光学基因组图谱揭示染色体间插入的隐藏复杂性：两例报告与文献综述

《European Journal of Medical Genetics》：Hidden complexity of interchromosomal insertions revealed by optical genome mapping: report of two cases and literature review

　　

专业摘要翻译 染色体插入是指一段基因组片段被重新定位到非同源染色体（染色体间）或同一染色体不同位点（染色体内）的间质区域。它们是导致不良生殖结局（包括男性不育、复发性流产及后代先天性异常）的重要已知因素，涵盖从简单平衡事件到涉及多个断裂点和重排片段的复杂重排。标准核型分析可在约5–10 Mb分辨率下进行全基因组检测，但可能遗漏细微重排。染色体微阵列分析（CMA）显著提升了拷贝数变异（CNV）的检出能力，但无法检测平衡结构变异或确定重复片段的基因组位置与方向。荧光原位杂交（FISH）提供靶向高分辨率验证，但需预先确定候选位点。光学基因组图谱（OGM）利用在特定序列基序标记的超高分子量DNA分子，在纳米通道阵列中线性化，以千碱基级断裂点分辨率检测全基因组结构变异。本文报告了两例无关联病例，其中常规细胞遗传学初步定性为简单插入的染色体重排，经OGM证实由多个重排序的子片段组成，从而将两者重新归类为复杂结构变异。这些发现凸显了传统方法在解析染色体插入复杂性方面的局限性，并支持将OGM整合到此类重排的细胞遗传学工作流程中。

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研究背景与目的

染色体插入是基因组片段被重新定位至非同源染色体（染色体间插入）或同源染色体不同位置（染色体内插入）的结构重排，已被确认为导致男性不育、复发性流产及后代先天性异常等不良生殖结局的重要因素。传统核型分析虽能提供全基因组染色体概览，但其约5–10 Mb的分辨率限制使其难以识别细微重排，尤其当断裂点位于形态相似区域或衍生染色体与正常染色体高度相似时。染色体微阵列分析（CMA）虽显著提升了拷贝数变异（CNV）的检测能力，却无法检测平衡结构变异（如倒位或易位），也无法确定重复片段的基因组位置或方向。荧光原位杂交（FISH）可提供靶向高分辨率验证，但需事先确定候选基因座，限制了其在重排架构未知时的应用。光学基因组图谱（OGM）作为一种新兴技术，通过对特异性序列基序标记的超高分子量DNA分子进行纳米通道线性化，能够以千碱基级断裂点分辨率检测全基因组结构变异，在解析传统方法无法完全阐明的复杂染色体重排方面展现出独特价值。然而，染色体插入的真实结构复杂性常被标准方法系统性低估。本研究旨在通过两例临床病例，展示OGM如何揭示常规细胞遗传学认定为简单插入的染色体重排中所隐藏的分子复杂性，并探讨其对临床解读与患者管理的影响。

研究方法

研究人员共纳入两例无关联患者。病例1为一对因少弱畸精子症就诊辅助生殖单元的夫妇。病例2因超声检出胎儿结构异常而接受产前诊断。研究采用以下关键技术方法：常规细胞遗传学（R显带和G显带核型分析，对外周血淋巴细胞和羊水细胞分别按标准方案操作，至少分析20个中期分裂相，按ISCN 2024命名）；荧光原位杂交（FISH）（用于确认或精炼核型分析的断裂点、验证CMA鉴定的CNV、定位其染色体位置，并验证OGM检出的重排）；染色体微阵列分析（CMA）（使用Agilent Whole Genome ISCA 8×60K芯片，数据比对至GRCh37参考基因组，按ACMG和ACLF指南评分CNV）；光学基因组图谱（OGM）（从全血和培养羊水细胞中提取超高分子量DNA，使用DLE-1酶对CTTAAG序列基序进行荧光标记，在Saphyr系统中成像直至有效覆盖度>100×，数据通过Bionano Access软件v1.8.2处理并比对至GRCh38，采用从头组装流程进行高置信度断裂点鉴定与复杂重排重建）。所有结构变异均按ISCN 2024命名法报告。

研究结果

病例1：男性不育中的不平衡染色体重排

临床表现为40岁男性患者少弱畸精子症，伴侣生育力评估正常。常规核型分析显示7号染色体长臂q11区延长，全染色体涂染FISH排除7号染色体自身重复，提示为来源不明的衍生7号染色体。CMA鉴定出22.8 Mb的拷贝数增加，覆盖2q11.1q14.1区域。FISH结合7号染色体着丝粒探针与2号染色体BAC探针证实2q物质插入7号染色体近着丝粒区。OGM分析揭示该重复物质由四个2号染色体子片段构成，Circos图和基因组视图显示在7号染色体上未发现与插入一致的结构变异。两个关键基因组图谱定义了子片段间的三个新连接点，其中一个对应倒位。双色FISH验证了片段顺序，证实信号在衍生7号染色体上的顺序颠倒且间距增大，符合OGM重建的复杂插入结构（包含倒位和片段重组）。最终精确重建了衍生7号染色体结构，精炼核型显示为复杂重排而非简单插入。

病例2：母源性平衡重排导致的产前不平衡插入检测

27岁初产妇于孕20周因超声发现脑室扩大而转诊。胎儿羊水CMA鉴定出33.4 Mb的3q13.32q25.2重复。常规核型分析发现一条4号染色体短臂延长且带型改变，提示重复物质插入此区域。父母细胞遗传学分析显示父亲核型正常，母亲携带表观平衡的同源染色体间插入（3q物质插入4p），胎儿的不平衡源于母源重排的不平衡传递，且母源重排经祖父母核型确认为新发突变。母亲外周血OGM揭示了插入的3q区域出乎意料的复杂性——该区域被分成两个片段插入4号染色体4p15.33带。FISH实验验证了OGM发现，确认两个片段以相对于其原始位置的相反顺序插入4p15.3，但每个片段保持原有方向。最终精确重建了衍生4号染色体结构，显示为包含两个插入片段的复杂重排。胎儿继承此重排后形成3q13.32q25.2重复，解释了产前超声异常。

讨论与结论

染色体插入在活产儿中的估计发生率约为1/80,000，但在细胞遗传学检测人群中可达1/500。约2.1%的表观新生间质CNV实际上来自携带平衡插入的正常表型亲本。插入的结构复杂性体现在两个层面：一是断裂点连接处常隐藏微小拷贝数变化；二是插入片段本身可能被分割成多个连续子片段并在受体位点重排。既往研究通过测序和OGM已多次揭示此类隐藏复杂性，并提示可能与染色体碎裂（chromothripsis）或染色体合成（chromoanasynthesis）等机制相关。本研究中，两例病例均不满足经典染色体碎裂的全部正式标准（如断裂点数量较少），但均表现出内部片段重排这一额外复杂性层次，这完全超出了常规细胞遗传学的检测能力。病例1中，22.8 Mb重复区域包含115个OMIM基因，其中21个三倍敏感度评分>0.68，且重复区域富含节段性重复，可能促进了结构不稳定性。由于受体位点位于基因贫乏的7号染色体着丝粒区，且重排为拷贝数增加（不影响正常2号染色体上的完整拷贝），患者的少弱畸精子症更可能源于重排本身导致的减数分裂配对与分离障碍，而非特定基因剂量效应。病例2中，胎儿33.24 Mb重复包含204个基因（53个三倍敏感度评分>0.68），为脑室扩大提供了合理解释。对于平衡插入携带者，减数分裂前期I形成的四价结构易导致不平衡分离，平均复发风险达32–36%。OGM揭示的重排序片段构型可能进一步复杂化减数分裂配对，增加产生不平衡分离产物的可能性，因此精确的OGM表征对估算复发风险和设计植入前遗传学检测（PGT-SR）至关重要。

研究结论：这两例病例证明，即使在常规细胞遗传学看来简单的染色体插入，也可能隐藏着从根本上改变临床解读和患者管理的分子复杂性。这种插入物质的隐蔽重组——无法被核型分析、CMA或单独FISH检测——通过OGM得以揭示，突显了其在一个单一全基因组检测中以千碱基分辨率表征插入架构的能力。随着OGM的可及性提高，有必要在更大规模患者群体中进行前瞻性研究，以确定其在体质细胞遗传学诊断中的最佳定位，并阐明看似简单结构变异中隐藏复杂性的真实流行率。