佳學(xué)基因?qū)ёx

體外受精胚胎的植入前遺傳學(xué)檢測(cè) (PGT) 是阻斷遺傳、降低遺傳病在人群和家族中遺傳中的一個(gè)有效方法；然而，目前仍缺乏更全面的胚胎遺傳學(xué)評(píng)估，無(wú)法將常見(jiàn)變異和罕見(jiàn)變異的影響結(jié)合起來(lái)。在遺傳病的阻斷研究中，研究機(jī)構(gòu)結(jié)合分子和統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)，可靠地推斷了 110 個(gè)胚胎的基因組序列，并模擬了 12 種常見(jiàn)疾病的易感性。分析發(fā)現(xiàn)，在來(lái)自第 5 天胚胎活檢的病例中，與多基因風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分相關(guān)的位點(diǎn)的基因型準(zhǔn)確率為 99.0% 至 99.4%，而在來(lái)自第 3 天胚胎活檢的病例中，基因型準(zhǔn)確率為 97.2% 至 99.1%。將罕見(jiàn)變異與多基因風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分 (PRS) 相結(jié)合會(huì)放大同胞胚胎之間的預(yù)測(cè)差異。例如，對(duì)于攜帶致病性BRCA1變異的夫婦，阻斷遺傳課題組預(yù)測(cè)，當(dāng)結(jié)合 BRCA1 或 PRS 時(shí)，兄弟姐妹之間的比值比 (OR) 差異為 15 倍，而單獨(dú)使用BRCA1或 PRS時(shí)，差異為 4.5 倍或 3 倍。這一研究結(jié)果可能為基于基因組的 PGT 在臨床實(shí)踐中的實(shí)用性和實(shí)施??的討論提供參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)測(cè)醫(yī)學(xué)、診斷標(biāo)記、基因組學(xué)

結(jié)合親本基因組的全基因組測(cè)序和植入前胚胎的基因分型的計(jì)算方法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)胚胎的遺傳基因組并計(jì)算多基因風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分。

以下是詳細(xì)介紹

PGT 可以在植入前對(duì)胚胎進(jìn)行家族特異性遺傳疾病分析。雖然 PGT 目前用于預(yù)防罕見(jiàn)的孟德?tīng)栠z傳疾病1、2 ，但有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)探索將檢測(cè)范圍擴(kuò)大到常見(jiàn)疾病，如心臟病和癌癥3-6。這些方法依賴(lài)于使用 PRS 7 ，它將數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千種遺傳變異的影響結(jié)合成一個(gè)預(yù)測(cè)因子。然而，由于單細(xì)胞或少細(xì)胞胚胎活檢中 DNA 的數(shù)量和質(zhì)量有限，全面分析胚胎基因組的嘗試成本高昂且耗時(shí)8-10 ，存在與等位基因丟失相關(guān)的不準(zhǔn)確性，需要遠(yuǎn)親2或依賴(lài)于填補(bǔ)，這妨礙了檢測(cè)BRCA1 11等基因中罕見(jiàn)的有害變異。為了克服這些限制，阻斷遺傳課題組擴(kuò)展了全基因組重建 (WGR) 策略1 ，該策略使用親本基因組測(cè)序和胚胎基因分型來(lái)預(yù)測(cè)胚胎的遺傳基因組序列。在本文中，阻斷遺傳課題組將這種方法應(yīng)用于10對(duì)夫婦的110個(gè)胚胎，并計(jì)算了12種疾病的多基因預(yù)測(cè)因子，包括癌癥、心臟代謝疾病和自身免疫性疾?。▓D1）。阻斷遺傳課題組將這些胚胎的重建基因組和多基因預(yù)測(cè)結(jié)果與相應(yīng)出生兒童組織樣本生成的預(yù)測(cè)結(jié)??果進(jìn)行了比較。

結(jié)果

本研究中使用的樣本來(lái)自之前接受過(guò)體外受精 (IVF) 且在機(jī)構(gòu)審查委員會(huì) (IRB) 方案下進(jìn)行過(guò)臨床 PGT（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1 ）的夫婦（方法）。阻斷遺傳課題組從 10 名已有 PGT 結(jié)果的出生兒童身上獲取了 DNA。非整倍體臨床 PGT（PGT-A）顯示，110 個(gè)胚胎中有 68 個(gè)為整倍體，110 個(gè)胚胎中有 42 個(gè)有一個(gè)或多個(gè)非整倍體染色體（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2）。阻斷遺傳課題組通過(guò)對(duì)父母雙方進(jìn)行高覆蓋率基因組測(cè)序和對(duì)同胞胚胎進(jìn)行陣列測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了胚胎的 WGR（方法和補(bǔ)充說(shuō)明1）。阻斷遺傳課題組結(jié)合使用分子和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將親本變異鏈接到與單個(gè)整倍體染色體相對(duì)應(yīng)的“單倍型”中，確定每個(gè)胚胎的減數(shù)分裂重組位點(diǎn)，并組裝每個(gè)重組位點(diǎn)之間的相關(guān)單倍型片段，以近似整個(gè)遺傳的胚胎基因組1。

阻斷遺傳課題組通過(guò)將基因型預(yù)測(cè)與出生兒童的實(shí)際基因型進(jìn)行比較，評(píng)估了WGR的準(zhǔn)確性。阻斷遺傳課題組預(yù)測(cè)的胚胎中的基因位點(diǎn)平均為580萬(wàn)個(gè)位點(diǎn)，位點(diǎn)數(shù)量從540萬(wàn)到640萬(wàn)個(gè)不等（圖1、擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1和圖2）。與出生兒童相比，全基因組預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率范圍從第3天胚胎活檢的96.3%-98.4%到第5天胚胎活檢的98.0%-98.9%。阻斷遺傳課題組推測(cè)，與處理和檢測(cè)第5天滋養(yǎng)外胚層活檢中的多個(gè)細(xì)胞相比，處理和檢測(cè)第3天卵裂球活檢中的單個(gè)細(xì)胞的性能會(huì)有所降低。在四對(duì)夫婦中，阻斷遺傳課題組還使用長(zhǎng)片段 DNA（合成長(zhǎng)讀測(cè)序（轉(zhuǎn)座酶聯(lián)長(zhǎng)讀測(cè)序 (TELL-Seq)；擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖3）進(jìn)行了改進(jìn)形式的文庫(kù)制備，以捕獲罕見(jiàn)變異的階段（定義為等位基因頻率低于 0.1%），并增加了每個(gè)家庭中預(yù)測(cè)的罕見(jiàn)變異的數(shù)量和準(zhǔn)確性（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖3）。

阻斷遺傳課題組的方法能夠預(yù)測(cè)胚胎基因組中的罕見(jiàn)和常見(jiàn)變異。為了探索結(jié)合這些變異對(duì)預(yù)測(cè)常見(jiàn)疾病風(fēng)險(xiǎn)的影響，阻斷遺傳課題組使用重建的胚胎基因組來(lái)計(jì)算 PRS。對(duì)于每個(gè)胚胎，阻斷遺傳課題組計(jì)算了一組已發(fā)表的多基因模型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分，這些模型阻斷遺傳課題組在英國(guó)生物樣本庫(kù) (UKB) 中基于特定人群進(jìn)行了驗(yàn)證和校準(zhǔn)（方法、擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖4和補(bǔ)充表2）。使用從出生兒童 WGS 中調(diào)用的高置信度位置作為“真相”，阻斷遺傳課題組觀(guān)察到在來(lái)自第 5 天滋養(yǎng)外胚層活檢的病例中與多基因風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分相關(guān)的位點(diǎn)的基因型準(zhǔn)確率為 99.0–99.4%，在包含第 3 天卵裂球活檢的周期中為 97.2–99.1%（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1和圖1）。阻斷遺傳課題組對(duì)每個(gè)胚胎的 PRS 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化以考慮群體結(jié)構(gòu)，并使用邏輯回歸模型將分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為預(yù)測(cè)的疾病幾率（方法）。根據(jù)胚胎活檢計(jì)算出的殘余 PRS 與根據(jù)出生嬰兒樣本計(jì)算出的殘余 PRS 之間的相關(guān)性為r 2  = 0.947（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖5）。阻斷遺傳課題組觀(guān)察到不同家族的胚胎之間以及家族內(nèi)同胞胚胎之間的多基因疾病風(fēng)險(xiǎn)存在差異（圖2和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖6）。預(yù)測(cè) OR 的最大變化出現(xiàn)在自身免疫性疾病中，這可能是因?yàn)?PRS 模型中具有高影響的變異比例較大。雖然白癜風(fēng)和 1 型糖尿病顯示出最高的 OR，但由于疾病相對(duì)罕見(jiàn)，這些病例同胞胚胎之間的絕對(duì)風(fēng)險(xiǎn)差異不到 10%。絕對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的最大差異出現(xiàn)在更常見(jiàn)的心臟代謝疾病中。

接下來(lái)，阻斷遺傳課題組研究了在PGT（基因檢測(cè)）中使用單基因和多基因變異的潛在影響。一對(duì)有乳腺癌家族史的夫婦接受了單基因疾病的PGT檢測(cè)，阻斷遺傳課題組確認(rèn)了母親體內(nèi)先前發(fā)現(xiàn)的致病性BRCA1變異。在該家族的20個(gè)整倍體胚胎中，阻斷遺傳課題組預(yù)測(cè)其中13個(gè)胚胎攜帶致病性BRCA1變異。在基因組重建后，阻斷遺傳課題組將攜帶致病性BRCA1或BRCA2變異的影響與多基因模型的影響相結(jié)合，使用Fahed等人12中描述的邏輯回歸，計(jì)算出每個(gè)胚胎的單一風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)值，并解釋了BRCA1陽(yáng)性狀態(tài)下PRS效應(yīng)大小的變化。阻斷遺傳課題組計(jì)算出，攜帶者中每標(biāo)準(zhǔn)差的PRS OR為1.3，非攜帶者中每標(biāo)準(zhǔn)差的PRS OR為1.6。不同胚胎的乳腺癌遺傳風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)值相差 15 倍，OR 范圍從 0.35（非BRCA1攜帶者，低 PRS）到 5.35（BRCA1攜帶者，高 PRS）（圖2a）。阻斷遺傳課題組探討了單獨(dú)使用 PRS（目前可用于多基因疾病的 PGT）是否會(huì)導(dǎo)致無(wú)意中轉(zhuǎn)移高風(fēng)險(xiǎn)胚胎。在這種情況下，在 PRS 低于第 50 個(gè)百分位數(shù)的 14 個(gè)胚胎中，有 9 個(gè)攜帶致病性BRCA1變異。接下來(lái)，阻斷遺傳課題組比較了剩余夫婦的胚胎的乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)值。除了那些具有BRCA1突變的胚胎外，預(yù)測(cè)大多數(shù)胚胎的乳腺癌 OR 值不到兩倍（圖2b ），這表明在致病變異對(duì)疾病風(fēng)險(xiǎn)影響較大的情況下，乳腺癌 PGT 最有益5、6 。一對(duì)未接受單基因疾病PGT的夫婦偶然發(fā)現(xiàn)，他們攜帶APC風(fēng)險(xiǎn)等位基因（rs1801155），該基因與結(jié)直腸癌風(fēng)險(xiǎn)增加兩倍相關(guān)。對(duì)這對(duì)夫婦的三個(gè)整倍體胚胎進(jìn)行基因組重建后，預(yù)測(cè)其中一個(gè)胚胎攜帶APC的風(fēng)險(xiǎn)等位基因（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖6 ）。阻斷遺傳課題組在這些已確定的結(jié)腸癌（ APC）和乳腺癌（BRCA1）中發(fā)現(xiàn)的兩種罕見(jiàn)變異，) 基因很可能因估算方法而遺漏，具體取決于所使用的參考人群。由于對(duì)致病變異一無(wú)所知，有家族病史的夫婦可能會(huì)無(wú)意中僅根據(jù) PRS 就優(yōu)先植入突變陽(yáng)性的胚胎。這種情況的發(fā)生頻率取決于病情和家族史。例如，乳腺癌遺傳基因突變估計(jì)占病例的 5% 至 10%，在某些人群13和有家族病史的人群中估計(jì)比例更高。

討論

在這項(xiàng)臨床前研究中，阻斷遺傳課題組證明了胚胎全基因組擴(kuò)增（WGR）的可行性，并且能夠與10個(gè)出生兒童的基因組樣本結(jié)果進(jìn)行比較，從而準(zhǔn)確計(jì)算PRS。阻斷遺傳課題組觀(guān)察到不同家族和不同兄弟姐妹之間預(yù)測(cè)疾病風(fēng)險(xiǎn)的異質(zhì)性。許多效應(yīng)量較小的常見(jiàn)變異的PRS與罕見(jiàn)變異的PRS相結(jié)合，或許可以更好地反映預(yù)測(cè)疾病風(fēng)險(xiǎn)的異質(zhì)性。

仍有一些領(lǐng)域需要改進(jìn)。首先，阻斷遺傳課題組的方法僅限于遺傳基因變異。盡管阻斷遺傳課題組確認(rèn)了出生嬰兒數(shù)百萬(wàn)個(gè)位點(diǎn)的遺傳信息，但阻斷遺傳課題組排除了配子中可能“新”或新生的變異，或受孕后出現(xiàn)的體細(xì)胞突變。雖然新生變異罕見(jiàn)，但它們?cè)谀承┰绨l(fā)性神經(jīng)發(fā)育障礙（包括自閉癥和智力障礙）中占很大比例。阻斷遺傳課題組對(duì)第5天胚胎的預(yù)測(cè)比第3天胚胎更準(zhǔn)確，這可能是因?yàn)樽甜B(yǎng)外胚層活檢中存在的細(xì)胞物質(zhì)增多。隨著全基因組測(cè)序 (WGS) 成本的降低，阻斷遺傳課題組預(yù)計(jì)阻斷遺傳課題組的方法可以與胚胎活檢的超深度測(cè)序相結(jié)合，以檢測(cè)這些變異。

其次，PRS 在非歐洲人群中的有效性有限。人類(lèi)遺傳學(xué)研究歷來(lái)涉及歐洲血統(tǒng)的參與者，因此，其在非歐洲人群中的預(yù)測(cè)能力有限。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，包括招募祖先多樣化的人群和對(duì)致病變異進(jìn)行精細(xì)定位等策略應(yīng)該能夠提高跨血統(tǒng)預(yù)測(cè)的效果。短期內(nèi)，可能需要使用一組具有跨血統(tǒng)預(yù)測(cè)能力證據(jù)的模型子集。

第三，使用 PRS 降低植入前胚胎疾病風(fēng)險(xiǎn)的臨床實(shí)用性仍有待證實(shí)。研究隊(duì)列的結(jié)果可能不適用于 IVF 中的兄弟姐妹胚胎，并會(huì)降低阻斷遺傳課題組的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。這些生物庫(kù)主要由無(wú)血緣關(guān)系的個(gè)體組成；一些研究小組報(bào)告稱(chēng)，使用家庭內(nèi)無(wú)血緣關(guān)系的個(gè)體訓(xùn)練的模型的預(yù)測(cè)能力下降，尤其是在認(rèn)知和精神特征方面14。阻斷遺傳課題組對(duì) UKB 中的兄弟姐妹與無(wú)血緣關(guān)系個(gè)體隊(duì)列進(jìn)行了分析，用于生成兄弟姐妹胚胎之間的相應(yīng) OR（補(bǔ)充說(shuō)明3），結(jié)果顯示兄弟姐妹與無(wú)血緣關(guān)系個(gè)體的乳腺癌 PRS 效應(yīng)大小相似。需要更多基于家庭的遺傳學(xué)和疾病前瞻性研究來(lái)緩解這些擔(dān)憂(yōu)。此外，除了家庭內(nèi)部效應(yīng)之外，目前出生的兒童可能面臨的環(huán)境和風(fēng)險(xiǎn)狀況與大多數(shù)研究生物庫(kù)中的成年參與者不同。另外，有家族病史的個(gè)體可能由于先驗(yàn)患病風(fēng)險(xiǎn)較高而表現(xiàn)出較高的絕對(duì)患病風(fēng)險(xiǎn)降低（和較低的相對(duì)患病風(fēng)險(xiǎn)降低）6,15。

第四，將多基因信息納入產(chǎn)前決策會(huì)引發(fā)倫理和實(shí)踐問(wèn)題，這些問(wèn)題在本已復(fù)雜的領(lǐng)域中值得考慮15 , 16。最重要的是，由于 IVF 的成本或多基因模型的跨祖先表現(xiàn)的局限性，家庭無(wú)法平等地獲得這項(xiàng)技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。阻斷遺傳課題組的研究對(duì)參與者免費(fèi)，并涉及多個(gè)祖先驗(yàn)證的幾個(gè)模型。然而，必須繼續(xù)解決普遍存在的差距。另外，Turley 等人強(qiáng)調(diào)了傳達(dá)預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)（相對(duì)和絕對(duì)）的復(fù)雜性以及這些估計(jì)中涉及的不確定性15。阻斷遺傳課題組同意 Turley 等人關(guān)于需要進(jìn)行清晰準(zhǔn)確的測(cè)試前溝通的觀(guān)點(diǎn)；那些收到胚胎預(yù)測(cè)的研究參與者首先完成了與醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)家的測(cè)試前咨詢(xún)和同意會(huì)議，然后完成了后續(xù)調(diào)查，以評(píng)估他們的理解和感知到的益處。盡管存在局限性，但新出現(xiàn)的證據(jù)表明公眾有興趣將 PRS 納入胚胎篩查；最近的一項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在1,457名美國(guó)參與者中，68%的人認(rèn)為使用PRS進(jìn)行胚胎篩查是合理的17。通過(guò)像阻斷遺傳課題組這樣的研究方案進(jìn)行進(jìn)一步的研究，可以幫助獲得關(guān)于實(shí)用性的急需證據(jù)。

第五，本研究中的一部分個(gè)體被推薦使用PGT-A進(jìn)行非整倍體篩查，PGT-A是IVF的輔助干預(yù)措施18。囊胚活檢中發(fā)現(xiàn)的染色體嵌合體對(duì)PGT-A臨床有效性的影響仍存在爭(zhēng)議18-20 。此外，阻斷遺傳課題組的方法并未解決在PGT-A過(guò)程中發(fā)現(xiàn)嵌合體或非整倍體胚胎進(jìn)行PRS檢測(cè)的準(zhǔn)確性問(wèn)題。

隨著阻斷遺傳課題組對(duì) PRS 的理解和預(yù)測(cè)能力的提高以及測(cè)序技術(shù)變得更具成本效益，這種方法可用于可靠地推斷遺傳基因組序列，并模擬在接受 IVF 治療時(shí)有個(gè)人和/或家族常見(jiàn)疾病史的夫婦的胚胎中的預(yù)測(cè)遺傳風(fēng)險(xiǎn)。

方法

招募參與者、樣本收集和測(cè)序

所有參與者都是通過(guò)幾項(xiàng) IRB 研究（E&I 西海岸委員會(huì) IRB 協(xié)議 10176）和 WCG IRB 協(xié)議 20180294 和 20202676 中的一項(xiàng)招募的。阻斷遺傳課題組從每位參與者那里獲得了適當(dāng)?shù)耐?，參與協(xié)議 20180294 的一部分個(gè)人同意返回結(jié)果，以接收他們自己的某些偶然的單基因發(fā)現(xiàn)和關(guān)于整倍體胚胎的報(bào)告。對(duì)于一些納入分析數(shù)據(jù)的夫婦，阻斷遺傳課題組事先知道存在罕見(jiàn)的致病變異。對(duì)于每個(gè)人，阻斷遺傳課題組從全血或唾液樣本中提取基因組 DNA（如果有）。阻斷遺傳課題組按照制造商的說(shuō)明，使用 Illumina 或 BGI 試劑盒以雙端 100 bp（案例 4）或 150 bp 讀取配置對(duì) DNA 進(jìn)行片段化、制??備和測(cè)序。阻斷遺傳課題組對(duì)父母和出生孩子的 DNA 進(jìn)行 WGS 的目標(biāo)是平均深度為 30 倍。所有樣本的實(shí)際平均覆蓋率≥29，范圍從29倍到111倍（補(bǔ)充表3）。參與方案20180294（前瞻性研究）的個(gè)體還可以選擇接收自身偶然發(fā)現(xiàn)的某些單基因疾病，以及包含多基因疾病風(fēng)險(xiǎn)信息的整倍體胚胎報(bào)告，而無(wú)需額外支付其IVF周期費(fèi)用。選擇接收多基因風(fēng)險(xiǎn)信息的個(gè)人將接受醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)家或遺傳咨詢(xún)師的檢測(cè)前和檢測(cè)后咨詢(xún)，內(nèi)容包括討論多基因模型的構(gòu)建方法、預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)以及多基因風(fēng)險(xiǎn)的可視化。

在四個(gè)有新鮮血液樣本的家庭中，阻斷遺傳課題組額外對(duì)夫婦雙方進(jìn)行了合成長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序。阻斷遺傳課題組對(duì)方案進(jìn)行了修改，包括高分子量DNA提?。–irculomics），并使用TELL-Seq文庫(kù)按照標(biāo)準(zhǔn)方案進(jìn)行文庫(kù)制備，但減少了轉(zhuǎn)座酶的含量。

WGS、比對(duì)和基因分型

WGS 初級(jí)和次級(jí)分析均根據(jù) Broad Institute 的最佳實(shí)踐流程 (GATK) 進(jìn)行，由 Sentieon 軟件 (Sentieon) 實(shí)施。簡(jiǎn)而言之，阻斷遺傳課題組使用 bwa v0.7.17 將讀數(shù)映射到人類(lèi)參考基因組序列 (GRCh37)?；蚍中桶▋蓚€(gè)步驟。首先，阻斷遺傳課題組使用 Sentieon 的 GVCFtyper 對(duì)父母和出生的孩子進(jìn)行聯(lián)合變異調(diào)用，并根據(jù)內(nèi)部質(zhì)量控制閾值對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾，包括堿基質(zhì)量 ≥20、讀取深度 ≥8、Fisher 鏈偏差 <30 和深度質(zhì)量 >4。其次，阻斷遺傳課題組在特定于多基因模型的位點(diǎn)調(diào)用基因型，讀取深度至少為 8 倍。阻斷遺傳課題組之前的出版物1中也報(bào)告了來(lái)自病例 4 的序列讀數(shù)。

胚胎基因分型和PS分析

為了對(duì)胚胎活檢樣本進(jìn)行基因分型，阻斷遺傳課題組提取并擴(kuò)增了 DNA，然后使用 Illumina 的 HumanCytoSNP-12 BeadChip 上的快速 SNP 微陣列協(xié)議進(jìn)行基因分型。阻斷遺傳課題組將同胞胚胎和父母的 SNP 微陣列測(cè)量結(jié)果結(jié)合起來(lái)，采用兩步法，稱(chēng)為父母支持 (PS；補(bǔ)充說(shuō)明1 )。首先，阻斷遺傳課題組使用統(tǒng)計(jì)模型通過(guò)將 HapMap 數(shù)據(jù)庫(kù)中的重組頻率與父母的 SNP 陣列測(cè)量結(jié)果和同胞胚胎的 SNP 陣列測(cè)量結(jié)果相結(jié)合，確定每個(gè)親本中雜合單核苷酸變異的最大似然估計(jì)相。這被稱(chēng)為 PS 單倍型。其次，阻斷遺傳課題組使用隱馬爾可夫模型 (HMM) 確定 PS 胚胎基因型，該模型根據(jù)胚胎的 SNP 陣列測(cè)量結(jié)果和每個(gè)親本的最大似然估計(jì)相，找到最有可能傳遞給每個(gè)胚胎的親本單倍型 (補(bǔ)充說(shuō)明1 )。HMM 的輸出告知減數(shù)分裂重組位點(diǎn)。由于這些樣本的處理流程與臨床PGT-A平臺(tái)（Natera）相同，阻斷遺傳課題組依靠成熟的Natera Spectrum流程來(lái)識(shí)別含有非整倍體20號(hào)染色體的胚胎。該平臺(tái)可以檢測(cè)到小至5 Mb的拷貝數(shù)變異。

父母的單倍型定相

為了對(duì)每個(gè)親本中的 WGS 衍生變異進(jìn)行分期，阻斷遺傳課題組使用了 SHAPEIT4（參考文獻(xiàn)11），使用默認(rèn)參數(shù)，以 UK10K Imputation Cohort + 1000 Genomes 第 3 階段（EGAD00001000776）作為參考面板，以 PS 單倍型作為支架（補(bǔ)充說(shuō)明1）。這個(gè)支架由約 200,000 個(gè)分期變異組成，用于錨定使用參考面板執(zhí)行的分期（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖7）。每個(gè)染色體都獨(dú)立且并行地處理；之后合并所有染色體。排除多等位基因位點(diǎn)。為了獲得參考面板未代表的罕見(jiàn)變異的額外性能，阻斷遺傳課題組使用了高分子量 DNA 的鏈接讀取測(cè)序（補(bǔ)充說(shuō)明2）。

重建方法

為了預(yù)測(cè)每個(gè)胚胎的全基因組序列，阻斷遺傳課題組將PS胚胎基因型（見(jiàn)上文）與定相的親本基因組1相結(jié)合，并使用補(bǔ)充說(shuō)明1中討論的HMM添加了跨染色體單倍型。通過(guò)比較PS單倍型（“父母的單倍型定相”）和胚胎的PS基因型（“胚胎基因分型和PS分析”），獲得了父母遺傳給胚胎的單倍型。阻斷遺傳課題組對(duì)每條母系和父系染色體重復(fù)了此過(guò)程（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖7和8），但使用臨床PGT-A檢測(cè)（Natera Spectrum）預(yù)測(cè)為非整倍體的染色體除外。

阻斷遺傳課題組篩選了父母和出生兒童基因組中的低質(zhì)量位點(diǎn)（見(jiàn)上文），以及每個(gè)家族序列數(shù)據(jù)中多等位基因位點(diǎn)和與孟德?tīng)栧e(cuò)誤相對(duì)應(yīng)的位點(diǎn)，形成一組“高置信度位點(diǎn)”，用于評(píng)估覆蓋率和準(zhǔn)確性。阻斷遺傳課題組將預(yù)測(cè)的胚胎基因型識(shí)別結(jié)果（基于重建結(jié)果）與出生兒童DNA測(cè)序識(shí)別出的變異進(jìn)行了比較。

阻斷遺傳課題組利用 gnomAD v2.1 數(shù)據(jù)集中的群體等位基因頻率對(duì)高置信度位點(diǎn)進(jìn)行了注釋。該數(shù)據(jù)集包含來(lái)自七個(gè)群體（非洲人、拉丁裔、阿什肯納茲猶太人、東亞人、歐洲人、南亞人及其他）的約 15,000 個(gè)全基因組和 125,000 個(gè)外顯子組。等位基因頻率 < 0.1% 或未在 gnomAD 數(shù)據(jù)庫(kù)中出現(xiàn)的變異被視為罕見(jiàn)變異。

多基因風(fēng)險(xiǎn)模型

UKB 人口

為了獨(dú)立于 PRS 原始出版物驗(yàn)證每個(gè)模型，阻斷遺傳課題組使用了 UKB 隊(duì)列中約 50 萬(wàn)名個(gè)體的遺傳和疾病信息。為了驗(yàn)證模型，阻斷遺傳課題組根據(jù)參與者自我報(bào)告的血統(tǒng)（字段代碼 21,000：白人、黑人、東亞人（華人）或南亞人）將他們分為四組，并分別計(jì)算了每組的模型性能和 PRS 效應(yīng)大小。

表型定義

阻斷遺傳課題組結(jié)合 ICD-9 和 ICD-10 代碼、自我報(bào)告疾病和診療程序代碼來(lái)定義每種感興趣的表型。所有表型的詳細(xì)描述見(jiàn)補(bǔ)充表2。

多基因模型

阻斷遺傳課題組優(yōu)先考慮了先前已發(fā)表的針對(duì)每種目標(biāo)疾病的多基因模型，這些模型已在廣泛人群中至少1,000名個(gè)體中進(jìn)行了測(cè)試（補(bǔ)充表4）。為了獨(dú)立于原始出版物驗(yàn)證每個(gè)模型，阻斷遺傳課題組使用了來(lái)自UKB隊(duì)列中約500,000名個(gè)體的遺傳和疾病信息。已發(fā)表模型中在UKB中沒(méi)有基因型數(shù)據(jù)的變異被排除在外。其余變異的效應(yīng)大小（對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換的OR）取自原始出版物（總結(jié)于補(bǔ)充表4）。PRS計(jì)算為疾病相關(guān)基因型的加權(quán)和。

PRS 效應(yīng)大小

阻斷遺傳課題組計(jì)算了 UKB 中每個(gè)個(gè)體的 PRS，并按如下所述對(duì)分?jǐn)?shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。阻斷遺傳課題組使用包含標(biāo)準(zhǔn)化 PRS、年齡和性別（針對(duì)乳腺癌、前列腺癌和冠狀動(dòng)脈疾?。┑倪壿嫽貧w計(jì)算了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的 OR。阻斷遺傳課題組使用了多種指標(biāo)，包括曲線(xiàn)下面積和每十分位數(shù)的 OR，以評(píng)估每個(gè)模型的性能。本研究使用的模型符合以下標(biāo)準(zhǔn)：曲線(xiàn)下面積內(nèi)部質(zhì)量≥0.6、每 PRS 十分位數(shù)的 OR 增加以及 PRS 上下十分位數(shù)之間 OR ≥ 2。各十分位數(shù)的模型性能可在擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖3中查看。

定心和標(biāo)準(zhǔn)化

為了將 PRS 標(biāo)準(zhǔn)化并集中到均值近似為零、方差為單位的分布，阻斷遺傳課題組修改了 Khera 等人描述的方法。21首先，阻斷遺傳課題組通過(guò)將 UKB 中個(gè)體的基因型投影到千人基因組計(jì)劃中個(gè)體計(jì)算的主成分 (PC) 上來(lái)計(jì)算他們的主成分。接下來(lái)，阻斷遺傳課題組通過(guò)減去 PRS 對(duì)對(duì)照個(gè)體（即沒(méi)有感興趣表型的個(gè)體）前四個(gè) PC 分?jǐn)?shù)的線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)的 PRS 值來(lái)集中 PRS。然后將這個(gè)集中的 PRS 除以與每個(gè)個(gè)體關(guān)系最密切的千人基因組計(jì)劃人群的標(biāo)準(zhǔn)差。擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖9中可以看到跨多個(gè)祖先的標(biāo)準(zhǔn)化和集中的 PRS。具有阿什肯納茲猶太血統(tǒng)的個(gè)體的 PRS 評(píng)分涉及補(bǔ)充說(shuō)明4中討論的修改后的集中過(guò)程。

計(jì)算胚胎分?jǐn)?shù)

阻斷遺傳課題組采用類(lèi)似的方法計(jì)算了每個(gè)重建胚胎的PRS和祖先PC。如果無(wú)法在胚胎中做出預(yù)測(cè)，阻斷遺傳課題組會(huì)使用群體等位基因頻率來(lái)調(diào)整評(píng)分。評(píng)分按上述方法進(jìn)行中心化和標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)PRS轉(zhuǎn)化為疾病的OR值。具體而言，OR PRS = e β *PRS，其中β是從UKB（上述分析）得出的PRS效應(yīng)大小（即對(duì)數(shù)比值/標(biāo)準(zhǔn)差），PRS是中心化和標(biāo)準(zhǔn)化后的PRS。

單基因和多基因風(fēng)險(xiǎn)的整合

阻斷遺傳課題組調(diào)查了一組知情同意的參與者，尋找在一組預(yù)先定義的基因中被診斷為致病或可能致病的變異，這組基因包含美國(guó)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)學(xué)會(huì) (American College of Medical Genetics) 指定為可報(bào)告為研究次要發(fā)現(xiàn)的 59 個(gè)基因。變異根據(jù)美國(guó)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)，并對(duì) ClinVar 中注釋為可能致病或致病的變異進(jìn)行人工審核。與阻斷遺傳課題組報(bào)告 PRS 的表型相關(guān)的致病/可能致病變異被納入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在本研究中，這包括乳腺癌的BRCA1 基因。

在計(jì)算了英國(guó)基因型識(shí)別 (UKB) 中擁有外顯子組數(shù)據(jù)的女性的 PRS 評(píng)分后，阻斷遺傳課題組分別對(duì)英國(guó)基因型識(shí)別(UKB) 中約 22,000 名個(gè)體中的BRCA1和BRCA2致病變異攜帶者和非攜帶者分別運(yùn)行了邏輯回歸模型。BRCA1和BRCA2變異的定義來(lái)自 Fahed 等人的研究[ 12]。攜帶者的 PRS OR 為 1.3，非攜帶者的 PRS OR 為 1.6。該信息被投射到第 99 個(gè)百分位數(shù)，并將胚胎映射到每個(gè)類(lèi)別。

PRS的模擬分布

阻斷遺傳課題組從父母雙方的分階段基因組開(kāi)始模擬胚胎（連鎖方法），在兩個(gè)母親或兩個(gè)父親的染色體之間添加重組（以近似于配子中的減數(shù)分裂重組），并隨機(jī)組合這些“虛擬配子”。阻斷遺傳課題組將 PS 單倍型與 WGS 相結(jié)合，如上所述，以獲得分階段的親本基因組。阻斷遺傳課題組使用 ped-sim（https://github.com/williamslab/ped-sim）與譜系（兩個(gè)父母和一個(gè)孩子）和遺傳圖譜（https://github.com/cbherer/Bherer_etal_SexualDimorphismRecombination）來(lái)模擬重組位點(diǎn)。阻斷遺傳課題組將從 ped-sim 獲得的斷點(diǎn)與分階段的親本基因組相交以生成虛擬配子，將來(lái)自母親和父親的虛擬配子組合以生成胚胎基因組，并如上所述計(jì)算這些胚胎中的多基因風(fēng)險(xiǎn)。為了生成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分分布，阻斷遺傳課題組對(duì)每對(duì)夫婦重復(fù)此過(guò)程 500 次。在另一種方法（非鏈接方法）中，阻斷遺傳課題組通過(guò)從每個(gè)親本中隨機(jī)選擇一個(gè)等位基因來(lái)模擬胚胎，并且不對(duì)相鄰變異是否鏈接做出任何假設(shè)（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖10）。