Séquençage du génome entier à faible passage : Technologie, applications et perspectives de marché

Qu'est-ce que le séquençage du génome entier à faible passage ?

Séquençage du génome entier à faible débit (LP-WGS) est une méthode impliquant séquençage à haut débit des génomes entiers à des profondeurs de séquençage relativement faibles. En général, le LP-WGS fonctionne à une profondeur de couverture de 0,5 à 1×, ce qui signifie que chaque paire de bases est séquencée, en moyenne, entre 0,5 et 1 fois. L'approche compense ces points de données rares en utilisant des techniques computationnelles, telles que des algorithmes d'imputation de génotypes, pour extrapoler les séquences manquantes, fournissant ainsi un paysage génomique relativement complet.

En tant que stratégie de séquençage génomique économique et efficace, le LP-WGS est particulièrement adapté aux études de population étendues et au calcul des scores de risque polygénique. En réduisant la profondeur de séquençage et en utilisant l'imputation génotypique computationnelle, la méthode réduit considérablement les coûts et les exigences de stockage des données, tout en fournissant des informations génomiques qui, dans certains contextes, sont comparables à celles des méthodes traditionnelles. séquençage du génome entier (SGE).

Fondations techniques et distinctions par rapport au WGS traditionnel

1. Profondeur de séquençage :

• Le séquençage génomique traditionnel nécessite généralement des profondeurs de séquençage élevées (par exemple, 30× ou plus) pour garantir plusieurs lectures de chaque base, atteignant ainsi une grande précision dans les données génomiques.
• En revanche, le LP-WGS utilise des profondeurs de séquençage réduites (0,5×-1×), inférant les génotypes et comblant les lacunes par des méthodologies computationnelles.

2. Coût et volume de données :

• LP-WGS réduit considérablement les coûts de séquençage et le besoin de stockage de données, car sa profondeur de séquençage inférieure nécessite moins de temps et diminue significativement les exigences en matière d'espace de stockage.
• Le séquençage génomique traditionnel, bien qu'il offre des informations génomiques plus complètes, entraîne des coûts plus élevés et des frais généraux de traitement et de stockage des données plus importants.

3. Applications :

• LP-WGS trouve ses applications dans les études de population à grande échelle, les études d'association à l'échelle du génome (GWAS) et les calculs de scores de risque polygénique.
• Le séquençage génomique complet traditionnel est largement utilisé dans le diagnostic des troubles génétiques, la recherche sur le cancer et l'analyse du microbiome.

4. Qualité des données :

• LP-WGS, s'appuyant sur l'inférence de génotypes computationnelle, peut introduire certaines erreurs et incertitudes. Par conséquent, améliorer la précision nécessite d'intégrer des cadres probabilistes et de tirer parti de données d'échantillons à grande échelle.
• Étant donné sa profondeur de séquençage élevée, le séquençage génomique complet traditionnel offre une qualité de données supérieure, ce qui le rend adapté aux études nécessitant des informations génomiques de haute précision.

Avantages et applications de la LP-WGS

Le séquençage du génome entier à faible passage se distingue comme une technologie de séquençage génomique rentable et efficace, offrant des promesses significatives dans diverses applications. Dans ce document, nous explorons les avantages et les applications potentielles du LP-WGS :

Avantages d'une faible profondeur de séquençage

1. Rentabilité :

• Un avantage principal du LP-WGS est son efficacité économique. En utilisant des profondeurs de séquençage faibles, le LP-WGS réduit considérablement les coûts, se positionnant comme un outil précieux dans le diagnostic génétique, particulièrement bénéfique dans les pays à revenu faible et intermédiaire.
• Comparé à l'analyse traditionnelle des microarrays chromosomiques (CMA), le LP-WGS ne coûte qu'un quart du prix, tout en offrant une détection fiable des variations du nombre de copies (VNC). Cette accessibilité est particulièrement cruciale dans les milieux à faible revenu, élargissant l'accès aux tests génétiques pour de nombreux patients. De plus, le LP-WGS offre un degré d'automatisation plus élevé, minimisant les erreurs techniques et réduisant la demande en ADN.

Détection de CNV dans un groupe de validation et un groupe clinique multicentrique. (Dong, Z., et al.., 2016)

2. Traitement et stockage des données :

• En raison de son volume de données réduit, le LP-WGS diminue les exigences en matière de traitement et de stockage des données, préservant ainsi les ressources informatiques.
• Des techniques telles que l'imputation de génotypes comblent efficacement les lacunes dans les données de séquençage, offrant une vue d'ensemble génomique plus complète.

3. Flexibilité et évolutivité :

• LP-WGS peut réduire davantage les coûts en augmentant le nombre d'échantillons traités tout en maintenant une haute qualité de données.
• Bien que le séquençage génomique complet traditionnel offre une qualité de données supérieure, ses coûts élevés limitent son application dans les études de population à grande échelle.

4. Haut Débit :

• Capable de traiter de grands volumes d'échantillons, le LP-WGS se prête bien à des projets de recherche étendus.

5. Exhaustivité :

• Malgré une couverture plus faible, le LP-WGS identifie avec succès un large éventail de CNV et de variants de nucléotides uniques (SNV).

Applications en cytogénétique clinique

Le LP-WGS démontre une performance robuste en cytogénétique clinique, en particulier pour l'identification des anomalies chromosomiques et des CNV. Des études indiquent que le LP-WGS présente une sensibilité et une précision comparables à celles de la CMA dans la détection des anomalies chromosomiques fœtales, des cas de grossesses à haut risque, d'infertilité et de malformations congénitales. Par exemple, des recherches menées au Brésil ont souligné l'efficacité comparable du LP-WGS par rapport à la CMA dans l'identification des anomalies chromosomiques fœtales, avec des avantages de coût supplémentaires.

Potentiel dans la génomique des populations à grande échelle

LP-WGS présente un potentiel immense dans les études génomiques de population à grande échelle. Son coût réduit et son débit élevé facilitent études d'association à l'échelle du génome (GWAS) et des études de sélection génomique complète, visant à découvrir des gènes et des variations associés aux maladies. En tirant parti des techniques d'imputation de génotypes, le LP-WGS fournit des marqueurs génétiques à haute densité, adaptés à l'analyse de grandes cohortes d'échantillons.

Études de cas cliniques et de recherche

De nombreuses études et cas pratiques soulignent l'efficacité significative du LP-WGS tant dans les contextes cliniques que de recherche. Par exemple, chez les patients atteints de cancer de la prostate (PCa), le LP-WGS a été utilisé pour détecter les pourcentages d'ADN tumoral circulant (ctDNA) et les CNV, offrant des informations cruciales sur le pronostic de la maladie. De plus, le LP-WGS s'est avéré avantageux pour identifier les CNV chez les patients atteints de PCa à un stade précoce, mettant en évidence son rapport coût-efficacité.

Large éventail d'applications

LP-WGS trouve de nombreuses applications, y compris mais sans s'y limiter :

• Diagnostics du cancer : Détection des CNV et de l'ADNct pour un diagnostic précoce et une évaluation du pronostic dans le cancer.
• Diagnostic des maladies génétiques : Identification des anomalies chromosomiques et des CNV pour le diagnostic des troubles génétiques et le dépistage prénatal.
• Génomique des populations : Faciliter des études de population à grande échelle pour révéler la diversité génétique et son association avec les maladies.
• Agriculture et Élevage : Appliqué dans l'association des traits et les évaluations de reproduction pour les espèces ayant de grands génomes.

Le marché du séquençage génomique à haut débit humain : État actuel et tendances

Le marché du séquençage du génome entier à passage bas connaît une expansion rapide, marquée par ses applications potentielles dans divers domaines tels que le dépistage néonatal, la détection du cancer, le diagnostic des maladies génétiques et les évaluations de santé de routine. Les avancées technologiques associées à la réduction des coûts positionnent le séquençage du génome entier à passage bas comme un outil essentiel pour la médecine de précision et les traitements personnalisés dans les années à venir.

1. Dynamiques du marché de la LP-WGS

Le marché du LP-WGS a connu une croissance significative, largement attribuée à son rapport coût-efficacité et à ses capacités de haut débit. Le séquençage du génome entier (WGS) conventionnel, dont les coûts s'élèvent à des milliers de dollars pour une couverture de 30x, contraste fortement avec le LP-WGS, qui réduit la profondeur de séquençage (généralement de 0,1x à 1x) pour faire baisser les coûts en dessous de 200 $ par échantillon tout en conservant une haute sensibilité dans la détection des variations du nombre de copies (CNVs). Par exemple, les technologies de préparation de bibliothèques automatisées développées par des entreprises comme MGI permettent de traiter 1 536 échantillons en une seule journée, avec un débit de séquençage annuel atteignant jusqu'à 384 000 échantillons à une couverture de 1,0x. Cet avantage de coût a propulsé son adoption rapide dans le diagnostic clinique et les études de population à grande échelle.

2. Applications actuelles en génomique et diagnostics cliniques

LP-WGS a trouvé des applications étendues dans plusieurs domaines clés :

• PDiagnostic prénatal : En utilisant un séquençage à faible couverture de 15 millions de lectures par échantillon, le LP-WGS détecte efficacement les aneuploïdies chromosomiques (comme la trisomie 21) et les syndromes de microdélétions avec une sensibilité de 99 %, et un taux de répétition des expériences d'échantillons de seulement 0,5 % (bien inférieur aux 4,6 % de la CMA).
• Génomique du cancer : Lorsqu'il est intégré à des modèles d'apprentissage profond comme GIInger, le LP-WGS peut identifier l'instabilité génomique résultant de défauts de recombinaison homologue (HRD) et prédire la sensibilité des patientes atteintes de cancer de l'ovaire et du sein aux inhibiteurs de PARP, atteignant une cohérence de 98 % avec les résultats de séquençage à haute profondeur.

Un aperçu du "Plan d'action pour l'analyse du génome entier des cancers et des maladies rares/intractables" du Japon Initiative WGS (Yuki Katsuya, 2024)

• Génétique des populationsDans des études de populations isolées comme les Kosraéens du Pacifique, le séquençage du génome à faible profondeur (LP-WGS) permet de déterminer les variations génétiques chez 60 % de la population grâce à l'imputation de génotypes à partir de seulement sept échantillons avec une couverture de 5x, avec une précision dépassant 97 %.

3. Tendances des marchés émergents et adoption commerciale

L'adoption commerciale du séquençage génomique à faible coût (LP-WGS) se caractérise par plusieurs tendances :

• Intégration technologique : Des techniques émergentes telles que le séquençage génomique-exom mélangé (BGE), qui combine le séquençage du génome entier à faible profondeur (1-4x) avec le séquençage de l'exome (30-40x), facilitent la détection simultanée des variantes génomiques communes et des mutations rares dans les régions de l'exome. Cette approche est un domaine de développement central pour 2024.
• Améliorations de l'automatisation : Les laboratoires cliniques affinent les processus standardisés, tels que la préparation de bibliothèques sans PCR, pour réduire le cycle expérimental à sept jours, avec une entrée initiale d'ADN de seulement 50 ng, améliorant ainsi considérablement l'efficacité de détection.
• Collaboration industrielle : Les entreprises de technologie génétique avancent dans l'intégration du séquençage génomique à faible coût (LP-WGS) avec des plateformes d'analyse par intelligence artificielle pour optimiser les capacités d'interprétation des données et élargir les applications cliniques.

4. Potentiel futur du LP-WGS

LP-WGS présente un potentiel considérable dans plusieurs domaines :

• Dépistage néonatal : Son faible coût et sa grande capacité de traitement en font un outil idéal pour le dépistage à grande échelle des troubles génétiques congénitaux comme l'atrophie musculaire spinale, avec le potentiel de remplacer les méthodes de tests biochimiques traditionnelles.
• Détection précoce du cancer : En identifiant des CNV à faible fréquence dans l'ADN tumoral circulant (ctDNA), le LP-WGS offre des perspectives pour un diagnostic précoce du cancer et le suivi des rechutes.
• Diagnostic des maladies génétiques : Dans les populations présentant des retards de développement ou des maladies rares, le séquençage génomique complet par exome peut dépister simultanément des centaines de CNV pathogènes, comblant les lacunes laissées par les puces SNP dans les "zones aveugles" du génome.

Perspectives futures pour le LP-WGS

La trajectoire future du séquençage du génome entier à faible passage reflète son potentiel à faire progresser de manière significative la médecine personnalisée et la recherche sur les maladies génétiques par le biais de multiples avenues.

Avancées technologiques et réduction des coûts

Avec la progression incessante des technologies de séquençage, en particulier les avancées des plateformes de séquençage de nouvelle génération (NGS), le coût associé au séquençage du génome entier (LP-WGS) est en chute libre. Cette réduction des coûts améliore la faisabilité des projets génomiques à grande échelle et la mise en œuvre d'approches de médecine personnalisée. Par exemple, l'introduction d'instruments de séquençage tels que le T20 par BGI offre une efficacité de coût substantielle pour le séquençage du génome entier, le rendant plus accessible. De plus, les tendances en matière de miniaturisation des technologies, les techniques de séquençage parallèle et les améliorations des méthodes de lecture matricielle devraient faciliter de nouvelles baisses des coûts de séquençage.

Applications en Médecine Personnalisée

Les applications potentielles du séquençage du génome entier à faible coût (LP-WGS) en médecine personnalisée sont vastes. Le séquençage du génome entier permet aux médecins d'obtenir des informations complètes sur la composition génétique d'un individu, facilitant ainsi des stratégies thérapeutiques sur mesure. Par exemple, en analysant les données génomiques d'un patient, les professionnels de santé peuvent prédire les réponses aux médicaments, permettant ainsi d'optimiser les dosages et les protocoles de traitement. De plus, le LP-WGS peut identifier les individus à haut risque pour certaines conditions, soutenant ainsi des stratégies d'intervention précoce et de prévention.

Flux de travail du développement et de l'évaluation de méthode avec séquençage génomique à faible couverture pour le test de paternité. (Li, Keying, et al., 2023)

Rôle dans la recherche sur les maladies génétiques

Dans le domaine de la recherche sur les maladies génétiques, le séquençage du génome entier à faible profondeur (LP-WGS) a une valeur immense. Grâce à un séquençage complet du génome, les chercheurs peuvent identifier plus efficacement les variantes génétiques associées aux maladies, accélérant ainsi la découverte de gènes pathogènes et de cibles thérapeutiques. Par exemple, dans le diagnostic des troubles génétiques rares, le séquençage du génome entier offre une utilité diagnostique supérieure à celle de l'analyse par microarray chromosomique. De plus, le LP-WGS facilite les études génomiques à grande échelle sur les populations, contribuant à une meilleure compréhension de la diversité génétique au sein des différentes populations.

Aperçus sur les troubles génétiques complexes

LP-WGS offre un avantage unique dans l'élucidation des troubles génétiques complexes. De telles conditions impliquent souvent des interactions complexes entre plusieurs gènes, que les méthodes traditionnelles de test génétique peuvent ne pas aborder de manière approfondie. Le séquençage du génome entier fournit une vue d'ensemble du paysage génétique, permettant aux chercheurs d'analyser les caractéristiques du génome de manière exhaustive et d'améliorer la compréhension de la pathogénie des maladies. Par exemple, certains cancers peuvent impliquer des mutations dans divers gènes impliqués dans la régulation cellulaire, pour lesquels LP-WGS peut offrir une perspective complète.

Perspectives d'avenir

Alors que les coûts de séquençage continuent de diminuer et que les innovations technologiques avancent, le séquençage génomique à faible profondeur (LP-WGS) est prêt à être appliqué de manière plus large tant dans les contextes cliniques que de recherche. Cela catalysera le développement d'approches médicales personnalisées et approfondira les investigations sur les maladies génétiques. De plus, l'adoption du LP-WGS devrait améliorer la santé publique en facilitant les diagnostics précoces et les interventions personnalisées, améliorant ainsi la qualité de vie des patients.

Conclusion

Le séquençage du génome entier à faible profondeur (LP-WGS) exploite une faible profondeur de séquençage (0,1x-1x) en conjonction avec des techniques d'imputation de génotypes pour détecter des variations chromosomiques à grande échelle, telles que les variations du nombre de copies (CNVs) et les microdélétions, avec une grande sensibilité à un coût équivalent à un trentième de celui des méthodes de séquençage traditionnelles. Cette approche efficace a positionné le LP-WGS comme un outil transformateur tant dans les domaines clinique que de la recherche. Ses avantages incluent un coût réduit (moins de 200 $ par échantillon), un débit élevé (traitement de plus de 380 000 échantillons par an) et une flexibilité extraordinaire, le rendant adapté au diagnostic prénatal, au dépistage précoce du cancer et à la recherche en génétique des populations.

Cliniquement, le LP-WGS excelle dans la détection des anomalies chromosomiques prénatales avec une sensibilité supérieure à 99 %, ainsi que dans l'analyse génomique des cancers - comme l'identification des déficiences de recombinaison homologue (HRD) - et dans le dépistage des troubles génétiques. L'automatisation des processus de LP-WGS réduit encore les barrières technologiques à son adoption, facilitant ainsi une accessibilité et une mise en œuvre plus larges.

En regardant vers l'avenir, les avancées en optimisation algorithmique (par exemple, les panneaux de référence de haplotypes) et l'intégration technologique (par exemple, le séquençage génomique-exom mélangé) sont prêtes à renforcer encore l'impact du LP-WGS. Ces innovations favoriseront l'applicabilité généralisée de la médecine de précision, établissant le LP-WGS comme un moteur clé dans des domaines tels que le dépistage néonatal, l'élucidation des maladies complexes et les vastes initiatives de santé publique. Par conséquent, le LP-WGS devrait accélérer l'intégration complète de la médecine génomique du domaine de la recherche à la pratique clinique.

Références:

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