Расшифровка генома человека
12.10.2011
5384
0
53840
Первое, что заметила Дэбби Джорд (Debbie Jorde) у своей новорожденной дочери – это неестественно согнутые руки. Но у нее были и другие дефекты развития: волчья пасть, восемь пальцев на руках, восемь пальцев на ногах и отсутствие нижних век. Ребенку поставили диагноз синдрома Миллера – настолько редкого заболевания, что врачи долгое время считали, что оно не передается из поколения в поколение, а развивается только в результате спонтанных мутаций. У сына Дэбби Джорд, рожденного тремя годами ранее, были те же симптомы. Врачи уверяли, что вероятность рождения второго ребенка с таким же синдромом составляла один на миллион. Но они ошибались.
Муж Дэбби Линн Джорд (Lynn Jorde), генетик из Университета Юты (University of Utah) (Солт-Лейк Сити, США), все еще вспоминает слова врачей, сказавших, что для данного заболевания слишком мало данных, чтобы предсказать риск его развития.
Теперь, благодаря секвенированию нового поколения, Дэбби и ее дети знают свой генетический риск. Дэбби, ее муж и двое уже взрослых детей – Хизер и Логан Мадсен, стали первой семьей, чьи геномы были полностью секвенированы в 2009 г. [1].
На протяжении 6 месяцев ученые проводили перекрестный анализ огромного количества последовательностей ДНК из 4 геномов. Параллельное секвенирование геномов других пациентов с синдромом Миллера [2] позволило выявить ген, ответственный за развитие данного заболевания. Им оказался ген DHODH, кодирующий белок, участвующий в синтезе нуклеотидов. Выяснилось, что заболевание носит рецессивный характер наследования. В данном случае оба родителя являлись носителями одной мутантной копии гена, следовательно, шансы рождения больного ребенка составляли 25%. Генетический анализ позволил выявить у детей еще одно рецессивное наследственное заболевание – первичную цилиарную дискинезию, влияющую на развитие легких. «До этого мы не могли понять, почему у детей так часто возникает пневмония», - говорит Дэбби.
Семьи наподобие Джорд составляют небольшую, но все растущую группу людей, в основном с редкими заболеваниями, чьи геномы были секвенированы с целью постановки диагноза и изучения конкретной болезни. Хотя знание о полной последовательности ДНК никак не повлияло на лечение Хизер и Логана, многие люди секвенируют свой геном именно с этой целью. В прошлом году мальчику из Висконсина (США) на основании результатов секвенирования был имплантирован жизненно необходимый трансплантат красного костного мозга [3]. Женщине с лейкемией, а также близнецам с редким наследственным заболеванием, результаты секвенирования помогли назначить адекватное лечение [4, 5] (см. статью).
До настоящего времени секвенировать свой геном могли лишь люди, лично знавшие ученых, заинтересованных в клинической генетике, либо семьи с очень редкими заболеваниями, наподобие Джорд. Но теперь, когда полногеномное секвенирование становится все дешевле и доступнее, по всему миру запускаются клинические программы для анализа секвенированных последовательностей. Компания Illumina (Сан-Диего, США), продающая секвенаторы и программы для их обработки, предлагает услугу полногеномного секвенирования всего за 7500 долларов США для людей с тяжелыми наследственными заболеваниями, и за 10000 долларов США для онкологических больных, которым необходимо секвенировать геномы раковых и здоровых клеток.
Поскольку цены на секвенирование продолжают падать, через некоторое время определение последовательности целого генома и ее анализ будет сродни процедуре магнитно-резонансной томографии (МРТ). «Это будет так же просто, как и проведение любого другого медицинского анализа, - говорит Дэвид Бик (David Bick), клинический генетик из Медицинского Колледжа Висконсина (Medical College of Wisconsin, США), - Однако, в отличие от результатов большинства медицинских тестов, секвенирование генома предоставит огромное количество трудно интерпретируемых данных, из которых далеко не вся информация будет необходима для диагностики или лечения заболеваний пациента. Кроме того, пациент получит нежелательную информацию о предрасположенности к некоторым другим заболеваниям».
«Анализ геномов и консультирование пациентов и их семей может стать слишком тяжелым бременем для клиницистов. То, что было опробовано на нескольких пациентах, нельзя сразу перенести на широкое клиническое использование, - говорит Эрик Грин (Eric Green), директор Национального Исследовательского Института Генома Человека (National Human Genome Research Institute, NHGRI) в Бетесде (США), - Хотя некоторые отдельные случаи очень показательны».
Николас Волькер (Nicholas Volker) родился с недиагностируемым заболеванием кишечника, проявляющимся периодическим образованием в нем фистул, что требовало постоянного хирургического вмешательства. К тому времени, как Волькеру исполнилось 3 года, он перенес более 100 операций. Врачи предполагали, что у ребенка иммунный дефицит, и трансплантат красного костного мозга будет правильным решением проблемы. Но большое количество анализов, включая секвенирование нескольких генов, не подтвердило поставленный диагноз. После многочисленных обсуждений группа ученых из Медицинского Колледжа Висконсина решила секвенировать его экзом – последовательности, непосредственно кодирующие молекулы РНК и составляющие 1-2% генома.
Исследовав последовательности с помощью специальных программ, ученые выявили мутацию на Х-хромосоме в гене XIAP (X-linked inhibitor of Apoptosis). Известно, что дефицит белка, кодируемого данным геном, определяет высокий риск развития смертельного иммунного заболевания, и трансплантация красного костного мозга в данном случае просто необходима.
Первая программа по сравнительному полногеномному секвенированию была создана в Медицинском Колледже Висконсина. В настоящее время клинические генетики колледжа концентрируют свое внимание на пациентах с редкими наследственными заболеваниями, для которых идентификация генетических дефектов позволяет определить курс лечения. Для некоторых пациентов, принявших участие в программе, расходы согласились оплатить страховые компании. «Их обоснование довольно просто, - говорит Тина Хэмбак (Tina Hambuch), главный разработчик из клинической лаборатории компании Illumina, - Полногеномное секвенирование может обойтись дешевле серии генетических тестов, а также прояснить, потребуется ли дорогостоящее лечение».
Примеру Медицинского Колледжа Висконсина последовали и другие институты. В Великобритании Центр Генетики Человека Wellcome Trust Centre for Human Genetics (Оксфорд) планирует отсеквенировать геномы 500 человек. Программа Недиагностируемых Заболеваний (The Undiagnosed Diseases Program) Национальных Институтов Здоровья в Бетесде (США) осуществляет секвенирование пациентов с 2008 г. Было проанализировано более 140 экзомов и 5 геномов с целью поиска молекулярных основ трудно диагностируемых заболеваний.
Генетические основы многих заболеваний все еще не изучены. Он-лайн ресурс OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man) содержит характеристики более 7000 заболеваний человека, и только для половины из них описаны молекулярные механизмы. По словам Эрика Грина, в ближайшее время Национальный Исследовательский Институт Генома Человека выдаст грант на финансирование нескольких центров секвенирования, занимающихся исследованием молекулярных причин заболеваний.
По словам ученых, результаты секвенирования проще будет использовать для диагностики и терапии рака, нежели редких наследственных заболеваний. Клиницисты уже проводят детальный анализ некоторых раковых опухолей, чтобы адаптировать терапию под генетические характеристики пациента. Например, в геноме конкретной раковой клетки иногда можно обнаружить дефекты химических сигнальных путей, исходя из чего можно подобрать определенный препарат. Для стандартных методов диагностики это не представляется возможным.
В 2007 г. 78-летний канадец с раком языка, давшим метастазы практически по всему организму, проходил лечение в онкологическом центре British Columbia Cancer Agency (Ванкувер, Канада). Для этого типа рака не существовало одобренного метода лечения, и врачи убедили ученых онкологического центра провести секвенирование генома опухолевых клеток. Ученые также проанализировали транскриптом, что позволило изучить не только последовательность ДНК, но и количество продуцируемой опухолевыми клетками РНК. Сравнив полученные данные с данными по другим раковым опухолям и последовательностью генома нормальных клеток, ученые сконцентрировали свое внимание на гене RET, который был дуплицирован в геноме раковых клеток и транскрибировался в большое количество молекул мРНК. Известно несколько препаратов, ингибирующих белок, кодируемый данным геном. По словам Марко Марра (Marco Marra), директора онкологического центра, после долгих размышлений предпочтение было отдано препарату сунитинибу. На несколько месяцев развитие рака удалось приостановить, после чего опухоль снова начала метастазировать. Анализ вновь образовавшихся опухолей показал, что в злокачественных клетках активировались сигнальные пути, вызывающие рак, что сделано опухоль резистентной к первому препарату, но, возможно, чувствительной к другим. Но, к сожалению, было слишком поздно: пациент умер.
Научная группа Марра в настоящее время работает над созданием проекта по улучшению диагностики другого типа рака – острой миелоидной лейкемии – с помощью секвенирования генома и транскриптома. Вдохновленные примером Марра, генетики из Университета Вашингтона (Washington University) в Сент-Луисе (США) также осуществляют секвенирование геномов онкологических больных с целью подбора эффективной противораковой терапии.
Однако перевод полногеномного секвенирования из области исследований в клиническую практику сталкивается с определенными препятствиями. В отличие от исследовательской деятельности, секвенирование ДНК, предназначенное для постановки диагноза, должно проводиться в аккредитованных лабораториях, таких как в компании Illumina. Наблюдательные комитеты, осуществляющие надзор за исследованиями на человеке, еще не достигли консенсуса о том, требуется ли одобрение процедуры клинического секвенирования, а Управлению по Контролю за Качеством Пищевых Продуктов и Лекарственных Средств США (US Food and Drug Administration, FDA) еще предстоит решить, как регулировать приближающуюся волну клинического секвенирования.
Многие ученые и клиницисты опасаются, что в системе здравоохранения не достаточно людей, хорошо разбирающихся в области геномики и биоинформатики, чтобы адекватно интерпретировать огромный поток информации. По словам экспертов, данные о заболеваниях человека разбросаны по многочисленным научным статьям и базам данных, в которых порою трудно разобраться. Кроме того, анализ последовательности представляет собой весьма трудоемкую работу. По словам Хэмбак, в тех нескольких научно-исследовательских проектах, в которых принимала участие компания Illumina, только выявление всех полиморфных вариантов генома заняло 2-3 недели. «Это трудоемкая работа для высокопрофильных специалистов», - комментирует Хэмбак.
Некоторая информация может оказаться лишней для пациентов. Медицинские генетики и специалисты по этике уже давно обеспокоены поиском генетических маркеров, связанных с риском заболеваний, не поддающихся лечению. Имея полную последовательность генома, вероятность получения такой «лишней» информации взмывает вверх. Ситуация также сложна для юных пациентов. Имеют ли родители право решать за детей, какую информацию им стоит знать, а какую – нет.
По этим причинам Стефан Кингсмор (Stephen Kingsmore), работающий в клинике Children's Mercy Hospital в Канзас-Сити (США), утверждает, что клиническое секвенирование должно носить ограниченный характер. В настоящее время его научная группа разрабатывает метод одновременной детекции панели мутаций, связанных с более 600 рецессивными заболеваниями.
Но некоторые генетики считают, что «поезд не остановить». «После того как была продемонстрирована информативность данной технологии, я думаю, она будет широко использоваться», - говорит Хакон Хаконарсон (Hakon Hakonarson), в настоящее время запускающий программу клинического секвенирования в Детском Госпитале Филадельфии (Children's Hospital of Philadelphia, США).
Семья Джорд все еще размышляет над тем, что им дало секвенирование. И хотя его результаты все равно не повлияли на терапию, если бы Дэбби и Линн знали о проблемах с легкими детей раньше, можно было бы избежать опасной операции, которую пришлось перенести Хизер и Логану, чтобы снизить вероятность рецидива пневмонии.
По мнению Линна, клиническое секвенирование ждет успех. «Но я прирожденный оптимист», - добавляет он.
Оригинальный текст: Brendan Maher
По материалам:
NatureNews
Литература:
1. Roach, J. C. et al. Science 328, 636-639 (2010).
2. Ng, S. B. et al. Nature Genet. 42, 30-35 (2010).
3. Worthey, E . A. et al. Genet. Med. 13, 255-262 (2010).
4. Welch, J. S. et al. J. Am. Med. Assoc. 305, 1577-1584 (2011).
5. Bainbridge, M. N. et al. Sci. Transl. Med. 3, 87re3 (2011).
6. Jones, S. J. M. et al. Genome Biol. 11, R82 (2010).
Муж Дэбби Линн Джорд (Lynn Jorde), генетик из Университета Юты (University of Utah) (Солт-Лейк Сити, США), все еще вспоминает слова врачей, сказавших, что для данного заболевания слишком мало данных, чтобы предсказать риск его развития.
Теперь, благодаря секвенированию нового поколения, Дэбби и ее дети знают свой генетический риск. Дэбби, ее муж и двое уже взрослых детей – Хизер и Логан Мадсен, стали первой семьей, чьи геномы были полностью секвенированы в 2009 г. [1].
На протяжении 6 месяцев ученые проводили перекрестный анализ огромного количества последовательностей ДНК из 4 геномов. Параллельное секвенирование геномов других пациентов с синдромом Миллера [2] позволило выявить ген, ответственный за развитие данного заболевания. Им оказался ген DHODH, кодирующий белок, участвующий в синтезе нуклеотидов. Выяснилось, что заболевание носит рецессивный характер наследования. В данном случае оба родителя являлись носителями одной мутантной копии гена, следовательно, шансы рождения больного ребенка составляли 25%. Генетический анализ позволил выявить у детей еще одно рецессивное наследственное заболевание – первичную цилиарную дискинезию, влияющую на развитие легких. «До этого мы не могли понять, почему у детей так часто возникает пневмония», - говорит Дэбби.
Семьи наподобие Джорд составляют небольшую, но все растущую группу людей, в основном с редкими заболеваниями, чьи геномы были секвенированы с целью постановки диагноза и изучения конкретной болезни. Хотя знание о полной последовательности ДНК никак не повлияло на лечение Хизер и Логана, многие люди секвенируют свой геном именно с этой целью. В прошлом году мальчику из Висконсина (США) на основании результатов секвенирования был имплантирован жизненно необходимый трансплантат красного костного мозга [3]. Женщине с лейкемией, а также близнецам с редким наследственным заболеванием, результаты секвенирования помогли назначить адекватное лечение [4, 5] (см. статью).
До настоящего времени секвенировать свой геном могли лишь люди, лично знавшие ученых, заинтересованных в клинической генетике, либо семьи с очень редкими заболеваниями, наподобие Джорд. Но теперь, когда полногеномное секвенирование становится все дешевле и доступнее, по всему миру запускаются клинические программы для анализа секвенированных последовательностей. Компания Illumina (Сан-Диего, США), продающая секвенаторы и программы для их обработки, предлагает услугу полногеномного секвенирования всего за 7500 долларов США для людей с тяжелыми наследственными заболеваниями, и за 10000 долларов США для онкологических больных, которым необходимо секвенировать геномы раковых и здоровых клеток.
Поскольку цены на секвенирование продолжают падать, через некоторое время определение последовательности целого генома и ее анализ будет сродни процедуре магнитно-резонансной томографии (МРТ). «Это будет так же просто, как и проведение любого другого медицинского анализа, - говорит Дэвид Бик (David Bick), клинический генетик из Медицинского Колледжа Висконсина (Medical College of Wisconsin, США), - Однако, в отличие от результатов большинства медицинских тестов, секвенирование генома предоставит огромное количество трудно интерпретируемых данных, из которых далеко не вся информация будет необходима для диагностики или лечения заболеваний пациента. Кроме того, пациент получит нежелательную информацию о предрасположенности к некоторым другим заболеваниям».
«Анализ геномов и консультирование пациентов и их семей может стать слишком тяжелым бременем для клиницистов. То, что было опробовано на нескольких пациентах, нельзя сразу перенести на широкое клиническое использование, - говорит Эрик Грин (Eric Green), директор Национального Исследовательского Института Генома Человека (National Human Genome Research Institute, NHGRI) в Бетесде (США), - Хотя некоторые отдельные случаи очень показательны».
Николас Волькер (Nicholas Volker) родился с недиагностируемым заболеванием кишечника, проявляющимся периодическим образованием в нем фистул, что требовало постоянного хирургического вмешательства. К тому времени, как Волькеру исполнилось 3 года, он перенес более 100 операций. Врачи предполагали, что у ребенка иммунный дефицит, и трансплантат красного костного мозга будет правильным решением проблемы. Но большое количество анализов, включая секвенирование нескольких генов, не подтвердило поставленный диагноз. После многочисленных обсуждений группа ученых из Медицинского Колледжа Висконсина решила секвенировать его экзом – последовательности, непосредственно кодирующие молекулы РНК и составляющие 1-2% генома.
Исследовав последовательности с помощью специальных программ, ученые выявили мутацию на Х-хромосоме в гене XIAP (X-linked inhibitor of Apoptosis). Известно, что дефицит белка, кодируемого данным геном, определяет высокий риск развития смертельного иммунного заболевания, и трансплантация красного костного мозга в данном случае просто необходима.
Первая программа по сравнительному полногеномному секвенированию была создана в Медицинском Колледже Висконсина. В настоящее время клинические генетики колледжа концентрируют свое внимание на пациентах с редкими наследственными заболеваниями, для которых идентификация генетических дефектов позволяет определить курс лечения. Для некоторых пациентов, принявших участие в программе, расходы согласились оплатить страховые компании. «Их обоснование довольно просто, - говорит Тина Хэмбак (Tina Hambuch), главный разработчик из клинической лаборатории компании Illumina, - Полногеномное секвенирование может обойтись дешевле серии генетических тестов, а также прояснить, потребуется ли дорогостоящее лечение».
Примеру Медицинского Колледжа Висконсина последовали и другие институты. В Великобритании Центр Генетики Человека Wellcome Trust Centre for Human Genetics (Оксфорд) планирует отсеквенировать геномы 500 человек. Программа Недиагностируемых Заболеваний (The Undiagnosed Diseases Program) Национальных Институтов Здоровья в Бетесде (США) осуществляет секвенирование пациентов с 2008 г. Было проанализировано более 140 экзомов и 5 геномов с целью поиска молекулярных основ трудно диагностируемых заболеваний.
Генетические основы многих заболеваний все еще не изучены. Он-лайн ресурс OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man) содержит характеристики более 7000 заболеваний человека, и только для половины из них описаны молекулярные механизмы. По словам Эрика Грина, в ближайшее время Национальный Исследовательский Институт Генома Человека выдаст грант на финансирование нескольких центров секвенирования, занимающихся исследованием молекулярных причин заболеваний.
По словам ученых, результаты секвенирования проще будет использовать для диагностики и терапии рака, нежели редких наследственных заболеваний. Клиницисты уже проводят детальный анализ некоторых раковых опухолей, чтобы адаптировать терапию под генетические характеристики пациента. Например, в геноме конкретной раковой клетки иногда можно обнаружить дефекты химических сигнальных путей, исходя из чего можно подобрать определенный препарат. Для стандартных методов диагностики это не представляется возможным.
В 2007 г. 78-летний канадец с раком языка, давшим метастазы практически по всему организму, проходил лечение в онкологическом центре British Columbia Cancer Agency (Ванкувер, Канада). Для этого типа рака не существовало одобренного метода лечения, и врачи убедили ученых онкологического центра провести секвенирование генома опухолевых клеток. Ученые также проанализировали транскриптом, что позволило изучить не только последовательность ДНК, но и количество продуцируемой опухолевыми клетками РНК. Сравнив полученные данные с данными по другим раковым опухолям и последовательностью генома нормальных клеток, ученые сконцентрировали свое внимание на гене RET, который был дуплицирован в геноме раковых клеток и транскрибировался в большое количество молекул мРНК. Известно несколько препаратов, ингибирующих белок, кодируемый данным геном. По словам Марко Марра (Marco Marra), директора онкологического центра, после долгих размышлений предпочтение было отдано препарату сунитинибу. На несколько месяцев развитие рака удалось приостановить, после чего опухоль снова начала метастазировать. Анализ вновь образовавшихся опухолей показал, что в злокачественных клетках активировались сигнальные пути, вызывающие рак, что сделано опухоль резистентной к первому препарату, но, возможно, чувствительной к другим. Но, к сожалению, было слишком поздно: пациент умер.
Научная группа Марра в настоящее время работает над созданием проекта по улучшению диагностики другого типа рака – острой миелоидной лейкемии – с помощью секвенирования генома и транскриптома. Вдохновленные примером Марра, генетики из Университета Вашингтона (Washington University) в Сент-Луисе (США) также осуществляют секвенирование геномов онкологических больных с целью подбора эффективной противораковой терапии.
Однако перевод полногеномного секвенирования из области исследований в клиническую практику сталкивается с определенными препятствиями. В отличие от исследовательской деятельности, секвенирование ДНК, предназначенное для постановки диагноза, должно проводиться в аккредитованных лабораториях, таких как в компании Illumina. Наблюдательные комитеты, осуществляющие надзор за исследованиями на человеке, еще не достигли консенсуса о том, требуется ли одобрение процедуры клинического секвенирования, а Управлению по Контролю за Качеством Пищевых Продуктов и Лекарственных Средств США (US Food and Drug Administration, FDA) еще предстоит решить, как регулировать приближающуюся волну клинического секвенирования.
Многие ученые и клиницисты опасаются, что в системе здравоохранения не достаточно людей, хорошо разбирающихся в области геномики и биоинформатики, чтобы адекватно интерпретировать огромный поток информации. По словам экспертов, данные о заболеваниях человека разбросаны по многочисленным научным статьям и базам данных, в которых порою трудно разобраться. Кроме того, анализ последовательности представляет собой весьма трудоемкую работу. По словам Хэмбак, в тех нескольких научно-исследовательских проектах, в которых принимала участие компания Illumina, только выявление всех полиморфных вариантов генома заняло 2-3 недели. «Это трудоемкая работа для высокопрофильных специалистов», - комментирует Хэмбак.
Некоторая информация может оказаться лишней для пациентов. Медицинские генетики и специалисты по этике уже давно обеспокоены поиском генетических маркеров, связанных с риском заболеваний, не поддающихся лечению. Имея полную последовательность генома, вероятность получения такой «лишней» информации взмывает вверх. Ситуация также сложна для юных пациентов. Имеют ли родители право решать за детей, какую информацию им стоит знать, а какую – нет.
По этим причинам Стефан Кингсмор (Stephen Kingsmore), работающий в клинике Children's Mercy Hospital в Канзас-Сити (США), утверждает, что клиническое секвенирование должно носить ограниченный характер. В настоящее время его научная группа разрабатывает метод одновременной детекции панели мутаций, связанных с более 600 рецессивными заболеваниями.
Но некоторые генетики считают, что «поезд не остановить». «После того как была продемонстрирована информативность данной технологии, я думаю, она будет широко использоваться», - говорит Хакон Хаконарсон (Hakon Hakonarson), в настоящее время запускающий программу клинического секвенирования в Детском Госпитале Филадельфии (Children's Hospital of Philadelphia, США).
Семья Джорд все еще размышляет над тем, что им дало секвенирование. И хотя его результаты все равно не повлияли на терапию, если бы Дэбби и Линн знали о проблемах с легкими детей раньше, можно было бы избежать опасной операции, которую пришлось перенести Хизер и Логану, чтобы снизить вероятность рецидива пневмонии.
По мнению Линна, клиническое секвенирование ждет успех. «Но я прирожденный оптимист», - добавляет он.
Оригинальный текст: Brendan Maher
По материалам:
NatureNews
Литература:
1. Roach, J. C. et al. Science 328, 636-639 (2010).
2. Ng, S. B. et al. Nature Genet. 42, 30-35 (2010).
3. Worthey, E . A. et al. Genet. Med. 13, 255-262 (2010).
4. Welch, J. S. et al. J. Am. Med. Assoc. 305, 1577-1584 (2011).
5. Bainbridge, M. N. et al. Sci. Transl. Med. 3, 87re3 (2011).
6. Jones, S. J. M. et al. Genome Biol. 11, R82 (2010).
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Последние комментарии
