单亲二倍体（UPD）诊断性检测：ACMG声明

单亲二体（Uniparental Disomy ,UPD）：指两条同源染色体均遗传自一个亲代。UPD可以是染色体上的某一片段，也可以是一整条染色体。UPD是否导致临床表型发生取决于其是否存在于受遗传印记影响的染色体上，或是否导致相关隐性疾病的发生。

UPD概述

2020年4月份，ACMG针对单亲二倍体的诊断提出了权威声明，该声明主要是为临床医生在单亲二倍体的遗传检测方面做出更专业的临床判断提供参考。

单亲二倍体（uniparental disomy ,UPD）的概念在1980年由Eric Engel首先提出，在该概念中，两个同源染色体都是遗传自同一个亲本（即：两条同源染色体均遗传自一个亲代，与另一个亲代无关的现象）。在1988年报道了首个UPD导致的孟德尔遗传病：一个患有囊性纤维化的孩子从杂合子携带者的母亲那里遗传了变异基因CFTR的两个拷贝，而孩子的生物学父亲不携带变异。

对于大多数染色体来说，UPD是没有临床表型的，但是对于第6、7、11、14、15和20号染色体，如果存在UPD，那么可能会由于基因印记差异等，导致表型异常。另外，UPD可以导致不受遗传印记影响的染色体上的隐性遗传病发病，X染色体的UPD可能导致X连锁的隐性遗传在女性患者中发病。还有一种非常罕见的情况，两条性染色体均遗传自父亲会导致父亲遗传给儿子X连锁疾病。

UPD机制和临床表型

UPD通常是由两次不分离事件引起的，第一个发生在减数分裂过程中，第二个发生在有丝分裂过程中。减数分裂I期的不分离是两个同源染色体不能分离，导致来自同一亲本的两个不同的同源染色体或单亲异二体的概率增加。减数分裂II期的不分离是指姐妹染色单体分裂成子细胞失败，造成单亲同二体。减数分裂出现不分离产生的配子可能是二体型（包含受影响染色体的两个拷贝）或零体型（不包含受影响染色体的拷贝）。在与正常单倍体配子受精后，合子受影响的染色体可能为三体或单体。然后，形成合子后的有丝分裂不分离可能作为第二个事件发生，通过丢失第三条染色体（三体自救）或复制单体染色体（单体自救）来挽救非整倍体。另外，分裂后期延迟（染色体或染色单体在分裂后期运动延迟，导致子细胞细胞核中染色体丢失）也可能作为引起三体挽救的第二个事件出现。

1.三体自救

减数分裂过程中同源染色体或姐妹染色单体不分离导致的二体型配子与正常单体型配子受精结合形成三体合子。由于自救，卵裂过程中随机丢掉其中一条染色体。如果丢失的是来自正常单体型配子的那条染色体，三体合子变成单亲二体。一般而言，不分离发生在第一次减数分裂时，形成的是单亲异二体，发生在第二次减数分裂时，形成的是单亲同二体。大多数不分离出现在母源的减数分裂I期，三体由两个不同的母源同源染色体和一个父源染色体组成更常见。后续的三体拯救是通过失去一条父源染色体实现的，这样就使母源单亲异二体更常见。由于减数分裂过程中同源染色体或姐妹染色体单体重组，通常会导致受影响染色体上出现一个或多个纯合子区，（regions of homozygosity，ROH），但在重组被抑制的着丝粒周围杂合性保留。同理，单亲同二体也通常不完全表现为纯合子。此外罗伯逊易位携带者，其胎儿发生UPD风险增高。

2.单体自救

缺体配子与正常配子受精结合形成单体合子，在卵裂过程中，单体复制变成二体。一般为单亲同二体，且单体自救将导致完全等位体，没有杂合子区。通常情况下是母源性染色体不分离产生缺体配子，此外绝大多数的单体自救中的等臂染色体为父源。

3.有丝分裂重组

嵌合及局部UPD，影响染色体的末端区域。作为合子后事件，由于早期胚胎发生中的染色单体之间的有丝分裂重组，一般为嵌合体。这种UPD机制导致了一部分Beckwith-Wiedemann综合征（BWS）病例，BWS是由11号染色体p15.5区印记基因簇中一个或多个基因的活性改变引起的印记障碍。

4. 其他罕见机制

其他导致UPD的罕见机制也有报道，包括受精后错误（通过体细胞重组或基因转换）、配子互补、衍生染色体的体细胞重组、染色单体交换校正和导致额外小标记染色体(sSMC)的三体校正。UPD也被观察到可以由染色体结构异常，包括罗伯逊易位、等臂染色体、相互易位、衍生染色体和倒位导致。

因此，UPD的形成机制包括配子互补、三体自救 、单体复制、有丝分裂异常等，根据涉及染色体数目的多少，又可细分为片段化UPD、整条染色体UPD、复杂型UPD（伴有等臂染色体、易位染色体等）、全基因组UPD。对于大多数染色体，UPD没有明显的表型效应。然而，一些染色体包含具有亲本特异性基因表达（印记）的区域，这些染色体的UPD可能导致临床上可识别的表型。迄今为止，母本UPD的第7、11、14、15和20号染色体，父本UPD的第6、11、14、15和20号染色体的特定表型已得到充分证明。对于某些染色体（例如2和16）， UPD是否具有可归因于印迹的表型效应仍存在争议。

UPD流行病学特征

总体而言，UPD的发生率约为1/2000。非同源染色体（例如，der[13；14]）之间的罗伯逊易位（新发或遗传）携带者，其胎儿发生UPD的风险约为0.6%。对于同源染色体近着丝点重排的平衡携带者（其中大多数是新发的等臂染色体），其胎儿中发生UPD的风险约为66%。遗传印记或隐性遗传引起具有临床表现的UPD的患病率约为1/3500-1/5000。

产前如果能在特定染色体上诊断出嵌合性非整倍体或者产前诊断出罗伯逊易位，那么就可以推断出存在相应的UPD风险。在绒毛膜绒毛取样分析(CVS)中，观察到限制性胎盘嵌合的15号三体嵌合，则可能导致UPD的几率估计为11%-25%。

UPD检测方法

1. 短串联重复序列(STR)标记

基于DNA的多态性标记是研究UPD的经典方法。研究UPD，最常用的是短串联重复（STRs）序列的标记。STR标记物在整个基因组中非常丰富，许多具有非常高的杂合度，它反映群体中等位基因频率的差异，它们非常适合于多重聚合酶链式反应。除了先证者的DNA样本外，还需要来自父母双方的样本来描述所检测到的STR等位基因的亲代来源。如果并不是亲代两方的样本都可用，也可以只检测父母一方。然而，在某些情况下，对单个亲代样本进行检测并不能完全排除另一方的杂二倍体。对于目的染色体，需要对多个序列标记进行检测。

STR标记在检测中可能出现滑移等情况，建议2个以上位点显示UPD或正常作为诊断依据。该技术在体细胞嵌合、节段性UPD和组织特异性UPD样本中存在局限性。

2. 具有SNP探针的CMA平台

具有SNP探针的CMA平台也可以用于UPD的检测，全外显子组或全基因组测序通过对算法的调整也可能有所发现。CMA可以很容易地在全基因组范围内检测出同源性UPD，因为这种UPD在受累的染色体上很明显地会存在大量连续的ROH，但是如果没有亲代的样本常规的CMA分析不能判断染色体的亲本来源。另外，同源性UPD只是UPD很小一部分。异源性UPD更为常见，如果在CMA分析中发现某染色体与ROH频繁关联，那么也可以认定为疑似UPD，由亲代配子发生减数分裂期间的减数分裂交叉互换产生。然而，有研究表明，在所有经分子确诊的UPD病例中，大约1/3没有表现出连续的ROH, 无法被CMA无法检测到。即使存在，与异源性UPD相关的ROH的大小也不同，并且已经证明与UPD相关的ROH和由于偶然或父母血缘关系而发生的ROH之间的大小重叠。实验室应确定报告ROH和建议后续UPD检测的大小阈值和其他标准。

UPD产生的ROH区域长度存在差异，大小不一，需要与偶然出现或亲缘关系近产生的ROH区域作区分。由于非UPD染色体极少会在末端出现ROH，因此如果末端存在ROH，即使片段很小（5Mb）也应该报告；对于非末端ROH，片段大小阈值可以设置稍微大一点（15-20Mb）。如果ROH区域仅限于一条染色体则应该做后续的验证，以排除该条染色体因携带相关的印记区域而导致印记病的发生。重要的是，经CMA检测出的ROH不需要覆盖印记区域也可能会导致印记病的发生。无论ROH存在于染色体上的哪个位置，一旦被检测出来，则该条染色体就是一条潜在的UPD，如果后续被确诊就是病人印记病的病因。如果ROH区域出现在单条染色体且该染色体包含印记区域，那么UPD可能是导致异常表型的原因。当检出的ROH区域与印记区域不重叠时，也提示整条染色体可能是UPD（mixUPD），需要进一步的验证。

3. 外显子组测序/基因组测序

使用计算机算法对来自外显子组或者全基因组家系数据的SNP分布也可以检测UPD。目前已经被用于鉴定外显子测序数据中的整条染色体的UPD以及大于10Mb的片段性UPD。由于杂合性缺失跟片段性UPD不容易区分，因此需要后续的检测来鉴定这两种异常。在大部分临床实验室中，UPD的分析并未被纳入常规的临床外显子或者基因组测序数据分析中去。然而，如果在分析的过程中发现了UPD，对于愿意接受次要结果的病人就会在报告中给出一个次要发现的结果，并建议需要其他的临床实验来验证这个结果。

4. MS-PCR和MS-MLPA

此外对于印记基因疾病，甲基化PCR和MLPA对于病因检测有一定意义，原理是分析染色体较大区域（通常是几兆碱基）内的差异甲基化区域（DMRs）或印记中心（位于印记基因的染色体上）甲基化状态。DMRs对于母源和父源有不同的甲基化状态。它们在已知的具有临床意义的印记染色体区域被定位，被测序，功能特征也已经被确定，并被认为在建立和维持周围印迹基因的亲本特异性表达方面发挥作用。MS-PCR和MS-MLPA检测的目的是区分目的染色体上DMRs的正常甲基化谱和印记病相关的异常谱，而不需要父母的样本。然而，这两种技术都不能辨别UPD和印迹异常。因此，需要STR分析来确定UPD是否是所观察到的异常甲基化模式的原因。

任何染色体的UPD都会导致患隐性遗传病的风险增加，因为当孩子的父母中的一方为隐性遗传病致病性变异的携带者时，UPD会出现纯合的现象。即使在单亲异二体的情况下也是如此，这是由于在亲代配子发生过程中减数分裂交叉互换会产生同二体区域。会因UPD而导致患隐性遗传性疾病风险增加的患者可以同过CMA检测来确认。如果基于通过CMA检测到单个染色体上的大ROH而怀疑为UPD，特别是如果基于体检或其他辅助诊断研究的结果也存在隐性疾病的临床怀疑，则建议对隐性疾病进一步评估。通常如果测序检测到某个纯合的致病性变异，但是患者的父母只有一方是该变异的携带者，那么这种情况下的隐性遗传病通常是由UPD导致的。

遗传印迹相关疾病

1. 母源UPD15和Prader–Willi综合征（PWS，MIM 176270）

PWS，又称为小胖微利综合征。15号染色体母源性单亲二体是PWS的重要致病机理之一，约占PWS病例数的20-30%。主要由于卵细胞减数分裂I期不分离，以致缺少遗传印记15q11.2-q13区域父源基因表达，而母源基因过表达。临床表现为新生儿肌张力低下和吸吮不良，发育迟缓和/或智力障碍，儿童期肥胖，身材矮小，性腺功能减退和行为异常等。

2.父源UPD15和Angelman综合征（AS, MIM 105830）

AS，又称为天使综合征。可由于15号染色体父源性单亲二体引起，该致病机理约占AS病例的3-7%。由于卵细胞减数分裂II期或早期卵裂过程中染色单体不分离导致遗传印记15q11.2-q13区域的父源单亲二体，母源基因不表达。临床表现为严重的智力损害，失语，共济失调，小头症，癫痫发作，以及愉快的性格与阵发性笑声等。

3. 父源UPD6和新生儿暂时性糖尿病(TNDM,MIM 601410)

TNDM是一种罕见但公认的糖尿病类型，是由染色体6q24.2印迹位点基因PLAGL1和HYMAI过表达引起的。包含PLAGL1和HYMAI的部分或完全父源UPD6已经在大约40%的TNDM病例中被报道。除TNDM外，巨舌或其他先天性异常是UPD的有力指征。大部分的父源UPD6是单亲同二体，因此，患者罹患罕见常染色体隐性遗传疾病的风险增加，包括HFE相关的遗传性血色素沉着症(MIM 235200)、甲基丙二酸血症(MIM 251000)和21羟化酶缺乏引起的先天性肾上腺增生(MIM 201910)。

3. 父源性UPD7和Russell-Silver综合征（RSS，MIM 180860）

RSS的特征是产前和产后发育不良、相对大头畸形、肢体、身体或面部不对称。完全性和局部母源UPD7约占RSS患者的7 -10% 。位于7号染色体长臂的片段性母源UPD7（导致位于7q32.2印记中心MEST基因的过甲基化）在多位RSS病人中被检测到。母源性UPD7的单亲同二体及单亲异二体都在RSS病人中被报道过。在一些病例中也报道过7q的嵌合母源片段性UPD。

4. 父源性UPD11和Beckwith-Wiedemann综合征(BWS, MIM130650)

BWS是一种先天性过度生长障碍，易发生肿瘤。该疾病是由11号染色体短臂上两个甲基化差异区域(DMRs)的异常引起的：调控H19和IGF2表达的印迹中心1 (IC1)和调控CDKN1C、KCNQ1和KCNQ10T1表达的印迹中心2(IC2)。BWS的常见原因是影响印迹中心的甲基化异常。约20% 的BWS患者发生11p15的部分父源性UPD，导致在正常情况下父源性表达的IGF2在两个等位基因点都表达，该基因编码一种有效胎儿生长因子。据推测，整条染色体的非嵌合UPD11是致死性的，事实上，大部分的病例都是以嵌合形式存在的，这就进一步验证了这类UPD是受精后形成的。在产前检测涉及11号染色体的非嵌合ROH可能与胎儿的高死亡率有关。

5. 母源性UPD11和Russell-Silver综合症

母源11号染色体的UPD极少被描述为RSS的单一致病原因。11p15相关的RSS主要是与IC1的高甲基化有关；导致H19的双等位基因表达及IGF2两个拷贝的沉默，从而导致生长受限。到目前为止，报道的因母源性UPD11而导致的RSS病例少于10例。与因其他原因导致的RSS病例的表型也有所区别，包括生长受限，不对称和头大。所有报道的病例都是嵌合的，这跟这种UPD是合子后起源吻合。嵌合性母源UPD11导致RSS的可能性比目前观察到的可能更高。然而这种异常很难检测，要么是由于其较低的嵌合比率，要么就是因其总是存在于组织而非外周血，而通常我们用外周血作为样本来检测比较多。

6. 母源UPD14和 Temple 综合症（MIM 616222）

TS的特征是出生前和出生后发育不良、轻度发育迟缓、张力减退、关节过度伸展、手和脚小、躯干肥胖、性早熟以及成人身材矮小。母源性UPD14是最广泛公认的TS病因；导致所有在14q32.2上的父源表达的基因DLK1, RTL1, 及DIO3缺失及母源表达的基因（非编码RNAsGTL2/MEG3, MEG8, RTL1as等）过度表达。在极少数情况下，母源性UPD14被报道以嵌合形式存在，与罗伯逊易位及sSMC相关。

7. 父源UPD14和Kagami-Ogata综合症

KOS（MIM 608149）的表型较严重，包括羊水过多，脐膨出，胸部发育不良伴呼吸衰竭，腹壁缺陷，发育不良，发育迟缓，面部异常，包括面颊饱满和中突。父源UPD14约占KOS患者的三分之二。其余的病例与母源14号染色体的微缺失及表观遗传缺陷有关。14号染色体q32.2区RTL1过度表达和MEG表达缺失是这些患者表型异常的主要潜在因素。

8. 母源性UPD20和Mulchandani-Bhoj-Conlin综合症

Mulchandani-Bhoj-Conlin综合症是一个罕见的疾病，文献中报道的病例不超过20个。该疾病的特点是宫内和产后发育不良和突出的喂养困难，无法茁壮成长。大多数患者没有畸形特征，先天性畸形或重大发育迟缓。与RSS及其他主要表现为产前和产后生长不良和身材矮小的疾病有显著的表型重叠。出乎意料的是，在大多数报道的病例中，CMA检测的基因分型模式提示UPD是由于减数分裂II错误或合子后有丝分裂错误导致的，而不是更常见的减数分裂I不分离造成的。

9. 母源性UPD20

20号染色体父源UPD可导致1b型假甲状旁腺功能减退(PHP1B,MIM 603233)，其特征是肾脏对甲状旁腺激素抵抗，表现为低钙血症、高磷血症和甲状旁腺激素水平异常高。这种情况通常是由于位于20q的GNAS的DMR的缺失或STX基因（GNAS位点甲基化的远程控制元件）缺失造成的。这些缺陷导致母源Gs-α亚型在肾组织中的表达缺失。关于父源UPD20导致PHP1B的病例报道比较罕见。

产后UPD检测建议

1、发育迟缓/智力低下（不论是否是先天性的）并且携带14号或15号染色体罗伯逊易位（不论是遗传还是新发）的患者。

2、发育迟缓/智力低下（不论是否是先天性的）并且携带一个来自14号或15号染色体的额外的结构异常染色体。

3、携带一个会导致常染色体隐性遗传病的致病性位点的纯合突变，并且父母只有一方是该变异的携带者，但是有没有其他的理由可以解释这种现象（比如基因内缺失等）。

4、6q24 DMR区域内TNDM和低甲基化的患者。针对UPD6的检测可以依次进行或者同时进行MS-MLPA的检测。

5、临床怀疑为RSS的患者。针对UPD6的检测可以依次进行或者同时检测11p15区域IC1的甲基化。

6、BWS患者IC2区域甲基化缺失并且IC1区域甲基化增加。值得注意的是，BWS的一线分子检测应包括IC1和IC2的DNA甲基化分析。

7、患者的临床结果及身体特征提示为父源或母源UPD14。

8、PWS或者AS患者的甲基化检测异常（非MS-MLPA），核型及CMA结果正常。虽然CMA检测到的大片段ROH高度怀疑UPD，但是仍需要其他的方法来验证。DNA甲基化分析是PWS和AS的一线检测方式。

9、PHP1B患者在GNAS位点的DMRs甲基化异常，核型及CMA结果正常。另外，生长迟缓并且喂养困难的患者SNP检测通常会在20号染色体会检测到ROH。

10、携带无法解释的X-连锁临床表现以及在X染色体上检测到致病性变异的纯合突变的女性患者。

11、携带无法解释的X连锁疾病（由父亲传递而来）的男性。

产前UPD检测建议

1、羊膜穿刺或CVS中，6、7、11、14、15或20号染色体的三体或单体嵌合为II或III级。

2、羊膜穿刺核型结果正常，CVS检测6、7、11、14、15或20号染色体为II或III级嵌合三体或单体。

3、PGS植入了一个嵌合三体或单体的胚胎（6、7、11、14、15或20号染色体），后续的产前诊断需要包含UPD相关检测。

4、产前影像异常符合UPD相关表型。

5、羊穿或者CVS诊断为罗伯逊易位或者等臂染色体（14或者15号染色体）。

6、胎儿检测出新发sSMC（无明显常染色质）。

7、印迹染色体之间可能存在3:1分离的非罗伯逊易位，可导致三体或单体拯救或配子互补。

UPD机制和技术归纳

1.目前明确有表型效应的是6、7、11、14、15和20号染色体单亲二体。

2.单亲二体根据来源可以分为：单亲同二体（isodisomy, isoUPD）,单亲异二体（heterodisomy, hetUPD）,以及混合型单亲二体（mixUPD）。

3.UPD由两个不分离事件导致：减I或减II染色体分离失败，正常受精后产生三体或单体；三体或单体自救后可能产生UPD。

4.ROH区域只能辨别isoUPD和mixUPD，无法辨别hetUPD，因此SNP-array约漏检1/3的UPD。

5.ROH区域可以识别mixUPD，在分析中非常容易遗漏。因为检出的ROH区域与印记区域可能不重叠，但提示整条染色体可能为UPD。

6.识别UPD的技术包括：a.短串联重复序列(STR)标记；b.SNP-array；c.外显子组测序/基因组测序；d.MS-PCR和MS-MLPA。