Large confetti Klinická 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 PřF MUNI Large confetti Outline ü Genomická medicína: motivace pro lékaře ü Genomy, geny, genetická variabilita, nemoci ü Genomika a medicína: nástroje ü Praktické aplikace • Large confetti Genomická medicína: predikce z roku 2011 Green et al. 2011 Large confetti Genomická medicína v praxi Large confetti Personalizovaná medicína Large confetti Genomická medicína v praxi Large confetti Doporučení pro lékaře Bowdin S et al.: Recommendations for the integration of genomics into clinical practice. Genet Med. 2016 May 12. doi: 10.1038/gim.2016.17. [Epub ahead of print] Large confetti Genomika: lidský (savčí) genom ü> 1m DNA ü24 chromosomů, mtDNA ü> 3,100,000,000 bp ü20,000–25,000 protein kódujících genů ü(< 2% genomu) ü„Junk“ DNA: RNA, repetice, ?? Large confetti Corn_1.jpg Corn_2.jpg Slide courtesy of Prof. Jamie McLeod, UK Lexington Corn_Maze_3.jpg Corn_maze_2.jpg Genomika a holismus Large confetti Genomika a holistický přístup: Genom je víc než souhrn genů • 1atgtgcccgc cgcgcggcct cctccttgtg gccatcctgg tcctcctaaa ccacctggac 61 cacctcagtt tggccaggaa cctccccaca gccacaccag gcccaggaat gttccagtgc 121 ctcaaccact cccaaaacct gctgaggacc gtcagcaaca cgcttcagaa ggccaggcaa 181 accctagaat tctactcctg cacttctgaa gagatcgatc atgaggatat cacaaaagac 241 aagagcagca ccgtggcggc ctgcctcccc ctggaactcg ccccgaacga gagttgcctg 301 gcttccagag agatctcttt cataactaat gggagttgcc tgacccccgg aaaggcctct 361 tctatgatga cgctgtgcct tagcagcatc tatgaggact tgaagatgta ccaggtggag 421 ttcaaggcca tgaatgccaa gctgttgata gatcctcaga ggcagatctt tctggatgag 481 aacatgctga cagccattga caagctgatg caggccctga acttcaacag tgagactgtg 541 ccacaaaagc cctcccttga aggactggat ttttataaaa ctaaagtcaa gctctgcatc 601 cttcttcatg ccttcagaat ccgcgcagtg accatcaaca ggatgatggg ctatctgaat 661 gcttcctaa Strukturní a funkční anotace genomu Large confetti Postgenomic era Kompletní sekvence lidského genomu (Human genome project 2001) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genomes/ Anotace genomu Large confetti Sekvenování dnes üDNA Sanger (1-2 kb) üDNA NGS (až celé genomy) üDNA NGS LR: „HiFi“ (50 kb) üDNA exom üRNA Iso seq: full-length cDNA, PacBio SMRT sekvenování Sekvenování je základem poznání genomů i genomické diagnostiky. Nevýhodou NGS jsou krátká čtení neumožňující určení dostatečně dlouhých haplotypů, což řeší dlouhá čtení (LR NGS). Large confetti Nová genomika ü T2T genome(s) üMulti omics üPangenomics, pangenomes Formální dělení V genetice živočichů je významný komparativní aspekt Large confetti Multiomics https://doi.org/10.3389/fcell.2018.00028 Formální dělení V genetice živočichů je významný komparativní aspekt Large confetti Multiomics: üGenom üEpigenom üTranskriptom üProteom üMetabolome üMikrobiom Nemoc definována na všech úrovních Regulační okruhy u komplexních fenotypů Celogenomové sekvence vznikají postupným skládáním překrývajících se úseků DNA Large confetti Pangenomes Formální dělení V genetice živočichů je významný komparativní aspekt Large confetti •Microbiome and immunogenome Large confetti •Nemoc: •reakce organismu na patogenní noxu • Large confetti Nemoci a geny Large confetti üJednoduchá (mendelistická) 3000 lokusů ü Komplexní před 10 lety 900 lokusů, dnes tisíce Dědičná onemocnění Úloha genomu ve vzniku nemocí 0.6% VCHA, 8% Mendelistická DO, 90% Multifaktoriální DO, 1.4% jiný než genetický problém Large confetti Dědičnost nemocí a vnímavosti k nemocem ü Mendelistická: jednotlivé mutace se silným účinkem na fenotyp ü Komplexní: interakce polymorfních variant (SNP) mnoha genů Large confetti Molekulární podstata: Single nucleotide polymorphisms (SNPs) cgcgcggcctcttgtggccatcctggtcctcctaaaccacctggac cgcgcggcctcttgtggtcatcctggtcctcctaaaccacctggac üNukleotidová sekvence üGenotypy CC, CT, TT üAlely C, T Large confetti Mendelistická vs. nemendelistická dědičnost, jednoduché vs. komplexní znaky: molekulární podstata Large confetti Nové trendy Large confetti Genomická medicína: miniaturizace a automatizace http://www.humgen.nl/SNP_databases.html Large confetti Hledání kauzálních genů a polymorfismů: GWAS Large confetti ng Large confetti HOLISTICKÝ PŘÍSTUP Možnost řešení komplexních problémů: Příčiny a patogeneze nemocí Large confetti Genové dráhy a mechanismus nemoci (patogeneze) http://www.polygenicpathways.co.uk/ Genes associated with both atherosclerosis/hypercholesterolaemia and Alzheimer's Family Gene Cholesterol and lipoprotein-related A2M, ABCA1, APOA1, APOA4, APOC1, APOC2, APOC3, APOE, CD36, CETP, HMGCR, LDLR, LIPA, LRP1, LRP6, LPA, LPL, OLR1, SREBF1 Cytokines CCL2, CCR2, IL1B, IL1RN, IL6,IL18, TGFB1, TNF Oxidative stress ALDH2, GSTM1, GSTT1, HFE, MPO, NOS3, PON1, PON2 Nuclear receptor and related CYP19A1, ESR1, PPARA Proteases ACE, CST3, MMP1, MMP3, SERPINE1 Miscellaneous BCHE, CBS, CD14, CRP, GNB3, HLA-A2, HTR6, ICAM1, MEF2A, MTHFR, PTGS2, TLR4 Large confetti Genové dráhy a mechanismus nemoci (patogeneze) Large confetti Large confetti Možnosti genomiky Mechanismy/ Dráhy Geny Markery Large confetti Genomická medicína: finanční dostupnost Large confetti Využití genetického testování Etická východiska: jak naložit s informacemi získanými genomickými metodami Large confetti Genomická diagnostika ü Masivní vyšetření heterozygotnosti u AR DO (carrier test): Přenašečství více než 830 nejčastějších mutací 77 genů způsobujících přes 60 AR DO (cystická fibróza, spinální svalová atrofie, vrozené vady metabolismu, poruchy zraku a sluchu, choroby pohybového aparátu a kůže. ü panel „CZECANCA“ (CZEch CAncer paNel for Clinical Application 226 genů asociovaných s dědičnými nádorovými onemocněními) üExomové sekvenování, celogenomové sekvenování • Large confetti Molekulární diagnostika: neinvazivní vyšetření plodu ü Vyšetření volné fetální DNA v mateřské krvi üAlternativa k aminocentéze a vyšetření choriových klků na základě výsledků prenatálního skríningu üMožnost celogenomového sekvenování plodu Large confetti Molekulární diagnostika: neinvazivní vyšetření plodu Large confetti Preimplantační genetická diagnostika üV kontextu asistované reprodukce (punkce blastocysty po IVF) üDiagnostika u embryí: cílená na základě rodinné anamnézy nebo skríning nejčastějších mutací u darovaných embryí üSelekce embryí ü • Large confetti Farmakogenetika: ADR Large confetti Farmakogenetika v praxi Large confetti Zubní lékařství a genomika Large confetti Zubní lékařství a genomika Large confetti Zubní lékařství a genomika Large confetti Budoucnost genomiky a zubní lékařství: editace genomů Large confetti Odolnost/vnímavost k onemocněním Modelový příklad - genetika vnímavosti k infekcím Large confetti Large confetti Infekční nemoc jako výsledek interakce hostitele a patogena „The infection must be seen in the context of the countermeasures produced by the parasite, and judged as a dynamic interaction of host and parasite rather than the clearance of an inert antigen by the host immune response“ Riffkin et al., 1996 Large confetti Infekční nemoc jako výsledek interakce hostitele a patogena üNemoc jako obranná reakce üČasto jedinečná kombinace hostitele a patogena üIndividuální rozdíly v použití různých imunologických mechanismů v reakci na téhož patogena üSymptomatologie určena převážně patogenem nebo převážně hostitelem Large confetti Nejednoznačný význam variability v imunitní odpovědi: silná nebo slabá? Protektivní imunita Resistence k infekci Autoimunita, alergie Zánět •Skylla and Charybda odolnosti/vnímavosti k nemocem Large confetti Genetika: význam definice fenotypu •*Resistence: schopnost omezit replikaci patogena v hostitelském organismu •vs. •Tolerance: schopnost udržet homeostázu za přítomnosti patogena v organismu Susceptibilita Tolerance, nosičství Resistence Negenetické vlivy, přírodní a umělá selekce Large confetti Geny odolnosti a vnímavosti k onemocněním ü Geny ovlivňující zdravotní stav v interakci s prostředím ü Jejich polymorfismy nejsou příčinou onemocnění, ale ovlivňují reakci na (environmentální) patogenní faktory ü Evoluční kontext a význam ü V praxi většinou relativní pojem ü Large confetti •Geny obranyschopnosti Imunogenom: 5% genomu Large confetti Komplexní dědičnost: genomika a infekce u lidí Large confetti Mendelistická dědičnost vnímavosti k infekcím Picard et al Curr Opin Immunol 2006 Large confetti Komplexní dědičnost: GWAS a infekce u lidí De Bakker, Telenti 2010 Large confetti Mechanismy nemocí ü Infekce ü Alergie, ADR ü Autoimunita ü Komplexní imunopatologie ü Large confetti Příklady üNoroviry, rotaviry (FUT2) üAIDS (CCR5) üMalárie (Duffy) üCOVID 19 Large confetti Large confetti •Covid 19 a genetika hostitele • Large confetti Komplexní patogeneze: celiakie Large confetti Zubní lékařství - příklady Large confetti Zubní lékařství - příklady Celkem 2 x 3 strany Large confetti Netranslatovaný genom a vnímavost k infekcím Large confetti Zubní lékařství - příklady Large confetti Vakcinace a genetika üIndividuální variabilita imunitní odpovědi po vakcinaci ü ü Využití genetických principů při produkci nových vakcín, farmakogenomika Large confetti Vakcinace a genetika Individuální variabilita imunitní odpovědi po vakcinaci Large confetti Genetika vakcinace a personalizovaná medicína Large confetti Doporučení pro lékaře a využitelnost v praxi Bowdin S et al.: Recommendations for the integration of genomics into clinical practice. Genet Med. 2016 May 12. doi: 10.1038/gim.2016.17. [Epub ahead of print] Large confetti Využitelnost v praxi: odborná interpretace jako základ aplikací üPochopení podstaty používaných přístupů: umět třídit informace a soustředit se na podstatu üEtická východiska: jak naložit s informacemi získanými genomickými metodami Large confetti Využitelnost v praxi Minimální varianta üKdy a kam referovat pacienta ke genetickému vyšetření - indikace a interpretace üKdy nereferovat pacienta ke genetickému vyšetření Large confetti Dotazy i v tomto stavu?