Paskutinį kartą skaityta seka keičia retų ligų diagnostiką

Paskutinį kartą skaityta seka keičia retų ligų diagnostiką

Vienas iš 10 žmonių visame pasaulyje yra paveiktas retų genetinių sutrikimų, tačiau apie 50 % jų lieka nediagnozuoti, nepaisant spartaus genetinių technologijų ir tyrimų skaičiaus augimo. Net jei asmuo turi galimybę atlikti tyrimus, diagnozės nustatymo procesas gali užtrukti apie penkerius metus ar ilgiau, o tai kartais būna per vėlu pacientams, kurie dažnai yra vaikai, pradėti tinkamą gydymą.

Taip yra iš dalies dėl to, kad atliekant dabartinius klinikinius tyrimus naudojamas metodas, vadinamas trumpojo skaitymo sekos nustatymu, kuris negali pasiekti informacijos tam tikruose genomo regionuose ir todėl negali atlikti esminių diagnozės įrodymų. Tačiau UC Santa Cruz mokslininkai žengia į pažangiausią alternatyvų metodą, vadinamą Lonad sekos nustatymu, kuris gali pateikti išsamesnį duomenų rinkinį skirtumams nustatyti, pašalinti kelių specializuotų testų poreikį ir optimizuoti retų ligų diagnozę.

Naujas tyrimas rodo, kad ilgaamžės sekos nustatymas gali pagerinti diagnozavimo dažnį ir sutrumpinti diagnozavimo laiką nuo metų iki kelių dienų – atliekant vieną testą ir daug mažesnėmis sąnaudomis. Tyrimas buvo paskelbtas mAmerikos žmogaus genetikos žurnalasir vadovaujami pagrindiniai UCSC Genomikos instituto nariai Biomolekulinės inžinerijos (BME) profesorius Benedikt Paten ir BME docentas Karen Miga, taip pat buvęs UCSC podoktorantas Jeanas Monlongas.

Retosios ligos yra tai, su kuo žmonės kovojo tiek metų, o jei turėsime sekos nustatymo technologiją, kuri optimizuoja diagnostinį tyrimą, tai bus didžiulis indėlis – būtent tai ir išbandėme šiame dokumente. “

Shloka Negi, UC Santa Cruz Bme Ph.D. studentas, pirmasis darbo autorius

„Šiandien genetinės sekos diagnostikos derlius yra varginantis mažas“, - sakė Patenas. „Tikėtina priežastis yra neišsamūs sekos nustatymo metodai, variantai ir epigenetiniai signalai mūsų grupėje.

Raskite retas ligas

Šis tyrimas buvo skirtas retoms monogeninėms ligoms, kurias sukelia vieno geno sutrikimas.

Mokslininkai diagnozuoja genetines ligas, ieškodami jų genetinėje medžiagoje, kad surastų variantus – geno skirtumus, kurie gali trukdyti jam tinkamai veikti. Įprastas šių variantų radimo būdas naudoja metodą, vadinamą trumpojo skaitymo sekos nustatymu, kuris atvaizduoja genetines bazių poras – adenino (A), citozino (C), guanino (G) ir timino (T) derinius – maždaug po 150–250 sekų.

Tačiau trumpo skaitymo sekos apribojimas yra tas, kad tam tikruose genomo regionuose jis gali praleisti esminę informaciją, pavyzdžiui, bazinių porų modelius, kurie yra daug ilgesni nei tik 250 bazinių porų. Ji taip pat negali atlikti „fazavimo“ – proceso, kuriuo nustatoma, kurie variantai yra paveldimi iš motinos, o kurie – iš tėvo. Tai gali padėti gydytojams išsiaiškinti, kurie variantai yra paveldimi. Pavyzdžiui, kai du variantai yra paveldėti iš to paties tėvo, po vieną iš kiekvieno iš tėvų arba nepaveldėti iš viso. Tai gali būti labai naudinga informacija nustatant genetines diagnozes, ypač kai nėra duomenų apie tėvus.

Priešingai, ilgai trunkantis sekos nustatymas gali vienu metu nuskaityti ilgus DNR ruožus, pašalinant spragas, dėl kurių mokslininkai ir gydytojai gali praleisti svarbią informaciją apie genų variaciją. Ilgai skaitoma seka taip pat suteikia tiesioginius fazės duomenis, taip pat informaciją apie metilinimą – cheminį DNR procesą, dėl kurio genai „įjungiami arba išjungiami“ ir gali prisidėti prie ligų.

„Ilgalaikis sekos nustatymas tam tikrais atvejais bus daug geresnis, ir mes imamės veiksmų tai įrodyti“, - sakė Negi.

Švinas metoduose

UC Santa Cruz genomikos instituto mokslininkai turi didelę naujovių istoriją ir ilgaamžių sekos nustatymo patirtį ir aktyviai kuria metodus, skirtus optimizuoti sekos nustatymą ir analizę įvairioms sveikatos tyrimų programoms. Daugelis metodų, kuriuos mokslininkai sukūrė siekdami laimėjimų, pavyzdžiui, pirmąjį tikrai pilną „telomero-telomero“ etaloninį genomą, dabar yra naudojami siekiant pagerinti pacientų rezultatus.

„Jei ankstesnės išvados buvo sustiprintos, mes nustatėme, kad ilgalaikio sekos nustatymo pranašumai žymiai padidėjo, naudojant pilną, vadinamąjį„ telomerų-telomerų“ etaloninį genomą, o ne esamą nepilną, bet plačiai naudojamą genominę nuorodą“, - sakė MIGA. „Tikimės, kad pangenomos – nuorodos, atspindinčios įvairias žmonių variacijas – turės dar daugiau naudos iš naujų ilgaamžių sekos nustatymo technologijų.

Pateno ir Migos laboratorijos kartu su gydytojais dirbo su 42 pacientų, sergančių retomis ligomis, atvejais – kai kurie iš jų buvo diagnozuoti naudojant trumpo skaitymo metodus ar kitus specializuotus tyrimus, o kai kurie iš jų dar nebuvo diagnozuoti. Kai kuriais atvejais mokslininkai turėjo prieigą prie tėvų genetinės informacijos, tačiau kitais – ne.

Ilgalaikį pacientų sekos nustatymą atliko MIGA laboratorija, naudodama Nanopore sekvenavimą, ilgalaikį UCSC sekos nustatymo metodą, kad būtų pasiektas labai tikslus, nuo galo iki galo pacientų genomų skaitymas už maždaug 1000 USD už mėginį.

Genominiai duomenys buvo analizuojami naudojant skaičiavimo metodus, sukurtus Pateno laboratorijoje, siekiant rasti mažus ir didelius variantus, fazių duomenis ir metilinimo duomenis, naudojant dujotiekį, vadinamą NAPU vamzdynu. Analizės procesas trunka apie dieną ar mažiau, priklausomai nuo kompiuterio apdorojimo greičio, ir kainuoja 100 USD.

spręsti bylas

Atlikę seką ir išanalizavę pacientų duomenis, mokslininkai nustatė, kad ilgai skaitomi rodmenys suteikė išsamesnį duomenų rinkinį, palyginti su tuo, ką galima gauti naudojant trumpo skaitymo seką.

Ilgai nuskaityta seka suteikė galutinę diagnozę 11 iš 42 kohortos pacientų, pateikiant viską nuo trumpai nuskaitytų duomenų, taip pat papildomos informacijos, įskaitant papildomus retus kandidatų variantus, ilgo nuotolio fazavimą ir metilinimą – visa tai viename, nebrangiu ir greitu protokolu.

Iš 11 diagnozuotų atvejų buvo keturios įgimtos antinksčių hipoplazijos (reta būklė, kai antinksčiai yra padidėję ir netinkamai funkcionuoja). Už šią ligą atsakingas genas yra ypač sudėtingame genomo regione – jo negalima apibūdinti naudojant trumpo skaitymo sekos nustatymo technologiją, o dabartiniai klinikiniai tyrimai yra sudėtingi ir neišsamūs.

"Siekdami išspręsti šiuos atvejus, sukūrėme naują pan-genominį įrankį, kuris integruoja naujus aukštos kokybės mazgus, pvz., etaloninio genomo "telomerai-telomerai" dabartinę vietą INSERM Prancūzijoje. "Mums buvo malonu pamatyti žmogaus genomą, kurį istoriškai buvo sunku ištirti. Mūsų rezultatai skatina mus išplėsti savo požiūrį į daugiau ligų, kurios jau seniai buvo sustabdytos.

Be to, du atvejai buvo susiję su seksualinės raidos sutrikimais, o retas Leydig ląstelių hipoplazijos atvejis dėl nepakankamai išsivysčiusių Leydig ląstelių sėklidėse paveikė vyrų lytinį vystymąsi. Be to, pagaliau buvo išspręsti keturi neurologinio vystymosi sutrikimų atvejai, kurių kiekvienas yra ilgas ir sudėtingas diagnostinis odisėjas.

„Ilgo skaitymo sekos nustatymas tikriausiai yra kitas geriausias testas neišspręstiems atvejams, kai yra įtikinami vieno geno variantai arba aiškus fenotipas“, - sakė Negi. "Tai gali būti vienas diagnostinis testas, sumažinantis kelių klinikinių vizitų poreikį ir paverčiantis metų trukmės diagnostinę kelionę į kelias valandas."

Vidutiniškai kiekvienas pacientas turėjo 280 genų (įskaitant kai kuriuos Mendelio ligos genus, susijusius su paveldimomis ligomis, kurias sukėlė vieno geno mutacijos) su reikšmingomis baltymus koduojančiomis sritimis, kurios aiškiai uždengtos ilgais skaitymais ir neaptiktos trumpais skaitymais.

„Yra tiek daug daugiau genomo, kad ilgas skaitymas gali atrakinti“, - sakė Negi. "Tačiau prireiks laiko, kol galėsime visiškai interpretuoti šią naują informaciją, atskleistą ilgais skaitymais. Šių duomenų mūsų klinikinėse duomenų bazėse nebuvo. Nuskaitymai atskleidžia apie 5,8 % daugiau genomo nuo telomerų iki telomerų, kurių per trumpus skaitymus tiesiog nepavyko pasiekti."

Kiti UC Santa Cruz mokslininkai, dalyvaujantys šiame tyrime, yra Brandy McNulty, Ivo Violich, Joshua Gardner, Todd Hillaker ir Sara O'Rourke.

Šį tyrimą iš dalies finansavo Chan Zuckerberg iniciatyva.

Šaltiniai: