Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-6434
Authors: Diederich, Stefan
Title: Hochdurchsatz-DNS-Sequenzierung revolutioniert die genetische Diagnostik und Krankenversorgung
Online publication date: 17-Nov-2021
Language: german
Abstract: Nach der Aufklärung der Grundstruktur des menschlichen Genoms durch das Humangenomprojekt rückte die Inventarisierung pathogener Sequenzvarianten in den Mittelpunkt der Genomforschung. Bis heute konnte erst ein winziger Teil der klinisch und funktionell relevanten Genomveränderungen identifiziert werden. Die sichere Unterscheidung pathogener und funktionell neutraler Veränderungen im menschlichen Genom ist jedoch ein noch weitgehend ungelöstes Problem. Genetisch bedingte Krankheiten, allen voran psychomotorische Entwicklungsstörungen, sind oft außerordentlich heterogen, und bei vielen Patienten kommen Hunderte verschiedener Gendefekte als Krankheitsursache infrage, die sich klinisch nicht eindeutig gegeneinander abgrenzen lassen. Die Einführung der "Next Generation Sequencing"-Technologie (NGS), die eine gleichzeitige Untersuchung vieler infrage kommender Krankheitsgene erlaubt, hat die medizinische Genetik im vergangenen Jahrzehnt auf eine neue, viel breitere Basis gestellt und die genetische Diagnostik sowie die Krankenversorgung entscheidend verbessert und beschleunigt. Waren die ersten NGS-Geräte in der Lage, einige Dutzend ausgewählte Gene gleichzeitig zu sequenzieren, so ermöglichte die Kapazitätssteigerung dieser Geräte bald die Sequenzierung aller proteinkodierenden Bereiche (Whole Exome Sequencing, WES) des menschlichen Genoms bis hin zur gesamtgenomischen Sequenzierung (Whole Genome Sequencing, WGS). Aufgrund dieser Entwicklungen ist die NGS für die weltweit an akademischen Zentren konzentrierte genommedizinische Krankenversorgung und Forschung unverzichtbar geworden. Bei dieser Dissertation steht die bioinformatische Verarbeitung und Interpretation der durch NGS erzeugten Sequenzdaten im Mittelpunkt, von der Assemblierung meist kurzer Sequenzfragmente zu Genen oder gar ganzen Genomen über den Aufbau einer bioinformatischen Pipeline zur Analyse und Filterung von Sequenzdaten und schließlich zur Identikation pathogenetisch relevanter Sequenzvarianten sowie deren Abgleich mit der Literatur. Am Mainzer Institut für Humangenetik der Universitätsmedizin konnten erste Erfahrungen mit einem krankheitsgruppenspezifischen Genpanel (MPIMG1-Test) gewonnen werden. Mit der Entwicklung der WES und WGS stiegen die diagnostischen Möglichkeiten, aber auch die Ansprüche an die NGS-gestützte Diagnostik und die bioinformatische Analyse. Dies erforderte eine stetige Verbesserung der hausinternen bioinformatischen Pipeline und den Aufbau einer benutzerfreundlichen graphischen Oberfläche zur Interpretation der Ergebnisse. Zudem stellte sich in den letzten Jahren heraus, dass den Veränderungen in nicht kodierenden Bereichen des Genoms eine große Rolle als Krankheitsursache zuzuteilen ist. Zur Aufspürung solcher Varianten wurde in dieser Arbeit ein Panel für regulatorische Bereiche (RegVar-Panel) entworfen, mit dem Ziel, die noch weitgehend unbekannten Varianten in solchen regulatorischen Bereichen zu identifizieren und deren Pathogenität abzuschätzen. Die Entwicklung der bioinformatischen Pipeline sowie die Einführung des MPIMG1-Tests zur Ergänzung der konventionellen Stufendiagnostik hatte bei Patienten mit psychomotorischen Entwicklungsstörungen einen hochsignifikanten Anstieg der Aufklärungsrate um 26% zur Folge. Nach der Ablösung des MPIMG1-Tests durch die Exomsequenzierung konnte diese Aufklärungsrate nochmals um 6% erhöht werden. Somit ist es möglich mit Hilfe dieser erweiterten Stufendiagnostik bei insgesamt 51% der Patienten eine Diagnose zu stellen. Die Anwendung des RegVar-Panels leistete keinen Beitrag zur Diagnose der untersuchten Patienten. Luziferase Assays für eine im RegVar-Panel detektierte Variante widerlegten deren in silico vorhergesagte Interaktionsveränderung mit verschiedenen mikro-RNAs. Im Gegensatz zur WES erlaubt die WGS die Erkennung nahezu aller Veränderungen im Erbgut. Dadurch muss diese Untersuchung nur einmal im Leben erfolgen und eignet sich hervorragend als diagnostischer Eingangstest für Patienten mit Verdacht auf eine genetisch bedingte Erkrankung, wie durch eine in dieser Arbeit vorgestellte Fallstudie belegt und anschließend diskutiert. Der Ausblick dieser Dissertation befasst sich unter anderem mit jüngsten Entwicklungen, die auf eine Einführung der WGS in die genetische Regelversorgung in Deutschland abzielen, und geht auch auf neue Sequenzierungstechniken ein, die eine de novo-Sequenzierung menschlicher Genome erlauben werden, ohne dabei auf Referenzgenome angewiesen zu sein. Diese Techniken erzeugen sehr lange zusammenhängende Sequenzfragmente, mit denen es möglich sein wird, auch die letzten Lücken im menschlichen Genom zu schließen und alle Sequenzvarianten zu erfassen, selbst in hochrepetitiven Genomabschnitten.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
570 Biowissenschaften
570 Life sciences
610 Medizin
610 Medical sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 10 Biologie
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-6434
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 201 Seiten, Diagramme
Appears in collections:JGU-Publikationen

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
diederich_stefan-hochdurchsatz--20211102195230579.pdf8.93 MBAdobe PDFView/Open