思考

母体取血,揭示胚胎奥秘

从母体采集一点点血液,利用最先进的分子技术,就可以揭秘胎儿发育的秘密。

生命的开端就是一个谜题。在母亲的子宫里,30亿个碱基组成的DNA代码在40周,也就是10个月的时间里,神奇地产生了3D的身体。胚胎经过时间和空间上的精细协调的过程,慢慢形成眼睛、大脑、心、手指和脚趾。生物学家试图把胚胎发育的拼图拼接完整,但目前只完成了一小部分。

目前一些分子技术能大大加速这一拼图的形成过程。由于一系列技术改善了胚胎基因信息的读取和解读,所以科学家们得以发现了一系列与胚胎发育有关的基因,并可在胎儿出生前检测基因活力。利用这些技术,研究者们可以了解关键时刻基因的启动或关闭,并研究环境如何影响这些过程。

不仅是胚胎,就连关键的生命支持系统——胎盘的秘密也正在被揭开。纽约爱因斯坦医学院(Albert Einstein College of Medicine)的生殖内分泌学家和不育专家Zev Williams指出,我们对胎盘的了解其实非常少,胎盘显然是人类发展的一个关键部分,但我们对它的研究太少了。

到目前为止,大部分的胚胎发育研究采用的样本都是常规侵入性试验,如羊膜穿刺术中获得的羊水或胎盘样品。但是科学家们现在更进一步,通过无创方式取样——从孕妇的手臂上取约一茶匙的血液。这样,研究人员可以监测胎儿的发育过程,并研发针对孕妇和胎儿多种疾病的无创测试。

医生们对这样的诊断方式非常感兴趣,因为有了它就可以对还在子宫中的胎儿进行治疗。英国伯明翰大学(University of Birmingham)的胚胎医学专家Mark Kilby表示,这是一个令人兴奋的时刻。

但胚胎研究并不会一帆风顺。虽然技术发展迅速,但是科学家们解读所获得的信息的速度却跟不上。此外,伴随而来的伦理问题也不容小视。例如,如果无创产前检查(non-invasive prenatal testing, NIPT)显示,胎儿携带一个可能会致病的基因,那么医生该怎么做?香港中文大学的临床医生和遗传学家Dennis Lo指出,这是整个胚胎领域应该坐下来探讨的问题。他是首位在母亲的血液中找到胎儿DNA的研究者。

发育研究

胚胎发育研究的重要工作是DNA检测。发育生物学家已经收集了大量的基因信息,并通过从蠕虫到小鼠的实验动物研究,识别了很多在人类中也存在的基因和过程。同时,研究人员对家族性遗传疾病的研究也取得了很多成果。

但是第二代DNA测序的出现正在改变这一领域。现在对基因组进行全部或部分测序,寻找罕见遗传疾病相关突变变得前所未有的简单。新的发现层出不穷,例如关键的信号蛋白如何指导细胞定向分化,以及DNA包装如何影响大脑发育等。英国剑桥附近的桑格研究院(Wellcome Trust Sanger Institute)的遗传学家Matthew Hurles表示,现在所有研究都在加速。

到目前为止,大部分研究都是在婴儿出生后研究基因组。但研究人员正在推动胚胎的基因检测,以改善婴儿疾病的治疗和预后。例如,Hurles等人正在研究1,000个本科经超声检测后显示结构异常的胎儿。使用来自胎儿、母亲和父亲的细胞,该团队对占全基因组1-2%、负责编码蛋白的外显子进行检测,并对特定亚组的整个基因组进行测序,以寻找该疾病背后的基因异常。

但研究者们并不止步于此,他们正在尝试使用来自母亲的血液对整个胎儿基因组进行测序。这样,他们就可以获得正常或异常胚胎发育各个时期的DNA。

他们表示,这种方法的可行性很高。这个领域正在飞速发展:加利福尼亚州斯坦福大学(Stanford University)的Lo和Stephen Quake,以及华盛顿大学(University of Washington)的基因组科学家Jay Shendure等人的一系列论文提高了孕妇血液中漂浮的小段胎儿DNA分析的灵敏度。现在科学家们可以计算胎儿中的染色体数量,并且正在开发更准确的方法来测序基因组。原则上,他们现在可以检测DNA序列中可能导致遗传性疾病的单碱基变异,并且在不断寻找一些与发育异常相关的、但父母双方体内都不存在的突变。目前有几家初创公司也开始致力于开发这类技术。

最新的技术在实验室或临床中得到广泛应用之前,有几个障碍是必须克服的。一个是成本。虽然全基因组测序越来越便宜,但研究人员经常需要反复测试,以增加结果的可靠性,因此基因测序的成本还是很高。但研究人员相信,这不是问题。Shendure指出,这就是我们接下来要做的。从技术角度来讲,DNA测序的成本问题并非不可克服。

解读测序结果将是另一个障碍。不是所有的DNA突变都会导致疾病。即使一个个体携带一个特定的致病突变,科学家也不能确定他/她一定会得病。

科学家们表示,随着成本下降,他们将能够对足够多的基因组进行测序,可以更准确地预测各个突变导致疾病发生的概率。他们希望把无创的全基因组测序作为怀孕期间的常规筛查技术。Quake指出,这在诊断代谢和免疫疾病上非常有用,而且婴儿一出生,你就可以对他/她进行治疗。

研究人员甚至可以在婴儿出生前就对他/她进行治疗。目前一个科学家团队已经使用下一代测序,寻找胎儿脆骨病的相关突变。该研究是使用干细胞治疗胎儿脆骨病临床试验的一部分。目前研究人员还是通过有创性采样技术获得胎儿细胞,但目的是转向无创采样。

全转录组

DNA只是人类发育故事的开始。研究人员渴望了解胎儿发育期间,基因组得到的时间和空间上的指令,以及疾病过程中,这些指令出了哪些问题。因此,许多人都在关注RNA——一方面,RNA是DNA的转录结果;另一方面RNA也反向影响DNA指令。这带来了新的挑战。RNA的分解非常快,所以RNA测序比DNA难得多,特别是从母体中检测胎儿的转录组。

为了简化研究,马里兰州贝塞斯达的儿童健康和人类发育国家研究所(National Institute of Child Health and Human Development)的主任、临床医生和遗传学家Diana Bianchi开始研究羊水的转录过程,其中包含胎儿和胎盘的游离RNA。过去十年来,她的团队研究了怀孕4~6个月和7~9个月(样品来自于羊水穿刺术测试中被丢弃的样品)以及出生时(剖腹产收集的样品)胎儿和胎盘基因活力。他们也研究了孕妇的血液——其中漂浮着来自胎儿、母亲和胎盘的RNA片段。

她展示了整个妊娠过程中,胎儿如何开启一些促进出生的基因——包括参与肺和肠生理学、能量代谢、免疫系统和眼睛的基因。同时,嗅觉相关的基因也会被激活。Bianchi指出,为了生存,婴儿需要识别母亲的气味。她们认为,这在进化上是具有优势的。

Bianchi的许多工作都聚焦于受染色体异常,如唐氏综合征(多了一条21号染色体)和爱德华综合征(多了一条18号染色体)影响的胎儿的羊水样品。她发现,这些样品中不仅多余的那条染色体上的基因活力是异常的,整个基因组的基因活力都是异常的,甚至脑发育所需的基因活力也异常。她还发现,唐氏综合征的胎儿细胞受到显著的氧化应激(一种代谢副产物)损伤。

这意味着,在子宫中治疗胎儿,有可能改善唐氏综合征相关的认知损伤。为了证明这一点,Bianchi团队比较了正常胎儿与唐氏综合征胎儿的转录组,同时还比较了正常小鼠和唐氏综合征小鼠模型的转录组,以期找到与症状相关的转录模式。然后他们搜索了分子数据库,寻找可能逆转一些异常症状的分子,包括一些已经被批准用于人类使用的药物。

他们给患有唐氏综合征的怀孕小鼠服用这些分子中的一种——芹菜素(apigenin),结果发现相比于母鼠而言,后代的记忆有明显改善,且发育更为健康。Bianchi指出,并不是各方面都有改善,但一些方面还是有明显改善的。她们深受鼓舞。

Bianchi等人正在研究如何利用无创方式,获取更多的胎儿RNA详细信息。直到最近,科学家们才开始使用微阵列来检测已知RNA。虽然这种方法非常方便,但提供的信息有限,因为目前学界对RNA的了解并不多。一种被称为下一代RNA测序的方法能检测全转录组,并能更准确地量化每种RNA类型。

研究人员表明,这种方法在检测母体血液中的胎儿RNA上是可行的。例如,2014年,Quake的团队使用RNA-seq,结合其它方法检测孕妇的血液样本,以检测可能起源于胎儿和胎盘的RNA。他们可以跟踪转录物的浓度变化,包括对正常大脑发育至关重要的基因活力。现在他们正在寻找与先兆子痫(一种胎盘导致母体严重高血压的疾病)等妊娠期间疾病相关的转录物。

胎盘也是纽约市洛克菲勒大学(Rockefeller University)的Williams和RNA生物学家Thomas Tuschl团队RNA-seq项目的焦点。他们主攻微小RNA(miRNA),一种已知能够控制基因活性的RNA,希望揭示胎盘生物学,并为先兆子痫等孕期疾病设计早期预警测试。Williams表示,现有的测试,例如在母亲的尿液中寻找疾病相关蛋白质的测试,只有在疾病已造成母体器官损伤时才能检出疾病。他的团队希望使用miRNA来无创地监测胎盘,并在损伤发生前检测先兆子痫。

但Williams同时指出,真正实施这种方法仍然需要更多的工作,以确保准确性和可重复性,才能实现全部潜力。

对环境造成的影响

胎儿发育的第三个关键问题是子宫内的环境如何影响胎儿发育。研究人员早就知道,在子宫内的这段时间,环境暴露可以影响个人的终身健康。例如,如果母亲在怀孕期间吸烟,婴儿在子宫中生长较慢,并且发生呼吸系统疾病和肥胖的风险增加,同时研究表明吸烟会改变胎盘的转录组。

环境发挥这种作用的一种方式是通过改变DNA上的化学标记和包装基因组的蛋白质,从而改变基因活力而不改变DNA序列。这些“表观遗传”标记的最佳研究是甲基化研究。当在DNA添加或去除甲基时,能相应增强或沉默基因活力。研究人员正在使用微阵列以及亚硫酸氢盐DNA测序的方法,研究母体血液和胎儿样本中全基因组上的甲基化情况。

这类研究也没有遗忘胎盘。来自加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)的发育生物学家Wendy Robinson指出,来自胎盘组织研究的一个惊喜就是胎盘中DNA的甲基化模式是动态的。最显著的变化是与免疫系统相关基因的甲基化变化,这可能反映了胎盘作为母亲和胎儿之间免疫细胞的媒介作用。

研究人员急于探究DNA甲基化在妊娠条件下和环境暴露(如吸烟)后发生的变化。事实上,研究已经表明,怀孕期间吸烟可能会改变胎盘DNA的甲基化模式。Lo的团队宣称,已有技术可对血液样品中的胎儿DNA进行亚硫酸氢盐测序。Robinson表示,环境与表观遗传学之间关联的复杂性使得很难对这些样品得出明确的结论。因此,研究人员现在专注于胎盘组织的研究。

棘手的伦理问题

科学家和生物伦理学家表示,所有这些技术迟早都要面临伦理问题,这不单因为人们对于现在市面上有售的无创产前基因检测(Noninvasive Prenatal Testing, NIPT)的担忧。这些测试迅速得到推广:自从2011年商业应用以来,缺失或含有多余染色体(非整倍体)的NIPT现在正在至少90个国家使用。数百万妇女已经进行了测试。

Bianchi指出,NIPT极大改善了非整倍体染色体异常的检测。在全球范围内,它减少了70%的有创性手术(如羊膜穿刺术),这些手术具有较低的触发流产的风险。但是NIPT对非整倍体的诊断并不可靠,只能作为简单筛查,确诊需要用其他有创性的检测。然而,一些妇女仅根据NIPT结果,就选择终止妊娠。诸如此类的问题导致一些团体发表声明,要求医生为患者提供建议和说明。

目前情况变得更复杂了。一些人简单粗暴地把吸烟、肥胖等表观遗传学风险因素作为婴儿身体不良的代罪羔羊,但社会科学家指出,肥胖和妊娠糖尿病等问题可能来自许多因素,包括贫穷和医疗资源。

研究人员表示,妇女还必须为意外的结果做准备——不仅仅是胎儿的异常,也可能是她们自己的异常。在几种情况下,无创胎儿筛查可能可以诊断出未被发现的癌症和疾病,例如红斑狼疮;并且测序有时会显示胎儿携带某种DNA突变,这会增加中老年时期发生疾病的风险,例如乳腺癌或神经变性疾病。医学研究人员表示,临床医生必须考虑清楚该如何与患者沟通这些情况,即使发明及发现更新的速度远超过我们解读这些结果的能力的提升速度。

Shendure提出,胎儿基因检测的一个问题在于,如何平衡父母的知情权与告知基因突变存在的潜在伤害(例如,一些基因突变可能导致疾病,父母知情后,可能产生心理上的负担,甚至终止妊娠)——尤其在科学家不能确定该突变的后果是什么的情况下。这种问题将会非常棘手。

参考资料:

Claire Ainsworth. (2017) Secrets of life in a spoonful of blood. Nature, 542 (1038): 156-158.

来源:生命奥秘/张洁

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本文由来源 科学网,由 王迪 整理编辑!

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