Способ диагностики гликогеновой болезни IXa типа у детей с использованием технологии секвенирования нового поколения
METHOD OF DIAGNOSTICS OF GLYCOGENIC ILLNESS IXa TYPE IN CHILDREN USING THE TECHNOLOGY OF SEQUENCING THE NEW GENERATION

Изобретение относится к области медицины, клинической молекулярной биологии, генетическим исследованиям и может быть использовано в качестве способа диагностики гликогеновых болезней у детей с первых дней жизни.
Гликогеновые болезни (гликогенозы) - обобщающее название группы наследственных заболеваний, вызванных недостаточностью одного или нескольких ферментов, вовлеченных в синтез и распад гликогена, и характеризующихся повышенным накоплением гликогена нормальной или измененной структуры в различных тканях организма, в основном в печени и мышцах.
Поскольку гликогенозы имеют генетическую природу, то их молекулярно-генетическая диагностика основана на поиске мутаций в генах, ответственных за развитие заболевания. Обычно для поиска мутаций в кодирующих областях генов, ответственных за развитие того или иного заболевания, используется классический метод прямого автоматического секвенирования по Сэнгеру, также известный как метод обрыва цепи (Sanger F., Niclein S., Coulson A.R. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors // Proc Natl Acad Sci USA. 1977. т. 74. с. 5463-5467. и Sanger F., Coulson A.R. A rapid method for determining sequences in DNA by primed syntesis with DNA polymerase // J Mol Biol. - 1975. т. 94. c. 444-448). Недостаток способа заключается в том, что он не позволяет выявлять протяженные дупликации и крупные структурные перестройки генов, требуются дополнительные методы исследования для уточняющей диагностики, а при необходимости исследования протяженных участков генома (свыше 10 т.п.н.) значительно возрастают стоимость и трудоемкость исследования.
Известны способы молекулярно-генетической диагностики отдельных типов гликогеновых болезней с помощью классического секвенирования по Сэнгеру /http://www.labnbo.narod.ru/. При этом алгоритм диагностики, как правило, основан на поиске мутаций в так называемых «горячих точках» генов. Этот метод является менее затратным, однако диагностическая ценность его слишком мала, поскольку мутации в генах, ответственных за развитие заболевания являются индивидуальными для каждого конкретного пациента. В случае отсутствия мутаций в «горячих точках» дальнейшая диагностика возможна также путем проведения полного сиквенса определенных генов. Однако, поскольку клинически разные типы гликогенозов, каждый из которых обусловлен мутациями в конкретном гене, могут протекать сходно, дальнейшая молекулярно-генетическая диагностика значительно усложняется и требует дополнительных материальных затрат.
Ряд зарубежных компаний, например NewGene (США), использует в своей практике подходы на основе секвенирования нового поколения (СНП) в диагностике различного спектра наследственных заболеваний. Однако, как правило, диагностика основана на секвенировании всего экзома (совокупности кодирующих последовательностей всех генов). Такой метод является дорогостоящим, а также требует проведения сложного биоинформатического анализа. Наряду с секвенированием экзома некоторые компании, например Ambry Genetics (Англия), DNA LABS INDIA (Индия) для диагностики отдельных групп болезней предлагают также таргетное секвенирование методом СНП, при котором исследуются определенные участки сразу нескольких генов (как правило, кодирующие и прилегающие интронные области), ответственных за развитие заболевания (https://dnalabsindia.com).
Секвенирование нового поколения - техника определения нуклеотидной последовательности ДНК и РНК для получения формального описания ее первичной структуры, которая позволяет «прочитать» единовременно несколько участков генома, что является главным отличием от более ранних методов секвенирования. СНП осуществляют с помощью повторяющихся циклов удлинения цепи, индуцированного полимеразой, или многократного лигирования олигонуклеотидов. В ходе СНП могут генерироваться до сотен мегабаз и гигабаз нуклеотидных последовательностей за один рабочий цикл (G.A. Pavlopoulos, A. Oulas, Е. Iacucci, et al. (2013) Unraveling genomic variation from next generation sequencing data. BioData Mining, 6:13 doi: 10.1186/1756-0381-6-13. Next-Generation DNA Sequencing Informatics by Stuart Brown, Cold Spring Harbor, 2013.
Использование метода СНП в диагностике наследственных заболеваний, особенно в том случае, когда клинически разные типы заболеваний могут протекать сходно, может позволить проводить диагностику максимально эффективно с минимальными экономическими затратами. Поэтому разработка нового метода молекулярно-генетической диагностики гликогенозов на основе СНП является несомненно актуальной задачей.
Наиболее близким является способ диагностики гликогеновых болезней (Clinical application of massively parallel sequencing in the molecular diagnosis of glycogen storage diseases of genetically heterogeneous origin. Wang et al., 2011), выбранный нами за прототип. Способ заключается в осуществлении молекулярной диагностики гликогеновых болезней путем анализа последовательностей 16 генов, мутации в которых приводят к развитию наиболее распространенных типов мышечной и печеночной форм гликогеновых болезней, с применением технологии СНП. Метод осуществляется с применением технологии обогащения SeqCap EZ на платформе Illumina.
Клинически разные типы гликогенозов могут протекать сходно, а также иметь одинаковые лабораторно-инструментальные проявления, что затрудняет дифференциальную диагностику. При этом прогноз заболевания может быть различным: от регрессирования симптоматики до развития множества серьезных осложнений и летального исхода. Поэтому скорейшая и точная диагностика типа гликогеновой болезни жизненно необходима с целью своевременного назначения терапии, повышения качества жизни и снижения риска инвалидизации больных. Предлагаемый нами новый способ молекулярно-генетической диагностики гликогеновых болезней может быть использован у детей с первых дней жизни.
Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке способа ранней и наиболее эффективной диагностики гликогеновой болезни IXa типа у детей на основе секвенирования нового поколения.
Технический результат заявляемого способа состоит в повышении точности постановки диагноза у пациентов с клиническими проявлениями гликогеновой болезни.
Сущность способа заключается в том, что для диагностики гликогеновой болезни IXa типа у детей с проводят анализ кодирующих, прилегающих интронных 3' и 5' нетранслируемых областей генов G6PC, SLC37A4, AGL, GBE1, PYGM, PYGL, PFKM, PHKA2, PHKB, PHKG2, РНКА1, PGAM2, LDHA, ALDOA, ENO3, PGM1, GYG1, GYS2, GYS1, LDHB, LAMP2, с использованием технологии секвенирования нового поколения, путем проведения молекулярно-генетического анализа с использованием технологии таргетного обогащения SeqCap EZ на платформе 454 и, в случае выявления патогенной мутации с. 394С>Т в экзоне 04 гена PHKA2 в гемозиготном состоянии ТТ, делают вывод о наличии гликогеновой болезни IX а типа у детей.
Показанием к использованию предлагаемого способа является наличие у пациента клинической симптоматики перечисленных выше заболеваний. Новым является то, что для осуществления способа используется технология таргетного обогащения SeqCap EZ (NimbleGen, Германия), которая за счет применения уникальной последовательности зондов, позволяет одновременно анализировать у 12 пациентов все участки генов, мутации в которых могут приводить к развитию разных форм гликогеновых болезней. Преимущества SeqCap EZ связаны с уникальным дизайном зондов, позволяющим эффективно и равномерно захватывать исследуемые регионы генов, что значительно снижает материальные расходы на секвенирование и дает возможность анализировать дополнительные образцы в рамках того же бюджета. Кроме того, данная технология за счет высокой плотности и равномерности обогащения таргетных участков позволяет наиболее точно и эффективно выявить мутации, находящиеся на концах экзонов, а также в прилегающих интронных областях.
Способ осуществляют следующим образом. На начальном этапе из цельной венозной крови пациентов выделяют ядерную геномную ДНК, которую фрагментируют до определенного размера с помощью газообразного азота, после чего осуществляют лигирование к фрагментам ДНК специфических адаптеров и амплификацию полученной библиотеки ДНК. Фрагментированные библиотеки проводят согласно заводскому протоколу. Для исследования берут 800 нг ДНК каждого образца. Качество биоматериала проверяют на спектрофотометре NanoVue GE по соотношению поглощения света при длинах волн 260/280 нм (не ниже 1,8) и 260/230 нм (не ниже 2). Степень деградации ДНК проверяют при помощи проведения обзорного гель электрофореза в агарозном геле. Далее проводят гибридизацию, в результате которой полученные фрагменты (пулы) ДНК определенной длины гибридизуются со специфичными олигонуклеотидами (SeqCap EZ Oligo), комплементарными целевым последовательностям генома. В нашем случае олигонуклеотиды подобраны таким образом, чтобы с достаточным перекрытием захватить все кодирующие, прилегающие интроные 3' и 5' нетранслируемые области генов PGM1, AGL, GBE1, GYG1, PGAM2, LDHA, PYGM, SLC37A4. GYS2, LDHB, PFKM, PYGL, ALDOA, PHKG2, PHKB, ENO3, G6PC, GYS1, PHKA2, PHKA1, LAMP2. Несвязанные фрагменты удаляют на этапе отмывки с помощью специального буфера. Обогащение проводят согласно заводскому протоколу. Для одного обогащения берут 100 нг каждой из 12 библиотек (суммарно 1200 нг). После этого осуществляют амплификацию обогащенного пула фрагментов. Конечным продуктом на этапе гибридизации является библиотека последовательностей, включающая в себя все таргетные области, готовые для высокопроизводительного секвенирования. После этого проводят этап создания эмульсии в котором захваченные фрагменты ДНК соединяются с микрогранулами. После смешивания фрагмент библиотеки захватывается олигонуклеотидом на грануле, затем комплексы гранул смешивают с масляной эмульсией. Смешивание и встряхивание приводит к тому, что вода образует капли вокруг гранул, называемые эмульсией. Последующим этапом является эмульсионная ПЦР, включающая в себя клональную амплификацию обогащенной библиотеки в эмульсии на полистирольных частицах, отмывку полученных частиц и их подсчет. Процесс выполняется таким образом, что каждая капля эмульсии содержит только один фрагмент ДНК. Конечным продуктом на этапе эмульсионной ПЦР является образование миллионов копий каждого фрагмента ДНК на поверхности каждой гранулы. После этого все гранулы с ДНК загружают в специальную пластину (слайд) в котором в каждой лунке помещается только одна гранула и проводят пиросеквенирование. Помимо частиц с ДНК-матрицей, в каждую лунку помещают другие частицы, каждая с иммобилизованными на ее поверхности ферментами, необходимыми для пиросеквенирования. Пиросеквенирование проводят на платформе 454 с использованием секвенатора Junior (Roche, Германия). Реактивы, необходимые для реакции секвенирования, на определенном этапе последовательно подают в проточную камеру прибора, куда помещается слайд с гранулами. В процессе пиросеквенирования при встраивании каждого последующего нуклеотида оптической схемой прибора регистрируют излучение фотонов, после чего сигнал корректируется с учетом уровня фона. Интенсивность нормализованного сигнала для каждой конкретной лунки во время поступления в проточную камеру определенного нуклеотида пропорциональна числу встроенных нуклеотидов. Высокая точность расшифровки последовательности достигается тем, что система осуществляет многочисленное прочтение одного и того же фрагмента, что позволяет построить единую обобщенную последовательность таргетных фрагментов ДНК. Отдельные прочтения одного и того же участка ДНК выравниваются относительно друг друга исходя из интенсивности сигналов в момент протекания через камеру того или иного нуклеотида, а не на основе последовательности этих прочтений. Затем соответствующие сигналы усредняют, и только тогда записывают полученную последовательность. Такой подход значительно улучшает качество расшифровки последовательности и предоставляет возможность оценки ее качества. В процессе пиросеквенирования, осуществляемого в нашем способе, суммарная протяженность исследуемых участков генома для одного образца составляет 0,7 т.п.н. Это позволяет проводить за один запуск одновременный анализ 12 образцов (библиотек) с более чем 20-кратным средним покрытием целевых участков. Затем проводят анализ полученных геномных данных. Тримминг и картирование проводят при помощи программного обеспечения GSReference Mapper. Полученные генетические вариации аннотируются программным пакетом Alamut Batch. Клинически значимые геномные варианты проверяют с использованием базы данных по мутациям HGMD Professional. Анализ ранее неописанных мутаций проводят с помощью компьютерной программы Alamut Visual, позволяющей определять функциональную значимость мутаций. Результатом проведенной биоинформатической обработки геномных данных является заключение о наличии или отсутствии у пациента геномных вариаций, которые могут приводить к развитию одного из типов гликогеновой болезни.
Клинический пример осуществления способа.
Мальчик В., 5 лет. Ребенок от 2-й беременности, протекавшей на фоне стрептококковой инфекции в 1-м триместре, кольпита, анемии, с внутриутробной гипоксией плода. При проведении неонатального скрининга патологии не выявлено. В возрасте 5 лет впервые при плановом осмотре педиатром по месту жительства у ребенка была выявлена гепатомегалия (печень +7 см из-под края реберной дуги). По результатам обследования данные физикального осмотра: типичный внешний вид, выраженная гепатомегалия, результаты лабораторного исследования: гипогликемия, цитолиз, холестаз, гиперлипидемия, метаболический ацидоз, характер сахарной кривой и инструментального обследования: УЗ и КТ, обнаружены признаки выраженной гепатомегалии с диффузным паренхиматозным процессом, что свидетельствовало о наличии у ребенка печеночной формы гликогеновой болезни (вероятнее всего, VI или IX типа), однако для оценки прогноза заболевания была необходима точная верификация типа заболевания.
С целью постановки диагноза изначально был проведен поиск мутаций в гене PYGL, мутации в котором приводят к развитию гликогеновой болезни VI типа. Мутаций не выявлено. Далее, методом секвенирования нового поколения, был выполнен анализ кодирующих, прилегающих интронных 3' и 5 нетранслируемых областей генов G6PC, SLC37A4, AGL, GBE1, PYGM, PYGL, PFKM, PHKA2, PHKB, PHKG2, РНКА1, PGAM2, LDHA, ALDOA, ENO3, PGM1, GYG1, GYS2, GYS1, LDHB, LAMP2, мутации в которых приводят к развитию разных типов гликогеновых болезней: Ia, Ib, III, IV, V, VI, VII, IXa, IXb, IXc, IXd, X, XI, XII, XIII, XIV, XV, 0 (печеночная и мышечная формы), а также болезни Данон.
В экзоне 04 гена PHKA2 выявлена мутация с. 394С>T в гомозиготном состоянии ТТ, которая приводит к развитию гликогеновой болезни, тип IXa. Принимая во внимание данные клинической картины, а также результаты молекулярно-генетического исследования установлен диагноз: гликогеновая болезнь, тип IXa.
Оценку эффективности предлагаемого способа прогнозирования проводили путем подтверждения выявленных мутаций классическим методом Сэнгера. Эффективность метода составила 100%.
Предлагаемый способ обладает достаточно высокой чувствительностью, специфичностью и точностью в оценке развития гликогеновых болезней и может быть применен у детей с первых дней жизни.
Проведенный биоинформатичекий анализ выявленных мутаций позволяет сделать вывод о наличии у пациента определенной формы глигогеноза, что в свою очередь даст возможность существенно скорректировать тактику терапии такого больного.
Необходимое лечение на основе поставленного диагноза может быть уже начато у детей с первых дней жизни, что позволит сократить последствия возможной инвалидизации и значительно повысить качество жизни таких пациентов.
Способ разработан и внедрен в лаборатории молекулярной генетики и клеточной биологии лабораторного отдела ФГБУ «НЦЗД» Минздрава России.