Next-Generation-Sequencing (NGS) Technologien: Fortschritte bei der Fusion-Gen-Detektion und gezielter Therapie

Fusionsgen

Fusionsgene (FGs), die aus der strukturellen Umordnung genetischen Materials resultieren, spielen eine entscheidende Rolle als onkogene Treiber in verschiedenen soliden Tumoren bei Erwachsenen und Kindern. Sie haben sich als wichtige molekulare Marker für die Tumordiagnose, -behandlung und prognostische Bewertung etabliert.

Genfusion. (Mertens et al., 2015)

Die Erkennung von Fusionsgenen (FGs) ist von großer Bedeutung für das Verständnis der molekularen Landschaft solider Tumoren. FGs entstehen durch die Fusion genetischen Materials und spielen eine entscheidende Rolle als onkogene Treiber sowohl bei Erwachsenen als auch bei pädiatrischen Patienten. Sie haben sich als wichtige molekulare Marker für die Tumordiagnose, Behandlung und prognostische Bewertung etabliert. Traditionelle Methoden zur Erkennung von Fusionsgenen, wie die reversen Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) und die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH), weisen jedoch Einschränkungen bei der Erkennung unbekannter Bruchstellen und komplexer struktureller Varianten auf.

Next-Generation Sequencing (NGS) und Fusion-Gen-Detektion

NGS-Technologien haben die Entdeckung von Fusionsgenen revolutioniert, indem sie eine Hochdurchsatzanalyse von Genfusionen ermöglichen. NGS bietet mehrere Vorteile bei der Entdeckung von Fusionsgenen, indem es einen umfassenden Überblick über die genetische Landschaft bietet. Es gibt jedoch Herausforderungen und Einschränkungen, die angegangen werden müssen. Die Abdeckung intronischer Regionen bleibt eine Herausforderung, da diese Bereiche kritische Bruchstellen enthalten können. Darüber hinaus stellen die Sensitivität von NGS zur Erkennung von Fusionsgenen mit niedriger Frequenz und die Bewertung der Gewichtung des Einflusses unterschiedlich exprimierter RNAs weitere Schwierigkeiten dar.

Strategien zur Überwindung dieser Herausforderungen werden aktiv verfolgt. Verbesserte Protokolle zur Bibliotheksvorbereitung, Sequenzierungstiefe und bioinformatische Algorithmen werden entwickelt, um die Abdeckung intronischer Regionen und die Nachweisempfindlichkeit zu erhöhen. Die Integration zusätzlicher genomischer und transkriptomischer Daten kann helfen, Fusionsereignisse genau zu identifizieren und zu interpretieren. Diese Fortschritte ebnen den Weg für eine umfassende Analyse von Fusionsgenen.

Anwendungen von NGS bei der Erkennung von Fusionsgenen

Fusion-Gen-Netzwerkanalyse

NGS-Daten können verwendet werden, um Fusionsgen-Netzwerke zu erstellen, die Einblicke in die funktionalen Beziehungen zwischen Fusionsgenen und anderen Genen innerhalb zellulärer Signalwege oder Netzwerke bieten. Durch die Integration von Genexpressionsdaten, Protein-Protein-Interaktionsnetzwerken und funktionalen Annotationsdatenbanken, NGS-basierte Analyse von Fusionsgen-Netzwerken kann das komplexe Zusammenspiel zwischen Fusionsgenen und nachgeschalteten Signalwegen entwirren, was zu einem tieferen Verständnis der Tumorbiologie beiträgt.

Langzeit-Sequenzierung zur Erkennung struktureller Variationen

Während Plattformen für Kurzlese-NGS häufig zur Erkennung von Fusionsgenen verwendet werden, kommen Technologien für Langlesesequenzierung, wie Pacific Biosciences (PacBio) und Oxford Nanopore, bieten verbesserte Möglichkeiten zur Erkennung komplexer struktureller Variationen, einschließlich Fusionsgene. Die Langzeit-Sequenzierung ermöglicht die Identifizierung großer genomischer Umstellungen, neuer Fusions-Breakpoints in repetitiven Regionen und Fusionsereignisse, die mehrere Gene oder entfernte genomische Loci betreffen. Diese Technologie bietet einen umfassenderen Überblick über die Landschaft der Fusionsgene, insbesondere in Fällen, in denen die konventionelle Kurzzeit-Sequenzierung bestimmte strukturelle Variationen möglicherweise übersieht.

Lesen Sie unseren Artikel Long-Read-Sequenzierungsdatenanalyse-Service: Fortschritt in der genomischen Forschung mit CD Genomics für weitere Informationen.

Dynamik der Fusion-Genexpression

NGS-basierte Techniken, wie zum Beispiel RNA-Sequenzierung (RNA-seq)kann die dynamischen Ausdrucksmuster von Fusionsgenen über verschiedene Stadien der Tumorentwicklung oder als Reaktion auf therapeutische Interventionen erfassen. Zeitliche RNA-seq-Daten können die zeitlichen Dynamiken des Fusionsgen-Ausdrucks aufzeigen und Licht auf ihre Rollen bei der Tumorprogression, der Behandlungsresistenz und dem Krankheitsrückfall werfen. Darüber hinaus kann die Einzelzell-RNA-seq (scRNA-seq) Einblicke in die Heterogenität des Fusionsgen-Ausdrucks innerhalb einzelner Tumorzellen bieten, was die Identifizierung seltener Zellpopulationen und potenzieller therapeutischer Ziele ermöglicht.

Erkennung von Genfusionen durch Next-Generation Sequencing. (Beadling et al., 2016)

Integration von Multi-Omics-Daten

NGS-Daten können mit anderen Hochdurchsatz-Omics-Daten, wie z.B. DNA-Methylierungsprofilen, integriert werden. Chromatin-Zugänglichkeitstests (ATAC-seq)und Proteomikdaten, um die epigenetischen und post-transkriptionalen Regulationsmechanismen zu entschlüsseln, die mit der Expression von Fusionsgenen verbunden sind. Die integrative Analyse von Multi-Omics-Daten kann die regulatorischen Elemente, Transkriptionsfaktoren und Chromatinzustände aufdecken, die die Bildung von Fusionsgenen und deren funktionale Konsequenzen beeinflussen, was zu einem umfassenderen Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen führt.

Validierung von Fusionsgenen und funktionalen Studien

NGS-Daten können das Design und die Validierung von Fusionsgenereignissen durch gezielte Ansätze wie die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) leiten. Sanger-Sequenzierungoder digitale Tropfen-PCR. Funktionale Studien, wie Zelllinienmodelle, Organoide oder Xenotransplantationsmodelle, können eingesetzt werden, um die funktionalen Auswirkungen von Fusionsgenen auf zelluläre Prozesse, Arzneimittelempfindlichkeit und therapeutische Resistenz zu untersuchen. NGS kann die ersten Hinweise auf die Erkennung von Fusionsgenen liefern, gefolgt von umfassender Validierung und funktionaler Charakterisierung, um ihre Rolle in der Krankheitsbiologie zu erhellen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Sanger-Sequenzierung: Einführung, Arbeitsablauf und Anwendungen.

Gezielte Therapien und Fusionsgene

Therapeutische Implikationen von Fusionsgenen bei soliden Tumoren

Fusionsgene sind oft mit bestimmten Tumorarten verbunden und können als therapeutische Ziele dienen. Das Verständnis der funktionalen Konsequenzen von Fusionsgenen ermöglicht die Entwicklung gezielter Therapien, die diese spezifischen Schwächen in Krebszellen ausnutzen.

Überblick über gezielte Therapien für durch Fusionsgene bedingte Krebserkrankungen

Zahlreiche gezielte Therapien wurden entwickelt, um spezifisch auf durch Fusionsgene verursachte Krebserkrankungen einzugehen. Zu diesen Therapien gehören kleine Molekülinhibitoren, monoklonale Antikörper und immunbasierte Ansätze. Sie haben vielversprechende Ergebnisse in klinischen Studien gezeigt und bieten neue Möglichkeiten für personalisierte Behandlungsstrategien.

Herausforderungen und zukünftige Perspektiven von Fusion-Gen-zielgerichteten Therapien

Trotz der Erfolge bleiben Herausforderungen bei der Entwicklung und Implementierung von gezielten Therapien gegen Fusionsgene bestehen. Die Überwindung von Problemen wie erworbener Resistenz und die Identifizierung optimaler Kombinationstherapien sind Bereiche aktiver Forschung. Zukünftige Perspektiven umfassen die Integration von Multi-Omics-Daten und die Entwicklung neuartiger therapeutischer Ansätze zur Verbesserung der Patientenergebnisse.

Zukünftige Richtungen und aufkommende Technologien

Innovationen bei NGS-basierten Methoden zur Erkennung von Fusionsgenen

Das Gebiet der Fusion-Gen-Detektion entwickelt sich weiterhin mit laufenden Innovationen in den NGS-Technologien. Verbesserte Bibliotheksvorbereitungstechniken, Fortschritte in den Sequenzierungstechnologien und neuartige bioinformatische Ansätze werden entwickelt, um bestehende Einschränkungen zu überwinden. Diese Innovationen zielen darauf ab, die Sensitivität, Genauigkeit und Effizienz der Fusion-Gen-Detektion zu verbessern, um ein umfassenderes Verständnis der Tumorbiologie zu ermöglichen.

Integration von Multi-Omics-Daten für eine umfassende Analyse von Fusionsgenen

Die Integration von Multi-Omics-Daten, einschließlich genomischer, transkriptomischer und epigenomischer Profile, birgt großes Potenzial für eine umfassende Analyse von Fusionsgenen. Integrative Ansätze können einen ganzheitlichen Überblick über die Landschaft der Fusionsgene bieten, komplexe regulatorische Netzwerke aufschlüsseln und potenzielle therapeutische Ziele über die Genfusionen hinaus identifizieren. Solche umfassenden Analysen haben das Potenzial, Strategien der Präzisionsmedizin zu leiten und die Ergebnisse für die Patienten zu verbessern.

Potenzielle Auswirkungen der Fusion-Gen-Detektion auf die Präzisionsmedizin

Die Fortschritte bei der Erkennung von Fusionsgenen, kombiniert mit gezielten Therapien, haben das Potenzial, die Präzisionsmedizin zu revolutionieren. Fusionsgene können als prädiktive Biomarker für die Therapieansprache dienen und die Auswahl gezielter Therapien leiten. Darüber hinaus könnte die laufende Forschung zu den funktionalen Konsequenzen von Fusionsgenen neue therapeutische Verwundbarkeiten und Kombinationstherapiestrategien aufdecken. Ansätze der Präzisionsmedizin, die auf der Erkennung von Fusionsgenen basieren, können zu maßgeschneiderteren und effektiveren Therapien für Krebspatienten führen.

Referenzen:

1. Mertens, Fredrik, et al. "Die aufkommende Komplexität von Genfusionen bei Krebs." Nature Reviews Krebs 15.6 (2015): 371-381.
2. Beadling, Carol, et al. "Ein multiplexes Amplicon-Verfahren zur Erkennung von Genfusionen durch Next-Generation-Sequencing." Das Journal für molekulare Diagnostik 18.2 (2016): 165-175.