人类胚胎复杂嵌合现象研究：揭示早期胚胎发育中的广泛非整倍性

背景与研究目的

植入前遗传学检测（Pre-implantation Genetic Testing for Aneuploidy, PGT-A）是体外受精（IVF）过程中广泛应用的技术，旨在通过筛除异常胚胎提高着床率和活产率。然而，对于人类胚胎遗传学的有限了解使得PGT-A的使用基于未被充分验证的假设与指南，这可能导致具有发育潜力的胚胎被错误地丢弃。现有研究显示，胚胎嵌合现象（mosaicism）的发生率介于2%至90%之间，但大多数研究的评估方法基于有限的多细胞样本，这可能低估了实际嵌合情况。此外，早期胚胎嵌合现象的动态变化与其对胚胎发育的影响仍未明晰。因此，本研究通过单细胞全基因组测序与单细胞RNA测序（scRNA-seq）系统性解析从胚泡阶段到胎儿发育阶段的人类胚胎染色体嵌合现象。

研究来源与发表信息

本研究由北京大学第三医院生殖医学中心的翟凡、孔思明、严志强等研究团队共同完成，并发表于2024年的《Cell Discovery》期刊。研究团队利用单细胞测序技术，分析了从胚泡阶段到胎儿多个发育阶段的遗传信息。

研究流程与方法

样本收集与分析设计

1. 胚泡阶段分析
   收集了20个胚泡样本，每个胚泡被完全解离为单细胞，最终共收集1133个单细胞。利用单细胞全基因组测序（scWGS）技术检测染色体非整倍性，并通过拷贝数变异（CNV）分析确认嵌合现象。

2. 胚胎及胎儿器官的后植入阶段分析
   研究团队进一步利用之前研究中生成的scRNA-seq数据，分析了覆盖发育8至14天的胚胎以及发育5至26周的胎儿器官（包括大脑皮层、心脏和肾脏）的染色体拷贝数变化。

3. 回顾性分析PGT-A的嵌合性
   对PGT-A诊断为整倍体且已发育为健康新生儿的116个备份取样进行了CNV分析，以验证嵌合现象的普遍性。

实验技术与分析方法

• 利用高质量测序技术结合创新的分析算法进行全基因组拷贝数变异检测。
• 在胚泡阶段，排除扩增质量较差的单细胞数据后，对剩余1072个单细胞数据进行CNV分析。
• 在后植入阶段，通过scRNA-seq数据结合等位基因表达不平衡分析，精确推断单细胞染色体异常。
• 回顾性分析中，对比PGT-A诊断与单细胞测序结果，重新评估嵌合胚胎的实际染色体构成。

主要研究结果

1. 胚泡阶段的广泛嵌合现象

   • 所有20个胚泡均显示嵌合现象，平均嵌合率为25%。70%的胚泡中存在“互补”染色体异常细胞（即一部分细胞显示某染色体增益，而另一部分细胞显示同一染色体的丢失）。
   • 嵌合率与母亲年龄无显著相关性。

2. 后植入阶段与胎儿器官的染色体嵌合特征

   • 分析了覆盖发育8至14天的4820个胚胎单细胞，96%的胚胎显示嵌合现象，嵌合率随发育时间增加而提高。
   • 胎儿大脑、心脏和肾脏中均存在显著嵌合现象，染色体非整倍性细胞的分布特征表明器官对染色体异常的耐受性存在差异。

3. PGT-A误判的嵌合胚胎现象

   • 在116个健康新生儿的备份样本中，10.34%含有嵌合细胞。结果表明，即使被诊断为整倍体的胚胎，其实可能包括嵌合胚胎。

研究意义与价值

1. 科学意义
   本研究揭示了从胚泡到胎儿发育阶段广泛存在的嵌合现象，挑战了传统PGT-A对嵌合胚胎的负面评估，提出嵌合胚胎可能具备与整倍体胚胎相当的发育潜力。

2. 临床应用价值
   研究强调应在PGT-A中对嵌合胚胎采取更宽容的态度，特别是对于没有整倍体胚胎可用的夫妇，嵌合胚胎可作为潜在的替代选择。

3. 技术创新
   研究采用单细胞全基因组测序和单细胞RNA测序相结合的技术手段，为全面解析胚胎嵌合现象提供了新的工具。

研究亮点与未来展望

• 重要发现
  本研究首次以单细胞分辨率系统性揭示了人类胚胎的复杂嵌合现象，并将嵌合胚胎的普遍性与健康新生儿的发生关联起来。

• 方法新颖性
  采用了创新的单细胞分析技术和严谨的数据筛选标准，为未来研究提供了可借鉴的技术范式。

• 未来方向
  研究团队建议进一步探索嵌合胚胎的发育机制，以及针对嵌合胚胎的临床筛选与管理策略。

该研究不仅在科学领域扩展了对人类胚胎遗传学特征的理解，也为生殖医学的临床实践带来了深远影响。