Next-Generation Sequencing: Quantensprung für Forschung und Diagnostik in der Ophthalmologie

Zusammenfassung

Viele Augenerkrankungen können erblich bedingt sein und weisen oft eine ausgeprägte genetische Heterogenität auf, d. h. sie können durch Mutationen in vielen verschiedenen Genen verursacht werden. Dies trifft besonders auf die Netzhautdystrophien zu: Mehr als 200 Gene sind für die isolierten Formen (z. B. Lebersche kongenitale Amaurose, Retinitis pigmentosa, Zapfen-Stäbchen-Dystrophie, kongenitale stationäre Nachtblindheit) und für Syndrome, bei denen zusätzlich Dysfunktionen oder Fehlbildungen anderer Organsysteme vorliegen, bekannt. Die gezielte Auswahl einzelner Gene für die Diagnostik war bislang schwierig und ihre Analyse mit der DNA-Sequenzierung nach der Sanger-Methode extrem aufwendig: Das Krankheitsbild lässt selten einen Rückschluss auf das betroffene Gen zu, und die Häufigkeiten von Mutationen der einzelnen Gene etwa bei der LCA waren nur unzureichend bekannt. Umfassende molekulargenetisch-diagnostische Abklärungen waren daher in den meisten Fällen nicht möglich. Die unter dem Sammelbegriff Next-Generation Sequencing (NGS) zusammengefassten Verfahren der Hochdurchsatzsequenzierung haben innerhalb weniger Jahre zunächst die humangenetische Forschung und dann die molekulargenetische Diagnostik revolutioniert. Dies hat weitreichende Implikationen für die individuelle Betreuung und Beratung von Patienten mit erblichen Augenerkrankungen und deren Familien.

Abstract

Many eye diseases have a genetic basis, and most can be caused by mutations in many different genes (extensive genetic heterogeneity). The retinal dystrophies are a good example: More than 200 genes have been identified for the isolated forms (Leberʼs congenital amaurosis, retinitis pigmentosa, cone-rod dystrophy, congenital stationary night blindness), and for syndromes that comprise additional dysfunctions or malformations of extraocular tissues and organs. Selecting genes for diagnostic testing has been difficult, and their analysis with the hitherto predominant DNA sequencing method (Sanger sequencing) has been extremely laborious: The phenotype rarely indicates the affected gene, and the contributions of the particular genes to the disease (e.g., to LCA) were largely unknown. Consequently, comprehensive genetic analyses were impossible in most cases. In the recent years, high-throughput sequencing technologies, summarized as next-generation sequencing (NGS), have revolutionized genetic research and, subsequently, genetic diagnostics. The latter has far-reaching implications for the individual management of patients with genetic eye diseases and their families.

Schlüsselwörter

Genetik - Retina - Genom - Exom - Next-Generation Sequencing

Key words

genetics - retina - genome - exome - next-generation sequencing

• Literatur

• 1 Scholl HP, Strauss RW, Singh MS. et al. Emerging therapies for inherited retinal degeneration. Sci Transl Med 2016; 8: 368rv366
• 2 Majewski J, Schwartzentruber J, Lalonde E. et al. What can exome sequencing do for you?. J Med Genet 2011; 48: 580-589
• 3 Sanger F, Coulson AR. A rapid method for determining sequences in DNA by primed synthesis with DNA polymerase. J Mol Biol 1975; 94: 441-448
• 4 Ezkurdia I, Juan D, Rodriguez JM. et al. Multiple evidence strands suggest that there may be as few as 19,000 human protein-coding genes. Hum Mol Genet 2014; 23: 5866-5878
• 5 Metzker ML. Sequencing technologies – the next generation. Nat Rev Genet 2010; 11: 31-46
• 6 Eisenberger T, Neuhaus C, Khan AO. et al. Increasing the yield in targeted next-generation sequencing by implicating CNV analysis, non-coding exons and the overall variant load: the example of retinal dystrophies. PLoS One 2013; 8: e78496
• 7 Bonnet C, Riahi Z, Chantot-Bastaraud S. et al. An innovative strategy for the molecular diagnosis of Usher syndrome identifies causal biallelic mutations in 93 % of European patients. Eur J Hum Genet 2016; 24: 1730-1738
• 8 Preising MN, Bolz H. Die Segregationsanalyse bei erblichen Augenerkrankungen – akademisches Extra oder notwendiger Aufwand?. Klin Monatsbl Augenheilkd 2017; 234: 272-279
• 9 de Castro-Miro M, Tonda R, Escudero-Ferruz P. et al. Novel candidate genes and a wide spectrum of structural and point mutations responsible for inherited retinal dystrophies revealed by exome sequencing. PLoS One 2016; 11: e0168966
• 10 Namburi P, Ratnapriya R, Khateb S. et al. Bi-allelic truncating mutations in CEP78, encoding centrosomal protein 78, cause cone-rod degeneration with sensorineural hearing loss. Am J Hum Genet 2016; 99: 777-784
• 11 Nikopoulos K, Farinelli P, Giangreco B. et al. Mutations in CEP78 Cause Cone-Rod Dystrophy and Hearing Loss Associated with Primary-Cilia Defects. Am J Hum Genet 2016; 99: 770-776
• 12 Khan AO, Bifari IN, Bolz HJ. Ophthalmic Features of Children Not Yet Diagnosed with Alstrom Syndrome. Ophthalmology 2015; 122: 1726-1727.e2
• 13 Liquori A, Vaché C, Baux D. et al. Whole USH2A Gene Sequencing Identifies Several New Deep Intronic Mutations. Hum Mutat 2016; 37: 184-193
• 14 Conte I, Hadfield KD, Barbato S. et al. MiR-204 is responsible for inherited retinal dystrophy associated with ocular coloboma. Proc Natl Acad Sci U S A 2015; 112: E3236-E3245
• 15 Belkadi A, Bolze A, Itan Y. et al. Whole-genome sequencing is more powerful than whole-exome sequencing for detecting exome variants. Proc Natl Acad Sci U S A 2015; 112: 5473-5478
• 16 Beck BB, Phillips JB, Bartram MP. et al. Mutation of POC1B in a severe syndromic retinal ciliopathy. Hum Mutat 2014; 35: 1153-1162