KR20200028153A - Non-invasive prenatal testing method using cell free dna fragment derived maternal blood - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a non-invasive prenatal test method using cell-free DNA fragments derived from maternal blood. Specifically, the present invention relates to a non-invasive prenatal test method for determining chromosomal aneuploidy of a fetus or maternal mosaicism based on the difference in length between DNA fragments of the mother and the fetus in the cell-free DNA fragment derived from the maternal blood. According to the present invention, the method can be useful for the non-invasive prenatal test since the chromosomal aneuploidy of the fetus and the maternal mosaicism can be more accurately determined using a z-score calculated from each of DNA fragments by isolating cell-free DNA fragments derived from the mother or the fetus from whole cell-free DNA fragments isolated from the mother blood depending on the length of the DNA fragment.

Description

모체 혈액 유래 무세포 DNA 단편을 이용한 비침습적 산전 검사 방법{NON-INVASIVE PRENATAL TESTING METHOD USING CELL FREE DNA FRAGMENT DERIVED MATERNAL BLOOD}Non-invasive prenatal testing method using maternal blood-derived cell-free DNA fragments {NON-INVASIVE PRENATAL TESTING METHOD USING CELL FREE DNA FRAGMENT DERIVED MATERNAL BLOOD}

본 발명은 모체 혈액 유래 무세포 DNA 단편을 이용한 비침습적 산전 검사 방법에 관한 것으로, 구체적으로 모체와 태아의 DNA 단편 길이 차이를 기초로 모체 혈액 유래 무세포 DNA 단편 및 태아 유래 무세포 DNA 단편을 분리하고, 각각에 대한 z-스코어를 기반으로 태아의 염색체 이수성 또는 모체 모자이시즘을 판단하는 비침습적 산전 검사 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a non-invasive prenatal test method using maternal blood-derived cell-free DNA fragments, specifically separating maternal blood-derived cell-free DNA fragments and fetal-derived cell-free DNA fragments based on differences in the DNA fragment lengths of the mother and fetus And a non-invasive prenatal screening method for determining chromosome aneuploidy or maternal maternalism of the fetus based on the z-score for each.

인간 의학 연구에서 중요한 노력 중 하나는, 불리한 건강결과에 근간이되는 유전적 기형의 발견이다. 이와 같은 유전적 기형의 발견을 위한 산전 검사는 출생 전 태아의 질병 유무를 태아의 염색체 이수성을 통해 판단 및 진단한다.One of the important efforts in human medical research is the discovery of genetic malformations underlying underlying adverse health outcomes. Prenatal examination for the detection of such genetic abnormalities determines and diagnoses the presence or absence of a fetus before birth through chromosome aneuploidy of the fetus.

일반적으로, 만 35세 이상의 임산부, 본인 또는 직계가족이 유전적 질환이나 선천성 기형 병력이 있는 임산부, 다태아 임산 경험이 있는 임산부는 고위험 임산부로 분류된다. 최근 고위험 임산부의 수가 지속적으로 증가하는 경향을 보이는데, 이는 여성의 평균 출산 연령이 높아진 것이 가장 큰 원인이다. 고위험 임산부로 분류되면 모체와 태아의 안전을 위해 산전 관리에 많은 주의가 요구되고 산전 검사의 필요가 대두된다.In general, pregnant women over the age of 35, pregnant women with a hereditary disease or congenital malformation, or pregnant women with multiple births, are classified as high-risk pregnant women. Recently, the number of high-risk pregnant women tends to increase steadily, which is attributed to the increased average age of women. When classified as a high-risk pregnant woman, precautions are required for prenatal care and the need for prenatal examination is raised for the safety of the mother and fetus.

산전 검사는 침습적 산전 검사(invasive prenatal testing) 및 비침습적 산전 검사(non-invasive prenatal testing; NIPT)로 나뉜다. 침습적 산전 검사는 양수천자(amniocentesis), 융모막 검사(chorionic villi sampling) 및 탯줄 천자(cordocentesis) 등이 있다. 그러나, 침습적 산전 검사는 검사 과정에서 태아에게 충격을 가하여 유산이나, 질병 또는 기형을 유발할 수 있어, 이와 같은 문제점들을 극복하기 위해 최근 비침습적 산전 검사 방법이 개발되고 있다.Prenatal testing is divided into invasive prenatal testing and non-invasive prenatal testing (NIPT). Invasive prenatal tests include amniocentesis, chorionic villi sampling, and cordocentesis. However, the invasive prenatal test may cause an abortion, disease, or malformation by impacting the fetus during the test process, and recently, a non-invasive prenatal test method has been developed to overcome such problems.

한편, 일반적인 비침습적 산전 검사 방법은 각 염색체에 배열된 염기서열 단편의 수를 전체 염기서열 단편의 수로 나누는 정규화 과정을 통해 z-스코어를 계산하여 정상 염색체와 이수성 염색체를 구별한다. 그러나, 태아 분율(fetal fraction, FF)이 낮거나 모체로부터 유래된 DNA가 증폭되거나 결실이 있으면 정확한 판정을 하기 어렵다.On the other hand, a general non-invasive prenatal test method distinguishes normal and aneuploidy chromosomes by calculating z-scores through a normalization process that divides the number of sequencing fragments arranged on each chromosome by the total number of sequencing fragments. However, it is difficult to accurately determine if the fetal fraction (FF) is low or if DNA derived from the mother is amplified or deleted.

최근에는 차세대 염기서열 분석(next generation sequencing, NGS) 기술인 대규모 병렬형 염기서열 분석(massively parallel signature sequencing, MPSS) 방법이 도입되고, 모체 혈액 내에 존재하는 무세포 DNA(cell-free DNA, cfDNA)에서 무세포 태아 DNA(cell-free fetal DNA, cffDNA)를 발견함에 따라, 이를 활용한 비침습적 산전 검사 방법이 개발되었다. 그러나, 모체의 혈액 내에 존재하는 태아의 cffDNA의 양은 상대적으로 매우 적기 때문에 많은 수의 NGS 리드(read)를 생성하여 판별하는 방식이 일반적으로 사용되고 있어 경제적인 문제가 대두되고 있다. 또한, 위양성(false positive, FP) 또는 위음성(false negative, FN)과 같은 태아 기형의 진단 오류가 없는 더욱 정확하고 민감한 검사 방법의 개발이 필요하다.Recently, a massively parallel signature sequencing (MPSS) method, which is a next generation sequencing (NGS) technology, has been introduced, and cell-free DNA (cfDNA) present in maternal blood has been introduced. As cell-free fetal DNA (cffDNA) was discovered, a non-invasive prenatal test method using the same was developed. However, since the amount of cffDNA of the fetus present in the mother's blood is relatively small, a method of generating and discriminating a large number of NGS reads is generally used, and thus economic problems are emerging. In addition, there is a need to develop a more accurate and sensitive test method free of diagnostic errors in fetal malformations, such as false positive (FP) or false negative (FN).

이와 관련하여, 대한민국 특허공개 제10-2017-0036648호는 모체의 혈액 시료로부터 얻어진 DNA 서열정보로부터 태아의 염색체 이수성 여부를 판별하기 위해, 이수성 여부를 판별하고자 하는 특정 염색체의 평균 리드 수와 상기 염색체를 제외한 다른 염색체의 평균 리드 수를 비교하여 실험간 편차를 제거하고, CV(coefficient of variation) 값으로 가중 평균된 염색체간 리드 수의 비율을 이용함으로써, 결과의 신뢰도 및 특이도를 향상시켜 위양성 확률을 줄일 수 있는 비침습적 태아 염색체 분석 방법을 제공한다.In this regard, Korean Patent Publication No. 10-2017-0036648 discloses the average number of leads of a specific chromosome and the chromosome to determine whether it is aneuploidy, in order to determine whether aneuploidy is chromosome from DNA sequence information obtained from a blood sample of a mother By comparing the average number of leads of other chromosomes except for removing the deviation between experiments, and using the ratio of the weighted averaged number of chromosomal leads as the coefficient of variation (CV) value, the reliability and specificity of the result are improved to improve the false positive probability. It provides a non-invasive method for analyzing fetal chromosomes.

이에, 본 발명자들은 정확한 비침습적 산전 검사 방법을 개발하기 위해 연구하던 중, 모체 혈액으로부터 분리된 전체 무세포 DNA 단편을 DNA 단편의 길이에 의존하여 모체 또는 태아 유래 무세포 DNA 단편으로 분리하고, 이들 각각으로부터 계산된 z-스코어를 이용하여 태아의 염색체 이수성 또는 모체 모자이시즘을 더욱 정확하게 판단할 수 있는 분석 방법을 개발함으로써, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors were studying to develop an accurate non-invasive prenatal test method, and the whole cell-free DNA fragment isolated from the mother blood was separated into a mother- or fetal-derived cell-free DNA fragment depending on the length of the DNA fragment, and these The present invention was completed by developing an analysis method capable of more accurately determining the chromosome aneuploidy or maternal maternalism of the fetus using the z-score calculated from each.

대한민국 특허공개 제10-2017-0036648호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0036648

본 발명의 목적은 모체 혈액 유래 무세포 DNA 단편을 이용한 비침습적 산전 검사 방법 및 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method and apparatus for non-invasive prenatal testing using a cell-free DNA fragment derived from maternal blood.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 모체의 혈액에서 추출된 무세포 DNA로부터 전체 염기서열 단편을 생산하는 단계; 상기 생산된 전체 염기서열 단편을 인간 참조 유전체 서열의 상동성 위치에 배열하는 단계; 상기 배열된 전체 염기서열 단편을 길이에 따라 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편으로 나누고, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각에 대하여 z-스코어(z-score)를 산출하는 단계; 및 상기 산출된, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각의 z-스코어를 비교하여 모체 모자이시즘 또는 태아의 염색체 이수성을 판단하는 단계를 포함하는 비침습적 산전 검사 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of producing a full sequence fragment from cell-free DNA extracted from the mother's blood; Arranging the whole nucleotide sequence fragments produced at homologous positions of a human reference genome sequence; The entire sequence fragment is divided into fetal-derived sequence fragments and maternal-derived sequence fragments along the length, and z-score (z-) for each of the entire sequence fragment, fetal-derived sequence fragment, and maternal-derived sequence fragments. calculating a score); And comparing the z-scores of each of the calculated nucleotide sequence fragments, fetal derived nucleotide sequence fragments, and maternal derived nucleotide sequence fragments to determine maternal capisism or fetal chromosomal aneuploidies. to provide.

또한, 본 발명은 모체의 혈액에서 추출된 무세포 DNA로부터 전체 염기서열 단편을 생산하는 생산부; 상기 생산된 전체 염기서열 단편을 인간 참조 유전체 서열의 상동성 위치에 배열하는 배열부; 상기 배열된 전체 염기서열 단편을 길이에 따라 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편으로 나누고, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각에 대하여 z-스코어(z-score)를 산출하는 산출부; 및 상기 산출된, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각의 z-스코어를 비교하여 모체 모자이시즘 또는 태아의 염색체 이수성을 판단하는 판정부를 포함하는 비침습적 산전 검사 장치를 제공한다.In addition, the present invention is a production unit for producing a full sequence fragment from cell-free DNA extracted from the mother's blood; An alignment portion that aligns the produced entire sequence fragment at a homology position of a human reference genome sequence; The entire sequence fragment is divided into fetal-derived sequence fragments and maternal-derived sequence fragments along the length, and z-score (z-) for each of the entire sequence fragment, fetal-derived sequence fragment, and maternal-derived sequence fragments. a calculating unit for calculating a score); And a non-invasive prenatal test apparatus comprising a determination unit for determining the maternal moxisism or chromosome aneuploidy of the fetus by comparing the z-scores of each of the calculated nucleotide sequence fragments, fetal derived nucleotide sequences, and maternal derived nucleotide sequences. to provide.

본 발명에 따른 방법은 모체 혈액으로부터 분리된 전체 무세포 DNA 단편을 DNA 단편의 길이에 의존하여 모체 또는 태아 유래 무세포 DNA 단편으로 분리하고, 이들 각각으로부터 계산된 z-스코어를 이용하여 태아의 염색체 이수성 또는 모체 모자이시즘을 더욱 정확하게 판단할 수 있으므로, 비침습적 산전 검사에 유용하게 사용될 수 있다.In the method according to the present invention, the whole cell-free DNA fragment isolated from the mother blood is separated into a mother- or fetal-derived cell-free DNA fragment depending on the length of the DNA fragment, and the chromosome of the fetus using the z-score calculated from each of them. Since it is possible to more accurately judge aneuploidy or maternal maternalism, it can be useful for non-invasive prenatal examination.

도 1은 임산부 또는 비임신 여성으로부터 분리된 전체 무세포 DNA로부터 수득된 단편의 길이를 확인한 그래프이다(non-pregnancy.avar: 비임신 여성의 평균값, pregnancy.avar: 임산부의 평균값).
도 2는 한 임산부의 모체 혈액으로부터 분리된 전체 무세포 DNA, 모체 유래 무세포 DNA 또는 태아 유래 무세포 DNA로부터 수득된 단편의 수에 대한 z-스코어를 이용하여 모체의 21번 염색체에 존재하는 삼염색체를 확인한 결과를 히트맵(heatmap)으로 나타낸 도면이다(Original: 원본데이터, Fetus: 태아 유래 데이터, Mom: 모체 유래 데이터).
도 3은 한 임산부의 모체 혈액으로부터 분리된 전체 무세포 DNA, 모체 유래 무세포 DNA 또는 태아 유래 무세포 DNA로부터 수득된 단편의 수에 대한 z-스코어를 이용하여 모체의 21번 염색체에 존재하는 삼염색체를 확인한 결과를 히트맵(heatmap)으로 나타낸 도면이다(Original: 원본데이터, Fetus: 태아 유래 데이터, Mom: 모체 유래 데이터).
도 4는 모체 혈액으로부터 분리된 전체 무세포 DNA, 모체 유래 무세포 DNA 또는 태아 유래 무세포 DNA로부터 수득된 단편의 수에 대한 z-스코어의 평균값을 삼염색체 또는 모체 모자이시즘으로 판단된 경우로 나누어 나타낸 그래프이다(Original: 원본데이터, Fetus: 태아 유래 데이터, Mom: 모체 유래 데이터).
도 5는 한 임산부의 모체 혈액으로부터 분리된 전체 무세포 DNA, 모체 유래 무세포 DNA 또는 태아 유래 무세포 DNA로부터 수득된 단편의 수에 대한 z-스코어를 이용하여 태아의 X 염색체에 존재하는 일염색체를 확인한 결과를 히트맵으로 나타낸 도면이다(Original: 원본데이터, Fetus: 태아 유래 데이터, Mom: 모체 유래 데이터).
도 6은 한 임산부의 모체 혈액으로부터 분리된 전체 무세포 DNA, 모체 유래 무세포 DNA 또는 태아 유래 무세포 DNA로부터 수득된 단편의 수에 대한 z-스코어를 이용하여 모체의 X 염색체에 존재하는 일염색체를 확인한 결과를 히트맵으로 나타낸 도면이다(Original: 원본데이터, Fetus: 태아 유래 데이터, Mom: 모체 유래 데이터).
도 7은 모체 혈액으로부터 분리된 전체 무세포 DNA, 모체 유래 무세포 DNA 또는 태아 유래 무세포 DNA로부터 수득된 단편의 수에 대한 z-스코어의 평균값을 일염색체 또는 모체 모자이시즘으로 판단된 경우로 나누어 나타낸 그래프이다(Original: 원본데이터, Fetus: 태아 유래 데이터, Mom: 모체 유래 데이터).
1 is a graph confirming the length of fragments obtained from whole cell-free DNA isolated from pregnant or non-pregnant women (non-pregnancy.avar: average value of non-pregnant women, pregnancy.avar: average value of pregnant women).
FIG. 2 shows three chromosomes present in chromosome 21 of the mother using z-scores for the number of fragments obtained from whole acellular DNA, maternal-derived acellular DNA or fetal-derived acellular DNA isolated from maternal blood of a pregnant woman. It is a diagram showing the result of confirming the chromosomes as a heatmap (Original: original data, Fetus: fetal data, Mom: maternal data).
FIG. 3 shows the chromosome 21 present in chromosome 21 using a z-score for the number of fragments obtained from whole acellular DNA, maternal-derived acellular DNA or fetal-derived acellular DNA isolated from maternal blood of a pregnant woman. It is a diagram showing the result of confirming the chromosomes as a heatmap (Original: original data, Fetus: fetal data, Mom: maternal data).
FIG. 4 divides the average value of z-scores for the number of fragments obtained from whole acellular DNA, maternal-derived acellular DNA, or fetal-derived acellular DNA separated from maternal blood into cases determined by trisomy or maternal maternalism It is a graph (Original: original data, Fetus: fetal data, Mom: maternal data).
Figure 5 is a monochromosome present on the X chromosome of a fetus using z-scores for the number of fragments obtained from whole acellular DNA, maternal-derived acellular DNA or fetal-derived acellular DNA isolated from the maternal blood of a pregnant woman It is a figure showing the result of confirming with a heat map (Original: original data, Fetus: fetus-derived data, Mom: maternal-derived data).
Figure 6 is a monochromosome present on the X chromosome of the mother using a z-score for the number of fragments obtained from the whole cell-free DNA, maternal-derived acellular DNA or fetal-derived acellular DNA isolated from the maternal blood of a pregnant woman It is a diagram showing the result of confirming with a heat map (Original: original data, Fetus: fetal derived data, Mom: maternal derived data).
Figure 7 is divided by the case that the average value of the z-score for the number of fragments obtained from the whole cell-free DNA, maternal-derived cell-free DNA or fetal-derived cell-free DNA isolated from the maternal blood divided into monochromosomal or maternal capisism It is a graph (Original: original data, Fetus: fetal data, Mom: maternal data).

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 모체의 혈액에서 추출된 무세포 DNA로부터 전체 염기서열 단편을 생산하는 단계; 상기 생산된 전체 염기서열 단편을 인간 참조 유전체 서열의 상동성 위치에 배열하는 단계; 상기 배열된 전체 염기서열 단편을 길이에 따라 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편으로 나누고, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각에 대하여 z-스코어(z-score)를 산출하는 단계; 및 상기 산출된, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각의 z-스코어를 비교하여 모체 모자이시즘 또는 태아의 염색체 이수성을 판단하는 단계를 포함하는 비침습적 산전 검사 방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of producing a full sequence fragment from cell-free DNA extracted from the mother's blood; Arranging the whole nucleotide sequence fragments produced at homologous positions of a human reference genome sequence; The entire sequencing fragment is divided into fetal-derived sequencing fragments and maternal-derived sequencing fragments along the length, and z-scores (z-) for each of the whole sequencing fragments, fetal-derived sequencing fragments and maternal-derived sequencing fragments. calculating a score); And comparing the z-scores of each of the calculated nucleotide sequence fragments, fetal derived nucleotide sequence fragments, and maternal derived nucleotide sequence fragments to determine maternal capisism or fetal chromosomal aneuploidies. to provide.

일 측면에서, 본 발명에 따른 비침습적 산전 검사 방법은 모체의 혈액에서 추출된 무세포 DNA로부터 전체 염기서열 단편을 생산하는 단계를 제공한다.In one aspect, the non-invasive prenatal test method according to the present invention provides a step of producing a full sequence fragment from cell-free DNA extracted from maternal blood.

본 명세서에서 사용된 용어, "비침습적 산전 검사 방법(non-invasive prenatal testing)"은 양수검사 또는 융모막 검사와 같은 산전 검사 방법과는 달리 침습적 수술절차 없이 태아의 염색체 이상을 확인할 수 있는 검사 방법을 의미한다. 상기 비침습적 산전 검사 방법은 모체의 혈액 속에 존재하는 무세포 태아 DNA의 염기서열 분석을 통해 수행될 수 있다.As used herein, the term "non-invasive prenatal testing" refers to a test method capable of identifying chromosomal abnormalities in a fetus without invasive surgical procedures, unlike prenatal testing methods such as amniotic fluid testing or chorionic membrane testing. it means. The non-invasive prenatal test method may be performed through sequencing of cell-free fetal DNA present in the mother's blood.

본 발명에 따른 방법에서, 상기 혈액은 혈청 또는 혈장, 구체적으로는 혈장일 수 있다.In the method according to the invention, the blood may be serum or plasma, specifically plasma.

본 명세서에서 사용된 용어, "무세포 DNA(cell-free DNA, cfDNA)"는 세포의 핵안에 존재하지 않고 혈액 내에 떠돌아다니는 DNA 조각을 의미하며, 현재 암의 발병, 전이, 재발, 항암제 반응성 등의 예측에 사용되고 있다. 상기 cfDNA는 통상의 기술분야에 알려진 방법으로 혈액으로부터 분리될 수 있다. 분리된 cfDNA는 대규모 병렬형 염기서열 분석 방법을 사용함으로써 염기서열 단편으로 생산될 수 있다. 이때, 생산된 염기서열 단편은 100만 내지 1,000만개일 수 있다.As used herein, the term "cell-free DNA (cfDNA)" refers to a piece of DNA that does not exist in the nucleus of a cell and is floating in the blood. Currently, the onset of cancer, metastasis, relapse, anti-cancer agent reactivity, etc. It is used for prediction. The cfDNA can be isolated from blood by methods known in the art. The isolated cfDNA can be produced as a sequence fragment by using a large-scale parallel sequencing method. At this time, the produced sequence fragment may be 1 to 10 million.

상기 용어, "대규모 병렬형 염기서열 분석(massively parallel signature sequencing, MPSS)"은 차세대 염기서열 분석(next generation sequencing, NGS) 방법으로서, DNA, RNA 등의 염기서열을 단편으로 생산한다음 이를 증폭시켜 여러 단편을 동시에 읽어내고 이렇게 수득된 서열 데이터를 생물정보학적 기법(bioinformatics)를 이용하여 조합함으로써 방대한 유전체 정보를 빠르게 해독하는 염기서열 분석 방법을 의미한다.The term, "massively parallel signature sequencing (MPSS)" is a next generation sequencing (NGS) method, which produces DNA, RNA and other nucleotide sequences as fragments and amplifies them. It refers to a method of sequencing that rapidly reads large amounts of genomic information by reading several fragments simultaneously and combining the sequence data thus obtained using bioinformatics.

상기 대규모 병렬형 염기서열 분석은 통상의 기술분야에 잘 알려진 방법에 따라 수행될 수 있으며, 상기 방법은 경우에 따라 통상의 기술자에 의해 적절히 변형될 수 있다. 구체적으로, 대규모 병렬형 염기서열 분석은 454 플랫폼(platform)(Margulies 등, Nature, 2005, 437:376-380), 일루미나 게놈 분석기(Illumina Genome Analyzer), 일루미나 HiSeq2000, HisSeq2500, MiSeq, NextSeq500, Life Tech Ion PGM, Ion Proton, Ion S5, Ion S5, Ion S5XL, SOLiD(Applied Biosystems), Helicos True Single Molecule DNA 서열분석 기술(Harris 등, Science, 2008, 320:106-109), Pacific Biosciences의 단일분자 또는 실시간(SMART™) 기술 등에 의해 수행될 수 있다.The large-scale parallel sequencing may be performed according to a method well known in the art, and the method may be appropriately modified by a skilled person in some cases. Specifically, for large-scale parallel sequencing, 454 platform (Margulies et al., Nature, 2005, 437: 376-380), Illumina Genome Analyzer, Illumina HiSeq2000, HisSeq2500, MiSeq, NextSeq500, Life Tech Ion PGM, Ion Proton, Ion S5, Ion S5, Ion S5XL, SOLiD (Applied Biosystems), Helicos True Single Molecule DNA sequencing technology (Harris et al., Science, 2008, 320: 106-109), single molecule from Pacific Biosciences or It can be performed by real-time (SMART ™) technology.

이때, 염기서열 분석은 페어드-엔드 서열분석(paired-end sequencing) 또는 싱글-리드 서열분석(single-read sequencing) 방법으로 수행될 수 있고, 구체적으로는 페어드-엔드 서열분석 방법으로 수행될 수 있다.In this case, the sequencing may be performed by a paired-end sequencing or a single-read sequencing method, specifically, a paired-end sequencing method. You can.

다른 측면에서, 본 발명에 따른 비침습적 산전 검사 방법은 상기 생산된 전체 염기서열 단편을 인간 참조 유전체 서열의 상동성 위치에 배열하는 단계를 제공한다.In another aspect, the non-invasive prenatal test method according to the present invention provides a step of aligning the produced entire sequence fragment at the homologous position of the human reference genomic sequence.

상기 인간 참조 유전체 서열은 인간 유전체 서열로 공지되어 염기서열 데이터베이스에 저장된 서열로서, 본 발명에 따른 방법으로 생산된 염기서열 단편의 서열을 비교하기 위해 사용될 수 있다. 상기 인간 참조 유전체 서열은 빌드 37(build 37, GRCh37), hg18, hg19, hg38 등과 같이 공지된 서열일 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따르면 hg18일 수 있다.The human reference genomic sequence is a sequence stored in a nucleotide sequence database, which is known as a human genomic sequence, and can be used to compare sequences of nucleotide sequence fragments produced by the method according to the present invention. The human reference genomic sequence may be a known sequence such as build 37 (build 37, GRCh37), hg18, hg19, hg38, etc., and may be hg18 according to an embodiment of the present invention.

상기 단계에서, 전체 염기서열 단편을 인간 참조 유전체 서열의 상동성 위치에 배열하면서 중복된 염기서열 단편을 제거할 수 있다. 또한, 이때, 한 단편의 염기서열 증폭과정에서 순방향(forward) 및 역방향(reverse)으로 배열된 짧은 서열이 동일한 염기서열 단편에서 유래한 데이터만을 취하여 후속 단계에 사용할 수 있다.In this step, it is possible to remove the overlapping sequencing fragments while arranging the entire sequencing fragment at the homology position of the human reference genome sequence. In addition, at this time, in the process of amplifying the sequence of a fragment, forward and reverse sequences can be used in subsequent steps by taking only data derived from the same sequence fragment.

또 다른 측면에서, 본 발명에 따른 비침습적 산전 검사 방법은 상기 배열된 전체 염기서열 단편을 길이에 따라 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편으로 나누고, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각에 대하여 z-스코어(z-score)를 산출하는 단계를 제공한다.In another aspect, in the non-invasive prenatal test method according to the present invention, the entire sequence fragments arranged above are divided into fetal-derived sequence fragments and maternal-derived sequence fragments along the length, and the entire sequence fragment and fetal-derived sequence fragments And calculating z-scores for each base fragment derived from the parent.

상기 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편은 배열된 염기서열 단편의 길이에 따라 나뉠 수 있다. 이때, 태아 유래 염기서열 단편은 150 bp 이하일 수 있고, 모체 유래 염기서열 단편은 185 bp 이상일 수 있다. 염기서열 단편의 길이에 따라 태아 또는 모체 유래의 염기서열 단편으로 나눔으로써, 본 발명에 따른 비침습적 산전 검사 방법으로 도출된 결과가 모체 모자이시즘인지 태아의 염색체 이수성인지 판단하는데 사용될 수 있다.The fetal-derived nucleotide sequence fragment and the parent-derived nucleotide sequence fragment may be divided according to the length of the sequence fragment. In this case, the fetal-derived sequence fragment may be 150 bp or less, and the maternal-derived sequence fragment may be 185 bp or more. By dividing the nucleotide sequence fragment derived from the fetus or mother according to the length of the nucleotide sequence fragment, the result derived by the non-invasive prenatal test method according to the present invention can be used to determine whether the maternal capisism or fetal chromosomal aneuploidy.

상기 z-스코어는 통상의 기술분야에 잘 알려진 방법으로 산출될 수 있고, 경우에 따라 적절하게 변형된 방법으로 산출될 수 있다. 본 발명에 따른 검사 방법에서 z-스코어는 배열된 염기서열에서 염색체 이수성을 확인하고자 하는 염색체의 DNA 조각 수를 이용하여 산출될 수 있다. 상기 염색체는 상염색체 또는 성염색체일 수 있다. 상기 상염색체는 인간의 경우 1 내지 22번 염색체로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 성염색체는 인간의 경우 X 또는 Y 염색체일 수 있다.The z-score may be calculated by a method well known in the art, or may be calculated by an appropriately modified method in some cases. In the test method according to the present invention, the z-score can be calculated using the number of DNA fragments of the chromosome to check chromosome aneuploidy in the aligned base sequence. The chromosome may be an autosomal or sex chromosome. The autosomal may be any one or more selected from the group consisting of chromosomes 1 to 22 in humans, and the sex chromosome may be an X or Y chromosome in humans.

구체적으로, 상기 z-스코어는 하기 수학식 1로 계산될 수 있다:Specifically, the z-score can be calculated by Equation 1 below:

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

(여기서, i는 1 내지 22번 염색체, X 염색체 또는 Y 염색체이고,(Where i is chromosome 1 to 22, X chromosome or Y chromosome,

reference는 정상샘플군이며,reference is a normal sample group,

target은 검사하고자 하는 모체 샘플을 의미한다).target means the parent sample to be tested).

또 다른 측면에서, 본 발명에 따른 비침습적 산전 검사 방법은 상기 산출된, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염개서열 단편에 대한 z-스코어로부터 모체 모자이시즘 또는 태아의 염색체 이수성을 판단하는 단계를 제공한다.In another aspect, the non-invasive prenatal test method according to the present invention provides maternal capisism or fetal chromosomal aneuploidies from z-scores for the whole sequencing fragment, fetal derived sequencing fragment and maternal derived sequencing fragment calculated above. Provides steps for judging.

본 명세서에서 사용된 용어, "모체 모자이시즘(maternal mosaicism)"은 태아의 염색체는 정상이지만 모체가 비정상적인 핵형을 가져 비침습적 산전 검사 결과 염색체 이수성이 나타난 것으로 판단되는 경우를 의미한다. 즉, 본 발명에 따른 비침습적 산전 검사 방법은 모체 모자이시즘에 의한 위양성 오류를 감소시켜 결과의 정확도를 향상시킬 수 있다.As used herein, the term "maternal mosaicism" refers to a case in which the chromosome of a fetus is normal, but the maternal has an abnormal karyotype, and the non-invasive prenatal test determines that chromosome aneuploidy appears. That is, the non-invasive prenatal test method according to the present invention can improve the accuracy of results by reducing false-positive errors caused by maternal maternalism.

본 명세서에서 사용된 용어, "염색체 이수성(aneuploidy)"은 염색체의 수가 정상 염색체의 수(2개)와 상이한 것, 즉, 염색체가 0개, 1개, 3개 또는 그 이상 존재하는 것을 의미한다. 이와 같은 염색체 이수성은 태아의 희귀 유전질환을 판단하는데 사용될 수 있다.As used herein, the term "chromosomal aneuploidy" means that the number of chromosomes differs from the number of normal chromosomes (2), i.e., 0, 1, 3 or more chromosomes are present. . This chromosome aneuploidy can be used to determine a rare genetic disorder in the fetus.

본 발명에 따른 검사 방법에서, 모체 모자이시즘 또는 태아의 염색체 이수성은 하기에 의해 판단될 수 있다:In the test method according to the present invention, maternal maternalism or chromosome aneuploidy of the fetus can be determined by:

i) 태아 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 크면 태아가 삼염색체인 것으로 판단;i) if the z-score for the fetal sequence fragment is greater than the z-score for the entire sequence fragment, the fetus is determined to be a trisomy;

ii) 모체 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 크면 모체 모자이시즘인 것으로 판단;ii) if the z-score for the nucleotide sequence fragment derived from the parent is greater than the z-score for the entire sequencing fragment, then it is determined that the parent is a mother isism;

iii) 태아 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 작으면 태아가 일염색체인 것으로 판단; 또는iii) If the z-score for the fetal sequence fragment is smaller than the z-score for the entire sequence fragment, it is determined that the fetus is a monostain; or

iv) 모체 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 작으면 모체 모자이시즘인 것으로 판단.iv) If the z-score for the nucleotide sequence fragment derived from the parent is smaller than the z-score for the entire sequencing fragment, then it is determined that the maternal capsism.

즉, 모체 모자이시즘 또는 태아의 염색체 이수성은 하기에 의해 판단될 수 있다:That is, maternal maternalism or chromosome aneuploidy of the fetus can be judged by:

i) 태아 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어에서 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어를 뺀 값이 0 초과이면 태아가 삼염색체인 것으로 판단;i) If the value obtained by subtracting the z-score for the entire sequence fragment from the z-score for the fetal sequence fragment is greater than 0, it is determined that the fetus is a trisomy;

ii) 모체 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어에서 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어를 뺀 값이 0 초과이면 모체 모자이시즘인 것으로 판단;ii) If the value obtained by subtracting the z-score for the entire sequencing fragment from the z-score for the nucleotide sequence fragment derived from the parent is greater than 0, it is determined that it is maternal capisism;

iii) 태아 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어에서 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어를 뺀 값이 0 미만이면 태아가 일염색체인 것으로 판단; 또는iii) If the value obtained by subtracting the z-score for the entire sequence fragment from the z-score for the fetal sequence fragment is less than 0, it is determined that the fetus is a monostain; or

iv) 모체 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어에서 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어를 뺀 값이 0 미만이면 모체 모자이시즘인 것으로 판단.iv) If the value obtained by subtracting the z-score for the entire sequencing fragment from the z-score for the nucleotide sequence fragment derived from the parent is less than 0, it is determined that it is maternal capisism.

구체적으로, 태아의 염색체 이수성은 하기에 의해 판단될 수 있다:Specifically, fetal chromosomal aneuploidies can be judged by:

i) 태아 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 크고,i) The z-score for the fetal sequence fragment is greater than the z-score for the entire sequence fragment,

ii) 모체 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 작으면 태아가 삼염색체인 것으로 판단.ii) If the z-score for the nucleotide sequence fragment derived from the parent is smaller than the z-score for the entire sequencing fragment, the fetus is considered to be a trisomy.

또한, 태아의 염색체 이수성은 하기에 의해 판단될 수 있다:In addition, fetal chromosomal aneuploidies can be judged by:

i) 태아 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 작고,i) The z-score for the fetal sequence fragment is smaller than the z-score for the entire sequence fragment,

ii) 모체 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 크면 태아가 일염색체인 것으로 판단.ii) If the z-score for the nucleotide sequence fragment derived from the parent is greater than the z-score for the entire sequencing fragment, the fetus is considered to be a monostain.

본 발명에 따른 검사방법은 상염색체 이상, 성염색체 이상 또는 상염색체 결실을 판단할 수 있다. 예를 들어, 상기 상염색체 이상은 염색체의 수가 3개 또는 그 이상, 구체적으로 3개인 경우일 수 있다. 상염색체 이상으로 나타날 수 있는 질병은 다운 증후군, 에드워드 증후군, 파타우 증후군, 9번 삼염색체증, 16번 삼염색체증 또는 22번 삼염색체증일 수 있다. 한편, 상기 성염색체 이상은 X 또는 Y 염색체가 추가 또는 결실된 것일 수 있다. 성염색체 이상으로 나타날 수 있는 질병은 구체적으로 터너 증후군, 트리플X 증후군, 클라인펠터 증후군 또는 제이콥스 증후군일 수 있다. 또한, 상기 상염색체 결실은 상염색체의 일부가 결실되어 나타날 수 있는 질병일 수 있다. 상염색체 결실로 나타날 수 있는 질병은 구체적으로 1번 단완 염색체 결실 증후군, 2q33.1 결실 증후군, 월프-허쉬호른 증후군, 고양이울음 증후군, 윌리암스 증후군, 제이콥슨 증후군, 프라더-윌리/엔젤만 증후군 또는 디죠지 증후군일 수 있다.The test method according to the present invention may determine an autosomal abnormality, an abnormal sex chromosome, or an deletion of an autosomal. For example, the autosomal abnormality may be a case where the number of chromosomes is 3 or more, specifically 3. Diseases that may appear as autosomal abnormalities may be Down's syndrome, Edward's syndrome, Fatau syndrome, trisomy 9, trisomy 16 or trisomy 22. Meanwhile, the sex chromosome abnormality may be an X or Y chromosome added or deleted. Diseases that may appear as sex chromosomal abnormalities may be specifically Turner's syndrome, TripleX syndrome, Klinefelter's syndrome, or Jacob's syndrome. In addition, the autosomal deletion may be a disease in which a part of the autosomal deletion may occur. Diseases that may appear as autosomal deletions include, specifically, mononuclear chromosome deletion syndrome, 2q33.1 deletion syndrome, Walf-Hirschhorn syndrome, cat crying syndrome, Williams syndrome, Jacobson syndrome, Prader-Willi / Angelman syndrome, or D. George syndrome.

또한, 본 발명은 모체의 혈액에서 추출된 무세포 DNA로부터 전체 염기서열 단편을 생산하는 생산부; 상기 생산된 전체 염기서열 단편을 인간 참조 유전체 서열의 상동성 위치에 배열하는 배열부; 상기 배열된 전체 염기서열 단편을 길이에 따라 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편으로 나누고, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각에 대하여 z-스코어(z-score)를 산출하는 산출부; 및 상기 산출된, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각의 z-스코어를 비교하여 모체 모자이시즘 또는 태아의 염색체 이수성을 판단하는 판정부를 포함하는 비침습적 산전 검사 장치를 제공한다.In addition, the present invention is a production unit for producing a full sequence fragment from cell-free DNA extracted from the mother's blood; An alignment portion that aligns the produced entire sequence fragment at a homology position of a human reference genome sequence; The entire sequencing fragment is divided into fetal-derived sequencing fragments and maternal-derived sequencing fragments along the length, and z-scores (z-) for each of the whole sequencing fragments, fetal-derived sequencing fragments and maternal-derived sequencing fragments. a calculating unit for calculating a score); And a non-invasive prenatal test apparatus comprising a determination unit for determining the maternal moxisism or chromosome aneuploidy of the fetus by comparing the z-scores of each of the calculated nucleotide sequence fragments, fetal derived nucleotide sequences, and maternal derived nucleotide sequences. to provide.

상기 비침습적 산전 검사 장치는 상술한 비침습적 산전 검사 방법과 동일한 특징을 가질 수 있다. 일례로, 상기 염기서열 단편은 대규모 병렬형 염기서열 분석 방법으로 생산될 수 있고, 이때 생산된 염기서열 단편은 그 길이에 따라 태아 또는 모체 유래 염기서열 단편으로 구분할 수 있다. 또한, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각으로부터 산출된 z-스코어를 이용하여 모체 모자이시즘 또는 태아의 염색체 이수성은 하기에 의해 판단될 수 있다:The non-invasive prenatal test apparatus may have the same characteristics as the non-invasive prenatal test method described above. As an example, the sequencing fragment may be produced by a large-scale parallel sequencing method, and the produced sequencing fragment may be divided into fetal or maternal sequencing fragments according to its length. In addition, chromosome aneuploidy of a maternal moxisism or a fetus can be determined by the following using z-scores calculated from each of the entire sequencing fragment, fetal-derived sequencing fragment and maternal-derived sequencing fragment:

i) 태아 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 크면 태아가 삼염색체인 것으로 판단;i) if the z-score for the fetal sequence fragment is greater than the z-score for the entire sequence fragment, the fetus is determined to be a trisomy;

ii) 모체 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 크면 모체 모자이시즘인 것으로 판단;ii) if the z-score for the nucleotide sequence fragment derived from the parent is greater than the z-score for the entire sequencing fragment, then it is determined that the parent is a mother isism;

iii) 태아 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 작으면 태아가 일염색체인 것으로 판단; 또는iii) If the z-score for the fetal sequence fragment is smaller than the z-score for the entire sequence fragment, it is determined that the fetus is a monostain; or

iv) 모체 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 작으면 모체 모자이시즘인 것으로 판단.iv) If the z-score for the nucleotide sequence fragment derived from the parent is smaller than the z-score for the entire sequencing fragment, then it is determined that the maternal capsism.

본 발명에 따른 비침습적 산전 검사 장치는 상염색체 이상, 성염색체 이상 또는 염색체 결실을 판단할 수 있다. 구체적으로, 상기 상염색체 이상은 다운 증후군, 에드워드 증후군, 파타우 증후군, 9번 삼염색체증, 16번 삼염색체증 또는 22번 삼염색체증을 유발할 수 있고, 상기 성염색체 이상은 터너 증후군, 트리플X 증후군, 클라인펠터 증후군 또는 제이콥스 증후군을 유발할 수 있으며, 상기 상염색체 결실은 1번 단완 염색체 결실 증후군, 2q33.1 결실 증후군, 월프-허쉬호른 증후군, 고양이울음 증후군, 윌리암스 증후군, 제이콥슨 증후군, 프라더-윌리/엔젤만 증후군 또는 디죠지 증후군을 유발할 수 있다.The non-invasive prenatal test apparatus according to the present invention may determine an autosomal abnormality, an abnormal sex chromosome, or a deletion of a chromosome. Specifically, the autosomal abnormality may cause Down syndrome, Edward's syndrome, Fatau syndrome, trisomy 9, trisomy 16 or trisomy 22, and the sex chromosome abnormality is Turner syndrome, triple X Can cause syndrome, Klinefelter syndrome or Jacobs syndrome, wherein the autosomal deletion is the number 1 monochromosomal deletion syndrome, 2q33.1 deletion syndrome, Walf-Hirschhorn syndrome, cat crying syndrome, Williams syndrome, Jacobson syndrome, Prader- May cause Willie / Angelman syndrome or DiGeorge syndrome.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 이들에 의해 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 동일한 작용 효과를 이루는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples. However, the following examples are only to illustrate the present invention, the present invention is not limited by these. Any thing that has substantially the same configuration and the same operation and effect as the technical idea described in the claims of the present invention is included in the technical scope of the present invention.

실시예 1. 임산부 및 비임신 여성으로부터 수득된 무세포 DNA(cell free DNA, cfDNA) 확인Example 1. Confirmation of cell free DNA (cfDNA) obtained from pregnant women and non-pregnant women

1-1. 혈액으로부터 cfDNA의 분리1-1. Isolation of cfDNA from blood

임산부와 비임신 여성으로부터 수득된 cfDNA의 단편 길이를 비교하기 위해 먼저, 임산부 또는 비임신 여성의 혈액을 수집하였다.To compare the fragment length of cfDNA obtained from pregnant and non-pregnant women, blood from pregnant or non-pregnant women was first collected.

구체적으로, 피검자로부터 10 ㎖의 혈액을 취하여 VanGenes사의 무세포 DNA 혈액 수집 튜브에 넣고, 이를 상온에서 1,900 g의 조건으로 15분 동안 원심분리하였다. 원심분리 후, 상청액을 1.5 ㎖ 튜브에 옮겨서 이를 다시 상온에서 16,000 g의 조건으로 15분 동안 원심분리하여 상청액을 다시 수득하였다. QIAsymphony DSP Virus/Pathogen Midi Kit(Qiagen)를 사용하여 제조사의 프로토콜에 따라 상기 수득된 2 ㎖의 상청액(혈장)으로부터 cfDNA를 분리하였다.Specifically, 10 ml of blood was taken from the subject and placed in a cell-free DNA blood collection tube of VanGenes, which was centrifuged for 15 minutes at 1,900 g at room temperature. After centrifugation, the supernatant was transferred to a 1.5 ml tube, which was again centrifuged for 15 minutes at 16,000 g at room temperature to obtain the supernatant again. CfDNA was isolated from 2 ml of the supernatant (plasma) obtained above using the QIAsymphony DSP Virus / Pathogen Midi Kit (Qiagen).

1-2. cfDNA 단편의 길이 확인1-2. Check the length of the cfDNA fragment

실시예 1-1.에서 임산부 또는 비임신 여성으로부터 분리한 100 ng의 cfDNA를 Illumina NextSeq500을 사용하여 75회 페어드-엔드 서열분석(75-cycle paired-end sequencing)을 통해 각각 단편 라이브러리 세트를 제조하였다. 이후, BWA(버전 0.7.10) 프로그램을 사용하여 제조된 단편을 인간 참조 유전체 서열(hg19)의 상동성 위치에 배열하였다. 이때, Picard(버전 1.81) 프로그램을 사용하여 중복된 염기서열 단편을 제거하였다. 배열된 단편 중에서 순방향(forward) 및 역방향(reverse)으로 배열된 짧은 서열이 동일한 염기서열 단편에서 유래한 경우의 데이터만 취합하였다(이를 properly paired read라 함).In Example 1-1. 100 ng of cfDNA isolated from pregnant or non-pregnant women was prepared for each fragment library set through 75-cycle paired-end sequencing using Illumina NextSeq500. Did. Fragments prepared using the BWA (version 0.7.10) program were then aligned to the homologous position of the human reference genomic sequence (hg19). At this time, the overlapped nucleotide sequence fragments were removed using a Picard (version 1.81) program. Among the fragments arranged, only the data obtained when the short sequences arranged in the forward and reverse directions were derived from the same sequential fragment (this is properly called paired read).

이와 같이 구해진 bam 파일 및 SAMtools(버전 0.1.18) 프로그램을 사용하여 각 염색체에 배열된 염기서열 단편의 수를 산출하고, 각각의 단편 길이에 대한 분포를 도 1에 그래프로 나타내었다.The number of sequencing fragments arranged on each chromosome was calculated using the obtained bam file and the SAMtools (version 0.1.18) program, and the distribution of the length of each fragment was graphically shown in FIG. 1.

도 1에 나타난 바와 같이, 160 bp 이하의 길이를 갖는 염기서열 단편이 비임신 여성에 비해 임산부로부터 분리된 cfDNA에서 높은 비율로 존재했다. 반면, 160 bp 이하의 짧은 길이 단편을 많이 갖는 임산부는 비임신 여성에 비해 160 bp 이상의 길이를 갖는 단편은 상대적으로 낮았다(도 1). 즉, 상기로부터 임산부의 cfDNA에 포함된 cffDNA에 의해 임산부 cfDNA 단편의 길이가 짧은 것을 알 수 있었다.As shown in FIG. 1, sequencing fragments having a length of 160 bp or less were present in a higher proportion in cfDNA isolated from pregnant women than in non-pregnant women. On the other hand, pregnant women with many short-length fragments of 160 bp or less had relatively low fragments with lengths of 160 bp or more compared to non-pregnant women (FIG. 1). That is, it can be seen from the above that the length of the cfDNA fragment of the pregnant woman is short by cffDNA contained in the cfDNA of the pregnant woman.

실시예 2. 모체 혈액으로부터 cfDNA의 분리Example 2. Isolation of cfDNA from maternal blood

비침습적 산전 검사를 통해 태아의 염색체 이수성을 진단하기 위해, 먼저 모체 혈액으로부터 cfDNA를 다음과 같은 방법으로 분리하였다. 이때, 630명의 임산부로부터 혈액을 수집하였고, 이중 195명은 21번 염색체에 삼염색체(trisomy) 이수성 염색체를 가졌다. cfDNA는 임산부로부터 혈액을 수득한 것을 제외하고는 실시예 1-1.에 기재된 바와 조건 및 방법으로 분리하였다.In order to diagnose chromosomal aneuploidy of the fetus through a non-invasive prenatal test, cfDNA was first isolated from maternal blood in the following manner. At this time, blood was collected from 630 pregnant women, of which 195 had a trisomy aneuploidy on chromosome 21. cfDNA was isolated by conditions and methods as described in Example 1-1., except that blood was obtained from pregnant women.

실시예 3. cfDNA 단편의 배열 및 염기서열 단편의 수 산출Example 3. Arrangement of cfDNA fragments and calculation of the number of sequencing fragments

실시예 2에서 분리한 100 ng의 cfDNA를 이용하여 실시예 1-2.에 기재된 바와 동일한 조건 및 방법으로 cfDNA 단편을 배열하고, 배열된 염기서열 단편의 수를 산출하였다. 이때, 산출된 데이터는 원본 데이터로서 보관하였다. 한편, bam 파일 및 SAMtools(버전 0.1.18) 프로그램을 사용하여 염기서열의 길이가 150 bp 보다 짧은 서열만을 취하여 단편의 수를 산출하고, 태아 유래 데이터로서 보관하였다. 또한, 염기서열의 길이가 185 bp 보다 긴 서열만을 취하여 단편의 수를 산출하고, 모체 유래 데이터로서 보관하였다. 이때, 150 bp 내지 185 bp의 길이를 갖는 염기서열은 태아와 모체를 구분하기에 적합하지 않은 혼합 영역으로, 태아 또는 모체 유래 데이터 분석에는 사용하지 않았다.Using the 100 ng of cfDNA isolated in Example 2, cfDNA fragments were arranged under the same conditions and methods as described in Example 1-2., And the number of sequence fragments arranged was calculated. At this time, the calculated data was stored as original data. On the other hand, using a bam file and a SAMtools (version 0.1.18) program, only sequences with a sequence length shorter than 150 bp were taken to calculate the number of fragments and stored as fetal derived data. In addition, the number of fragments was calculated by taking only sequences with a length greater than 185 bp, and stored as maternal-derived data. At this time, the base sequence having a length of 150 bp to 185 bp is a mixed region not suitable for distinguishing a fetus from a mother, and was not used to analyze data derived from a fetus or mother.

실험예 1. 21번 염색체의 삼염색체(trisomy 21) 분석Experimental Example 1. Trisomy 21 analysis of chromosome 21

실시예 3에서 산출된 원본데이터, 태아 유래 데이터 및 모체 유래 데이터를 이용하여 계산된 z-스코어를 이용하여 21번 염색체의 삼염색체를 분석하였다. 일반적인 z-스코어는, 태아의 염색체 이수성이 발견되지 않은 모체의 혈액 샘플을 정상샘플군으로서 이용하여 특정 염색체에 대해 하기 수학식 1을 사용하여 계산하였고, 이때 분석 알고리즘은 공지의 문헌을 참조하여 수행하였다(Hyuk Jung Kwon et al., Open Journal of Genetics, 2017, 7, p.1-8).Trisomy of chromosome 21 was analyzed using z-score calculated using original data, fetal derived data and maternal derived data calculated in Example 3. The general z-score was calculated using Equation 1 below for a specific chromosome using a blood sample of a mother whose chromosome aneuploidy was not found as a normal sample group, and the analysis algorithm was performed by referring to a known literature. (Hyuk Jung Kwon et al., Open Journal of Genetics, 2017, 7, p. 1-8).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

(여기서, i는 1 내지 22번 염색체, X 염색체 또는 Y 염색체이고,(Where i is chromosome 1 to 22, X chromosome or Y chromosome,

reference는 정상샘플군이며,reference is a normal sample group,

target은 검사하고자 하는 모체 샘플을 의미한다)target means the parent sample to be tested)

상기로부터 수득된 결과에서, 태아 유래 데이터로부터 계산된 z-스코어에서 원본데이터로부터 계산된 z-스코어를 뺀 값이 0 초과면 태아가 삼염색체를 갖는 것으로 판단하였고, 모체 유래 데이터로부터 계산된 z-스코어에서 원본데이터로부터 계산된 z-스코어를 뺀 값이 0 초과면 모체 모자이시즘(maternal mosaicism)으로 판단하였다. 그 결과는 히트맵(heatmap) 그래프로 작성하여 도 1에 나타내었다. 이때, 21번 염색체 구획의 한칸은 각각의 z-스코어 값을 나타내고 이는 임계값과 비교하여 이수성을 판정하는 근거가 된다.In the result obtained from the above, if the value obtained by subtracting the z-score calculated from the original data from the z-score calculated from the fetal derived data exceeds 0, it is determined that the fetus has a trisomy, and the z-calculated from the maternal derived data. When the value obtained by subtracting the z-score calculated from the original data in the score exceeds 0, it was determined as maternal mosaicism. The results are shown in FIG. 1 by creating a heatmap graph. At this time, one column of the chromosome section 21 represents each z-score value, which is the basis for determining aneuploidy in comparison with a threshold value.

도 2에 나타난 바와 같이, 21번 염색체에 삼염색체를 갖는 한명의 임산부 cfDNA로부터 수득된 단편은 21번 염색체 구획(가로기준)에서 z-스코어 값이 높았다(도 2).As shown in FIG. 2, the fragment obtained from a pregnant woman cfDNA having a trisomy on chromosome 21 had a high z-score value in chromosome 21 (horizontal reference) (FIG. 2).

한편, 도 3에 나타난 바와 같이, 원본데이터의 21번 염색체 구획(가로기준)에는 z-스코어가 태아의 염색체 이수성을 판단할만큼 명확하게 나타나지 않았다. 그러나, 이를 모체 또는 태아 유래 데이터로 나누어 확인한 경우에, 태아 유래 데이터의 21번 염색체 구획(가로기준)에는 z-스코어가 유의적으로 높은 반면, 모체 유래 데이터에서는 높지 않음을 확인하였다(도 3). 따라서, 이로부터 태아가 21번 염색체에 이수성을 가짐을 확인할 수 있었다.On the other hand, as shown in Fig. 3, the z-score did not appear clearly enough to determine the chromosome aneuploidy of the fetus in the chromosome section 21 (horizontal reference) of the original data. However, when this was confirmed by dividing it with maternal or fetal derived data, it was confirmed that the z-score was significantly higher in chromosome section 21 (horizontal basis) of fetal derived data, but not high in maternal derived data (FIG. 3). . Therefore, it was confirmed from this that the fetus had aneuploidy on chromosome 21.

이에, 상기와 같이 각각의 임산부 혈액으로부터 수득된 원본데이터, 모체 또는 태아 유래 데이터의 z-스코어를 확인하고, 태아의 삼염색체 또는 모체 모자이시즘으로 판단된 경우로 나누어 z-스코어에 대한 그래프를 작성하여 도 4에 나타내었다.Thus, as described above, the z-scores of the original data obtained from each pregnant woman's blood, maternal or fetal data are identified, and divided into cases determined by fetal trisomy or maternal maternalism to create a graph for z-scores. It is shown in Figure 4 by.

도 4에 나타난 바와 같이, 삼염색체 또는 모체 모자이시즘으로 판단된 모든 경우의 z-스코어가 유효한 값을 보였다. 모체 모자이시즘으로 판단된 경우, 원본데이터 및 태아 유래 데이터에서는 z-스코어 차이를 보이지 않았으나, 모체 유래 데이터의 z-스코어가 현저히 높았다(파란선). 반면, 태아의 삼염색체로 판단된 경우, 태아 유래 데이터의 z-스코어가 유의적으로 높았다(빨간선).As shown in FIG. 4, the z-score in all cases determined as trisomy or maternal maternalism showed effective values. When it was judged as maternal maternalism, the z-score difference was not shown in the original data and the fetus-derived data, but the z-score of the maternal-derived data was significantly higher (blue line). On the other hand, when it was judged to be a trisomy of the fetus, the z-score of fetal derived data was significantly higher (red line).

실험예 2. 성염색체의 일염색체(monosomy X) 분석Experimental Example 2. Analysis of monochromosomes (monosomy X) of sex chromosomes

먼저, 실시예 3에서 산출된 원본데이터, 태아 유래 데이터 및 모체 유래 데이터를 이용하여 계산된 z-스코어를 이용하여 성염색체인 X 염색체의 일염색체를 분석하였다. 상기로부터 수득된 결과에서, 태아 유래 데이터로부터 계산된 z-스코어에서 원본데이터로부터 계산된 z-스코어를 뺀 값이 0 미만이면 태아의 X 염색체가 일염색체인 것으로 판단하였고, 모체 유래 데이터로부터 계산된 z-스코어에서 원본데이터로부터 계산된 z-스코어를 뺀 값이 0 미만이면 모체 모자이시즘으로 판단하였다. 그 결과는 히트맵 그래프로 작성하여 도 5 및 6에 나타내었다.First, monochromosomes of the X chromosome, which is a sex chromosome, were analyzed using z-score calculated using original data, fetal derived data, and maternal derived data calculated in Example 3. In the results obtained from the above, if the value obtained by subtracting the z-score calculated from the original data from the z-score calculated from the fetal derived data is less than 0, it was determined that the X chromosome of the fetus is a monosomy and calculated from the maternal derived data. If the value obtained by subtracting the z-score calculated from the original data from the z-score is less than 0, it was determined as maternal maternalism. The results were plotted in a heat map graph and shown in FIGS. 5 and 6.

도 5에 나타난 바와 같이, 태아의 X 염색체에 일염색체를 갖는 한명의 임산부 cfDNA로부터 수득된 단편은 X 염색체 구획(가로기준)에서 z-스코어 값이 낮았다. 즉, 상기 결과는 태아의 X 염색체가 일염색체임을 나타내었다. 또한, 원본데이터를 태아 또는 모체 유래 데이터로 나누어 비교분석한 결과, 모체 유래 데이터에 비해 태아 유래 데이터에서 더 낮은 z-스코어를 보임으로써, 상기 결과가 태아에게 나타나는 이수성 염색체임을 확인하였다(도 5).As shown in Fig. 5, the fragment obtained from a single pregnant woman cfDNA having a monosomy on the X chromosome of the fetus had a low z-score value in the X chromosome section (horizontal reference). That is, the results indicated that the X chromosome of the fetus was a monosomy. In addition, as a result of comparative analysis by dividing the original data into fetal or maternal-derived data, by showing a lower z-score in fetal-derived data than in maternal-derived data, it was confirmed that the result is an aneuploidy chromosome appearing in the fetus (FIG. 5). .

한편, 도 6에 나타난 바와 같이, 모체의 X 염색체에 일염색체를 갖는 한명의 임산부 cfDNA로부터 수득된 단편은 X 염색체 구획(가로기준)에서 z-스코어 값이, 태아 유래 데이터에 비해 모체 유래 데이터에서 더 낮음을 보임으로써, 태아는 정상의 염색체를 가짐을 확인하였다(도 6).On the other hand, as shown in Figure 6, the fragment obtained from one pregnant woman cfDNA having a single chromosome on the X chromosome of the mother has a z-score value in the X chromosome section (horizontal reference), more from the maternal-derived data compared to the fetal-derived data By showing low, it was confirmed that the fetus has a normal chromosome (Fig. 6).

또한, 상기와 같이 각각의 임산부 혈액으로부터 수득된 원본데이터, 모체 또는 태아 유래 데이터의 z-스코어를 확인하고, 태아의 일염색체 또는 모체 모자이시즘으로 판단된 경우로 나누어 z-스코어에 대한 그래프를 작성하여 도 7에 나타내었다.In addition, as described above, the z-score of the original data obtained from each pregnant woman's blood, maternal or fetal data is identified, and divided into cases determined by the fetal monosomy or maternal maternalism to create a graph for the z-score. It is shown in Fig. 7.

도 7에 나타난 바와 같이, 일염색체 또는 모체 모자이시즘으로 판단된 모든 경우의 z-스코어가 유효한 값을 보였다. 모체 모자이시즘으로 판단된 경우, 원본데이터 및 태아 유래 데이터에서는 z-스코어 차이를 보이지 않았으나, 모체 유래 데이터의 z-스코어가 현저히 낮았다(파란선). 반면, 태아의 일염색체로 판단된 경우, 태아 유래 데이터의 z-스코어가 유의적으로 낮았다(빨간선).As shown in FIG. 7, the z-score in all cases determined as monosomy or maternal maternalism showed effective values. When it was judged as maternal maternalism, the z-score difference was not shown in the original data and fetal data, but the z-score of the maternal data was significantly lower (blue line). On the other hand, when it was judged to be a monosomy of the fetus, the z-score of fetal derived data was significantly lower (red line).

따라서, 결론적으로, 본 발명에 따른 방법은 21번 염색체뿐만 아니라, 9, 13, 18번 염색체 등의 상염색체 및 성염색체의 이상이나 결실을 판단하는데 적용할 수 있다.Therefore, in conclusion, the method according to the present invention can be applied to determine abnormalities or deletions of autosomal and sex chromosomes such as chromosomes 9, 13, and 18 as well as chromosome 21.

Claims (13)

1) 모체의 혈액에서 추출된 무세포 DNA로부터 전체 염기서열 단편을 생산하는 단계;
2) 상기 단계 1)에서 생산된 전체 염기서열 단편을 인간 참조 유전체 서열의 상동성 위치에 배열하는 단계;
3) 상기 단계 2)에서 배열된 전체 염기서열 단편을 길이에 따라 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편으로 나누고, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각에 대하여 z-스코어(z-score)를 산출하는 단계; 및
4) 상기 단계 3)에서 산출된, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각의 z-스코어를 비교하여 모체 모자이시즘 또는 태아의 염색체 이수성을 판단하는 단계를 포함하는 비침습적 산전 검사 방법.
1) producing a whole sequence fragment from cell-free DNA extracted from the mother's blood;
2) arranging the entire sequence fragment produced in step 1) at the homologous position of the human reference genomic sequence;
3) Divide the entire sequencing fragments arranged in step 2) into fetal-derived sequencing fragments and maternal-derived sequencing fragments along the length, for each of the whole sequencing fragments, fetal-derived sequencing fragments and maternal-derived sequencing fragments calculating a z-score; And
4) Comparing the z-scores of the whole sequencing fragment, the fetal sequencing fragment, and the maternal sequencing fragment, calculated in step 3), to determine the maternal maternalism or chromosome aneuploidy of the fetus. Invasive prenatal testing method.
제1항에 있어서, 염기서열 단편은 대규모 병렬형 염기서열 분석 방법으로 생산되는, 비침습적 산전 검사 방법.
The method of claim 1, wherein the sequencing fragment is produced by a large-scale parallel sequencing method.
제1항에 있어서, 전체 염기서열 단편을 길이에 따라 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편으로 나누는 과정에서, 상기 태아 유래 염기서열 단편은 150 bp 이하로 분리하는, 비침습적 산전 검사 방법.
According to claim 1, In the process of dividing the entire sequence fragment into fetal-derived sequence fragments and maternal-derived sequence fragments along the length, the fetal-derived sequence fragments are separated to 150 bp or less, non-invasive prenatal test method.
제1항에 있어서, 전체 염기서열 단편을 길이에 따라 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편으로 나누는 과정에서, 상기 모체 유래 염기서열 단편은 185 bp 이상으로 분리하는, 비침습적 산전 검사 방법.
The method of claim 1, wherein in the process of dividing the entire sequencing fragment into fetal-derived sequencing fragments and maternal-derived sequencing fragments along the length, the maternal-derived sequencing fragments are separated by 185 bp or more, non-invasive prenatal testing method.
제1항에 있어서, 모체 모자이시즘 또는 태아의 염색체 이수성은 하기에 의해 판단되는, 비침습적 산전 검사 방법:
i) 태아 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 크면 태아가 삼염색체인 것으로 판단;
ii) 모체 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 크면 모체 모자이시즘인 것으로 판단;
iii) 태아 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 작으면 태아가 일염색체인 것으로 판단; 또는
iv) 모체 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 작으면 모체 모자이시즘인 것으로 판단.
The method of claim 1, wherein maternal maternalism or chromosome aneuploidy of the fetus is determined by:
i) if the z-score for the fetal sequence fragment is greater than the z-score for the entire sequence fragment, the fetus is determined to be a trisomy;
ii) if the z-score for the nucleotide sequence fragment derived from the parent is greater than the z-score for the entire sequencing fragment, then it is determined that the parent is a mother isism;
iii) If the z-score for the fetal sequence fragment is smaller than the z-score for the entire sequence fragment, it is determined that the fetus is a monostain; or
iv) If the z-score for the nucleotide sequence fragment derived from the parent is smaller than the z-score for the entire sequencing fragment, then it is determined that the maternal capsism.
제1항에 있어서, 태아의 염색체 이수성은 하기에 의해 판단되는, 비침습적 산전 검사 방법:
i) 태아 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 크고,
ii) 모체 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 작으면 태아가 삼염색체인 것으로 판단.
The method of claim 1, wherein the fetal chromosome aneuploidy is determined by:
i) The z-score for the fetal sequence fragment is greater than the z-score for the entire sequence fragment,
ii) If the z-score for the nucleotide sequence fragment derived from the parent is smaller than the z-score for the entire sequencing fragment, the fetus is considered to be a trisomy.
제1항에 있어서, 태아의 염색체 이수성은 하기에 의해 판단되는, 비침습적 산전 검사 방법:
i) 태아 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 작고,
ii) 모체 유래 염기서열 단편에 대한 z-스코어가 전체 염기서열 단편에 대한 z-스코어보다 크면 태아가 일염색체인 것으로 판단.
The method of claim 1, wherein the fetal chromosome aneuploidy is determined by:
i) The z-score for the fetal sequence fragment is smaller than the z-score for the entire sequence fragment,
ii) If the z-score for the nucleotide sequence fragment derived from the parent is greater than the z-score for the entire sequencing fragment, the fetus is considered to be a monostain.
제1항에 있어서, z-스코어는 하기 수학식 1로 계산되는, 비침습적 산전 검사 방법:
[수학식 1]
Figure pat00003

(여기서, i는 1 내지 22번 염색체, X 염색체 또는 Y 염색체이고,
reference는 정상샘플군이며,
target은 검사하고자 하는 모체 샘플을 의미한다).
The method of claim 1, wherein the z-score is calculated by Equation 1 below:
[Equation 1]
Figure pat00003

(Where i is chromosome 1 to 22, X chromosome or Y chromosome,
reference is a normal sample group,
target means the parent sample to be tested).
제1항에 있어서, 상기 비침습적 산전 검사 방법은 상염색체 이상, 성염색체 이상 또는 상염색체 결실을 판단하는, 비침습적 산전 검사 방법.
The method of claim 1, wherein the non-invasive prenatal test method determines an autosomal abnormality, a sex chromosomal abnormality, or an autosomal deletion.
제7항에 있어서, 상기 상염색체 이상은 다운 증후군, 에드워드 증후군, 파타우 증후군, 9번 삼염색체증, 16번 삼염색체증 또는 22번 삼염색체증을 유발하는, 비침습적 산전 검사 방법.
The method of claim 7, wherein the autosomal abnormality causes Down syndrome, Edward syndrome, Fatau syndrome, trisomy 9, trisomy 16 or trisomy 22.
제7항에 있어서, 상기 성염색체 이상은 터너 증후군, 트리플X 증후군, 클라인펠터 증후군 또는 제이콥스 증후군을 유발하는, 비침습적 산전 검사 방법.
The method of claim 7, wherein the sex chromosome abnormality causes Turner syndrome, TripleX syndrome, Klinefelter syndrome or Jacobs syndrome.
제7항에 있어서, 상기 상염색체 결실은 1번 단완 염색체 결실 증후군, 2q33.1 결실 증후군, 월프-허쉬호른 증후군, 고양이울음 증후군, 윌리암스 증후군, 제이콥슨 증후군, 프라더-윌리/엔젤만 증후군 또는 디죠지 증후군을 유발하는, 비침습적 산전 검사 방법.
The autosomal deletion of claim 7, wherein the autosomal deletion is: 1 short chromosome deletion syndrome, 2q33.1 deletion syndrome, Walf-Hirschhorn syndrome, cat crying syndrome, Williams syndrome, Jacobson syndrome, Prader-Willi / Angelman syndrome or D. Non-invasive prenatal test method that causes George syndrome.
1) 모체의 혈액에서 추출된 무세포 DNA로부터 전체 염기서열 단편을 생산하는 생산부;
2) 상기 단계 1)에서 생산된 전체 염기서열 단편을 인간 참조 유전체 서열의 상동성 위치에 배열하는 배열부;
3) 상기 단계 2)에서 배열된 전체 염기서열 단편을 길이에 따라 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편으로 나누고, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각에 대하여 z-스코어(z-score)를 산출하는 산출부; 및
4) 상기 단계 3)에서 산출된, 전체 염기서열 단편, 태아 유래 염기서열 단편 및 모체 유래 염기서열 단편 각각의 z-스코어를 비교하여 모체 모자이시즘 또는 태아의 염색체 이수성을 판단하는 판정부를 포함하는 비침습적 산전 검사 장치.
1) a production unit that produces a whole sequence fragment from cell-free DNA extracted from the mother's blood;
2) an alignment portion for arranging the entire sequencing fragment produced in step 1) at the homology position of the human reference genome sequence;
3) Divide the entire sequencing fragments arranged in step 2) into fetal-derived sequencing fragments and maternal-derived sequencing fragments along the length, for each of the whole sequencing fragments, fetal-derived sequencing fragments and maternal-derived sequencing fragments a calculation unit for calculating a z-score; And
4) A ratio comprising a determination unit for determining maternal maternalism or chromosome aneuploidy of a fetus by comparing z-scores of the whole sequencing fragment, the fetal sequencing fragment and the maternal sequencing fragment calculated in step 3) above. Invasive prenatal testing device.
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