　为什么半导体测序检测DNA序列速度更快?

　　第二代测序(Illumina/Solexa Genome Analyzer测序)的基本原理是边合成边测序。采用不同颜色的荧光标记四种不同的dNTP，当DNA聚合酶合成互补链时，每添加一种dNTP就会释放出不同的荧光，根据捕捉的荧光信号并经过特定的计算机软件处理，从而获得待测DNA的序列信息。测序过程包括：测序文库的构建、锚定桥接、预扩增、单碱基延伸测序和数据分析5个步骤。其不足是读长会受到多个引起信号衰减的因素所影响，如荧光标记的不完全切割。

　　由于DNA合成过程中释放氢离子引起的pH值变化，半导体传感器芯片就是对DNA复制期间产生的氢离子进行实时的测定，不需要修饰核苷酸，也不需要激光器或光学检测设备，因此速度较快。

　　该项研究课题组Kang Zhang等人员表示，随着大龄母亲越来越多，新生儿出生缺陷几率呈上升趋势。基于半导体的实验台测序平台能提高诊断速度，降低检测成本，不仅为将来“由医院直接完成所有检测”提供了可能性，而且为节省具有特异性的产前遗传诊断的时间和成本铺平了道路。