%ßnic^ä genetika pro mediky Nové trendy v klinické genetice: genomická medicína Petr Hořín Ústav genetiky FVL VFU Brno, Ceitec VFU Ústav lékařské genetiky a genomiky LF MUNI Ústav experimentální biologie PfF MUNI Outline y Genomická medicína: motivace pro lékaře y Genomy, geny, genetická variabilita, nemoci y Genomika a medicína: nástroje y Praktické aplikace Genomická medicína: predikce z roku 2011 Genomická medicína v praxi Darting 3 tuurse for genomic mcdidnc from base pairs tu bedside Green et al. 2011 3ii|:rm2i|roui']|iíiĽiu;Tau Genetics inMedicine REVIEW Open Implementing genomic medicine in the clinic: the future is here Teri A. Manolio, MD, PhD1, Rex L. Chisholm, PhD1, Brad Ozenberger, PhD1, Dan M. Roden, MD1, Marc S. Williams, MD'\ Richard Wilson, PhD*, David Bick, MD', Erwin P. Bottinger, MD", Murray H. Brilliant, PhD*, Ctiaris Eng, MD, PhD'0, Kelly A. Frazer, PhD", Bruce Korf, MD, PhD", David H. Ledbetter, PhD\ James R. Lupski, MD, PhD", Clay Marsh, MD", David Mrázek, MD", Michael F. Murray, MD16, Peter H. O'Donnell, MD", Daniel J. Rader, MD", Mary V. Relling, PharmD"*, Alan R. Shuldiner, MD™ David Valle, MD", Richard Weinshilboum, MD", Eric D. Green, MD, PhD' and Geoffrey S. Ginsburg, MD, PhD" Personalizovaná medicína Trs nscri pto m ics M El a bo lomi c 5 Genomics Clinical dala Pioteomlcs I-»- Panonií i *-1 Precision medicine Rgu>ai. PttpcsanM. - <-.'*-■ i— ■■■ ■ Genomická medicína v praxi PERSPECTIVE 8 OPEN ACCESS Toward clinical genomics in everyday medicine: perspectives and recommendations Susan K. Delaney, Michael L. Hultner"', Howard J. Jacob'*. David H. Ledbetter". Jeanette J. McCarthy*. Michael Bflir. Kenneth B. Bfckmaw. John W. Belmont*, Cinnamon S RIckv, Michael F. Chrisimnn*, Andy Cosrjrove1', Stephen A. Damlanl*J. Timothy Danls". Massimo Ddledonne". Michael J. Dougherty. Joel T. Dudley0. W. Andrew Faucetf", Jennifer R. Friedman', David H, Haase*, Tom 5. Hays'. Stu Hcllsbcro-", Jeff Hubcr", Leah Karnirwky. Nlkki Ledbetter3. Warren H. Lee". Ellssa Levin". Ondre) Ubiger\ Michael Linderman". Richard L. Love- David C Magnus-, AnneMarie Manland", Susan L McClure', Scott E. Meglll", Helen Messier"', Robert L. Nussbaum". L.-itha Palaniappan"1. Hratlry A Patay*. Bradley W. Popovich"'. John Qu Mark J. Savant-". Michael M. Su-, Sharon F. Terry". Steven Tucker-*, William T. Wong*1 and Robert C. Green-" Doporučení pro lékaře Genomika: lidský (savčí) génom Bowdin S et at: Recommendations for the integration of genomics into clinical practice. GenetMed. 2016May12. doi: 10.1038/gim.2016.17. [Epub ahead of print] Jedním z těchto doporučení je, aby nejen kliničtí genetici, ale i další poskytovatelé lékařské péče Dorozuměli výhodám a limitacím genomických vyšetření natolik, aby dokázali korektně interpretovat klinický význam diagnostikovaných genomických variant S>1m DNA S 24 chromosomů, mtDNA S > 3,100,000,000 bp S 20,000-25,000protein kódujících genů S (< 2% genomu) S„Junk"DNA: RNA, repetice, ?? 7 8 Genomika a holistický prístup: Génom je víc než souhrn genu latgtgcccgc cgcgcggcct cctccttgtg gccatcclgg cacctcagtt tggccaggaa cctccccaca gccacaccag ctcaaccact cccaaaacct gctgaggacc gbagcaaca accctagaat tctactcctg cacttctgaa gagatcgatc al aagagcagca ccgtggcggc ctgcctcccc ctggaactcg gcttccagag agatctcttt cataactaat tctatgatga cgctgtgcct tagcagcatc Ucaaggcca tgaatgccaa gctgttgata galcclcaga aacalgclga cagccallga caagctgatg caggccclga ccacaaaagc cclcccllga aggactggat ttllalaaaa cttcttcatg ccllcagaal ccgcgcagtg accabaaca gcttcctaa Icclcctaaa ccacctggac 61 gcccaggaat gttccagtgc 121 cgcttcagaa ggccaggcaa 181 cacaaaagac 241 ccccgaacga gagttgcctg 301 aggcctct 361 tgaagatgta ccaggtggag 421 ggcagatctt tctggatgag 481 acllcaacag tgagactglg 541 claaaglcaa gctctgcatc 601 ctatctgaat 661 Strukturní a funkční anotace genomu Postgenomic era Kompletní sekvence lidského genomu (Human genome project 2001) Anotace genomu 10 Sekvenovánídnes s DNA Sanger (1-2 kb) S DNA NGS (az cele genomy) S DNA NGS LR: „HiFi" (50 kb) S DNA exom S RNA Iso seq: full-length cDNA, PacBio SMRT sekvenovani Nová genomika S T2Tgenome(s) S Multi omics S Pangenomics, pangenomes 12 Multiomics Multiomics: Single cell genomics c3 • j5_ Souhra všech biologických úrovní ® o • o Genom Epigenom It- genes, and strain-sped lie genes (C) I'an-genome cons I rue lion strategies include iterative assembly, de novo assembly, and graphical pan-genomes. 15 16 Nemoc: reakce organismu na patogenní noxu •S Návrat k homeostáze ovlivněný charakterem noxy, prostředím, aktuálním stavem organismu a jeho genetickým založením S Ze své podstaty je individuálně variabilní a manifestuje se jako individuálně variabilní Symptomatologie S Část této variability je genetická S Potřeba personalizované/precizní medicíny Nemoci a geny Individuální variabilita genomu: mutace a polymorfismus s Mutace jako příčina dědičných nemocí s Genetický polymorfismus jako příčina variability v odolnosti a vnímavosti k nemocem 17 18 Dědičná onemocnění Úloha genomu ve vzniku nemocí 0.6% VCHA, 8% Mendelistická DO, 90% Multifaktoriální DO, 1.4% jiný než genetický problém S Jednoduchá (mendelistická) 3000lokusů S Komplexní před 10 lety 900 lokusů, dnes tisíce Dědičnost nemocí a vnímavosti k nemocem s Mendelistická: jednotlivé mutace se silným účinkem na fenotyp S Komplexní: interakce polymorfních variant (SNP) mnoha genů 19 20 Polymorfismus genomu: Single nucleotide polymorphisms (SNPs) •/ Nukleotidová sekvence cgcgcggcdcttgtggccatcctggtcctcctaaaccacctggac cgcgcggcdcttgtggtcatcctggtcctcctaaaccacctggac S Alely C,T s Genotypy CC, CT, 77 Mendelistická vs. nemendelistická dědičnost, jednoduché vs. komplexní znaky cgcgcggcctcttgtggccatcctggtcctcctaaaccacctggac cgcgcggcctcttgtggtcatcctggtcctcctaaaccocctggac Silný účinek, projev ve fenotypu Mendelistická dědičnost cgcgaggcglct tg tggcca tcctgg tcctcctaaaccac clggac cgcgcggctMtgtggtcaXctttgatcctcctoagccocctggoc M I I 1 5.1« U: iinliv ■: i -. i iii' iririkv .iř; ferpTVpo'.-eio p Silný účinek, projev ve fenotypu Nemendelistická dědičnost 21 22 Nové trendy •S Genomy a nemoci: genomická medicína y Mendelistická dědičná onemocnění: masivní genetická testování y Komplexní znaky a jejich dědičnost v medicíně: molekulární disekce, markery y Genetická odolnost/vnímavost k onemocněním: infekční choroby 23 Genomická medicína: miniaturizace a automatizace nttp://www.nurngen.ni/oi>r uaiai 24 6 r vr HOLISTICKÝ PRISTÚP Možnost řešení komplexních problémů: Příčiny a patogeneze nemocí Genové dráhy a mechanismus nemoci (patogeneze) httD://www.DolvaenicDathwavs.co.uk/ Family Gene Cholesterol and lipoprotein-related A2M, ABCA1, AP0A1, AP0A4, AP0C1, APOC2, APOC3, APOE, CD36,CETP, HMGCR, LDLR, LIRA, LRP1, LRP6, LPA, LPL, OLR1, SREBF1 Cytokines CCL2,CCR2,1L1B, 1L1RN, 1L6,1L1S,TGFB1,TNF Oxidative stress ALDH2, GSTM1, GSTT1, HFE, MPO, NOS3, PON 1, PON2 Nuclear receptor and related CYP19A1, ESR1, PPARA Proteases ACE, CST3, MMP1, MMP3, SERP1NE1 Miscellaneous BCHE, CBS,CD14,CRP, GNB3, HLA-A2, HTRS, 1CAM1, MEF2A, MTHFR, PTGS2, TLR4 Genes associated with both atherosclerosis/hypercholesterolaemia and Alzheimer's 27 28 A genome wide association study with 1,12e>,E>&3 individuals Identifies new risk loci for Alzheimer's disease Možnosti genomiky A Mechanismy/ Dráhy Geny ^2 Markery 29 30 Genomická medicína: finanční dostupnost COHORT SIZES :cc3 YEARS 2012 2014 2020 2025 Využití genetického testování 52 @ i t KLANEM ľTAL Talii l.Sunmai)' cf téieio teflr-a;. ľjrMiP description lo aredsely idencífý a disss? and ajsut in úioicil Cratire kinase igí: lew teí-jrs frr Djdieins nusfjlar oyitrt ahy ttedsiorHiiakiag Ta prediaihs. ic hood of de;; if t ; ^^í^ lo nciitand thŕ lit; iredof paishr. a ge-er'; iwae lo £ rJlití To bertrydisease ii ľenu 'ľatmecdtpsroírtíä p&O teairo. loí^rm.ftifartewMrriíias-adiieaieLitiwn t ajse ft leiňi In He- f aM íítéIc jnteit 3>*ť a 3tii>Ví nťtabolii tifita teeardi tating lo ícrt.hu'j ta cur udeistandinj of uicer^lng .■JJTgene rstfw Hurtingion c £ase;SfiOlgcre wstlng brbieasi earner cTTfl gere testing for qultflhreds ipardec alpiataartftuVFrorriil::' larel [jtec^efljjijchaspina bifida and Dowi ajitdrume All iiaia oiyit saeeo for at least i" dlMrofctsby i*, and jcik aats (at Im 50 c tc-e. "tun : ;■■>>■: (jalattusernla ICftLTJlawlMlne [scantier. ral -i*j"'->-r::Ti: ifr-j'-i Ihjlk iDtti«antk«gu:arf warfarin. JPMJgenetesdro;for liteyrsnonHtotNopuitie rn n>j r& j pa res i* tte afie Zinnv-w'Ae Siv.'i i^ir.ie :h? as-orjatori cf a vaanl ydtJi j trat Etická východiska: jak naložit s informacemi získanými genomickými metodami 31 32 Genomická diagnostika S Masivní vyšetření heterozygotnosti u AR DO (carrier test): Pfenašečstvi více než 830 nejčastějšich mutaci 77 genů způsobujících přes 60 AR DO (cystická fíbróza, spinální svalová atrofie, vrozené vady metabolismu, poruchy zraku a sluchu, choroby pohybového aparátu a kůže. s panel „CZECANCA" (CZEch CAncer paNel for Clinical Application 226 genů asociovaných s dědičnými nádorovými onemocněními) s Exomové sekvenování, celogenomové sekvenování Molekulární diagnostika: neinvazivní vyšetření plodu ✓ Vyšetření volné fetální DNA v mateřské krvi ^Alternativa k aminocentéze a vyšetření choriových klků na základě výsledků prenatálního skríningu ^Možnost celogenomového sekvenování plodu 33 34 Molekulární diagnostika: neinvazivní vyšetření plodu JAMA I Original Investigation Rapid Whole-Genomic Sequencing and a Targeted Neonatal Gene Panel in Infants With a Suspected Genetic Disorder JiL. Maron. MD. MPH. StephenKmgsmore. MD, Bruce D GeJb, MO. Jerry Vockley. MO. PhD; Knsten Wgby. MD; Mnnrfei Bragg WD Anrwrdi* Svcustfup. MO. MPH. Bienda Paindemer. MD. MS. Knsten Suline. ViD. Ue H. Kim. MD. PhD; Thomas Dacovo. MD. PhD; Cynthia M. Powell, MD, MS. Andrea Trembath. MD. MPH; Lucia Gudugk. PhD. Katarzyna A. Ellsworth, PhD. Dallas Reed. MO, Anne Kurfss. MPH; Jans L. Bteeie. MPH. LudovKTrlnc. Antlarytmika: Flccaind (CCMBC04). Pi Inhibitory (C09AA). Hydrochtorolhiaiid (C03EA01). Inhibitory HMG-COA ntdukMzy (it (C10AA03). Rosuvastabn (CI0AA07). Swmtastabn iClOAAOli Oyntkologlka: zol (AC2BC01). Pantopruol IA02BC02), Ondansetron (AMAAut). Troptsetron igulaneia: Avatrombopag (BO2BX08), ifenon (C01BC03). HypoMnziva: ACE y): Atorvastatin (C10AAO5). Pravastatin (G02CX02). Hormonálni antikoncepce (G03A). Andtnfakcnl latky: FluckwacJkn (J01CFOS), Vonkonaíot (JO2AC03), TubHkutoMatlka: Ethambulol (J04AKQ2), bonoad (J04AC01). Pyrajmanud IJ04AM0!.|. Rifampicin (J04AB03), Antívlretlka: Abacavir (J06A1061 Etaviienc (J05AG03). Newapin (J05AG01). Pegmlerfcron alfa-2aro (L03ABI1), Ribavirm (J05AP01). Telaprevir U05AP02}. Cytostatika: Asparagmasa (L0IXX02), Erdafitmib (L0tEXI6), Fluorouracil (L01BC02), Gefřtinib (L01EB01), Gemcitabin (L01BC05), Irinolecan (L01CE02). Kapecilabin (10TBCO6). Lapal ■■ ;. (L01EH01). Merkaptopurwi (IQ1BBQ2), Methotreiat {L01BA01). Platnou* preparáty (lOlXlQtX), TamomVn (L02BA01), Tegafur (L0IBC03), Tioguanin (L01BB03). Imunourapautlki: Azathioprin (LD4AX01). Etanercept (L04ABQ1) Síponimod (L04AA42). Takiolimus (104ADO2). Takrokmu* (L04AO02). UtleknubaO (L04AC05). N*tbtroldnt protltánátliv* léky (NSAJO): Cclekonb (M01AH01). Flurbiprofen (M01AE09). Ibuprofen j M01AE 011. Lomoncam IM01AC05I. MekiJukam IM01AC09I. Pmwjkam (MOIACOI). Tenoncam (M01ACO2). Urtkö*Utlk»: AJlopurmol {M04AAOI). Ra*buncasa (VO3AF07), Inhalten) wmmmOui: Inhakacnl anestehka (N01A8). Mrvacunum (M03AC10), Succaiyfcholin (M03AB01). Analgetika: Dmydiokodein {N03AAOB). Fentanyl (NOIAHOI), Fentanyl (NOIAHOI I. Kodein (N02AJO9). Lotend« (N07BCO4). Oiykodon (N02AA05), Tramadol (N02AX02). AntkipH«pUk>: Bnvaracctnm (N03AX23), Fenytoin (N03AB02). Fenytom (N03AB02). (Carbamazepin (N03AF01). Oncarbazepin (N03AF02). Jini psychorannaka: Anpiprazol (N05AX12J. Breipfirazol (N0SAX16). Ctooazam (N0SBAO9). Ctozaom (N05AHO2), llopendon (N05AX14), Thrandaz« (N05ACO2). Venlafaxm (N06AX16). VortiOMetin (N06AX26), Trtcyklkká anudeprasfva: Amitriptylin (H06AAO9). Clomipiamin (N06AA04). Doncpin [N06AA12). Imipramin {tv06AA02). Nortfrptykn INO6AA10), Trimipramin {N06AA06). SaWtttvnl Inhibitory zpétného vychytáváni s«roloninu (SSRl): Citalopram (ND6AB04), Escitalopram (NDSAB10) Sertfajin (NOÉAB06), Fluvoxamin (NO6AB08), Paioietm (N0ŔABG5). Jiná láchra nervového systému: Amitompndn (N07XX06). Atomoietin (N0SBA09). PimozW (N0SAGO2), Tetrabervuin (N07XX06). Vofcenazn (N07XX13). Andmalarfka: Pnmachm (P01BA03). Taktnoehm (P01BA07) 37 38 Odolnost/vnímavost k onemocněním Modelový příklad - genetika vnímavosti k infekcím Význam definice fenotypu Sourctt of variation Variable outcomes }sC ""* /i -k *Resistence: schopnost omezit replikaci patogena v hostitelském organismu vs. Tolerance: schopnost udržet homeostázu za přítomnosti patogena v organismu SudniulwuUc inlcvunn uuIl-uiiku. I lutl Bintllii. *hk.'h Li lind •[ cuncvptlun. Illc luilun. in J tur illttirlni: sustqitlIilliIK" in Ľipim-d mJnlJuiU ltrti>n>l tV»l -UMipoInliti. pulhiitri-n grnctkt Ivitukntil i> will js Jme lim uminliutn I Susceptibilita Tolerance, nosičství NegeneScké vlivy, přírodní 3 umělá sefeříce 39 40 Odolnost vs. vnímavost (resistence vs. susceptibilita) k onemocněním S Geny ovlivňující zdravotní stav v interakci s prostředím s Jejich polymorfismy nejsou příčinou onemocnění, ale ovlivňují reakci na (environmentálni) patogenní faktory s Evoluční kontext a význam •/ V praxi většinou relativní pojem Geny obranyschopnosti Imunogenom: 5% genomu Sfítllílífíl i z 3 a 5 6 Ir ^ ír ic n i! m *» a-MÍ III rftÄôÍB IS 14 15 IS 17 18 13 30 21 2 X ť 41 42 Mendelistická dědičnost Môndol an disorders crl Im mnul ty lů Infeeilon a&SK Laiad wliíi pradlspoEIII on or roslstiriL-o io ppoelíe Irrfôelksťis Komplexní dedičnosť. GWAS a infekce u lidí Infectious .-íijiinr Clinical phänötyr* I rn mil no logical phonotype QMS Neisseria lil-.Ti'-.i-.Tr- dlSMEÔ MAC dcliaieiisv CS, C6, Cl, CĚA, C8B.C8G.C9 In ras i,-c disease Properdin deficiency RFC Myco ba a e na MSMD IL-12/23-LFW-f deficiency IFNCR1.1FNGR2, D testmi mied STAT1, NBiAO, JL12S, tubörculoSs ILÍ2RB7 Streptococcus prretjwcvtíae- I nv as h/e disease IRAK-4 deficiency WWK4 Epsloin-Bairvtrus X-iinked SAP deficiency SH5D1A I yrnp toproi f e rati ve Human papillomavirus Epi dennodysp lasia EVER1 or EVER2 deficiency EvEfil, vermtiwrnis Plasmodium v/var Nahral resistance Lack of receptor for pathogen DAK Human immunodeficiency virus-1 Natural resistance Lack of receptor for pathogen CCR5 Noro virus Natural resistance Lack of receptor for pathogen FUT2 Table 1 Grnrfic loci identified by genome-wide association studies for linst susrqilihiliry In infrrlinus dhc.i3c-s Pathogen Sene or locus 3iolaeical mechanism AIDS' Human immunodeficiency wirus-1 Major histocompatibility complex, class 1 [HLA-B-HLA-Q, CCRS Acquired Immunity, deletion of viral co-receptor Hepatitis B2 Hepatitis B virus (HBV) Major histocompatibility complex, class II WLA-DP) Acquired Immunity Hepatitis Hepatitis C virus (HCV) IL2S3 Innate immunity Leprosy' Mycobacterium leprae Major histocompatibility complex, class II {HLA-D/f-DQ), N0D2, TNFSF15. RIPK2, CCDC122 and C13crf3D Acquired and innate immunity, and unknown rr nis'ns Tuberculosis8 Mycobacterium '■i i. L r.x;';is is 18qll.2