Applications du séquençage du génome entier à basse fréquence dans la cytogénétique clinique

la cytogénétique clinique est un sujet qui étudie les anomalies structurelles et fonctionnelles des chromosomes et leurs effets sur la santé humaine. Les méthodes traditionnelles d'analyse chromosomique, telles que l'analyse de caryotype de routine et l'hybridation in situ par fluorescence (FISH), sont encore efficaces dans certains cas, mais elles présentent des limitations, telles qu'une faible résolution et une portée de détection limitée. Avec le développement de la technologie génomique, séquençage du génome entier (SGE) et séquençage du génome entier à faible passage (LP-WGS) sont devenus progressivement des outils importants en cytogénétique clinique.

Introduction à la LP-WGS en cytogénétique clinique

L'application du LP-WGS en cytogénétique clinique implique principalement son potentiel à évaluer la contribution des variations génétiques à faible fréquence et communes aux phénotypes quantitatifs liés aux maladies humaines. Grâce à un séquençage à faible profondeur couvrant l'ensemble du génome, cette technologie peut identifier les variations génétiques qui affectent l'expression des gènes et le phénotype des biomarqueurs, fournissant ainsi des informations importantes pour le diagnostic et le traitement des maladies. Le LP-WGS peut identifier efficacement les variations génétiques qui influencent l'expression des gènes et le phénotype des biomarqueurs, offrant une nouvelle perspective pour comprendre la base génétique des maladies complexes. Il revêt une grande importance dans l'évaluation du risque des porteurs de mutations rares à un seul gène, ce qui aide à estimer plus précisément le risque de maladie des individus et à guider la prise de décision clinique.

Avec l'amélioration continue de la technologie et la réduction des coûts, le séquençage génomique à faible profondeur (LP-WGS) devrait jouer un rôle de plus en plus important en cytogénétique clinique. Par exemple, certains chercheurs ont vérifié l'efficacité du LP-WGS dans le diagnostic prénatal et estiment qu'il a de larges perspectives d'application à l'avenir. Le contexte d'application de la technologie LP-WGS en cytogénétique clinique se reflète principalement dans sa haute résolution, son faible coût et sa large applicabilité clinique. Ces caractéristiques en font un complément efficace aux méthodes traditionnelles d'analyse chromosomique et fournissent de nouveaux outils et méthodes pour la recherche en génomique et le diagnostic clinique.

Aperçu de la cytogénétique clinique et du séquençage génomique à large échelle (LP-WGS)

La cytogénétique clinique joue un rôle essentiel dans la médecine moderne, en particulier dans le diagnostic et le traitement des maladies héréditaires, du cancer et d'autres maladies complexes. Ses principales fonctions comprennent les parties suivantes.

Diagnostic de maladieLa cytogénétique clinique peut diagnostiquer de nombreuses maladies héréditaires en détectant des anomalies chromosomiques et des variations du nombre de copies (VNC). Par exemple, l'analyse par microarray chromosomique (CMA) et le séquençage génomique complet (WGS) sont devenus des méthodes courantes pour diagnostiquer des maladies inexpliquées telles que le retard de développement, la déficience intellectuelle et les troubles du spectre autistique. Dans le cadre du diagnostic prénatal, le LP-WGS a prouvé son efficacité en tant qu'outil pour détecter les anomalies chromosomiques fœtales, telles que la tétralogie de Fallot simple.

Exemples de CNV détectés par LP-WGS (Mazzonetto et al., 2024)

Classification et gestion des maladiesEn identifiant des variantes génétiques spécifiques et des CNV, la cytogénétique clinique aide à classer les maladies de manière plus précise, guidant ainsi le choix des schémas de traitement. Par exemple, le séquençage génomique à faible couverture s'est avéré être un outil de diagnostic efficace chez les patients présentant des troubles neurodéveloppementaux et des anomalies congénitales. Dans la recherche sur le cancer, la détection des CNV est très importante pour comprendre le contexte génétique des tumeurs et choisir des stratégies de traitement appropriées.

Conseil génétique et soutienLa cytogénétique clinique ne fournit pas seulement des informations diagnostiques, mais offre également un conseil génétique aux patients et à leurs familles pour les aider à comprendre les risques génétiques et les éventuels schémas génétiques des maladies. En interprétant les résultats des tests, la cytogénétique clinique aide les patients et leurs familles à prendre des décisions médicales éclairées et à fournir un soutien psychosocial continu.

LP-WGS joue un rôle important dans la détection des anomalies chromosomiques et des CNV. D'une part, en analysant la couverture des lectures de séquençage, nous pouvons détecter les anomalies de nombre et de structure chromosomiques au niveau du génome entier, et nous pouvons trouver des anomalies minuscules et cachées. D'autre part, il peut détecter les CNV du génome entier sans biais, analyser de manière précise et quantitative le degré de changement du nombre de copies, et également effectuer une annotation fonctionnelle et une analyse combinées avec le phénotype clinique pour déterminer la relation entre les CNV et les maladies, ce qui fournit une base importante pour le diagnostic des maladies, le conseil génétique et les soins médicaux personnalisés.

Haute sensibilité et spécificitéLa technologie LP-WGS peut détecter de petites CNV qui ne peuvent pas être trouvées par l'analyse caryotypique traditionnelle. Par exemple, des études ont montré que le séquençage génomique à faible couverture présente des avantages évidents dans la détection de petites CNV, ce qui peut compenser le manque de résolution de l'analyse caryotypique. Dans le diagnostic prénatal, le taux de détection des CNV détectés par LP-WGS était de 18,85 %, dont les CNV pathogènes représentaient 91,89 %. Cela montre que le LP-WGS a une haute sensibilité et spécificité dans la détection des CNV pathogènes.

Large éventail d'applicationsLa technologie LP-WGS n'est pas seulement adaptée à la détection des anomalies chromosomiques fœtales, mais est également largement utilisée dans des scénarios cliniques tels que l'avortement spontané et l'avortement récurrent. Par exemple, dans les tissus d'avortement spontané, le taux de détection des CNV détectés par la technique de séquençage à haut débit (y compris LP-WGS) était de 42,92 %. Dans le diagnostic prénatal de fœtus à haut risque, l'association de LP-WGS avec l'analyse du caryotype peut améliorer le taux de détection des chromosomes anormaux, ce qui revêt une grande importance pour le diagnostic prénatal.

Application combinée avec d'autres technologiesLe LP-WGS est souvent combiné avec l'analyse du caryotype chromosomique et l'analyse par microarray chromosomique (CMA) pour améliorer la précision et l'exhaustivité de la détection. Par exemple, la combinaison du séquençage du génome entier à faible couverture et de l'analyse du caryotype peut détecter davantage de CNV minuscules et améliorer la précision du diagnostic prénatal. Dans certaines études, la combinaison du LP-WGS et de l'analyse par microarray chromosomique peut détecter plus efficacement les anomalies chromosomiques fœtales, en particulier dans la détection de CNV minuscules.

Résultats de caryotypage et de séquençage génomique à large échelle (LP-WGS) du cas (Zhang et al., 2022)

Le rôle du LP-WGS dans la détection des anomalies chromosomiques et des variations du nombre de copies se reflète principalement dans sa haute sensibilité, son large éventail d'applications, son utilisation conjointe avec d'autres technologies, sa valeur d'application clinique significative et ses avantages techniques. Ces caractéristiques en font un outil indispensable dans la recherche génétique moderne et le diagnostic clinique.

Applications de la LP-WGS en cytogénétique clinique

LP-WGS est une technologie visant à réduire les coûts et les exigences computationnelles en diminuant la profondeur de séquençage, tout en détectant les anomalies chromosomiques et les CNV. Voici ses méthodes d'application spécifiques et ses principes :

Principe technique

• Couverture : LP-WGS utilise généralement une faible couverture (comme 1× ou 2×), ce qui signifie que chaque base est séquencée une ou deux fois en moyenne. Cette faible couverture peut réduire considérablement le coût du séquençage, mais elle peut tout de même détecter de grands CNV et certains types de variations structurelles (SV).
• Traitement des données : Les données de séquençage sont traitées par des outils de bioinformatique, y compris la comparaison de segments de lecture, la normalisation et le regroupement. Les outils couramment utilisés incluent CNVKit, GATK, etc. Ces outils peuvent identifier les variations du nombre de copies et d'autres types de variations génétiques.

Analyse des CNV par LP-WGS à l'aide du logiciel CNVkit (Olivier et al., 2024)

Méthode de détection

• Remplacement de la puce SNP : le séquençage du génome entier par la méthode LP-WGS peut être utilisé comme une technologie alternative à l'array chromosomique (CMA) pour détecter les variations du nombre de copies. Cette méthode présente des avantages en termes de coût et de temps.
• Standard de référence : En comparant avec les données d'array SNP connues, vérifiez les résultats de détection du LP-WGS. Par exemple, dans le diagnostic des tumeurs hématologiques, le LP-WGS est fortement cohérent avec les résultats de détection des données d'array SNP.

Application clinique

• Diagnostic prénatal : Le séquençage LP-WGS peut être utilisé pour le diagnostic prénatal et détecter des anomalies chromosomiques et des CNV chez le fœtus. Par exemple, dans une étude de l'Hôpital de la Santé Maternelle et Infantile du Hubei, 24 fœtus présentant une tétralogie de Fallot simple ont été détectés par séquençage génomique à faible couverture, et 5 cas ont révélé des CNV.
• Diagnostic du cancer : Dans le diagnostic du cancer, le LP-WGS peut détecter des CNV dans les cellules tumorales, fournissant des informations importantes pour la détection précoce et le traitement. Par exemple, chez les patients atteints de cancer de la vessie, les CNV détectés par le LP-WGS sont fortement corrélés avec les manifestations cliniques.

CNVs dans le sédiment urinaire des tumeurs de la vessie (Cai et al., 2021)

• Diagnostic des maladies rares : le séquençage génomique à faible profondeur (LP-WGS) montre également un potentiel dans le diagnostic des maladies rares. Par exemple, les CNV détectés par le LP-WGS peuvent être utilisés pour diagnostiquer certaines maladies génétiques complexes.

Études de cas

L'application de la LP-WGS en clinique a été largement vérifiée, notamment dans le dépistage génétique préimplantatoire (PGT-A) et le diagnostic génétique préimplantatoire (PGT-G). Selon le rapport de recherche publié le 1er janvier 2024, huit lignées cellulaires Coriell courantes ont été utilisées pour dépister l'aneuploïdie chromosomique du PGT-A, couvrant les types courants d'anomalies chromosomiques dans le PGT-A, y compris les types chromosomiques normaux, les anomalies autosomiques et les anomalies des chromosomes sexuels. Les résultats ont montré que l'amplification réussie et la précision étaient supérieures à 99,9 % grâce à la LP-WGA et au séquençage à faible grossissement (LM-WGS).

Dans PGT-G, l'équipe de recherche a développé le protocole de laboratoire méthode LP-WGA. Comparée à l'ADN génomique, la qualité de l'ADN produit par LP-WGA est médiocre, mais la sensibilité et la spécificité sont équivalentes. Comparé aux données de référence de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST), la précision totale et la spécificité de LP-WGA au niveau du génome ont atteint 99,99 %. De plus, la précision de la biopsie embryonnaire a également été vérifiée, et la précision et la spécificité globales étaient respectivement de 96,6 %, 99,6 %, 99,8 % et 98,1 %.

Résultats de validation du LP-WGS (Xia et al., 2024)

L'effet de l'application de la LP-WGS en cytogénétique clinique est remarquable, notamment dans l'analyse des cellules uniques et la recherche sur le cancer. Le développement de la technologie des microfluidiques numériques offre une nouvelle solution pour l'analyse des cellules uniques. La plateforme de traitement des cellules uniques entièrement automatique basée sur les microfluidiques numériques peut réaliser une séparation efficace, rapide et non destructive des cellules uniques, et présente une bonne universalité, robustesse et biocompatibilité. La plateforme peut permettre une préparation rapide, automatique et entièrement intégrée des échantillons d'amplification et de séquençage du génome à l'échelle des cellules uniques, et résoudre le problème de la couverture de séquençage à haut débit insuffisante causée par le biais d'amplification dans les méthodes traditionnelles.

Dans la recherche sur le cancer, les études d'association à l'échelle du génome (GWAS) sont largement utilisées pour identifier les variations génétiques liées aux maladies. Par exemple, des études ont révélé le rôle régulateur du gène HOXB13 dans le cancer de la prostate. En séquençant l'ensemble des exons des patients atteints de cancer de la prostate, les chercheurs ont identifié les sites de mutations à risque liés au gène HOXB13 et évalué les différences d'expression des différents allèles par l'algorithme ECL et l'analyse eQTL. Ces études fournissent des indices importants pour comprendre la fonction des sites de mutations à risque de cancer.

L'application de la LP-WGS en cytogénétique clinique améliore non seulement l'exactitude et la fiabilité de la détection, mais fournit également un nouveau moyen technique pour l'analyse des cellules uniques et la recherche sur le cancer. Ces avancées offrent une base scientifique importante et un soutien technique pour le diagnostic et le traitement clinique.

Avantages et défis

LP-WGS présente de nombreux avantages en clinique. Il peut détecter simultanément le nombre de chromosomes et les anomalies structurelles à l'échelle du génome, et est plus sensible aux anomalies petites ou chimériques. Il peut également détecter des CNV à l'échelle du génome sans biais, identifier de nouveaux CNV inconnus, quantifier avec précision les CNV en calculant avec précision la profondeur et la couverture des lectures de séquençage, et effectuer une annotation fonctionnelle et une analyse en combinaison avec des phénotypes cliniques pour déterminer la relation entre les CNV et les maladies, afin de diagnostiquer, classifier et évaluer les maladies.

Les avantages de la LP-WGS

• Haute couverture et haute précision : le LP-WGS peut atteindre une haute couverture grâce à une faible profondeur de séquençage (généralement 10x ou moins) et peut détecter la plupart des mutations courantes ainsi que certaines mutations rares. Cette haute couverture et cette haute précision lui confèrent des avantages évidents dans le diagnostic clinique, en particulier dans le diagnostic des maladies génétiques complexes.
• Diagnostic rapide : Le séquençage et l'analyse des données par LP-WGS peuvent être réalisés en peu de temps, ce qui est particulièrement important dans les situations cliniques nécessitant un diagnostic rapide. Par exemple, dans le diagnostic du syndrome de Phelan-McDermid, le séquençage du génome entier à faible couverture peut rapidement identifier de nouvelles régions manquantes et fournir des suggestions de diagnostic et de traitement en temps opportun pour les patients.
• Applicabilité large : le LP-WGS est adapté à de nombreux types de maladies génétiques, y compris les maladies génétiques à gène unique, les anomalies chromosomiques et les maladies génétiques complexes. Par exemple, dans le diagnostic génétique prénatal des malformations cardiaques congénitales fœtales, le LP-WGS peut détecter des CNV, des SNV et d'autres mutations, fournissant des informations génétiques importantes pour la clinique.

Résultat du caryotype des chromosomes (Lei et al., 2016)

• Économique et efficace : Comparé au séquençage à haut débit, le LP-WGS a un coût inférieur et est adapté à une application clinique à grande échelle. Son faible coût et sa grande vitesse lui confèrent une valeur pratique élevée dans les zones à ressources limitées.
• Analyse d'intégration multiomique : le LP-WGS peut être combiné avec d'autres données omiques (telles que la transcriptomique, la protéomique, etc.) pour une analyse d'intégration multiomique, afin d'améliorer encore la précision et l'exhaustivité du diagnostic. Par exemple, dans l'étude du cancer de la prostate, en intégrant les données génomiques, transcriptomiques et protéomiques, nous pouvons comprendre de manière plus complète le mécanisme moléculaire de la tumeur.

Les défis du LP-WGS

• Sensibilité et spécificité de la détection des mutations : Bien que le LP-WGS puisse détecter la plupart des mutations courantes, sa sensibilité aux mutations rares et aux mutations à faible fréquence est faible. Pour résoudre ce problème, nous pouvons augmenter la profondeur de séquençage ou adopter des méthodes bioinformatiques plus avancées pour améliorer la sensibilité de détection.
• Complexité de l'interprétation des données : Une grande quantité de données générées par le séquençage du génome entier à faible passage nécessite une analyse bioinformatique complexe pour être interprétée. Par conséquent, le développement d'outils et d'algorithmes bioinformatiques efficaces est essentiel. Par exemple, l'utilisation de méthodes de détection des mutations basées sur l'apprentissage profond peut améliorer la précision et l'efficacité de l'interprétation des données.
• Exigences en matière de qualité et de quantité des échantillons : le LP-WGS nécessite la qualité et la quantité des échantillons, en particulier dans le séquençage à haut débit, la pureté et la qualité de l'ADN des échantillons affecteront les résultats du séquençage. L'adoption d'échantillons de haute qualité et de méthodes de traitement des échantillons optimisées peut résoudre efficacement ce problème.
• Questions éthiques et de confidentialité : La protection de la vie privée et les questions éthiques liées aux données génomiques sont particulièrement importantes dans l'application clinique. Il est nécessaire d'établir un mécanisme de révision éthique strict et des mesures de protection des données pour garantir la sécurité et la confidentialité des informations des patients.
• Normalisation technique et contrôle de qualité : La normalisation et le contrôle de qualité de la technologie de séquençage du génome entier à faible passage sont essentiels pour garantir la fiabilité de l'application clinique. La fiabilité et la cohérence des résultats de séquençage peuvent être améliorées en établissant une norme technique unifiée et un processus de contrôle de qualité.

LP-WGS présente des avantages évidents en clinique, mais elle fait également face à certains défis. En optimisant continuellement la technologie, en améliorant les méthodes de bioinformatique et en renforçant la gestion éthique, l'effet d'application clinique peut être encore amélioré.

Conclusion

LP-WGS est très important en cytogénétique clinique. Il peut détecter des anomalies du nombre de chromosomes et des anomalies structurelles dans l'ensemble du génome, et il est plus sensible aux anomalies minimes et chimériques. Il peut détecter les CNV sans biais et effectuer une annotation fonctionnelle et une analyse basée sur le phénotype clinique et d'autres informations, afin de déterminer la corrélation entre les CNV et les maladies, fournir une base pour le diagnostic des maladies, la classification et l'évaluation du pronostic, aider à trouver des cibles thérapeutiques et promouvoir le développement de la médecine personnalisée, ce qui revêt une grande importance pour le diagnostic des maladies, la recherche sur les mécanismes génétiques et la pratique médicale de précision en cytogénétique clinique.

LP-WGS a un grand potentiel pour améliorer l'efficacité et la précision de la détection. Le développement technologique accélérera le séquençage, permettant aux cliniciens d'obtenir des résultats rapidement et de réduire le temps de traitement pour les patients critiques. En même temps, l'optimisation des instruments de séquençage et des algorithmes peut augmenter la précision de la détection, identifier les variations minimes plus précisément et réduire le taux de faux diagnostics et de diagnostics manqués.

À l'avenir, le LP-WGS élargira le champ du diagnostic des maladies, aidera au diagnostic des maladies rares et complexes, favorisera les soins médicaux personnalisés, fournira une base pour l'élaboration de plans de traitement et de médication précis, et renforcera le dépistage prénatal et néonatal. Il analysera également en profondeur le mécanisme des maladies grâce à l'intégration des multi-omiques, réalisera des diagnostics à distance et explorera les lois des maladies en combinant télémédecine et partage de grandes données, propulsant ainsi le diagnostic clinique vers de nouveaux sommets de manière globale.

Références:

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