近日，来自北大的谢晓亮、乔杰、汤富酬三位教授领导的三个研究小组完成了对单个卵细胞的高精度全基因组测序，这是一项里程碑式的工作，北大官方微博称：这一技术一箭双雕地实现了两个目标：1.检测染色体异常，2.检测与遗传疾病有关的DNA序列变异。这意味着该技术有可能将试管婴儿的活产成功率从目前的30%提高到60%，并在其他产前诊断领域具有广泛的应用前景。相关研究论文发表在Cell上，央视《新闻30分》也对此进行了报道。
单个卵细胞全基因组测序难点
在人卵母细胞成熟过程中，会有两个包含有基因组拷贝的独立结构（极体细胞）转移到成熟卵母细胞的外缘，这两个极体中，第一极体含有二倍体基因组信息，第二极体含有单倍体基因组信息。研究人员发现，通过对这两个极体细胞进行高通量测序，就能够推算出卵细胞本身单倍体是否异常，从而监控早期胚胎是否健康。
然而无论是分析这些卵母细胞附属结构（极体细胞）还是分析单个胚胎细胞，研究者们都面临着一个严重的挑战，那就是如何从样品中获得足够多的用于遗传检测的DNA。这也是目前单细胞测序技术所面临的问题。要想分析一个单细胞的基因组，其遗传物质就必须被复制或者“扩增”。从方法学角度来看，获得高覆盖率高保真性的全基因组扩增产物是准确全面的测序结果的保障，但一般使用的“扩增”方法并不完美。
多重置换扩增(multiple displacement amplification，MDA)是公认的比较好的单细胞基因组扩增技术，它能对全基因组进行高保真的均匀扩增，扩增出10~100kb大小的片段，能提供大量均一完整的全基因组序列。但是MDA也有一些缺点，特别是显著的非特异扩增，往往空白对照样品也总是“无中生有”地产生大量的DNA，并仍然存在序列偏差。尽管各种改进的策略正在逐步减少这些缺陷，高覆盖率、高保真性及高特异性的扩增仍然是亟待解决的问题。
谢晓亮教授新技术看点
谢晓亮教授发明了多重退火成环循环扩增技术（Multiple Annealing and Looping-Based Amplification Cycles, MALBAC），能够改进上述问题。MALBAC是迄今为止在单细胞测序及相关领域的最先进的技术。与MDA相比，MALBAC采用了线性扩增而非传统的指数扩增方式，利用特殊引物，使得扩增子的结尾互补而成环，从而很大程度上防止了DNA的指数性扩增，从而解决了基因组扩增对微量初始模板过大的扩增偏倚，并使基因组测序的模板需求量从µg级降至单细胞水平。同时，MALBAC也解决了此前在用组织样本测序时无法解决的肿瘤、癌细胞、干细胞等高异质性难题。利用MALBAC技术，单细胞中93%的基因组能够被测序。该技术及其在研究人类精子重组方面的独特应用已于2012年12月发表于Science。
MALBAC技术原理如下：
MALBAC与其他常用的全基因组扩增方法(whole-genome amplification，WGA)比较如下：
由此可以看出，MALBAC技术具有如下优势：
1）降低PCR扩增偏倚，使得单细胞中93%的基因组能够被测序。
这种方法使得检测单细胞中较小的DNA序列变异变得更容易，因此能够发现个别细胞之间的遗传差异。这样的差异可以帮助解释癌症恶化的机制，生殖细胞形成机制，甚至是个别神经元的差异机制。
2）灵敏度高：单细胞、单染色体或0.5pg的基因组DNA即可进行扩增。
3）扩增均匀性显著优于其它技术，测序数据可进行CNV分析，用于21三体等染色体变异检测。
4）扩增产物用途广泛：可用于二代测序、微阵列、qPCR、基因克隆。
目前，MALBAC技术已经成功应用于人类单精子、植入前产前筛查的囊胚和极体、早期发育胚胎、肿瘤细胞、刑侦现场痕量物证和部分微生物。
本项研究突破点
本项研究突破性地使用了谢晓亮教授发明的MALBAC技术，对每个卵母细胞两个极体的基因组进行高精度的分析，能够准确地推断出卵母细胞中基因组的完整性以及携带的遗传性致病基因的情况，从而帮助医生选择出一个正常的，没有遗传缺陷的胚胎用于胚胎移植，以减少母源性先天性遗传缺陷婴儿的出生。
谢晓亮教授
目前，全世界每十对夫妇中就有一对面临生育障碍，中国每年约有二十万不孕不育夫妇奔走在“求子”的道路上，全球每年依靠生殖辅助技术降生的婴儿高达五十万，但是，胚胎成功移植并最终产下婴儿的成功率仅为30%左右。
成功率之所以如此之低，主要是由于传统的植入前遗传诊断筛查方法不够精确。传统方法是通过从胚胎中分离出一个或几个细胞来确定胚胎的染色体数目或筛查特定的基因突变，相比于全基因组测序分析方法，它们得到的遗传信息量很有限，而且从正在发育的胚胎中取出一个细胞也有可能会影响胚胎的后续发育。
本项研究提出的新方法解决了这一问题。研究人员将传统方法与新方法做了对比，结果发现在传统方法中，需抽取8细胞期胚胎中的一个细胞进行鉴定，新方法则从刚刚受精的卵细胞上抽取两个被废弃的极体细胞。后者的优势在于不再需要抽取胚胎内部的卵裂球细胞，从而降低了损伤胚胎的风险，此外新方法还可以将植入前诊断的时间窗口从1天增加到2-3天，从而为深入全面的诊断和筛查创造条件。
据研究员汤富酬介绍，他们利用MALBAC技术，对六个亚洲已生育女性的卵子和极体进行了单细胞基因组扩增，并且用HiSeq高通量测序平台对每个极体全基因组分别进行了0.1倍覆盖度的测序，结果证明，这种新技术可以通过两个极体的测序结果准确推算出卵细胞是否存在非整倍体等染色体异常。此外，整个诊断过程有望在近期缩短至10个小时，大大提高了这一技术的临床应用前景。
北医三院生殖医学中心主任乔杰指出，这种最新的诊断方法成本低、速度快、精确度高、损伤小，对辅助生殖乃至中华民族的优生优育有着重要的意义和广阔的应用前景。除了辅助生殖外，该技术可以用于筛查特定遗传病基因， 从而对更广泛的人群产生重大意义，对我国的卫生系统和医疗保险系统也将产生一定的影响。
但是，单个卵母细胞测序技术仍面临着局限，那就是只能用于检测女方家族的遗传疾病，因为它只检测卵子发育过程中附属结构的遗传物质，而非精子的遗传物质。要想检测来自男方的遗传疾病或新发突变，需要对受精后胚胎进行检测， 目前，北大团队仍在进一步研究中。
