Используя новую, быструю и менее дорогую стратегию секвенирования ДНК, ученые обнаружили генетические изменения, которые составляют большинство случаев синдрома Кабуки, редкого заболевания, которое вызывает множественные врожденные дефекты и умственную отсталость. Вместо секвенирования всего генома человека новый подход позволяет секвенировать только экзом, 1-2 процента генома человека, который содержит гены, кодирующие белок.
Синдром Кабуки, который, по оценкам, встречается у 1 из 32000 новорожденных, был впервые описан японскими учеными в 1981 году. Пациенты с этим расстройством часто имеют отчетливые черты лица, напоминающие макияж актеров японского театра Кабуки.
Работа, опубликованная в сегодняшнем расширенном онлайн-издании Nature Genetics, была проведена учеными из Вашингтонского университета в Сиэтле в рамках более масштабных усилий по использованию технологий секвенирования ДНК «второго поколения» новыми способами для выявления генов редких заболеваний. Финансирование проекта составляет $ 3.Грант в размере 9 миллионов долларов США по Закону о восстановлении и реинвестировании от Национального института исследования генома человека (NHGRI), входящего в состав Национальных институтов здравоохранения.
"Из этой работы ясно, что новые технологии секвенирования ДНК – мощные и эффективные инструменты, которые ученые могут использовать для ускорения открытия генов, участвующих в редких заболеваниях, что раньше было медленным и дорогостоящим," сказал директор NHGRI Эрик Д. Зеленая, M.D., Ph.D. "Возможность быстрого выявления генных мутаций, вызывающих более 6000 редких заболеваний, является важным шагом вперед для исследователей, которые пытаются понять биологию этих состояний и тем самым улучшить стратегии ухода за пациентами, которых они затрагивают."
Исследователи Вашингтонского университета секвенировали экзомы 10 неродственных людей с синдромом Кабуки. Исходя из предположения, что синдром Кабуки вызван изменениями только в одном гене, исследователи сравнили экзомы 10 пациентов с последовательностью генома человека, чтобы найти различия, общие для затронутых людей. Первоначально исследователи не выявили ни одного.
Затем исследователи проверили гипотезу о том, что синдром Кабуки более генетически неоднороден, чем предполагалось изначально, и что несколько генов потенциально могут вызывать это расстройство. В поисках новых вариантов в генах, которые были общими для подмножеств экзомов 10 пациентов, они обнаружили новые совпадающие варианты, которые были общими в трех генах в девяти экзомах пациента, были общими в шести генах по крайней мере в восьми экзомах и были общими в трех генах. 16 генов среди семи экзомов.
Не имея очевидного способа ранжировать эти гены-кандидаты, исследователи классифицировали каждый случай Кабуки на основе субъективной оценки того, насколько хорошо пациент соответствовал характеристикам синдрома Кабуки. Они также искали, в частности, варианты в генах, которые приводили к потере функции. Комбинированный анализ указал на ген MLL2.
Исследователи обнаружили новые варианты, которые приводят к потере функции гена MLL2 в четырех случаях с наивысшим рейтингом, а в трех из оставшихся шести случаев. Варианты были бессмыслицей и мутациями сдвига рамки считывания. Нонсенс-мутация заменила один нуклеотид (молекулу, которая соединяется с образованием ДНК) в коде гена, в то время как мутация сдвига рамки считывания привела к делеции четырех нуклеотидов в гене.
В этих случаях каждая бессмысленная мутация и мутация сдвига рамки считывания приводили к продукции укороченного нефункционального белка. Ген MLL2 обычно кодирует белок, важный для регуляции хроматина, белок, который помогает упаковать ДНК в компактную форму и позволяет хромосоме вписаться в ядро клетки. Изменения в структуре хроматина связаны с репликацией ДНК и включением или выключением генов.
Как только исследователи заподозрили ген MLL2, последующее секвенирование с использованием традиционного и высокоточного метода секвенирования ДНК Сэнгера, более способного надежно выявлять сдвиги рамки считывания, было использовано для выявления дополнительных вариантов гена с потерей функции MLL2, что привело к потере функция в двух из трех оставшихся случаев. В конечном итоге исследователям удалось обнаружить мутации MLL2 в экзомах девяти из 10 пациентов.
Затем результаты были подтверждены с помощью секвенирования по Сэнгеру в 43 дополнительных случаях синдрома Кабуки. Новые варианты MLL2 были обнаружены в 26 из 43 случаев. В итоге 33 различных мутации MLL2 были обнаружены у 35 из 53, или 66 процентов, пациентов с синдромом Кабуки. Исследователи также обнаружили, что в каждом из 12 случаев, для которых была доступна ДНК от обоих родителей, варианты MLL2 отражали новые мутации в геноме затронутого человека и не присутствовали в геномах любого из родителей.
"Наши результаты убедительно свидетельствуют о том, что изменения в гене MLL2 являются основной причиной синдрома Кабуки," сказал соавтор Jay Shendure, M.D., Ph.D., доцент кафедры генома Медицинской школы Вашингтонского университета.
"Понятно, что могут быть дополнительные гены, варианты которых вызывают синдром Кабуки, поскольку примерно в одной трети случаев мутации MLL2 не обнаруживаются," сказал соавтор Майкл Бамшад, М.D., профессор педиатрии Медицинской школы Вашингтонского университета. "Чтобы найти их, будет важно секвенировать экзомы дополнительных, хорошо изученных случаев синдрома Кабуки, в которых мы не находим мутации MLL2."