試管嬰兒出生率低、出生缺陷比例高，是困擾輔助生殖醫(yī)學(xué)的難題。面對上述問題，山東大學(xué)陳子江院士、高媛團(tuán)隊(duì)和中科院北京基因組所劉江團(tuán)隊(duì)與廣州女媧生命科技有限公司，在全球首創(chuàng)了使用DNA甲基化篩選胚胎用于試管嬰兒（Pre-implantation DNA methylation screening, PIMS）的技術(shù), 使用該技術(shù)選擇甲基化狀態(tài)優(yōu)良的胚胎（DNA甲基化水平在0.25-0.27之間）的出生率高達(dá)72%，并可以篩查表觀遺傳引起的出生缺陷，從而降低出生缺陷的比例。相關(guān)研究于2023年5月8號發(fā)表在Cell Research（IF: 46.297）上，文章題目為“A clinical study of preimplantation DNA methylation screening in assisted reproductive technology（使用胚胎植入前 DNA 甲基化篩查技術(shù)用于輔助生殖的臨床研究）”。

原創(chuàng)技術(shù) 解決難點(diǎn)

據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國不孕不育率逐年攀升，已達(dá)到18%，近3,300萬個家庭存在生殖障礙。解決出生障礙的最佳方式是輔助生殖技術(shù)（試管嬰兒），但當(dāng)前全球輔助生殖的出生率不足30% (Lancet, 2021)。根據(jù)《中國出生缺陷防治報告》統(tǒng)計，我國出生缺陷發(fā)生率為5.6%，國家每年要消耗超過萬億元來應(yīng)對出生缺陷。因此，提高試管嬰兒的出生率和降低出生缺陷是臨床上急切需要解決的問題。

胚胎植入前遺傳學(xué)篩查（PGS）應(yīng)用于臨床已有30余年，雖然技術(shù)不斷迭代，但仍然有超過一半以上的胚胎無法出生。這意味著除染色體倍數(shù)的異常外，還有其它的異常會導(dǎo)致胚胎不能正常出生。中科院北京基因組所和北京大學(xué)的早期研究發(fā)現(xiàn)相當(dāng)比例的人類胚胎出現(xiàn)全基因組甲基化的異常，預(yù)示著DNA甲基化信息是篩查胚胎的潛在生物標(biāo)志物（Li, et.al. JGG, 2017）。為了證明使用DNA甲基化篩查胚胎可以改善輔助生殖臨床，科學(xué)家們進(jìn)行了臨床試驗(yàn)。該項(xiàng)研究納入了182個家庭（包含800個囊胚），對每個囊胚進(jìn)行活檢并取3-5個滋養(yǎng)層細(xì)胞，利用微量細(xì)胞DNA甲基化建庫方法，同時一套甲基化圖譜的信息同時分析出胚胎的DNA甲基化狀態(tài)和染色體非整倍性。

全新發(fā)現(xiàn) 碩果累累

表觀遺傳修飾DNA甲基化是胞嘧啶上的甲基化修飾，對基因的表達(dá)起開關(guān)的作用，DNA甲基化狀態(tài)的正確與否決定嬰兒能否順利出生及是否健康。研究發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化水平在0.25到0.27區(qū)間的胚胎的活產(chǎn)率對比不在該區(qū)間的胚胎顯著提升（72.1% vs. 50.4%）,同時妊娠率也顯著提高（76.7% vs. 59.8%;OR，2.21; CI，0.95 to 5.51;P = 0.06），和流產(chǎn)率大幅降低（6.1% vs 15.7%;OR，0.35;CI，0.04 to 1.75;P = 0.22）（圖 1）。該結(jié)果說明，應(yīng)該優(yōu)先選擇DNA甲基化水平接近0.25–0.27的整倍體胚胎進(jìn)行移植。

圖1. 不同甲基化水平對應(yīng)胚胎的妊娠率（a）、流產(chǎn)率（b）和活產(chǎn)率（c）。

現(xiàn)有PGT-A技術(shù)對年輕患者的累積活產(chǎn)率影響較少，該研究對年輕女性和高育齡女性胚胎的DNA甲基化水平進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者有相似分布趨勢（圖2）。在輔助生殖中，已有研究發(fā)現(xiàn)PGT-A可以提高高育齡女性的活產(chǎn)率，而對年輕女性的影響有限；與之不同，PIMS技術(shù)對高齡和低齡女性都有作用。

圖2.（a）年輕女性和高齡女性胚胎的甲基化水平；年輕 (b) 或 高齡女性 (c) 具有不同甲基化水平的胚胎的活產(chǎn)率。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全球有1.4‰的人口患有印記基因疾病以及相關(guān)出生缺陷，而通過輔助生殖出生的新生兒約有3‰的概率患病。研究數(shù)據(jù)顯示，部分胚胎中已知卵子和精子的印跡控制區(qū)域（germline Imprinting Control Regions，gICRs）中具有異常的甲基化狀態(tài)。例如，在其中一個未移植的胚胎中，GNAS ICR處于未甲基化狀態(tài)，嚴(yán)重缺乏高甲基化片段（甲基化水平=0.07，P = 0.016）（圖3）。因此，該研究表明，DNA甲基化檢測可以排除ICRs內(nèi)甲基化突變的胚胎，并且能潛在降低輔助生殖過程中印記基因疾病的發(fā)生率。

圖3.  胚胎中未甲基化的GNAS ICR對應(yīng)的基因圖 (P = 0.016)。垂直條分別代表基因組（黑色）和測序覆蓋（紅色或青色）的 CpG 位點(diǎn)?；疑幱翱虼?GNAS ICR。

表觀遺傳 賦能生殖

PIMS是全球首創(chuàng)的新一代輔助生殖技術(shù)，其運(yùn)用完全自主知識產(chǎn)權(quán)的檢測方法可以同時檢測DNA甲基化的信息和胚胎染色體拷貝數(shù)變異，可以提升首次單胚移植活產(chǎn)率、并降低出生缺陷風(fēng)險。PIMS是首次將表觀遺傳學(xué)應(yīng)用于胚胎篩查的技術(shù)，開啟了生殖醫(yī)學(xué)新紀(jì)元，是劃分生殖醫(yī)學(xué)新時代的重要標(biāo)志，對生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著里程碑意義。

通訊作者：

陳子江

中國科學(xué)院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士，教授，博士生導(dǎo)師。上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院首席專家，上海市輔助生殖與優(yōu)生重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，山東大學(xué)附屬生殖醫(yī)院首席專家，國家輔助生殖與優(yōu)生工程技術(shù)研究中心主任，教育部生殖內(nèi)分泌重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，國際生殖學(xué)會聯(lián)盟（IFFS）常務(wù)理事、秘書長，IFFS駐WHO特使。先后主持國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、973項(xiàng)目、863計劃、國自然重點(diǎn)等課題；獲國家發(fā)明獎，國家科技進(jìn)步獎，全國創(chuàng)新爭先獎，談家楨生命科學(xué)成就獎等；學(xué)術(shù)成果發(fā)表在NEJM、Lancet、Nature、Science、Cell、Nature Genetics、PNAS等雜志；主編《婦產(chǎn)科學(xué)》、《生殖內(nèi)分泌學(xué)》等專業(yè)論著10余部。

高媛

免疫學(xué)博士，研究員?，F(xiàn)任國家輔助生殖與優(yōu)生工程技術(shù)研究中心、山東大學(xué)生殖醫(yī)學(xué)研究中心分子遺傳室主任。國家重點(diǎn)研發(fā)計劃首席科學(xué)家，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、課題負(fù)責(zé)人及PI主持參與國家重點(diǎn)研發(fā)計劃4項(xiàng)、主持省重點(diǎn)研發(fā)計劃、自然基金面上項(xiàng)目等6項(xiàng)；參與多項(xiàng)國家973、863計劃及國家重大專項(xiàng)科研計劃的研究，以通訊或第一作者發(fā)表研究論文30余篇，獲國際及國內(nèi)發(fā)明專利授權(quán)3項(xiàng)，成果轉(zhuǎn)讓3項(xiàng)。

劉江

中國科學(xué)院北京基因組研究所博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院北京基因組和生物信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，國家杰出青年基金獲得者，教育部長江學(xué)者特聘教授，黃埔區(qū)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才稱號。劉江教授是國際表觀遺傳領(lǐng)域的領(lǐng)軍人才，學(xué)術(shù)成果發(fā)表在Nature、Science、Cell等知名期刊。

參考文獻(xiàn)

[1] Qiao J, et al. Lancet. 397, 2497-2536 (2021).

[2] Li, G. et al. J. Genet. Genomics 44, 475–481 (2017).