Az utolsó olvasott szekvenálás forradalmasítja a ritka betegségek diagnosztizálását

Az utolsó olvasott szekvenálás forradalmasítja a ritka betegségek diagnosztizálását

Világszerte minden tizedik embert érint egy ritka genetikai rendellenesség, de körülbelül 50%-uk diagnosztizálatlan marad a genetikai technológia és a tesztelés gyors növekedése ellenére. Még akkor is, ha egy személy hozzáférhet a vizsgálatokhoz, a diagnózis felállítása körülbelül öt évig vagy tovább is tarthat, ami néha túl késő ahhoz, hogy a betegek, akik gyakran gyerekek, elkezdjék a megfelelő kezelést.

Ennek részben az az oka, hogy a jelenlegi klinikai tesztelés a rövid leolvasású szekvenálásnak nevezett módszert alkalmazza, amely nem tud hozzáférni a genom bizonyos régióiban lévő információkhoz, és ezért nem tud döntő bizonyítékot szolgáltatni a diagnózishoz. Az UC Santa Cruz kutatói azonban egy élvonalbeli alternatív módszer, az úgynevezett Lonad szekvenálás felé haladnak, amely átfogóbb adathalmazt biztosít a variációk azonosításához, szükségtelenné teszi a többszörös speciális vizsgálatokat, és optimalizálja a ritka betegségek diagnosztizálását.

Egy új tanulmány azt mutatja, hogy a hosszú élettartamú szekvenálás javíthatja a diagnózisok arányát, miközben évekről napokra csökkenti a diagnózisig eltelt időt – egyetlen teszttel és sokkal alacsonyabb költséggel. A tanulmány ben jelent megAz American Journal of Human Geneticsés az UCSC Genomic Institute törzstagjai, a Biomolekuláris Mérnöki Intézet (BME) professzora, Benedikt Paten és a BME docense, Karen Miga, valamint az UCSC korábbi posztdoktori tudósa, Jean Monlong vezette.

A ritka betegségek olyan dolgok, amelyekkel az emberek oly sok éven át küzdenek, és ha olyan szekvenálási technológiánk van, amely optimalizálja a diagnosztikai vizsgálatokat, az óriási hozzájárulás lesz – és ezt teszteltük e cikk részeként. "

Shloka Negi, UC Santa Cruz Bme Ph.D. diák, a dolgozat első szerzője

„Ma a genetikai szekvenálás diagnosztikai hozama elkeserítően alacsony” – mondta Paten. „Valószínűleg a szekvenálási módszerek, változatok és epigenetikai jelek hiányosak a kohorszunkban.

Keressen ritka betegségeket

Ez a tanulmány az egyetlen gén rendellenessége által okozott ritka monogén betegségekre összpontosított.

A tudósok úgy diagnosztizálják a genetikai betegségeket, hogy átkutatnak genetikai anyagukban, hogy olyan variánsokat találjanak – a génben lévő különbségeket, amelyek megakadályozhatják annak megfelelő működését. E változatok megtalálásának tipikus megközelítése a rövid leolvasású szekvenálásnak nevezett technikát alkalmazza, amely a genetikai bázispárokat – adenin (A), citozin (C), guanin (G) és timin (T) kombinációit – körülbelül 150-250 szekvenciában térképezi fel.

A rövid leolvasású szekvenálás korlátja azonban az, hogy a genom bizonyos régióiban nélkülözheti a döntő fontosságú információkat, például a 250 bázispárnál jóval hosszabb bázispárok mintázatait. Nem tudja végrehajtani a „fázisozást” sem, azt a folyamatot, amely meghatározza, mely változatok öröklődnek az anyától és melyek származnak az apától. Ez segíthet a klinikusoknak felfedezni, hogy mely változatok öröklődnek. Például, ha két változat öröklődik ugyanattól a szülőtől, egyet mindkét szülőtől, vagy egyáltalán nem öröklődik. Ez nagyon hasznos információ lehet a genetikai diagnózisokhoz, különösen akkor, ha a szülői adatok nem állnak rendelkezésre.

Ezzel szemben a hosszú élettartamú szekvenálás képes egyidejűleg leolvasni a DNS hosszú szakaszait, kiküszöbölve azokat a hiányosságokat, amelyek miatt a tudósok és a klinikusok elmulaszthatják a génvariációkkal kapcsolatos fontos információkat. A hosszan leolvasott szekvenálás közvetlen fázisadatokat, valamint információkat ad a metilációról, egy olyan kémiai folyamatról a DNS-ben, amely a gének „be- vagy kikapcsolását” okozza, és hozzájárulhat a betegségek kialakulásához.

"A hosszú élettartamú szekvenálás bizonyos esetekben sokkal jobb lesz, és lépéseket teszünk ennek bizonyítására" - mondta Negi.

Ólom a módszerekben

Az UC Santa Cruz Genomics Institute kutatói kiterjedt innovációs múlttal és szakértelemmel rendelkeznek a hosszú élettartamú szekvenálás terén, és aktívan fejlesztenek módszereket a szekvenálás és elemzés optimalizálására az egészségügyi kutatási alkalmazások széles körében. Sok technikát, amelyet a kutatók az eredmények elérése érdekében fejlesztettek ki, mint például az első valóban teljes „telomer-telomer” referenciagenom, most a betegek kimenetelének javítására használnak.

"Ha a korábbi megállapításokat megerősítették, azt találtuk, hogy a hosszú élettartamú szekvenálás használatának előnyei jelentősen megnőttek, ha egy teljes, úgynevezett "telomer-telomer" referenciagenomot használtak a meglévő hiányos, de széles körben használt genomi referencia helyett" - mondta a MIGA. "Arra számítunk, hogy a pangenomok – a különféle emberi variációkat reprezentáló referenciák – még többet profitálnak majd az új, hosszú élettartamú szekvenálási technológiákból."

Paten és Miga laboratóriumai klinikusokkal szövetkeztek, hogy 42 ritka betegségben szenvedő beteg esetén dolgozzanak – némelyiküket rövid leolvasási módszerekkel vagy más speciális tesztekkel diagnosztizálták, néhányukat még nem diagnosztizálták. Egyes esetekben a kutatók hozzáfértek a szülők genetikai információihoz, másokban viszont nem.

A betegek hosszú élettartamú szekvenálását a MIGA laboratórium végezte a Nanopore szekvenálás segítségével, amely az UCSC hosszú élettartamú szekvenálási módszere, hogy a betegek genomjának rendkívül pontos, végponttól végpontig leolvasható legyen, körülbelül 1000 dollárért mintánként.

A genomikai adatokat a Paten laboratóriumban kifejlesztett számítási módszerekkel elemezték kis és nagy változatok, fázisadatok és metilációs adatok felkutatására, mindezt a NAPU pipeline nevű pipeline segítségével. Az elemzési folyamat a számítógépes feldolgozás sebességétől függően körülbelül egy napot vagy kevesebbet vesz igénybe, és 100 dollárba kerül.

eseteket megoldani

A betegek adatainak szekvenálása és elemzése után a kutatók azt találták, hogy a hosszan leolvasott leolvasások átfogóbb adathalmazt nyújtottak, mint a rövid olvasási szekvenálás segítségével levezethető adatok.

A hosszan leolvasott szekvenálás a kohorsz 42 betegéből 11 esetében biztosított végleges diagnózist, a rövid leolvasási adatoktól kezdve mindent, valamint további információkat, köztük további ritka jelölt variánsokat, hosszú távú fázisozást és metilációt – mindezt egyetlen, olcsó és gyors protokollban.

A 11 diagnosztizált eset négy veleszületett mellékvese hypoplasiát tartalmazott (ritka állapot, amelyben a mellékvesék megnagyobbodtak és nem működnek megfelelően). A betegségért felelős gén a genom egy különösen nagy kihívást jelentő régiójában található – rövid leolvasási szekvenálási technológiával nem jellemezhető, a jelenlegi klinikai vizsgálatok pedig nehézkesek és hiányosak.

"Az esetek megoldására kifejlesztettünk egy új pángenomikus eszközt, amely olyan új, kiváló minőségű összeállításokat integrál, mint például a "telomerek-telomerek" referenciagenom jelenlegi pozíciója a francia INSERM-nél. "Izgatottan vártuk az emberi genomot, amelyet történelmileg nehéz volt tanulmányozni. Eredményeink arra ösztönöznek bennünket, hogy kiterjesszük megközelítésünket több olyan betegségre is, amelyek már régóta elakadtak."

Ezen túlmenően két esetben a szexuális fejlődés zavarai is érintettek, míg egy ritka esetben a Leydig-sejt-hipoplázia a herékben lévő fejletlen Leydig-sejtek miatt befolyásolta a férfiak szexuális fejlődését. Ezenkívül négy idegrendszeri fejlődési rendellenesség esetét sikerült megoldani, amelyek mindegyike hosszú és kihívásokkal teli diagnosztikai odyssey-t jelent.

"A hosszú leolvasású szekvenálás valószínűleg a következő legjobb teszt olyan megoldatlan esetekre, ahol egyetlen génben vagy egyértelmű fenotípusban vannak meggyőző variánsok" - mondta Negi. "Egyetlen diagnosztikai tesztként is szolgálhat, csökkentve a többszöri klinikai látogatás szükségességét, és az évekig tartó diagnosztikai utazást órák kérdésessé alakíthatja."

Átlagosan minden betegnek 280 génje volt (beleértve a Mendel-kór génjeit is, amelyek egyetlen génmutáció által okozott öröklött betegségekhez kapcsolódnak), jelentős fehérjekódoló régiókkal, amelyeket egyértelműen lefednek a hosszú leolvasások, és amelyeket a rövid leolvasások nem észleltek.

"Sokkal több van a genomból, amit a hosszú leolvasások feloldhatnak" - mondta Negi. "De időbe telhet, amíg teljesen értelmezni tudjuk ezeket a hosszú leolvasások során feltárt új információkat. Ezek az adatok nem szerepeltek klinikai adatbázisainkban. A leolvasások körülbelül 5,8%-kal többet tárnak fel a telomertől telomerig terjedő genomból, amelyhez a rövid leolvasások egyszerűen nem fértek hozzá."

Az UC Santa Cruz kutatói között szerepel Brandy McNulty, Ivo Violich, Joshua Gardner, Todd Hillaker és Sara O'Rourke.

Ezt a kutatást részben a Chan Zuckerberg kezdeményezés finanszírozta.

Források: