Optische Genomkartierung (optical genome mapping, OGM)

Strukturvarianten (SV’s) – definiert als Unterschied zwischen einem individuellen Genom und der humanen Genomreferenz von mindestens 50 Basenpaaren (bp) – repräsentieren eine wichtige Quelle menschlicher Diversität. Obwohl Einzelnukleotidvarianten (SNV’s) eine höhere Prävalenz im Genom aufweisen, können SV’s auf Grund der Veränderung vieler Nukleotide in einem einzelnen Ereignis ein stärkeren Einfluss auf das Genom und auf Phänotypen ausüben. Zudem sind mit einer höheren Wahrscheinlichkeit codierende Regionen betroffen sowie mehr als ein einzelnes Gen. Stellt die Next Generation Sequencing (NGS)-Technologie die Methode der Wahl zum Nachweis von SNV’s und kleinerer, intragenischer Kopienzahlveränderungen in Form von Deletionen oder Duplikationen (copy number variants, CNV’s) dar, so ist der Nachweis größerer CNV’s oder balancierter SV’s wie Translokationen oder Inversionen eine große Herausforderung.    

Die momentan in der zytogenetischen Routinediagnostik eingesetzten Methoden haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. So ermöglicht die konventionelle Chromosomenanalyse zwar die Detektion sowohl unbalancierter als auch balancierter SV’s auf Einzelzellniveau, jedoch nur mit einer geringen Auflösung von 5-10 Megabasenpaaren (Mb). Die chromosomale Mikroarray-Analyse (CMA) erlaubt hingegen den hoch auflösenden Nachweis von CNV’s bis zu einer Größe von ca. 10 Kilobasenpaaren (kb), kann jedoch keine balancierten SV’s detektieren.

Eine elegante Methode, diese Nachweislücke zu überbrücken, stellt die Methode der optischen Genomkartierung (OGM, Next Generation Cytogenomics, Next Generation Mapping) dar.

Bei dieser erstmals zu Beginn der 2010er Jahre entwickelten Methode wird nach Isolierung ultra-hoch molekularer DNA im Bereich von 100 kb bis zu 2 Mb- großer DNA-Fragmente durch Fluoreszenzmarkierung einer über 500.000 mal im haploiden Genom vorliegenden Erkennungssequenz ein spezifisches Bandenmuster erzeugt, das nach Linearisierung der DNA-Fragmente in einem Nanokanal mittels Laser abgetastet wird (vgl. konventionelle Chromosomenanalyse: durchschnittliche Bandenzahl von 500 – 600!). Der bioinformatorische Vergleich zwischen dem Patienten- und Referenzgenombandenmuster ermöglicht anschließend den Nachweis von SV’s mit einer Auflösung von bis zu 1 kb. 

Somit stellt die optische Genomkartierung eine wichtige Komplementierung der bisherigen Diagnostik bei Patienten mit Entwicklungsverzögerung / Intelligenzminderung / angeborenen Fehlbildungen dar. Die bislang bei diesem Patientenkollektiv übliche Stufendiagnostik aus konventioneller Chromosomenanalyse (Detektionsrate bis zu 15 %), CMA (ca. 20 %) und Panel-/Exomanalyse (20 – 25 %) lässt ca. 40 % der Patienten undiagnostiziert. So konnten Shieh et al. 2020 bei 4 von 23 Patienten mit Exom-negativer Analyse mittels optischer Genomkartierung pathogene SV’s nachweisen. Mantere et al. 2020 konnten in ihrer Studie von 85 Patienten mit 100 mittels Chromosomenanalyse / CMA nachgewiesenen strukturellen und numerischen Chromosomenaberrationen das große diagnostische Potenzial der optischen Genomkartierung demonstrieren. Nicht nur wurden alle 100 Aberrationen nachgewiesen, sondern es konnten auch auch alle Bruchpunktbereiche der strukturellen SV’s charakterisiert werden. In einer internen Validierungsstudie von 16 Patienten konnten ebenfalls alle Aberrationen mittels optischer Genomkartierung nachgewiesen werden. Dabei konnten die Bruchpunkte der balancierten SV’s auf einen Bereich zwischen 11 kb und 800 bp genau bestimmt werden.

Die optische Genomkartierung kann für folgende Indikationen angewandt werden:

  • Bruchpunktcharakterisierung balancierter SV’s (Translokationen, Inversionen)
  • Charakterisierung von Markerchromosomen und komplexen chromosomalen Rearrange-ments
  • Charakterisierung von Duplikationen (Tandem vs. Insertion, invertiert vs. nicht invertiert)
  • Nachweis submikroskopischer SV’s bei Patienten mit Entwicklungsverzögerung / Intelligenzminderung / Fehlbildungen nach negativer Stufendiagnostik
  • Suche nach SV im zweiten Allel bei autosomal-rezessiven Erkrankungen nach Nachweis einer SNV im ersten Allel

Literatur

Ho et al. 2020, Nat Rev Genet 21:171 / Li et al. 2017, Genome Bio 18:230 / Lindstrand et al. 2019, Genome Med 11:68 / Mantere et al. 2020, bioRxiv doi.org/10.1101/ 2020.07.15.205245 / Mostovoy et al. 2020, bioRxiv, doi.org/10.1101/2020.04.30.071449 / Shieh et al. 2020, bioRxiv, doi.org/10.1101/2020.10.22.20216531 / Wang et al. 2020, J Assist Reprod Genet 37(3):509

Postnatal:       

  • Patienten mit Entwicklungsverzögerung, neurologischen Auffälligkeiten und Dysmorphiezeichen bei unauffälliger Chromosomenanalyse
  • Patienten mit lichtmikroskopisch balanciert erscheinenden Veränderungen
  • Patienten mit bekannter Imbalance, die genauer charakterisiert werden soll
  • Patienten mit Markerchromosom
     

Pränatal (derzeit keine Leistung der GKV):

  • Abklärung einer nicht vererbten Chromosomenveränderung
  • Sonografische Auffälligkeit bei unauffälligem Chromosomensatz

Ü-Schein Muster 10 mit folgenden Angaben

  • Diagnose: entsprechende Diagnose und ICD-10 Code eintragen
  • Auftrag: Optische Genomkartierung

Hinweis:
Schriftliche Einwilligungserklärung gemäß GenDG erforderlich

2-3 ml frisches EDTA-Blut (max. 5 Tage alt bei 4°C )

Ca. 1,5 Mio Zellen (konfluente Zellkultur)

Kontakt

Dipl.-Biol. Uwe Heinrich
Abteilungsleitung Zytogenetik

Tel.: +49.89.895578-0
E-Mail: info@medizinische-genetik.de