试管婴儿出生率低、出生缺陷比例高，是困扰辅助生殖医学的难题。面对上述问题，山东大学陈子江院士、高媛团队和中科院北京基因组所刘江团队与广州女娲生命科技有限公司，在全球首创了使用DNA甲基化筛选胚胎用于试管婴儿（Pre-implantation DNA methylation screening, PIMS）的技术, 使用该技术选择甲基化状态优良的胚胎（DNA甲基化水平在0.25-0.27之间）的出生率高达72%，并可以筛查表观遗传引起的出生缺陷，从而降低出生缺陷的比例。相关研究于2023年5月8号发表在Cell Research上，文章题目为“A clinical study of preimplantation DNA methylation screening in assisted reproductive technology（使用胚胎植入前 DNA 甲基化筛查技术用于辅助生殖的临床研究）”。

原创技术 解决难点

据国家统计局数据显示，我国不孕不育率逐年攀升，已达到18%，近3,300万个家庭存在生殖障碍。解决出生障碍的最佳方式是辅助生殖技术（试管婴儿），但当前全球辅助生殖的出生率不足30% (Lancet, 2021)。根据《中国出生缺陷防治报告》统计，我国出生缺陷发生率为5.6%，国家每年要消耗超过万亿元来应对出生缺陷。因此，提高试管婴儿的出生率和降低出生缺陷是临床上急切需要解决的问题。

胚胎植入前遗传学筛查（PGS）应用于临床已有30余年，虽然技术不断迭代，但仍然有超过一半以上的胚胎无法出生。这意味着除染色体倍数的异常外，还有其它的异常会导致胚胎不能正常出生。中科院北京基因组所和北京大学的早期研究发现相当比例的人类胚胎出现全基因组甲基化的异常，预示着DNA甲基化信息是筛查胚胎的潜在生物标志物（Li, et.al. JGG, 2017）。为了证明使用DNA甲基化筛查胚胎可以改善辅助生殖临床，科学家们进行了临床试验。该项研究纳入了182个家庭（包含800个囊胚），对每个囊胚进行活检并取3-5个滋养层细胞，利用微量细胞DNA甲基化建库方法，同时一套甲基化图谱的信息同时分析出胚胎的DNA甲基化状态和染色体非整倍性。

全新发现 硕果累累

表观遗传修饰DNA甲基化是胞嘧啶上的甲基化修饰，对基因的表达起开关的作用，DNA甲基化状态的正确与否决定婴儿能否顺利出生及是否健康。研究发现，DNA甲基化水平在0.25到0.27区间的胚胎的活产率对比不在该区间的胚胎显著提升（72.1% vs. 50.4%）,同时妊娠率也显著提高（76.7% vs. 59.8%;OR，2.21; CI，0.95 to 5.51;P = 0.06），和流产率大幅降低（6.1% vs 15.7%;OR，0.35;CI，0.04 to 1.75;P = 0.22）（图 1）。该结果说明，应该优先选择DNA甲基化水平接近0.25–0.27的整倍体胚胎进行移植。

图1. 不同甲基化水平对应胚胎的妊娠率（a）、流产率（b）和活产率（c）。

现有PGT-A技术对年轻患者的累积活产率影响较少，该研究对年轻女性和高育龄女性胚胎的DNA甲基化水平进行比较，发现两者有相似分布趋势（图2）。在辅助生殖中，已有研究发现PGT-A可以提高高育龄女性的活产率，而对年轻女性的影响有限；与之不同，PIMS技术对高龄和低龄女性都有作用。

图2.（a）年轻女性和高龄女性胚胎的甲基化水平；年轻 (b) 或 高龄女性 (c) 具有不同甲基化水平的胚胎的活产率。

根据数据统计，全球有1.4‰的人口患有印记基因疾病以及相关出生缺陷，而通过辅助生殖出生的新生儿约有3‰的概率患病。研究数据显示，部分胚胎中已知卵子和精子的印迹控制区域（germline Imprinting Control Regions，gICRs）中具有异常的甲基化状态。例如，在其中一个未移植的胚胎中，GNAS ICR处于未甲基化状态，严重缺乏高甲基化片段（甲基化水平=0.07，P = 0.016）（图3）。因此，该研究表明，DNA甲基化检测可以排除ICRs内甲基化突变的胚胎，并且能潜在降低辅助生殖过程中印记基因疾病的发生率。

图3.  胚胎中未甲基化的GNAS ICR对应的基因图 (P = 0.016)。垂直条分别代表基因组（黑色）和测序覆盖（红色或青色）的 CpG 位点。灰色阴影框代表 GNAS ICR。

表观遗传 赋能生殖

PIMS是全球首创的新一代辅助生殖技术，其运用完全自主知识产权的检测方法可以同时检测DNA甲基化的信息和胚胎染色体拷贝数变异，可以提升首次单胚移植活产率、并降低出生缺陷风险。PIMS是首次将表观遗传学应用于胚胎筛查的技术，开启了生殖医学新纪元，是划分生殖医学新时代的重要标志，对生殖医学领域有着里程碑意义。

参考文献：

[1] Qiao J, et al. Lancet. 397, 2497-2536 (2021).
[2] Li, G. et al. J. Genet. Genomics 44, 475–481 (2017).