Секвенирование генома. Реферат Рон А.А. — иммунология. Современные методы секвенирования геномов микроорганизмов
 Скачать 50.09 Kb.
|
|
Негосударственное образовательное частное учреждение высшего образования «МОСКОВСКИЙ-ПРОМЫШЛЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «СИНЕРГИЯ» Факультет Медицины Кафедра «Сестринское дело» Специальность 34.02.01 «Сестринское дело» Форма обучения очная РЕФЕРАТ на тему: «Современные методы секвенирования геномов микроорганизмов» Выполнена студенткой группы ДСКД-111 Рон А.А. Москва 2022 г. Начало каждого из нас – наш личный геном, он появляется, когда мы еще меньше клетки, и с тех пор навсегда остается с нами и определяет всю нашу дальнейшую жизнь. Геном поход на сложный штрихкод. Из-за того, что он очень длинный и сложный, каждый из нас отличается не только от 8 млрд людей, живущих на планете сегодня, но и от всех 20 с лишним миллиардов, которые существовали с момента возникновения человечества 200.000 лет назад. Как стремительное развитие генетики меняет мир и каким будет наше будущее? Почти каждую неделю в СМИ появляются заголовки о новых, захватывающих достижениях в области генетики, сулящих нам долголетие без болезней. Полногеномное секвенирование позволяет выявить ранее не диагностируемые заболевания, обнаружить рак на ранней стадии, узнать тайны нашей родословной. Казалось бы, остается только воспользоваться всеми этими новыми возможностями. Но так ли все просто? Секвенирование нового поколения (англ. next generation sequencing, NGS) - группа методов определения нуклеотидной последовательности ДНК и РНК для получения формального описания её первичной структуры. Технология методов секвенирования нового поколения позволяет «прочитать» единовременно сразу несколько участков генома, что является главным отличием от более ранних методов секвенирования. NGS осуществляется с помощью повторяющихся циклов удлинения цепи, индуцированного полимеразой, или многократного лигирования олигонуклеотидов. В ходе NGS могут генерироваться до сотен мегабаз и гигабаз нуклеотидных последовательностей за один рабочий цикл. Первая концепция секвенирования была предложена Сенгером в 1977 году. Технология получила название «метод обрыва цепи». В том же году Максам и Гилберт предложили альтернативный метод, получивший название «метод химической деградации» - в его основе лежит расщепление меченого по одному концу фрагмента ДНК под действием специфических реагентов. Определение нуклеотидной последовательности проводится методом электрофореза в полиакриламидном геле с последующей авторадиографией. Необходимость в массовом, качественном и быстром секвенировании стимулировала многочисленные модификации и всевозможные улучшения этих методов. В той или иной степени, изменениям подверглись практически все составляющие этого процесса. Переломной точкой развития технологии стало появление ПЦР (середина 1980-х) и автоматизация основных этапов «чтения» ДНК, давшие начало методам секвенирования следующего поколения. Платформы для методов нового поколения основываются на распараллеливании процесса «чтения» ДНК, и таким образом за один прогон работы секвенатора можно определить первичные структуры нескольких участков генома. Секвенаторы нового поколения стали значительно дешевле и гораздо эффективнее своих предшественников. На сегодняшний день производительность некоторых секвенаторов измеряется уже сотнями миллиардов пар оснований, что, например, позволяет подобным приборам сканировать индивидуальный геном человека всего за несколько дней. 20 лет назад президент США Билл Клинтон и премьер-министр Великобритании Тони Блэр объявили, что проект «Геном человека» и корпорация Celera Genomics завершили «первоначальное секвенирование генома человека». Говорят, что с этого момента биология вступила в «постгеномную эру». Назвать эту дату «днем расшифровки человеческого генома» назвать можно, правда, только условно - на той конференции ученые лишь рассказали о первом «черновике» последовательности ДНК всех хромосом человека со множеством пробелов, некоторые из которых не заполнены до сих пор. Обе публикации, описывающие «черновик» человеческого генома, вышли в 2001 году, а «чистовая» версия появилась еще через три года. После этого проект «Геном человека» завершился - а вот расшифровка генома человека нет. Осмысление и дополнение полученных тогда данных продолжается до сих пор. N + 1 рассказывает о судьбе, пожалуй, важнейшего для науки XXI века проекта и том, что он сделал - и продолжает делать - с миром. В 1985 году он собрал несколько ведущих генетиков для обсуждения проекта по секвенированию генома человека. Коллектив пришел к заключению, что идея заманчива, но не реализуема. К тому моменту не был расшифрован даже геном кишечной палочки размером «всего» в пять миллионов пар нуклеотидов, а максимальная продолжительность нуклеотидной последовательности, которую можно было прочитать за раз методом Сэнгера, составляла несколько сот нуклеотидов. В обсуждении участвовал Уолтер Гилберт, который за 10 лет до того предложил свой метод секвенирования ДНК (известный как метод Максама-Гилберта или метод химической деградации ДНК), практически одновременно с Фредериком Сэнгером. Он загорелся идеей создания геномного института и увлек ей первооткрывателя структуры ДНК Джеймса Уотсона и Чарльза Делиси, который возглавлял подразделение здоровья и окружающей среды в Министерстве энергетики США. Последнему геномный проект виделся логичным продолжением исследований влияния радиации на человека. В 1986 году они уже подсчитывали затраты на расшифровку последовательности генома человека. Настроенные скептически коллеги оценивали продолжительность проекта в десятки лет рутинной работы, если «читать» ДНК небольшими научными коллективами - а ведь только в этом случае, по их мнению, работу можно сделать хорошо. Объем предстоящей работы казался невероятно огромным: один из столпов молекулярной биологии Сидни Бреннер шутил, что секвенировать ДНК будут заставлять преступников, причем размер хромосомы будет прямо пропорционален тяжести преступления. Однако Уотсон и Делиси решили сделать ставку на крупные автоматизированные центры и международное сотрудничество. Финальный план американской части проекта был рассчитан на 15 лет и три миллиарда долларов. Почти одновременно со стартом проекта в США, советский академик Александр Баев смог убедить Горбачева выделить значительное финансирование на оборудование лабораторий и создание научных групп, которые могли бы участвовать в международном консорциуме по расшифровке генома человека. По воспоминаниям академика Льва Киселева, который в то время был председателем научного совета российской части программы, отечественный проект начинался очень активно - на его развитие было выделено около 20 миллионов долларов. Однако в 90-х годах государство уже не могло финансировать столь дорогостоящие фундаментальные исследования, и участие в консорциуме, хотя и не закрылось окончательно, было сокращено до минимума. Полногеномное секвенирование - лучший на сегодня метод продолжать исследование структуры ДНК, функций генов, их влияния друг на друга и на проявления фенотипа. Хотя крупные исследовательские центры в мире ведут эту работу, ее результаты не всегда широко доступны. Поэтому многие исследователи делают это самостоятельно для своих узкоспециализированных целей - подбор и разработка препаратов, спортивные достижения, селекция растений и животных, диагностика и лечение болезней. Интерес к теме полного секвенирования генома во многом стимулируется коммерческими лабораториями, которые предлагают клиентам узнать все о своем геноме, чтобы правильно подобрать диету, определить таланты, узнать свою этническую принадлежность. Однако полное секвенирование генома - серьезный медицинский инструмент, который позволяет диагностировать наследственные болезни. - Что дает анализ «полное секвенирование генома»? Строго говоря, полное секвенирование генома - не медицинский анализ, это просто способ получения генетической информации. В ходе секвенирования прочитывается практически весь геном человека. Сегодня используется такой подход: ДНК случайным образом разрезается на множество мелких фрагментов, к фрагментам добавляются специальные адаптеры на концах, и затем их количество нарабатывается с помощью ПЦР. После все эти кусочки параллельно «читаются», специальные программы «собирают» из них геном и выявляют изменения в нем относительно так называемого референса – это искусственная стандартная последовательность генома, своеобразный пример для сравнения. В ходе секвенирования генома можно проанализировать практически все гены, межгенные участки, митохондриальную ДНК. В целом, полное геномное секвенирование хорошо справляется с выявлением «точковых» мутаций, а структурные изменения (транслокации, инверсии) выявляются хуже. Поэтому в случае подозрений на такие хромосомные перестройки лучше использовать более надежные специализированные методы: таргетные тесты, FISH или кариотипирование. Использовать данные секвенирования можно по-разному, но мы остановимся на применении в медицинских целях. - Кому стоит задуматься о полном секвенировании генома? Задуматься о нем имеет смысл тем, у кого есть причины для посещения врача-генетика. Во-первых, полное секвенирование генома – инструмент для выявления причины наследственного заболевания. Тест действительно универсальный, его особенность в том, что одновременно с «обычными» хромосомами читается и митохондриальная ДНК: маленькая, но очень важная кольцевая молекула. Однако здесь важно понимать, что есть типы мутаций, которые с помощью этого анализа не выявляются. Хороший врач на основе предполагаемого или уже существующего клинического диагноза выбирает метод для проведения анализа. Во-вторых, секвенирование генома можно было бы использовать при планировании семьи – как метод скрининга на носительство патогенных мутаций, при наличии которых в одном и том же гене у обоих родителей в семье могут родиться дети с рецессивными заболеваниями. Впрочем, когда есть популяционные данные о частых мутациях для определенного народа, вполне рационально будет провести не секвенирование генома целиком, а специальный тест на выявление этих часто встречающихся мутаций – так выйдет дешевле, но это поможет значительно снизить риск рождения больного ребенка. Кроме того, носительство некоторых частых и при этом тяжелых заболеваний (таких как спинальная амиотрофия) для надежной детекции требует специального теста, поэтому я бы не стал переоценивать возможности геномного секвенирования. Это в любом случае не метод, который позволит застраховаться от абсолютно всех генетических рисков. В-третьих, полное секвенирование генома позволяет получить информацию о некоторых высокорисковых состояниях, например, о высокой вероятности заболевания раком молочной железы и яичников. Это актуально, например, для женщин, в семье которых были случаи рака молочной железы или яичников в молодом возрасте или несколько случаев рака молочной железы и яичников у нескольких родственников. К возможностям геномного секвенирования следует подходить разумно: эффективность анализа генома несколько выше, чем у менее масштабных, но тоже современных исследований (в частности, экзомного секвенирования), однако отличается не в разы, а лишь – в случае экзома – на несколько процентов. Сегодня я бы рассматривал геном скорее как исследование «последней линии» либо как выбор для тех, кто хочет получить максимум информации на будущее – ведь данные секвенирования можно при необходимости переанализировать. - Сколько стоит секвенирование генома? В рамках проекта «Геном человека» (международный проект, целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать 20-25 тыс. генов в человеческом геноме – G-I) ежегодно в течение 10 лет тратилось от 30 до 50 млн долларов. Тогда геном секвенировали еще на капиллярных секвенаторах по одному фрагменту за раз; впрочем, и требования проекта были существенно строже, чем необходимо сейчас – ведь тогда речь шла о создании той самой референсной последовательности, с которой сегодня мы сравниваем данные. При переходе на секвенирование нового поколения цена, конечно, значительно снизилась. Буквально 7 лет назад она составляла примерно 10 тыс. долларов. Сегодня цена полного секвенирования генома составляет менее 1 тыс. долларов в крупных лабораториях Китая и Кореи (без интерпретации). В России цена чуть выше – в районе 1,5-2 тыс. долларов. - Что нужно знать пациенту/клиенту, чтобы подобрать лабораторию для проведения теста? В России рынок лабораторной геномики - это «Дикий Запад», где каждый ковбой сам за себя. Еще не сложились единые высокие стандарты – а точнее, не везде используются те международные рекомендации, которые считаются общепринятыми. Несмотря на это, хорошие лаборатории есть, и они следуют этим стандартам. Для начала я бы описал, по каким параметрам не стоит выбирать лабораторию. Во-первых, не нужно ориентироваться на цену. Есть мнение, что чем выше цена, тем выше качество. Это не так. Цена может быть ниже по многим причинам – например, лаборатория только вышла на рынок и хочет привлечь клиентов, или лаборатория пользуется более производительным секвенатором. В-вторых, не стоит выбирать клинику по красоте сайта: он должен быть прежде всего информативным. Имеет смысл посоветоваться с врачом, которому вы доверяете. Если это врач, который придерживается позиций доказательной медицины, сам участвует в конференциях, следит за новостями медицинской науки и развивается как профессионал, то скорее всего он сможет вам порекомендовать хорошую лабораторию. Также вы можете обратить внимание на деятельность сотрудников самой лаборатории. Если сотрудники публикуются в международных научных журналах, выступают на конференциях с докладами, показывают честную статистику – значит, скорее всего, это добросовестная команда. Важно отметить, что качество результата складывается из качества собственно процедуры секвенирования и качества интерпретации. В первом случае имеет значение избыточность данных (так называемая средняя глубина прочтения, или среднее покрытие) – от этого зависит качество выявления мутаций. Заранее спросите: с каким средним покрытием секвенируется геном? Для генома это число должно быть выше 30x; для экзома и панелей – не менее 70x. После проведения анализа имеет смысл запросить не только заключение, но и первичные данные секвенирования: по этим файлам можно оценить качество прочтения генома. Лучше делать это в другой, независимой лаборатории. Что касается интерпретации данных – здесь все сложнее. Боюсь, что человек без специального образования и опыта не разберется во всех терминах современного генетического заключения. Однако ничто не мешает вам оценить аккуратность, с которой написано заключение. В медицинской генетике формулировки играют огромную роль, и иногда одно-два слова полностью меняют клиническое значение той или иной находки. Если лаборатория за несколько десятков тысяч рублей не может выдать аккуратное, подробное и грамотно написанное заключение, значит, на всем остальном она тоже сэкономила. - Можно ли сказать, что полное секвенирование генома лучше заказывать за рубежом? (там делают качественнее или, возможно, дешевле?) В России есть хорошие лаборатории, работающие на мировом уровне. Другой вопрос: насколько вероятно получить качественную услугу, обратившись в случайно выбранную организацию? В случайно выбранной немецкой лаборатории все-таки выше вероятность найти достойное качество, чем в случайно выбранной российской. На сложившихся рынках Запада меньше шарлатанов – требовательный рынок уже приучил своих участников работать хорошо. Рекомендую сдавать анализ в России, но при этом имею в виду определенные лаборатории, которым доверяю. Если врач не дал вам таких рекомендаций, и вы выбираете наобум – возможно, есть смысл обратить внимание на ведущие зарубежные предложения. - Как проходит сам анализ? В качестве биоматериала обычно собирают венозную кровь, из нее выделяют ДНК, с которой затем проводят множество манипуляций. Сам процесс пробоподготовки и секвенирования сложный – он состоит из нескольких десятков этапов. Есть заблуждение, что все, что необходимо для проведения теста – это секвенатор. На самом деле, в процессе участвует множество приборов. Но еще важнее работа специалистов. Подготовка «библиотек» (наборов фрагментов ДНК для секвенирования) – сложная и ответственная задача; на последних этапах стоимость ошибки сотрудника лаборатории может составлять миллион рублей и выше; и это если считать только стоимость потраченных реагентов. Секвенатор анализирует «библиотеку» ДНК автоматически. На выходе получаются «сырые данные» объемом десятки и сотни гигабайт. С ними уже работают биоинформатики: они выявляют генетические изменения, анализируют их по нескольким десяткам параметров, сопоставляют с базами данных, представляют информацию в структурированном виде – и в конечном итоге помогают врачам принимать информированные и обоснованные решения о том, что считать причиной заболевания. В России полное секвенирование генома занимает от 1,5 до 4 месяцев. В действительности, если на всех этапах работать максимально оперативно, то можно уложиться в 10 дней. Но это практически предел. - Насколько это точный тест? Анализ «полное секвенирование генома» нельзя считать самостоятельным диагностическим тестом. Для генома нельзя измерить чувствительность и специфичность в отношении выявления всех возможных мутаций. Существуют гены, расположенные в очень сложных для чтения участках; есть гены, у которых в хромосомах есть очень похожие на них копии – псевдогены; в таких случаях точность и даже сама возможность детекции уже ниже. Поэтому результаты геномного секвенирования необходимо проверять референсным методом. Допустим, в заключении приведены 4 мутации. Врач-генетик смотрит на них, сопоставляет описание заболеваний с клиническими данными больного и определяет: какие из этих вариантов по сочетанию типа наследования, клинических признаков и других параметров могут иметь отношение к случаю пациента. И именно эти варианты дополнительно проверяют секвенированием по Сэнгеру, причем часто и у родителей больного. С технической точки зрения у хорошей лаборатории ложных результатов почти не бывает, однако перепроверка никогда не будет лишней. Хуже другое – ложная классификация мутаций: прежде всего, сообщение под видом патогенных заведомо доброкачественных генетических изменений, которые не могут быть причиной заболевания. Это проблема интерпретации, а не детекции. Врач должен быть очень бдительным. В заключении, если мутация описывается как патогенная или вероятно патогенная, лаборатория обязательно должна подтверждать свои слова ссылками на статьи или базы данных – и эта информация должна быть проверяемой. Хорошее описание мутации в лабораторном заключении – это обычно увесистый абзац текста, со ссылками на литературу, номера в базах данных, с указанием численных параметров и точных координат мутации в разных форматах по международной номенклатуре. Это делается не для того, чтобы «загрузить» врача – а, чтобы можно было перепроверить сделанные выводы о патогенности мутации, не анализируя данные «с нуля». При этом нет ничего плохого в сообщении вариантов с неопределенной клинической значимостью (а они часто встречаются в заключениях), когда такая классификация корректна. Если убедительных данных за патогенность мутации или за ее доброкачественность сегодня нет, то по международным рекомендациям принято все же сообщать такие варианты, если они могут иметь отношение к заболеванию, но при этом честно указывать их неопределенный статус. После дополнительных исследований часто оказывается, что такие варианты сообщены не зря. Вопрос «ложноотрицательных» результатов сложнее. В качестве таковых иногда рассматривают «пустое» заключение, например, если врач уверен в наследственной природе болезни пациента. Здесь не стоит спешить винить лабораторию – если, конечно, при перепроверке данных не выяснилось, что она упустила что-то очевидное. Степень изученности групп заболеваний разная, далеко не для всех генов хорошо известна связь с той или иной патологией; поэтому, несмотря на бурное развитие технических методов, причину заболевания удается установить только у определенной доли пациентов – и эта доля сильно зависит от клинической картины. В этом смысле статистика хороших российских лабораторий примерно сопоставима с мировой. Интерпретация результатов генетических тестов очень сложна, как и сама медицинская генетика. Лучше доверить и назначение геномных исследований, и постановку диагноза на их основе опытному врачу. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Сегодня много пациентов страдает от неверного диагноза или несвоевременно обнаруженного заболевания, связанного с нарушениями в структуре ДНК. Распространенные генетические тесты, такие как анализ одного гена, панели из нескольких генов или микроматричный анализ, часто не могут до конца выявить точную причину болезни из-за своих ограниченных возможностей. Недавние достижения молекулярной генетики позволили сделать доступным по цене и скорости выполнения новый метод генетического тестирования — полногеномное секвенирование. Полное секвенирование генома способно обнаружить почти все изменения в ДНК пациента, расшифровывая последовательность всех кодирующих и некодирующих областей. Результат такого исследования — информация о тысячах генов, участвующих в нормальном росте и развитии организма. Этот метод с успехом заменяет все ранее известные способы генетического тестирования, соединяя в себе их возможности. С каждым годом он позволяет установить точный диагноз все большего числа заболеваний. Используя полногеномное секвенирование, лечащий врач получает помощь не только в диагностике, но и более точно принимает решения по лечению, может наблюдать за течением заболевания, делать прогноз развития болезни и выздоровления. Точные рекомендации о прогрессировании заболевания также возможны в некоторых случаях. По результатам тестирования может быть проведена оценка риска наследственных заболеваний для других членов семьи. Полное секвенирование может быть проведено по направлению лечащего врача, а также по желанию пациента без наличия срочных медицинских показаний. Структура генома не изменяется в течение всей жизни. Сделав анализ однократно, его результатами можно пользоваться всю жизнь. К ним можно повторно обращаться при появлении очередных открытий в генетике и с учетом новых знаний более точно интерпретировать данные. Имея на руках готовую расшифровку своего генотипа, человек подготовит себя к возможным экстренным ситуациям, когда подробная генетическая информация может спасти жизнь — травмы, операции, тяжелые заболевания, пересадка органов и другие. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 1. А.А.Жарких «Методы филогенетического анализа генов и белков». 2. А.А.Александров, Н.Н.Александров, М.Ю.Бородовский» Компьютерный анализ генетических текстов». 3. Р.И.Салганник, «Методы молекулярной генетики и генной инженерии». 4. Э.Д.Ахунов, В.А.Вахитов, А.В.Чемерис «Секвенирование ДНК» 5. Д.В.Ребников, В.В.Ильинский, Е.С.Шубина «NGS. Высокопроизводительное секвенирование» 6. Луома Джон, Стивен Монро Липкин «Время генома. Как генетические технологии меняют мир и что это значит для нас» 7. |