Что такое полноэкзомное секвенирование?

Что такое полноэкзомное секвенирование?

Дата: 16.06.2023

Ваш врач предложил вам или члену вашей семьи тест под названием «Секвенирование полного экзома» (WES)? Какие преимущества и недостатки? Как интерпретировать результаты полноэкзомного секвенирования? Объясняем простыми словами.

Анализ Полноэкзомное секвенирование (англ. WES whole exome sequencing) является методом секвенирования, который позволяет исследовать экзом, то есть полный набор экзонов, кодирующих области генома. Является в настоящее время методом первой линии, то есть первоначальным тестом в случае подозрения на генетическое заболевание.

Основы генетики для понимания полноэкзомного секвенирования (WES)

Тело человека состоит из клеток, ядро клеток содержат ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Молекула ДНК состоит из четырех химических соединений (нуклеотидов), обозначаемых буквами A, T, C и G (аденин, тимин, цитозин и гуанин). Гены - это участки ДНК.

Каждый человек имеет около 20 000 генов в каждой клетке своего тела; мы наследуем половину наших генов от нашей матери и другую половину от нашего отца. Гены — это инструкции, которые контролируют все в нашем организме, включая наше развитие, рост и здоровье.

Гены организованы в экзоны и интроны. Экзоны («экспрессированные регионы»,"expressed region") — это кодирующие области гена. Они содержат информацию, которая используется для производства белков, необходимых для нормального роста, развития и функционирования органов. Если производится неправильный белок или не производится вообще, то возникает заболевание. Интроны (внутригенные регионы, "intragenic region") являются некодирующими областями гена и часто содержат важную техническую информацию.

Вся наша генетическая информация, включая интроны и экзоны, называется геномом. Полная его запись в виде молекулы ДНК представлена последовательностью из примерно чем 3 миллиардов нуклеотидов. Экзом составляет всего около 1% всего генома человека, однако содержит около 85% идентифицированных генетических вариантов, вызывающих заболевания.

Экзом — это совокупность экзонов. Это часть генома, отвечающая за синтез белка в организме.

Все люди имеют некоторые отличия в своем экзоме по сравнению с экзомом другого человека. Это делает каждого из нас уникальным! Иногда у людей есть генетические различия или генетические варианты, из-за которых один или несколько генов перестают работать или работают иначе, чем ожидалось. Эти генетические варианты (мутации) могут привести к генетическому заболеванию.

Что такое полноэкзомное секвенирование (WES)?

Большинство генетических вариантов, вызывающих генетические заболевания, находятся в экзоме.

Полноэкзомное секвенирование (WES) — это технология секвенирования следующего поколения, в которой экзоны секвенируются и анализируются на наличие специфических мутаций. Если анализ экзома пациента обнаруживает определенную мутацию, вызывающую болезнь, то лечение может быть более эффективным.

Полноэкзомное секвенирование анализирует последовательноть ДНК, содержащуюся во всех многочисленных экзонах наших 20 000 генов. Этим WES отличается от других генетических тестов, которые могут проверять только некоторые мутации, один ген или несколько генов.

WES выполняется с использованием технологии секвенирование нового поколения (NGS), она позволяет анализировать большое количество генов одновременно. ДНК выделяется из образца крови пациента. Cамый популярный в настоящее время метод NGS, а именно секвенирование на приборах Illumina, использует короткие прочтения, то есть ДНК разбивается на мелкие фрагменты, они секвенируются, и потом с помощью компьютерных программ происходит выравнивание последовательностей ДНК фрагментов на эталонный геном (референс).

Таким образом ДНК пациента сравнивают с референсной последовательностью ДНК человека в попытке найти какие-либо различия между ДНК пациента и эталонной ДНК. Если есть какие-либо различия, они рассматриваются опытными лабораторными генетиками и врачами-экспертами.

Кому рекомендовано полноэкзомное секвенированние (WES)?

WES можно делать во время беременности, в детстве или во взрослом возрасте. Обычно это делается по следующим причинам:

Чаще всего экзом проводится для детей, страдающих от таких болезней как эпилепсия, расстройства аутистического спектра, лейкодистрофия, наследственный рак. Ранее начало болезни свидетельствует о высокой вероятности генетической причине.

Кому НЕ рекомендовано полноэкзомное секвенированние (WES)?

WES может быть не идеальным тестом для вас или вашего ребенка, если:

Чем WES отличается в разных лабораториях?

Многие генетические лаборатории предлагают тестирование WES. Иногда может быть трудно решить, почему стоит выбрать одну лабораторию вместо другой. На что обращать внимание?

Покрытие. Это глубина секвенирования, обозначает, сколько раз каждый нуклеотид, то есть каждая буква в экзоме был прочитан в процессе секвенирования.

Обычно в WES применяют покрытие от 50х до 150х, что означает, что каждый нуклеотид в экзоме был прочитан 50-150 раз. Более высокое покрытие может обеспечить более точные результаты и повысить вероятность обнаружения генетических вариантов, включая редкие или мозаичные мутации. Считается важным показателем процент экзома с покрытием не менее 20х.

Вот так выглядит описание покрытия в результате полноэкзомного секвенирования:

Объем тестирования.
Обнаруживает ли тестирование делеции и дупликации (CNV)?
Входят ли в анализ клинически значимые некодирующие варианты интронов?
Входит ли митохондриальный геном в тестирование экзома?

Указаны ограничения теста. В описании теста и заключении должны быть четко указать все ограничения, которые имеет WES.

Результаты в понятной форме. Не просто перечень всех обнаруженных вариантов, а приоритезированные с учетом фенотипа, то есть симптомов пациента. Заключение, в котором указаны все найденные варианты, включая безвредные, может запутать пациента и говорит о недостаточно проработанном отчете.

Сырые данные. Предоставляет ли лаборатория сырые данные? В каких форматах? Стоит ли это дополнительно или бесплатно по запросу?

Пересмотр данных. С течением времени наука открывает все новые варианты, связанные с генетическими заболеваниями. Если результат секвенирования не нашел причину болезни, есть смысл подвергать данные повторной обработке. Некоторые лаборатории предлагают бесплатный повторный анализ данных через несколько лет.

Каковы преимущества WES?

Генетическое тестирование может помочь:

Входит ли митохондриальный геном в полноэкзомное секвенирование?

Митохондриальный геном (mtDNA) представляет собой генетический материал, находящийся внутри митохондрий - органелл клетки, ответственных за производство энергии. Митохондрии имеют свою собственную ДНК, отличную от ядерной ДНК, и митохондриальный геном наследуется от матери. То есть, митохондриальная ДНК не входит в экзом.

Некоторые наследственные заболевания связаны с мутациями в митохондриальном геноме. Включение митохондриального генома в полноэкзомное секвенирование позволяет обнаруживать и анализировать такие мутации, поэтому митохондриальный геном входит в полноэкзомное секвенирование у некоторых лабораторий.

Входит ли некодирующая ДНК в полноэкзомное секвенирование?

Некодирующие последовательности, такие как интроны, не входят в экзом. Они не содержат информации о последовательности аминокислот, которая определяет структуру и функцию белка. Однако в некоторых лабораториях полноэкзомное секвенирование позволяет секвенировать и анализировать как экзомные, так и некодирующие последовательности, что может быть полезным при поиске вариантов, вызывающих болезни. Например, лаборатория Blueprint Genetics (США) тестирует 2000 клинически релевантных некодирующих вариантов, а лаборатория Cegat (Германия) анализирует 33500 интронных некодирующих вариантов, что приближает этот анализ к полногеномному секвенированию.

Определяет ли полноэкзомное секвенирование хромосомные перестройки?

Да, полноэкзомное секвенирование может помочь в обнаружении хромосомных перестроек. Хромосомные перестройки - это структурные изменения хромосом, такие как делеции, дупликации, инверсии и транслокации, которые могут повлиять на функцию генов и быть связаны с различными генетическими расстройствами и заболеваниями.

При полноэкзомном секвенировании происходит секвенирование экзомных областей генома, которые представляют собой только небольшую часть всего генома. Однако, в ходе анализа секвенированных данных можно выявить патологические изменения в экзонах, которые могут указывать на наличие хромосомных перестроек.

Для более точного обнаружения хромосомных перестроек могут быть использованы дополнительные методы анализа, такие как хромосомный микроматричный анализ (Array CHG) или методы, основанные на цитогенетических техниках (например, флюоресцентная in situ гибридизация - FISH). Эти методы позволяют обнаруживать структурные изменения на уровне всего генома и предоставляют более полную картину хромосомных перестроек.

Какова вероятность узнать диагноз с помощью полноэкзомного секвенирования?

Количество пациентов, которым ставится диагноз после анализа полного экзома, варьируется, но, по оценкам, составляет от 25 до 50%. Традиционное генетическое тестирование, то есть анализ отдельных мутаций, реже приводит к постановке диагноза.

Пациенты с большей вероятностью получат диагноз с помощью WES, если у них есть серьезное заболевание, затрагивающее несколько систем органов, и симптомы начались в раннем возрасте.

Диагноз также более вероятен, когда родители предоставляют образцы вместе с пациентом (трио).

Нужно ли другим членам семьи сдавать образцы?

WES может выполняться только с образцом пациента. Другие члены семьи не обязаны сдавать образцы, тем более, это повышает стоимость тестирования. Однако, когда анализ включает образцы от других членов семьи, вероятность установления диагноза для пациента выше. Анализ, в котором участвует больной и его родители, называется трио и является предпочтительным способом выполнения полноэкзомного секвенирования. В некоторых случаях может быть полезно включить образцы других членов семьи (например, братьев и сестер).

Мутация, то есть поломка гена, может возникнуть у ребенка из-за ошибки копирования ДНК, в таком случае она называется de novo.

В случае, если оба родителя являются носителями гетерозиготного варианта, то есть Aa, один нормальный ген и один дефектный, то ребенок может унаследовать от обоих родителях поломанный ген и получить генотип aa, оба дефектных гена.

Стоит обратить внимание, что цель анализа полного экзома — найти ответ на симптомы у пациента, а не найти все генетические варианты у каждого тестируемого члена семьи. Если образцы получены от пациента и одного или нескольких членов семьи, все варианты, касающиеся причины симптомов пациента, а также того, были ли они унаследованы или возникли впервые, включаются в отчет пациента. Вторичные результаты для членов семьи, участвующих в анализе WES, сообщаются в отдельных индивидуальных отчетах, если другие члены семьи хотят получить эту информацию.

Какие результаты содержит отчет WES?

WES дает четыре разных типа результатов:

Патогенный или вероятно патогенный вариант гена, который: 1) известен как вызывающий заболевание или с высокой вероятностью вызывает заболевание и 2) связан с симптомами у пациента. Этот результат можно использовать для тестирования других членов семьи, чтобы узнать, могут ли они быть затронуты тем же генетическим заболеванием.

Вариант неопределенного значения (VUS) в гене, который, как известно, вызывает заболевание. Этот результат означает, что обнаружено изменение в гене, и этот ген связан с симптомами у пациента. Однако обнаруженный варианте еще не достаточно изучен, чтобы сказать, является ли вариант фактической причиной заболевания. Тестирование других членов семьи на VUS может быть полезным для понимания, является ли вариант причиной заболевания. Не рекомендуется использовать этот результат, чтобы определить, подвержены ли другие члены семьи риску развития заболевания.

Вариант с неопределенной значимостью (VUS) в гене, о котором ранее не было известно, что он вызывает заболевание. Этот результат означает, что было обнаружено изменение в гене, и тип варианта обычно вызывает генетическое заболевание. Однако недостаточно знаем ген недостаточно изучен, чтобы сказать, связан ли он с заболеванием человека. Это называется ген-кандидат. Необходимы дополнительные исследования, чтобы подтвердить, связан ли ген с симптомами пациента. Мы не рекомендуем использовать этот результат, чтобы определить, подвержены ли другие члены семьи риску развития заболевания.

Отрицательный результат означает, что не было выявлено каких-либо существенных изменений в генах, связанных с известными лаборатории симптомами пациента.

Отрицательный результат может означать, что:

Пример найденного патогенного варианта

Найден вариант в гене FGFR3, его номер в базе данных dbSNP: rs28931614.

Вариант классифицирован как патогенный, миссенс-вариант, то есть данный вариант меняет смысл ДНК, приводит к созданию другой аминокислоты вместо нужной, а следовательно и другого белка.

Состояние гетерозиготное, то есть мутация только в одной копии гена, вторая копия - нормальная.

Наследуется аутосомно-доминатно (AD) и аутосомно-рецессивно (AR).

c.1138G>A, p.(Gly380Arg) представляет собой описание генетического варианта в формате HGVS (Human Genome Variation Society).
c.1138G>A:
"c." указывает на координату в кДНК (комплементарная ДНК).
"1138" представляет позицию нуклеотида в гене, где происходит изменение.
"G" указывает на исходный нуклеотид в этой позиции.
"A" указывает на измененный нуклеотид, который заменил исходный.
p.(Gly380Arg):
"p." указывает на аминокислотную последовательность (протеин).
"Gly380" означает аминокислоту глицин в позиции 380.
"Arg" означает замену глицина на аминокислоту аргинин.

Таким образом, данное описание указывает на генетическую вариацию, где в гене произошла замена нуклеотида G на нуклеотид A в позиции 1138 (Ref/Alt G/A), что приводит к замене аминокислоты глицин на аминокислоту аргинин в позиции 380 протеина.

В базе данных gnomAD значение AC/AN равно 0/250348. Это означает, что в популяции не было обнаружено ни одного экземпляра вариантного аллеля, из общего числа 250348 аллелей, учитываемых в данной выборке. То есть это очень редкий вариант.

Идентификатор NM_000142.4 используется для обозначения конкретного варианта транскрипта гена в базе данных RefSeq.

Референсная последовательность генома человека - GRCh37/hg19, этот параметр достаточно постоянен. То есть именно с этим эталоном сравнивается наша последовательность, и согласно него определяется координата 4: 1806119. Координата означает 4-ю хромосому и конкретный номер позиции варианта.

Polyphen, SIFT, Muttaster - компьютерные программы, которые прогнозируют влияние изменения нуклеотида на функцию белка, это называется анализ in silico (компьютерное моделирование). Как видим, они по-разному предсказывают это влияние, мутация названа как доброкачественной, так и вызывающей болезнь.

Фенотип, ассоциированный с вариантом, совпадает с клинической картиной пациента.

Что такое вторичные результаты?

Вторичным результатом является генетический вариант, идентифицированный с помощью WES, который может вызвать серьезное заболевание, в гене, который не связан с симптомами пациента. Отчет сообщает о вторичных результатах, так как если они обнаружены, есть меры, которые можно принять, такие как операция или скрининг, которые могут помочь снизить вероятность развития заболевания. Американская организация ACMG, которая задает стандарты в области медицинской генетики, рекомендует сообщать о вторичных результатах только для определенного множества генов.

Вторичные результаты включаются в отчет только при согласии пациента. Вторичные результаты для родителей и других членов семьи сообщаются в отдельном отчете, чтобы обеспечить конфиденциальность для каждого человека.

Что включается в результат полноэкзомного секвенирования?

Результат WES включает информацию о патогенных вариантах, вероятных патогенных вариантах и вариантах неизвестного значения в генах, которые, как известно, вызывают заболевание человека, а также в генах-кандидатах, связанных с симптомами пациента.

Если члены семьи участвовали в анализе WES, отчет пациента также будет содержать информацию о том, были ли варианты унаследованы от матери или отца, или это вариант de novo, то есть новое генетическое изменение у пациента, которое не было унаследовано.

Если пациент или родители соглашаются, отчет также будет содержать патогенные или вероятно патогенные вторичные результаты.

Что НЕ включается в результат полноэкзомного секвенирования?

Хотя WES позволяет нам увидеть большое количество генетических вариантов в каждом экзоме человека, сообщается не обо всех обнаруженных вариантах, поскольку это означало бы громоздкий отчет с тысячами вариантов и небольшим пониманием их значения.

В отчет WES НЕ включены:

Первичные (сырые) данные

Сырые данные полноэкзомного секвенирования могут быть представлены в различных форматах, в зависимости от использованной платформы и инструментов анализа. Наиболее распространенные форматы сырых данных:

Каковы ограничения WES?

Технология WES является относительно новой. В настоящее время невозможно захватить и секвенировать 100% экзома с высоким качеством. В лучшем случае секвенируется в среднем >99,4% экзома с надежным качеством обнаружения генетических вариантов.

Кроме того, наука еще не до конца понимает экзом человека; следовательно, мы можем не распознать варианты в некоторых генах как причину симптомов пациента. Также тест может пропустить варианты в других генах из-за ограничений технологии.

К примеру, полноэкзомное секвенирование не может обнаружить экспансию повторов, то есть такие болезни как Хорея Гентингтона, синдром ломкой хромосомы (Мартина Белла), вызванные увеличенным количеством трехбуквенных повторов (например CAG CAG CAG), необходимо проверять специальными тестами. Кроме того, могут быть не видны такие хромосомные отклонения как сбалансированные трансклокации, инверсии. Эти и другие ограничения связаны с методом коротких прочтений. Методы следующего поколения, которые имеют длинные прочтения, будут иметь другие ограничения.

По этим причинам важно помнить, что нормальный результат WES не исключает генетическую причину симптомов пациента.

Как долго выполняется полноэкзомное секвенирование?

Анализ WES является сложным. Необходимо время для проведения теста и обзора данных и существующей научной литературы, чтобы интерпретировать результаты. По этим причинам получение результатов может занять до 8–10 недель.

Как заказывается анализ и куда отправляются результаты?

Анализ полноэкзомного секвенирования может заказать врач или пациент, заполнив специальную форму с клинической картиной и приложив имеющиеся исследования и заключения врачей. Результаты отправляются врачу, заказавшему тестирование. Важно, чтобы ваш врач обсудил с вами результаты, чтобы помочь вам понять их и составить план дальнейших действий.

В результате полноэкзомного секвенирования обнаружен патогенный вариант. Что дальше?

Подтверждение и анализ мутации: это может включать дополнительные лабораторные исследования, функциональный анализ или сравнение с базами данных генетических вариантов.

Консультация врача-генетика: врач проведет подробное обсуждение результатов секвенирования, объяснит значения мутации, ее возможные последствия и рекомендации по дальнейшему действию.

Уточнение клинического значения мутации: Если патогенный варианг уже известен науке и связан с конкретным генетическим синдромом или заболеванием, врачи могут провести дополнительные клинические обследования пациента, чтобы оценить наличие или риск развития связанных с мутацией симптомов или заболеваний.

Рекомендации по лечению и уходу: наблюдение, лекарственная терапия, хирургическое вмешательство, изменение образа жизни или другие меры для минимизации рисков и симптомов, связанных с мутацией.

Семейное тестирование: если обнаружена патогенная мутация, может быть рекомендовано тестирование других членов семьи для выявления наличия мутации или риска унаследовать ее. Тестирование на отдельные мутации чаще всего проводится методом секвенирования по Сэнгеру.

Мой результат отрицательный. Каковы следующие шаги?

Некоторые люди получат отрицательный результат WES. Важно помнить, что это не гарантирует отсутствие генетической причины ваших симптомов. Поговорите со своим врачом о том, рекомендует ли он дополнительное тестирование.

Возможным шагом может быть полное секвенирование генома. Напомним, что экзом - это 1% от всей ДНК. Хотя большинство вариантов покрываются экзомом, некоторые варианты могут находиться за рамками экзонов и включенных в экзом интронных вариантов.

Также, можно повторно проанализировать первичные данные через некоторое время. Наука на стоит на месте, каждый год регистирируется множество новых генетических вариантов, которые могут быть причиной заболеваний.

Узнаю ли я из анализа полного экзома свое происхождение, предрасположенность к болезням или рекомендации по питанию?

В общем случае, нет. Тестирование экзома не ставит целью предоставить такую информацию. Лаборатория стремится с максимальным качеством найти тот редкий вариант, который мог стать причиной генетического заболевания и не перегружать отчет дополнительными данными, не имеющей отношения к симптомам. Сырые данные могут содержать подобную информацию, но их биоинформатическая обработка будет дорого стоить для удовлетворения любопытства. Дело в том, что популярные генетические анализы для здоровых людей содержат около 700 000 вариантов, а полный экзом - более 30 млн вариантов, причем в случае экзома интерпретация анализа происходит вручную высококвалифицированными учеными.

Если нужен тест ДНК, который даст информацию о распространенных в популяции вариантах и связанных с ними предрасположенностях, в виде понятного отчета, можно заказать другие тесты. Например, 23 and Me, или Этнический состав c дополнительными отчетами, Здоровый вес.

Могу ли я заказать полный экзом для планирования беременности?

Полноэкзомное секвенирование служит для того, чтобы найти причину заболевания у больного человека. Обычно лаборатории не принимают образцы с целью скрининга на все возможные патогенные варианты. Есть тесты ДНК на основе секвенирования NGS, которые специально созданы для подготовки к беременности и учитывают ДНК обоих супругов.

Что лучше заказать - полный геном, панель или полный экзом?

Выбор между панелью генов, экзомным секвенированием и полным геномным секвенированием зависит от конкретных целей и вопросов исследования, а также от доступных ресурсов.

Панель генов:

Лучше использовать, когда вам известны конкретные гены или предполагается конкретное заболевание. Если с течением временем окажется, что причина болезни может быть в другом гене, данные ДНК не будут содержать этой информации.

Экономически выгодно, когда вам нужно проанализировать только ограниченный набор генов. При этом покрытие выбранных генов обычно очень высокое.

Экзомное секвенирование:

Лучше использовать, когда вы хотите получить более полную информацию о генетических вариантах во всех кодирующих регионах генома.

Полезно для исследований генетических заболеваний, когда вы хотите исследовать не только предварительно определенные гены, но и все известные гены и редкие варианты в них, которые могут быть связаны с болезнью.

Полное геномное секвенирование:

Секвенирование всего генома анализирует весь геном, в то время как WES анализирует только экзомные области генома. Но покрытие в полном геноме обычно ниже, чем в экзоме.

Лучше использовать, когда вам нужна наиболее полная информация о геноме, включая не-кодирующие области, структурные вариации и возможные регуляторные элементы. Нужно понимать, что многие их этих вариантов еще не известны науке. В случае пересмотра данных геном обеспечивает самые богатые возможности, так как секвенирована практически вся ДНК.

Полное геномное секвенирование является наиболее полным исследовательским подходом, но также самым затратным и требующим больше вычислительных ресурсов для обработки данных.

Заключение

Полноэкзомное секвенирование (англ. Whole Exome Sequencing, WES) является мощным инструментом для идентификации генетических причин заболеваний, особенно в случаях, когда другие методы диагностики не дают достаточной информации. Однако оно также может быть дорогостоящим и требовать дополнительного времени и ресурсов для анализа и интерпретации полученных данных.

Автор: Марина Савельева
Молекулярный генетик, биоинформатик