يُحدث تسلسل القراءة الأخيرة ثورة في تشخيص الأمراض النادرة

يُحدث تسلسل القراءة الأخيرة ثورة في تشخيص الأمراض النادرة

يصاب واحد من كل 10 أشخاص في جميع أنحاء العالم باضطراب وراثي نادر، لكن حوالي 50% منهم يظلون دون تشخيص على الرغم من الزيادات السريعة في التكنولوجيا والاختبارات الوراثية. وحتى لو تمكن الشخص من إجراء الاختبار، فإن عملية التشخيص يمكن أن تستغرق حوالي خمس سنوات أو أكثر، وهو ما يكون في بعض الأحيان متأخرًا للغاية بالنسبة للمرضى، الذين غالبًا ما يكونون من الأطفال، لبدء العلاج المناسب.

ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الاختبارات السريرية الحالية تستخدم طريقة تسمى تسلسل القراءة القصيرة، والتي لا يمكنها الوصول إلى المعلومات في مناطق معينة من الجينوم، وبالتالي لا يمكنها تقديم أدلة حاسمة للتشخيص. ومع ذلك، فإن الباحثين في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز يتجهون قدمًا نحو طريقة بديلة متطورة، تسمى تسلسل لوناد، والتي يمكن أن توفر مجموعة بيانات أكثر شمولاً لتحديد الاختلافات، وإلغاء الحاجة إلى اختبارات متخصصة متعددة، وتحسين تشخيص الأمراض النادرة.

أظهرت دراسة جديدة أن التسلسل طويل الأمد لديه القدرة على تحسين معدلات التشخيص مع تقليل الوقت اللازم للتشخيص من سنوات إلى أيام - في اختبار واحد وبتكلفة أقل بكثير. ونشرت الدراسة فيالمجلة الأمريكية لعلم الوراثة البشريةويقودها أعضاء أساسيون في معهد الجينوم بجامعة كاليفورنيا، أستاذ الهندسة الجزيئية الحيوية (BME) بينيديكت باتن والأستاذ المشارك في BME كارين ميجا، بالإضافة إلى باحث ما بعد الدكتوراه السابق بجامعة كاليفورنيا، جون مونلونج.

الأمراض النادرة هي شيء عانى منه الناس لسنوات عديدة، وإذا كان لدينا تقنية التسلسل التي تعمل على تحسين الاختبارات التشخيصية، فسيكون ذلك بمثابة مساهمة كبيرة - وهذا ما اختبرناه كجزء من هذه الورقة. "

شلوكا نيجي، جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز Bme دكتوراه. الطالب، المؤلف الأول للورقة

وقال باتن: "إن العائد التشخيصي للتسلسل الجيني اليوم منخفض بشكل محبط". "السبب المحتمل هو طرق التسلسل غير المكتملة والمتغيرات والإشارات اللاجينية في مجموعتنا.

البحث عن الأمراض النادرة

ركزت هذه الدراسة على الأمراض أحادية المنشأ النادرة الناجمة عن اضطراب في جين واحد.

يقوم العلماء بتشخيص الأمراض الوراثية من خلال البحث في المواد الوراثية الخاصة بها للعثور على المتغيرات - الاختلافات في الجين التي يمكن أن تمنعه ​​من العمل بشكل صحيح. يستخدم النهج النموذجي للعثور على هذه المتغيرات تقنية تسمى تسلسل القراءة القصيرة، والتي تحدد أزواج القاعدة الجينية - مجموعات من الأدينين (A)، والسيتوزين (C)، والجوانين (G)، والثايمين (T) - في تسلسلات تبلغ حوالي 150-250 لكل منها.

ومع ذلك، فإن الحد من تسلسل القراءة القصيرة هو أنه يمكن أن يغفل معلومات مهمة في مناطق معينة من الجينوم، مثل أنماط الأزواج الأساسية التي تكون أطول بكثير من 250 زوجًا أساسيًا فقط. ولا يمكنها تنفيذ "المراحل"، وهي عملية تحديد المتغيرات الموروثة من الأم وتلك التي تأتي من الأب. وهذا يمكن أن يساعد الأطباء على اكتشاف المتغيرات الموروثة. على سبيل المثال، عندما يتم توريث متغيرين من نفس الأصل، أو متغير واحد من كل والد، أو عدم توريثهما على الإطلاق. يمكن أن تكون هذه معلومات مفيدة جدًا للتشخيص الجيني، خاصة عندما لا تتوفر بيانات الوالدين.

في المقابل، يمكن للتسلسل طويل الأمد قراءة مساحات طويلة من الحمض النووي في وقت واحد، مما يزيل الفجوات التي يمكن أن تجعل العلماء والأطباء يفتقدون معلومات مهمة حول تنوع الجينات. يوفر التسلسل طويل القراءة أيضًا بيانات الطور المباشر بالإضافة إلى معلومات حول عملية المثيلة، وهي عملية كيميائية في الحمض النووي تؤدي إلى "تشغيل أو إيقاف تشغيل" الجينات ويمكن أن تساهم في الإصابة بالمرض.

وقال نيجي: "سيكون التسلسل طويل الأمد أفضل بكثير في بعض الحالات، ونحن نتخذ خطوات لإثبات ذلك".

الرصاص في الأساليب

يتمتع الباحثون في معهد علم الجينوم بجامعة كاليفورنيا في سانتا كروز بتاريخ حافل من الابتكار والخبرة في مجال التسلسل طويل الأمد، ويعملون بنشاط على تطوير أساليب لتحسين التسلسل والتحليل لمجموعة واسعة من تطبيقات البحوث الصحية. إن العديد من التقنيات التي طورها الباحثون لتحقيق الإنجازات، مثل أول جينوم مرجعي كامل حقاً "التيلومير-التيلومير"، تُستخدم الآن لتحسين نتائج المرضى.

وقالت الوكالة الدولية لضمان الاستثمار: "إذا تم تعزيز النتائج السابقة، وجدنا أن فوائد استخدام التسلسل طويل الأمد قد زادت بشكل كبير باستخدام الجينوم المرجعي الكامل لما يسمى "التيلومير-التيلومير" بدلاً من المرجع الجينومي الحالي غير المكتمل ولكن المستخدم على نطاق واسع". "نتوقع أن تستفيد الباجينومات - المراجع التي تمثل التنوع البشري المتنوع - بشكل أكبر من تقنيات التسلسل الجديدة طويلة العمر."

تعاونت مختبرات باتن وميجا مع الأطباء للعمل على حالات 42 مريضًا يعانون من أمراض نادرة - تم تشخيص بعضهم من خلال طرق القراءة القصيرة أو اختبارات متخصصة أخرى، وبعضهم لم يتم تشخيصهم بعد. في بعض الحالات، تمكن الباحثون من الوصول إلى المعلومات الوراثية للآباء، ولكن في حالات أخرى لم يتمكنوا من ذلك.

وأجرى مختبر الوكالة الدولية لضمان الاستثمار تسلسلاً طويل الأمد للمرضى باستخدام تسلسل Nanopore، وهي طريقة تسلسل طويلة الأمد في جامعة كاليفورنيا، للحصول على قراءات دقيقة للغاية وشاملة لجينومات المرضى مقابل 1000 دولار تقريبًا لكل عينة.

تم تحليل البيانات الجينومية باستخدام الأساليب الحسابية التي تم تطويرها في مختبر باتن للعثور على المتغيرات الصغيرة والكبيرة، وبيانات الطور وبيانات المثيلة، وكل ذلك باستخدام خط أنابيب يسمى خط أنابيب NAPU. وتستغرق عملية التحليل حوالي يوم أو أقل حسب سرعة المعالجة بالكمبيوتر، وتبلغ تكلفتها 100 دولار.

حل الحالات

وبعد تسلسل بيانات المرضى وتحليلها، وجد الباحثون أن القراءات الطويلة القراءة توفر مجموعة بيانات أكثر شمولاً مقارنة بما يمكن استخلاصه باستخدام تسلسل القراءة القصيرة.

قدم تسلسل القراءة الطويلة تشخيصًا قاطعًا لـ 11 مريضًا من أصل 42 مريضًا في المجموعة، حيث قدم كل شيء بدءًا من بيانات القراءة القصيرة بالإضافة إلى معلومات إضافية بما في ذلك المتغيرات المرشحة النادرة الإضافية والمراحل طويلة المدى والمثيلة - كل ذلك في بروتوكول واحد وغير مكلف وسريع.

وشملت الحالات الـ 11 التي تم تشخيصها أربعة حالات قصور تنسج الغدة الكظرية الخلقية (وهي حالة نادرة تتضخم فيها الغدد الكظرية ولا تعمل بشكل صحيح). يقع الجين المسؤول عن هذا المرض في منطقة صعبة بشكل خاص من الجينوم - ولا يمكن وصفه باستخدام تقنية تسلسل القراءة القصيرة، والاختبارات السريرية الحالية مرهقة وغير كاملة.

"لحل هذه الحالات، قمنا بتطوير أداة جديدة شاملة للجينوم تدمج مجموعات جديدة عالية الجودة مثل الجينوم المرجعي "التيلوميرات-التيلوميرات" الموجود حاليًا في INSERM في فرنسا. "لقد كنا متحمسين لرؤية الجينوم البشري، الذي كان من الصعب دراسته تاريخيًا. نتائجنا تشجعنا على توسيع نهجنا ليشمل المزيد من الأمراض التي توقفت منذ فترة طويلة."

بالإضافة إلى ذلك، هناك حالتان تتعلقان باضطرابات في النمو الجنسي، في حين أن حالة نادرة من نقص تنسج خلايا لايديغ بسبب عدم تطور خلايا لايديغ في الخصيتين أثرت على النمو الجنسي لدى الذكور. بالإضافة إلى ذلك، تم أخيرًا حل أربع حالات من اضطرابات النمو العصبي، تمثل كل منها رحلة تشخيصية طويلة وصعبة.

قال نيجي: "ربما يكون تسلسل القراءة الطويلة هو الاختبار التالي الأفضل للحالات التي لم يتم حلها والتي تحتوي على متغيرات مقنعة في جين واحد أو نمط ظاهري واضح". "يمكن أن يكون بمثابة اختبار تشخيصي واحد، مما يقلل الحاجة إلى زيارات سريرية متعددة ويحول رحلة تشخيصية مدتها سنوات إلى بضع ساعات."

في المتوسط، كان لدى كل مريض 280 جينًا (بما في ذلك بعض جينات مرض مندل المرتبطة بالأمراض الموروثة الناجمة عن طفرات جينية واحدة) مع مناطق ترميز بروتينية مهمة يتم تغطيتها بوضوح من خلال القراءات الطويلة ولم يتم اكتشافها من خلال القراءات القصيرة.

وقال نيجي: "هناك الكثير من الجينوم الذي يمكن للقراءات الطويلة أن تكشفه". "لكن الأمر سيستغرق بعض الوقت قبل أن نتمكن من تفسير هذه المعلومات الجديدة التي كشفت عنها القراءات الطويلة بشكل كامل. لم تكن هذه البيانات موجودة في قواعد بياناتنا السريرية. تكشف القراءات حوالي 5.8٪ أكثر من جينوم التيلومير إلى التيلومير الذي لم تتمكن القراءات القصيرة من الوصول إليه ببساطة."

ومن بين الباحثين الآخرين في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز المشاركين في هذا البحث براندي ماكنولتي، وإيفو فيوليتش، وجوشوا جاردنر، وتود هيلكر، وسارة أورورك.

تم تمويل هذا البحث جزئيًا من قبل مبادرة تشان زوكربيرج.

مصادر: