אחד מכל 10 אנשים ברחבי העולם מושפע ממחלה גנטית נדירה, אך כ- 50% מהם נותרו לא מאובחנים למרות עלייה מהירה בטכנולוגיה הגנטית ובבדיקה. גם כאשר לאדם יש גישה לבדיקה, תהליך קבלת האבחנה יכול לארוך כחמש שנים ומעלה, שלעתים מאוחר מדי עבור חולים, שלעתים קרובות הם ילדים, להתחיל את הטיפול הנכון.
הסיבה לכך היא שבדיקה קלינית נוכחית משתמשת בשיטה הנקראת רצף קריאה קצרה, שאינה יכולה לגשת למידע באזורים מסוימים בגנום וכך עשויה להחמיץ ראיות מכריעות שיעזרו לאבחון. אולם חוקרי UC סנטה קרוז דוחפים מחקר קדימה על שיטה אלטרנטיבית מתקדמת, הנקראת רצף לקריאה ארוכה, שיכולה לספק מערך נתונים מקיף יותר למציאת שונות, לבטל את הצורך בבדיקות מתמחות מרובות ולייעל את האבחנה של מחלות נדירות.
מחקר חדש מראה כי לרצף הקריאה הארוכה יש פוטנציאל לשפר את שיעור האבחנה תוך הפחתת הזמן לאבחון משנים לימים – בבדיקה יחידה ובעלות נמוכה בהרבה. המחקר פורסם ב כתב העת האמריקאי לגנטיקה אנושית בהובלתם של חברי ליבה במכון הגנומיקה של UCSC פרופסור להנדסה ביו -מולקולרית (BME) בנדיקט פטן ופרופסור חבר של BME קארן מיגה, כמו גם המלומד לשעבר של UCSC, ז'אן מונלונג.
מחלות נדירות הן דבר שאנשים נאבקים לאבחן כל כך הרבה שנים, ואם יש לנו טכנולוגיית רצף שמייעלת בדיקות אבחון, אני חושב שזו תהיה תרומה עצומה – וזה מה שבדקנו כחלק מהמאמר הזה. "
Shloka Negi, UC Santa Cruz BME Ph.D. סטודנט, הסופר הראשון של נייר
"כיום התשואה האבחנתית של רצף גנטי נמוכה באופן מתסכל", אמר פאטן. "סיבה אחת ככל הנראה היא שיטות הרצף הלא שלמות המשמשות בפרקטיקה קלינית. בעבודה זו אנו בודקים את ההשערה כי רצף חדש ומקיף יותר לקריאה ארוכה יכול לייצר מידע נוסף שימושי לאבחון גנטי. גרסאות ואותות אפיגנטיים בקבוצה שלנו.
מציאת מחלה נדירה
מחקר זה התמקד במחלות מונוגניות נדירות, שהן אלה הנגרמות כתוצאה מהפרעה בגן יחיד.
מדענים מאבחנים מחלות גנטיות על ידי חיפוש דרך החומר הגנטי שלהם כדי למצוא גרסאות – הבדלים בגן שעשוי למנוע ממנו לתפקד כראוי. הגישה האופיינית למציאת גרסאות אלה משתמשת בטכניקה הנקראת רצף קריאה קצרה, הקוראת את זוגות הבסיס הגנטיים – שילובים של אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ותימין (T) – ברצפים של בערך בערך 150-250 בכל פעם.
עם זאת, המגבלה של רצף קריאה קצרה היא שהיא יכולה לפספס מידע מכריע באזורים מסוימים בגנום, כמו דפוסים של זוגות בסיס שהם הרבה יותר מאשר רק 250 זוגות בסיס. זה גם לא יכול לבצע "שלב", התהליך של קביעת אילו גרסאות עוברות בירושה מהאם ואילו מהאב. זה יכול לעזור לקלינאים לגלות ממנו גרסאות עוברות בירושה; לדוגמה, אם שתי גרסאות עוברות בירושה מאותו הורה, אחת מכל הורה, או לא עוברת בירושה בכלל. זה יכול להיות מידע שימושי מאוד לאבחנות גנטיות, במיוחד כאשר נתוני הורים אינם זמינים.
לעומת זאת, רצף לקריאה ארוכה יכול לקרוא קטעים ארוכים של DNA בבת אחת, ולבטל פערים העלולים להוביל מדענים וקלינאים להחמיץ מידע חשוב על שונות גנים. רצף לקריאה ארוכה מספק גם נתוני שלב ישיר כמו גם מידע על מתילציה, תהליך כימי ב- DNA הגורם לגנים "להפעיל או לכבות", ויכול לתרום למחלות.
"רצף לקריאה ארוכה הולך להיות טוב בהרבה במקרים מסוימים, ואנחנו נוקטים צעדים כדי להוכיח זאת", אמר נגי.
מוביל בשיטות
לחוקרי מכון הגנומיקה של UC סנטה קרוז יש היסטוריה עשירה של חדשנות ומומחיות ברצף לקריאה ארוכה והם מפתחים באופן פעיל שיטות למיטוב רצף וניתוח למגוון רחב של יישומי מחקר בריאות. רבים מהטכניקות החוקרים פיתחו כדי להשיג פעולות, כמו הגנום ההתייחסות הראשון "טלומר-לטלומר" הראשון באמת, משמשים כיום לשיפור תוצאות המטופלים.
"חיזוק ממצאים קודמים, מצאנו כי היתרונות של שימוש ברצף לקריאה ארוכה הוגדלו באופן משמעותי על ידי שימוש בגנום התייחסות שלם, מה שמכונה 'טלומר-לטלומר' במקום ההתייחסות הגנומית הקיימת אך הנמצאת בשימוש נרחב", MIGA, " אמר. "אנו צופים כי פנגנומים – הפניות המייצגות שונות אנושית מגוונת – יפיקו תועלת עוד יותר מטכנולוגיות רצף חדשות לקריאה ארוכת שנים."
המעבדות של פטן ומגה שותפות עם קלינאים כדי לעבוד על מקרים של 42 חולים עם מחלות נדירות – שחלקן קיבלו אבחנה בשיטות קריאה קצרה או בדיקות מיוחדות אחרות, וחלקן עדיין לא היו מאובחנות. במקרים מסוימים, לחוקרים הייתה גישה למידע גנטי הורי, אך אצל אחרים הם לא עשו זאת.
רצף הקריאה הארוך של החולים הובל על ידי מעבדת MIGA באמצעות רצף ננו-פור, שיטה לרצף ארוך-קריאה שהיו חלוץ ב- UCSC, כדי להשיג קריאות מדויקות מאוד, מקצה לקצה של הגנום של החולים בכ -1,000 דולר למדגם.
הנתונים הגנומיים נותחו בשיטות חישוביות שפותחו במעבדה של פטן כדי למצוא גרסאות קטנות וגדולות, נתוני שלב ונתוני מתילציה, כולם באמצעות צינור אחד הנקרא צינור NAPU. תהליך הניתוח נמשך יום או פחות, תלוי במהירות עיבוד המחשבים, ועולה 100 דולר.
פתרון מקרים
לאחר רצף וניתוח נתוני המטופלים, החוקרים מצאו כי קריאות ארוכות סיפקו מערך נתונים ממצה יותר בהשוואה למה שניתן לגזור עם רצף קריאה קצר.
רצף לקריאה ארוכה העביר אבחנה חותכת עבור 11 מתוך 42 החולים בקבוצה, וסיפקה את כל מה שהיה ידוע מנתוני הקריאה הקצרה כמו גם מידע נוסף, כולל גרסאות מועמדות נדירות נוספות, שלב לטווח הארוך ומתילציה-הכל ב פרוטוקול יחיד, חסכוני ומהיר.
11 המקרים המאובחנים כללו ארבעה של היפופלזיה של אדרנל מולדת (מצב נדיר בו בלוטות יותרת הכליה מוגדלות ולא מצליחות לתפקד כראוי). הגן האחראי למחלה זו נמצא באזור מאתגר במיוחד בגנום – לא ניתן לאפיין אותו בטכנולוגיית רצף קריאה קצרה, והבדיקה הקלינית הנוכחית היא מסורבלת ולא שלמה.
מונלונג, שהחל את הפרויקט הזה כמלומד פוסט-דוקטורט במעבדה של פטן והמשיך בו, אמר כי "כדי לפתור מקרים אלה, פיתחנו כלי פנגנומי חדש שמשלב אסיפות חדשות באיכות גבוהה כמו הגנום ההתייחסות 'טלומר-לטלומר' חדש, שהחל את הפרויקט הזה כמלומד פוסט-דוקטורט במעבדה של פטן והמשיך בו. המיקום הנוכחי ב- Inserm בצרפת. "התרגשנו לראות שאנחנו יכולים למצוא ולשלב את הגרסאות הפתוגניות של כל ארבעת החולים הסובלים ממחלה זו בקבוצה שלנו. בעתיד זה עשוי להציע בדיקה קלינית מהירה ומקיפה. אנו יודעים כי מחלות נדירות רבות כוללות אזורים של גנום אנושי שקשה ללמוד מבחינה היסטורית, ולכן התוצאות שלנו מעודדות אותנו להרחיב את הגישה שלנו ליותר מאותן מחלות שנמצאות בקושי מזה זמן רב. "
בנוסף, שני מקרים היו מעורבים בהפרעות בהתפתחות המין, ואילו מקרה נדיר אחד של היפופלסיה של תאי ליידיג השפיע על התפתחות מינית גברים כתוצאה מתאי ליידיג לא מפותחים באשכים. בנוסף, סוף סוף נפתרו ארבעה מקרים של הפרעות נוירו -התפתחותיות, שכל אחד מהם המייצג אודיסיי אבחון ארוכים ומאתגרים.
"רצף קריאה ארוך הוא ככל הנראה המבחן הטוב ביותר הבא למקרים לא פתורים עם גרסאות משכנעות בגן יחיד או פנוטיפ ברור", אמר נגי. "זה יכול לשמש כבדיקת אבחון יחידה, להפחית את הצורך בביקורים קליניים מרובים ולהפוך מסע אבחוני בן שנים לשעות של שעות."
בממוצע, לכל מטופל היו 280 גנים (כולל כמה גנים של מחלות מנדליאניות, הקשורים להפרעות תורשתיות הנגרמות כתוצאה ממוטציות בגן יחיד) עם אזורים משמעותיים עם קידוד חלבון המכוסה באופן ייחודי על ידי קריאות ארוכות ולא מתבצעות על ידי קריאות קצרות.
"יש כל כך הרבה מהגנום שהקריאות הארוכות יכולות לפתוח", אמר נגי. "אבל זה ייקח זמן עד שנוכל לפרש באופן מלא את המידע החדש הזה שנחשף על ידי קריאות ארוכות. נתונים אלה נעדרו ממאגרי המידע הקליניים שלנו, שנבנו באמצעות ניתוח קריאה קצרה ומיפוי להתייחסות הסטנדרטית. הראינו כי ארוך הקריאות חושפות כ -5.8% יותר מהגנום הטלומר-לטלומר שקוראים הקריאה פשוט לא הצליחה לגשת אליו. "
חוקרים אחרים של UC סנטה קרוז המעורבים במחקר זה כוללים את ברנדי מקנולטי, איבו וייויץ ', ג'ושוע גרדנר, טוד הילאקר ושרה אורק.
מחקר זה מומן בחלקו על ידי יוזמת צ'אן צוקרברג.