Оригинальная таргетная генетическая панель для диагностики нейродегенеративных заболеваний на основе секвенирования следующего поколения: первый опыт применения

Цель исследования — оценка эффективности разработанной нами диагностической панели, основанной на технологиях секвенирования следующего поколения (Next Generation Sequencing, NGS), для диагностики широкого спектра социально значимых наследственных дегенеративных заболеваний мозга.

Материалы и методы. С помощью разработанной диагностической таргетной NGS-панели (на платформе Illumina MiSeq, США), которая направлена на секвенирование кодирующей области 300 генов нейродегенеративных заболеваний, проявляющихся двигательными и когнитивными расстройствами, проведен мутационный скрининг ДНК, полученной от 32 пациентов с неуточненным диагнозом.

Результаты. Применение оригинальной генетической панели позволило выявить ряд редких форм наследственной нейродегенеративной патологии с идентифицированными (с помощью NGS) и подтвержденными (с помощью прямого секвенирования) мутациями в генах: спиноцеребеллярных атаксий и параплегий, паркинсонизма, дистоний, нейрометаболических заболеваний. У 11 пациентов выявлено 12 мутаций в 10 различных генах, обусловливающих развитие трех аутосомно-рецессивных заболеваний (гены DDHD1, NPC1 и RARS) и восьми заболеваний, связанных с аутосомно-доминантным наследованием (гены SPAST, SPTBN2, GRN, GCH1, LRRK2, NOTCH3 и AGER).

Заключение. Панельный скрининг неясных случаев нейродегенеративных заболеваний, выполненный с помощью оригинальной таргетной модели, позволяет выявить и подтвердить последующие мутации в различных генах для более чем трети обследованных случаев.

1. Wimo A., Winblad B., Jönsson L. An estimate of the total worldwide societal costs of dementia in 2005. Alzheimers Dement 2007; 3(2): 81–91, https://doi.org/10.1016/j.jalz.2007.02.001.
2. Peine A., Faulkner A., Jæger B., Moors E. Science, technology and the “grand challenge” of ageing — understanding the socio-material constitution of later life. Technological Forecasting and Social Change 2015; 93: 1–9, https://doi.org/10.1016/j.techfore.2014.11.010.
3. Apokin A., Belousov D., Salnikov V., Frolov I. Long-term Socioeconomic challenges for Russia and demand for new technology. Foresight and STI Governance 2015; 9(4): 6–17.
4. Иллариошкин С.Н. ДНК-диагностика и медико-гене­ти­ческое консультирование. М: Медицинское информационное агентство; 2004.
5. Карпова Е.А., Иванова-Смоленская И.А., Илла­ри­ош­кин С.Н., Маркова Е.Д., Черникова Л.А., Тимербаева С.Л. Динамика основных симптомов болезни Паркинсона на фоне терапии пронораном. Неврологический журнал 2003; 8(2): 49–52.
6. Иллариошкин С.Н. Терапия паркинсонизма: воз­мож­­ности и перспективы. Неврология и ревматология. При­ложение к журналу Consilium Medicum 2009; 1: 35–40.
7. Illarioshkin S.N., Markova E.D., Slominsky P.A., Miklina N.I., Popova S.N., Limborska S.A., Tsuji S., Ivanova-Smolenskaya I.A. The GTP cyclohydrolase I gene in Russian families with dopa-responsive dystonia. Archives of Neurology 1998; 55(6): 789–792, https://doi.org/10.1001/archneur.55.6.789.
8. Illarioshkin S.N., Rakhmonov R.A., Ivanova-Smolenskaya I.A., Brice A., Markova E.D., Miklina N., Kliushnikov S.A., Limborskaia S.A. Molecular genetic analysis of essential tremor. Genetics 2002; 38(12): 1447–1451.
9. Wilkie G.S., Schirmer E.C. Guilt by association. The nuclear envelope proteome and disease. Mol Cell Proteomics 2006; 5(10): 1865–1875, https://doi.org/10.1074/mcp.r600003-mcp200.
10. Schneider S.A., Schneider U.H., Klein C. Genetic testing for neurologic disorders. Semin Neurol 2011; 31(5): 542–552, https://doi.org/10.1055/s-0031-1299792.
11. Hersheson J., Haworth A., Houlden H. The inherited ataxias: genetic heterogeneity, mutation databases, and future directions in research and clinical diagnostics. Hum Mutat 2012; 33(9): 1324–1332, https://doi.org/10.1002/humu.22132.
12. Klebe S., Stevanin G., Depienne C. Clinical and genetic heterogeneity in hereditary spastic paraplegias: from SPG1 to SPG72 and still counting. Rev Neurol 2015; 171(6–7): 505–530, https://doi.org/10.1016/j.neurol.2015.02.017.
13. Metzker M.L. Sequencing technologies — the next generation. Nat Rev Genet 2010; 10(1): 31–46, https://doi.org/10.1038/nrg2626.
14. Erdmann J. Next generation technology edges genome sequencing toward the clinic. Chem Biol 2011; 18(12): 1513–1514, https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2011.12.006.
15. Pareek C.S., Smoczynski R., Tretyn A. Sequencing technologies and genome sequencing. J Appl Genet 2011; 52(4): 413–435, https://doi.org/10.1007/s13353-011-0057-x.
16. Xue Y., Ankala A., Wilcox W.R., Hegde M.R. Solving the molecular diagnostic testing conundrum for Mendelian disorders in the era of next-generation sequencing: single-gene, gene panel, or exome/genome sequencing. Genet Med 2015; 17(6): 444–451, https://doi.org/10.1038/gim.2014.122.
17. Ребриков Д.В., Коростин Д.О., Шубина Е.С., Ильин­ский В.В. NGS: высокопроизводительное секвенирование. М: БИНОМ; 2014.
18. Warman Chardon J., Beaulieu C., Hartley T., Boycott K.M., Dyment D.A. Axons to exons: the molecular diagnosis of rare neurological diseases by next-generation sequencing. Curr Neurol Neurosci Rep 2015; 15(9): 584–592, https://doi.org/10.1007/s11910-015-0584-7.
19. Boycott K., Hartley T., Adam S., Bernier F., Chong K., Fernandez B.A., Friedman J.M., Geraghty M.T., Hume S., Knoppers B.M., Laberge A.M., Majewski J., Mendoza-Londono R., Meyn M.S., Michaud J.L., Nelson T.N., Richer J., Sadikovic B., Skidmore D.L., Stockley T., Taylor S., van Karnebeek C., Zawati M.H., Lauzon J., Armour C.M. The clinical application of genome-wide sequencing for monogenic diseases in Canada: position statement of the Canada College of Medical Geneticists. J Med Genet 2015; 52: 431–437, https://doi.org/10.1136/jmedgenet-2015-103144.
20. Foo J.-N., Liu J.-J., Tan E.-K. Whole-genome and whole-exome sequencing in neurological diseases. Nat Rev Neurol 2012; 8(9): 508–517, https://doi.org/10.1038/nrneurol.2012.148.
21. Green R.C., Berg J.S., Grody W.W., Kalia S.S., Korf B.R., Martin C.L., McGuire A.L., Nussbaum R.L., O’Daniel J.M., Ormond K.E., Rehm H.L., Watson M.S., Williams M.S., Biesecker L.G.; American College of Medical Genetics and Genomics. ACMG recommendations for reporting of incidental findings in clinical exome and genome sequencing. Genet Med 2013; 15(7): 565–574, https://doi.org/10.1038/gim.2013.73.
22. Fogel B.L., Lee H., Deignan J.L., Strom S.P., Kantarci S., Wang X., Quintero-Rivera F., Vilain E., Grody W.W., Perlman S., Geschwind D.H., Nelson S.F. Exome sequencing in the clinical diagnosis of sporadic or familial cerebellar ataxia. JAMA Neurol 2014; 71(10): 1237–1246, https://doi.org/10.1001/jamaneurol.2014.1944.
23. Farwell K.D., Shahmirzadi L., El-Khechen D., Powis Z., Chao E.C., Tippin D.B., Baxter R.M., Zeng W., Mroske C., Parra M.C., Gandomi S.K., Lu I., Li X., Lu H., Lu H.M., Salvador D., Ruble D., Lao M., Fischbach S., Wen J., Lee S., Elliott A., Dunlop C.L., Tang S. Enhanced utility of family-centered diagnostic exome sequencing with inheritance model-based analysis: results from 500 unselected families with undiagnosed genetic conditions. Genet Med 2015; 17(7): 578–586, https://doi.org/10.1038/gim.2014.154.
24. de Koning T.J., Jongbloed J.D.H., Sikkema-Raddatz B., Sinke R.J. Targeted next-generation sequencing panels for monogenetic disorders in clinical diagnostics: the opportunities and challenges. Expert Rev Mol Diagn 2015; 15(1): 61–70, https://doi.org/10.1586/14737159.2015.976555.
25. Иллариошкин С.Н., Абрамычева Н.Ю., Иванова-Смо­ленская И.А. Молекулярно-генетическая диагностика заболеваний нервной системы. В кн.: Неврология XXI века: диагностические, лечебные и исследовательские технологии. Т. I. Современные технологии диагностики заболеваний нервной системы. Под ред. Пирадова М.А., Иллариошкина С.Н., Танашян М.М. М: ООО «АТМО» 2015; с. 329–362.
26. Illarioshkin S.N., Ivanova-Smolenskaya I.A., Markova E.D., Shadrina M.I., Klyushnikov S.A., Zagorovskaya T.B., Miklina N.I., Slominsky P.A., Limborska S.A. Molecular genetic analysis of hereditary neurodegenerative diseases. Russian Journal of Genetics 2004; 40(6): 663–671, https://doi.org/10.1023/b:ruge.0000033314.49573.db.
27. Abramycheva N., Stepanova M., Kalashnikova L., Zakharova M., Maximova M., Tanashyan M., Lagoda O., Fedotova E., Klyushnikov S., Konovalov R., Sakharova A., Illarioshkin S. New mutations in the Notch3 gene in patients with cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leucoencephalopathy (CADASIL). J Neurol Sci 2015; 349(1–2): 196–201, https://doi.org/10.1016/j.jns.2015.01.018.
28. Абрамычева Н.Ю., Федотова Е.Ю., Степанова М.С., Тимербаева С.Л., Иллариошкин С.Н. Новый подход к моле­кулярно-генетическому скринингу у пациентов с болезнью Паркинсона. Неврологический журнал 2016; 21(1): 13–16.
29. Illarioshkin S.N., Ivanova-Smolenskaya I.A., Markova E.D. A new mutational mechanism in man: expansion of trinucleotide repeats. Genetika 1995; 31(11): 1478–1489.
30. Платонов Ф.А., Иллариошкин С.Н., Кононо­ва С.К., Гоголев М.П., Иванова-Смоленская И.А. Спино­це­ребеллярная атаксия первого типа в Якутии: распро­страненность и клинико-генетические сопоставле­ния. Ме­ди­цинская генетика 2004; 3(5): 242–248.
31. Gijselinck I., Van Langenhove T., Van der Zee J., Sleegers K., Philtjens S., Kleinberger G., Janssens J., Bettens K., Van Cauwenberghe C., Pereson S., Engelborghs S., Sieben A., De Jonghe P., Vandenberghe R., Santens P., De Bleecker J., Maes G., Bäumer V., Dillen L., Joris G., Cuijt I., Corsmit E., Elinck E., Van Dongen J., Vermeulen S., Van den Broeck M., Vaerenberg C., Mattheijssens M., Peeters K., Robberecht W., Cras P., Martin J.J., De Deyn P.P., Cruts M., Van Broeckhoven C. A C9orf72 promoter repeat expansion in a Flanders-Belgian cohort with disorders of the frontotemporal lobar degeneration-amyotrophic lateral sclerosis spectrum: a gene identification study. Lancet Neurol 2012; 11(1): 54–65, https://doi.org/10.1016/s1474-4422(11)70261-7.
32. Slominsky P.A., Markova E.D., Shadrina M.I., Illarioshkin S.N., Miklina N.I., Limborska S.A., Ivanova-Smolenskaya I.A. A common 3-bp deletion in the DYT1 gene in Russian families with early-onset torsion dystonia. Human Mutat 1999; 14(3): 269, https://doi.org/10.1002/(sici)1098-1004(1999)14:3269::aid-humu123.0.co;2-9.
33. Illarioshkin S.N., Shadrina M.I., Slominsky P.A., Bespalova E.V., Zagorovskaya T.B., Bagyeva G.Kh., Markova E.D., Limborska S.A., Ivanova-Smolenskaya I.A. A common leucine-rich repeat kinase 2 gene mutation in familial and sporadic Parkinson’s disease in Russia. Eur J Neurol 2007; 14(4): 413–417, https://doi.org/10.1111/j.1468-1331.2007.01685.x.
34. Langmead B., Salzberg S.L. Fast gapped-read alignment with Bowtie 2. Nat Methods 2012; 9(4): 357–359, https://doi.org/10.1038/nmeth.1923.
35. Yang H., Wang K. Genomic variant annotation and prioritization with ANNOVAR and wANNOVAR. Nat Protoc 2015; 10(10): 1556–1566, https://doi.org/10.1038/nprot.2015.105.

Abramycheva N.Yu., Fedotova E.Yu., Klyushnikov S.A., Ustinova V.V., Kunetsky V.E., Stepanova M.S., Timerbaeva S.L., Alekseev Ya.I., Illarioshkin S.N. An Original Target Genetic Panel to Diagnose Neurodegenerative Diseases on the Basis of Next-Generation Sequencing: First Experience. Sovremennye tehnologii v medicine 2016; 8(4): 185, https://doi.org/10.17691/stm2016.8.4.23