Evolutionäre, medizinische und klinische Anwendungen der gesamten Exomsequenzierung

wie wir alle wissen, spielen Proteine eine wichtige Rolle im menschlichen Körper, da alle physiologischen Vorgänge mit den strukturellen oder mechanischen Funktionen bestimmter Proteine verbunden sind. Die Untersuchung des Syntheseprozesses von Proteinen ist ein Weg, um die Ätiologie, Pathophysiologie, Diagnose und Behandlung bestimmter Krankheiten zu erforschen. Das menschliche Genom enthält etwa 3 Milliarden Basenpaare von DNA. Davon tragen nur etwa 30 Millionen Basenpaare von DNA die Informationen zur Proteinsynthese. Dieser Teil des Genoms wird Exom genannt. Das Exom ist in den Augen der Forscher wertvoll, da es die Quelle der Proteinsynthese ist. Mit der Entwicklung von Exom-Anreicherungsstrategien und Hochdurchsatz-Sequenzierung, Whole-Exom-Sequenzierung (WES) wird möglich. WES ist eine kostengünstigere Methode im Vergleich zu Whole-Genome-Sequenzierungund wurde in der evolutionären und medizinischen Forschung sowie in der klinischen Praxis angewendet.

Anwendung in der Evolutionsforschung

Das Genom ist eine Enzyklopädie, die uns die Geschichten erzählt, die im Laufe der Geschichte der Menschheit passiert sind. Die gesamte Exom-Sequenzierung könnte hilfreich sein, um das Rätsel der menschlichen Evolution zu lösen. Durch das Studium der Anthropologie könnte die Intervention bei einigen Krankheiten effizienter gestaltet werden. Nehmen wir das Beispiel des Speiseröhrenkarzinoms. In China haben Menschen aus zwei Regionen eine hohe Inzidenz von Speiseröhrenkarzinomen, rund um den Tai-Berg und im Chaoshan-Gebiet der Provinz Guangdong. Die Sprachen, Bräuche, Lebensstile, Nahrungsmittel und Klimata unterscheiden sich stark voneinander. Historische Studien deuten darauf hin, dass sie möglicherweise die gleichen Vorfahren teilen. Die gesamte Exom-Sequenzierung wurde angewendet, um eine Genexpressionskarte der Menschen aus diesen beiden Regionen zu erstellen.

Anwendung in der medizinischen Forschung

Ätiologieforschung. Es gibt viele unbehandelte Krankheiten mit unbekannter Ätiologie, die in der Klinik als idiopathische Krankheiten bezeichnet werden. Ohne die Ursachen zu kennen, können diese Krankheiten nur anhand von Symptomen diagnostiziert und behandelt werden, wie zum Beispiel primäre Hypertonie und primäre Amenorrhoe. Alles, was wir wissen, ist, dass diese Krankheiten nicht sekundär sind. Ärzte haben früher diese Krankheiten durch Überwachung der Vitalzeichen und Laboruntersuchungsergebnisse der Patienten untersucht. Mit der Entwicklung der Biotechnologie wurden dann physiologische Veränderungen auf Gewebe-, Zell- oder sogar molekularer Ebene festgestellt. Viele idiopathische Krankheiten haben sich als mit Funktionsstörungen oder Mangel bestimmter Proteine verbunden erwiesen. Für eine weitere Analyse der Ätiologie idiopathischer Krankheiten ermöglicht das gesamte Exom-Sequencing, die Herkunft der Proteinfunktionsstörung oder des Mangels zu ermitteln.

Ein Beispiel sind lysosomale Speicherkrankheiten. Diese Gruppe von Krankheiten ist definiert durch die unzureichende Funktion von Lysosomen, was zu Wachstumsverzögerungen, Taubheit oder Demenz führt. Lysosomen sind eine Art von Organellen, die bestimmte Substanzen innerhalb von Zellen abbauen. Wir wissen wenig über den Mechanismus lysosomaler Speicherkrankheiten. Heutzutage haben Forscher mehrere Gene gefunden, die mit dieser Gruppe von Krankheiten in Verbindung stehen, indem sie das gesamte Exom sequenziert haben. Durch das Wissen um die funktionierenden Gene können Untersuchungen wie Gene-Knockout-Experimente durchgeführt werden, um den Mechanismus dieser Gruppe von Krankheiten besser zu verstehen. Ein weiteres Beispiel sind Krebserkrankungen mit unbekannter Ätiologie. Durch die Analyse der Ätiologie von Krebs könnten Ärzte Präventionsstrategien entwickeln. Abbildung 1 zeigt eine typische Ätiologieforschung unter Verwendung von Whole Exome Sequencing.

Abbildung 1. Eine typische Forschung zu Brustkrebs unter Verwendung von Whole-Exome-Sequenzierung. (Kim u. a., 2015)

Epidemiologische Forschung. Die Risiken, bestimmte Krankheiten zu entwickeln, variieren von Person zu Person. Einige Krankheiten treten in bestimmten Gruppen von Menschen leichter auf. Die Vielfalt der Inzidenz ist auf Unterschiede in den sanitären Bedingungen, der Kultur und genetischen Faktoren zurückzuführen. Es ist einfach, die sanitären Bedingungen und die Kultur durch soziale Studien zu vergleichen. Aber es ist schwierig, die genetischen Faktoren zu untersuchen, da die Menge des Genoms zu groß ist. Aktuelle Psychiater profitieren stark von der gesamten Exomsequenzierung, da sie das oben genannte Problem löst.

Nehmen wir die Alzheimer-Krankheit als Beispiel. Die Alzheimer-Krankheit ist eine chronische degenerative Erkrankung, die zu Demenz führt. Symptome wie Gedächtnisverlust treten normalerweise bei älteren Menschen auf. Mit zunehmendem Alter werden die Symptome schwerwiegender. Es handelt sich um einen irreversiblen Prozess. Was wir tun können, ist eine frühzeitige Intervention. Allerdings können die Menschen oft nicht unterscheiden, ob ihr Großvater Verhaltensänderungen zeigt oder einfach nur schlecht gelaunt ist, es sei denn, sie sind geschult. Dies verhindert die frühzeitige Intervention. Es gibt ein Projekt namens Alzheimer Disease Sequencing Project, das bei mehr als 5.000 Patienten eine vollständige Exom-Sequenzierung durchführen wird, um die Gene zu identifizieren, die für die Alzheimer-Krankheit verantwortlich sind. Dies wird ein stark unterstützendes Material in der epidemiologischen Praxis sein, da die lokale Regierung spezifischere Präventionsprojekte basierend auf dem Genexpressionszustand der Einwohner entwickeln könnte.

Abbildung 2. Sequenzierungsprojekt zur Alzheimer-Krankheit.

Anwendung in der klinischen Praxis

Abbildung 3. Anwendungen der gesamten Exomsequenzierung in der Klinik.

Diagnose. Die Diagnose ist der wichtigste Prozess in der klinischen Praxis. Sie erfordert von den Ärzten, dass sie mit Symptomen, Zeichen, Laborindikatoren und bildgebenden Veränderungen bestimmter Krankheiten vertraut sind. Manchmal missversteht der Patient die Fragen der Ärzte, was dazu führt, dass er eine verwirrende Anamnese liefert. Dies kann vorkommen, wenn der Patient wenig gebildet, delirant oder ein Kleinkind ist, was wahrscheinlich zu Fehldiagnosen führen kann. Die gesamte Exomsequenzierung leistet in diesen Fällen große Beiträge. Ärzte könnten die gesamte Exomsequenzierung nutzen, um Diagnosen zu stellen und Fehldiagnosen zu vermeiden. Es gibt Hinweise darauf, dass die gesamte Exomsequenzierung in der Pädiatrie angewendet wurde, um neurologische Erkrankungen bei Neugeborenen und Kleinkindern zu diagnostizieren. Außerdem wird die gesamte Exomsequenzierung verwendet, um das Mosaik-variegierte Aneuploidie-Syndrom zu prognostizieren und zu diagnostizieren, indem die CEP57-Mutation nachgewiesen wird.

Behandlung. Die Behandlung einer bestimmten Krankheit funktioniert nicht immer, insbesondere bei Patienten mit systemischen Erkrankungen wie Bluthochdruck, Diabetes und Krebs. Nehmen wir Krebs als Beispiel. Zunächst wissen wir, dass Krebs aus dem unkontrollierten Wachstum von Zellen resultiert, aber wir wissen nicht, um welche spezifische Zellart es sich handelt. Daher verwenden wir Chemotherapie, Strahlentherapie oder Chirurgie, um das abnormale Gewebe, das wir Nidus nennen, zu eliminieren. Diese Behandlungen heilen die Patienten manchmal nicht, insbesondere in bösartigen Fällen. Außerdem können all diese Behandlungen sowohl normales Gewebe als auch abnormales Gewebe schädigen, was den Zustand der Patienten verschlechtern kann. Mit der Entwicklung der klinischen und grundlegenden Medizin vertieft sich das Verständnis der Pathophysiologie von Karzinomen. Wir kennen einige potenzielle Ziele von Krebserkrankungen, wie EGFR, mTOR und KEAP1. Die gezielte Therapie, die auf diese Loci abzielt, trifft die abnormalen Zellen präzise und schont die normalen Zellen. Sie maximiert die Wirkung der Behandlung und minimiert die Nebenwirkungen. Durch die gesamte Exom-Sequenzierung könnten wir die Klassifikation des Tumors bestimmen, um eine personalisierte gezielte Therapie zu entwickeln.

Prävention. Es ist effektiver, vorzubeugen als zu behandeln. Allerdings zeigen nicht alle Krankheiten ein klares frühes Symptom. Die gesamte Exomsequenzierung liefert das Genprofil einer Person. Mit diesem Genprofil könnte man seine oder ihre Risikofaktoren für bestimmte Krankheiten kennen, sodass man frühzeitig vorbeugen kann. Zum Beispiel könnte eine Frau, die weiß, dass sie Mutationen in DYNC2H1 und ALOX15 hat, die als Risikofaktoren für wiederholte frühe Schwangerschaftsverluste bekannt sind, sich an ihren Frauenarzt wenden, bevor sie plant, ein Baby zu bekommen.

Zusätzliche Lektüre:

Prinzipien und Arbeitsablauf des gesamten Exom-Sequenzierens

Bioinformatik-Workflow der gesamten Exom-Sequenzierung

Referenzen:

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