Analytische Ansätze und Anwendungen der gesamten Exomsequenzierung (WES) in der Onkologie

Die Genomik treibt schnelle Fortschritte im Bereich der Krebsforschung voran, insbesondere in der Art und Weise, wie Krebs diagnostiziert, behandelt und überwacht wird. Whole Exome Sequencing (WES) ist eine genetische Analysemethode, die Sequenzfangtechnologie verwendet, um DNA aus gesamten Exomregionen zu erfassen und anzureichern für Hochdurchsatz-Sequenzierung. Exom-Sequenzierung ist einfacher, kostengünstiger und effizienter als die gesamte Genomsequenzierung, und die Abdeckung der Zielregion ist höher, was die Variantenentdeckung erleichtert.

Mutationen in den Whole-Exome-Regionen des Krebsgenoms haben höchstwahrscheinlich Auswirkungen auf die Tumorentwicklung. Die genaue Erkennung von SNVs und InDels durch WES kann effizient Gene für Krebsanfälligkeit und Pathogenität identifizieren und bietet eine zuverlässige Methode für die Krebsgenomforschung. Das Whole-Exome-Sequencing hat sich zur bevorzugten Methode für viele Vergleiche von Tumor- und Normalproben entwickelt.

Mit der zunehmenden Tiefe und dem Verständnis des Tumorexoms gibt es viele weitere Analysepunkte neben der Charakterisierung von Treibergenen und Mutationen sowie der Analyse der Tumorheterogenität der Ergebnisse der Exomsequenzierung. Im Folgenden sind einige Fälle aufgeführt.

Analyse der Tumormutationslast (TMB) mittels WES

Tumor-Mutationslast (TMB), definiert als die Anzahl der somatischen Mutationen pro MB der längsten Transkriptsequenz. Der aktuelle Stand der Forschung ist, dass TMB ein potenzieller Biomarker für die Immuntherapie solider Tumoren ist, es jedoch nach wie vor an einem Konsens über den optimalen TMB-Schwellenwert für spezifische solide Tumoren mangelt. Eine differenziertere Bestimmung des optimalen TMB-Schwellenwerts könnte die therapeutischen Möglichkeiten für bestimmte refraktäre Tumoren erheblich verbessern. Durch die Analyse der Beziehung zwischen WES und TMB für alle 32 Krebsarten kombiniert und einzeln haben Forscher festgestellt, dass bestimmte Krebsarten (z. B. Gebärmutter-, Blasen- und Dickdarmkrebs) eine größere Variabilität in den TMB-Werten des Panels aufweisen im Vergleich zu Lungen- und Kopfkrebs.

Analyse von Defekten der homologen Rekombination (HRD) mittels WES

Homologe Rekombination (HR) ist ein hochkonservierter Prozess, der eine wichtige Rolle bei der DNA-Reparatur, der DNA-Replikation, der meiotischen Chromosomenverteilung und der Telomererhaltung spielt. Im Allgemeinen kann HRD durch viele Faktoren verursacht werden, wie z. B. Keimbahnmutationen oder somatische Mutationen in HRR-verwandten Genen und epigenetische Inaktivierung. Zum Beispiel wurden somatische Mutationen in BRCA1 und BRCA2, die homologe Rekombinationsproteine kodieren, aufgrund ihrer Beteiligung an erblichen Brust- und Eierstockkrebsarten häufig im Zusammenhang mit HRD untersucht.

Durch die Erkennung des HRD-Status von Krebszellen mittels Exon-Sequenzierung kann HRD als neuer Biomarker verwendet werden, der eine wichtige Rolle in der individualisierten Behandlung von Tumoren spielt. Aufgrund der Empfindlichkeit von HRD-Zellen gegenüber PARP-Inhibitoren ist die Erkennung von HRD entscheidend für die Medikamentenlenkung und Prognoseüberwachung von Tumorpatienten. Die therapeutische Wirkung von HRD als Tumormarker für kolorektale Karzinome (CRC) wurde durch WES-Analysen von 9321 Patienten mit CRC-Tumoren untersucht. Es wurde festgestellt, dass 1270 (13,6 %) Fälle HRD-positiv waren und der Rest HRD-frei (d.h. HRP). Die Inzidenz von HRD-Tumoren war bei MSI-Tumoren höher als bei MSS-Tumoren. In der TRIBE2-Studie war das Gesamtüberleben bei Patienten mit MSS- und HRD-Tumoren länger als bei Patienten mit MSS- und HRP-Tumoren. Daher ist HRD ein spezifischer Marker für MSS-CRC-Tumoren mit spezifischen molekularen und prognostischen Merkmalen.

Änderungen der homologen Rekombinationsdefizienz bei kolorektalem Krebs (Moretto R) u. a. 2022)

Mikrosatelliteninstabilitätsanalyse (MSI) mittels WES

Mikrosatelliten (MS) sind kurze tandemartige Wiederholungen (STR) oder einfache Sequenzwiederholungen (SSR), die aus 1-6 bp wiederholenden Basiseinheiten bestehen und gleichmäßig in eukaryotischen Genomen verteilt sind, einschließlich kodierender und nicht-kodierender Regionen. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass MSI eng mit der Tumorentstehung verbunden ist, und es wurde klinisch als wichtiger molekularer Marker für die Prognose und die Entwicklung von adjuvanten Behandlungsplänen für solide Tumoren wie kolorektalen Krebs verwendet.

In der MSI-Analyse können wir den MS-Status einer einzelnen Probe analysieren; wir können auch nach hochfrequenten MSI-Genen suchen und den Mikrosatellitenstatus von Tumorproben basierend auf der Analyse von Mikrosatellitenloci auf somatischer Zell-Ebene vorhersagen.

Die Autoren untersuchten den MSI-Status von 96 konstitutionellen Mismatch-Reparaturdefizienz (CMMRD) Krebsarten und 8 normalen Geweben. Es wurde festgestellt, dass nur 17 der 96 CMMRD-Tumoren einen hohen MSI-Status (MSI-H) aufwiesen, ein Ergebnis, das unabhängig vom spezifischen MMR-Mutationsgen war, und dass verschiedene Tumoren im selben Patienten zu unterschiedlichen MSI-Klassifikationen führten, während sie mit der Gewebespezifität korrelierten, wie zum Beispiel dem höchsten Prozentsatz an MSI-H in gastrointestinalen Krebsarten im Vergleich zu Hirntumoren.

MSs akkumulieren MS-Indels in Keimbahn-MMRD-Krebsarten (Chung J) u. a. 2021)

Zusammenfassung

Die Anwendung der gesamten Exom-Sequenzierung in der Tumorforschung kann Ideen für Diagnose, Behandlung, Überwachung und individualisierte Therapie durch Tumormarker liefern und auch Forschungsmethoden bereitstellen, um die Wirkungsmechanismen therapeutischer Tumormedikamente zu untersuchen. Basierend auf den Vorteilen von niedrigen Kosten und hoher Effizienz hat die WES einen erheblichen Anwendungshorizont in der Untersuchung der Tumormechanismen, und in Zukunft wird die WES ein effektives Werkzeug für die Molekularbiologie und die individualisierte Behandlung von Tumoren werden.

Referenzen:

1. Merino D M, McShane L M, Fabrizio D, u. a. Festlegung von Richtlinien zur Harmonisierung der Tumormutationslast (TMB): In-silico-Bewertung der Variation in der TMB-Quantifizierung über diagnostische Plattformen hinweg: Phase I des TMB-Harmonisierungsprojekts der Friends of Cancer Research. Journal für Immuntherapie von Krebs, 2020, 8(1).
2. Moretto R, Elliott A, Zhang J, u. a. Änderungen der homologen Rekombinationsdefizienz bei kolorektalem Krebs: Klinische, molekulare und prognostische Implikationen. JNCI: Journal des Nationalen Krebsinstituts, 2022, 114(2): 271-279.
3. Chung J, Maruvka Y E, Sudhaman S, u. a. DNA-Polymerase und Mismatch-Reparatur zeigen unterschiedliche Mikrosatelliteninstabilitäts-Signaturen in normalen und malignen menschlichen Zellen. Krebsentdeckung, 2021, 11(5): 1176-1191.