Next-generation sequencing (NGS) technologies have changed the process of genetic diagnosis from a gene-by-gene approach to syndrome-based diagnostic gene panel sequencing (DPS), diagnostic exome sequencing (DES), and diagnostic genome sequencing (DGS). A priori information on the causative genes that might underlie a genetic condition is a prerequisite for genetic diagnosis before conducting clinical NGS tests. Theoretically, DPS, DES, and DGS do not require any information on specific candidate genes. Therefore, clinical NGS tests sometimes detect disease-related pathogenic variants in genes underlying different conditions from the initial diagnosis. These clinical NGS tests are expensive, but they can be a cost-effective approach for the rapid diagnosis of rare disorders with genetic heterogeneity, such as the glycogen storage disease, familial intrahepatic cholestasis, lysosomal storage disease, and primary immunodeficiency. In addition, DES or DGS may find novel genes that that were previously not linked to human diseases.
Until now, rare disease studies have mainly been carried out by detecting simple variants such as single nucleotide substitutions and short insertions and deletions in protein-coding regions of disease-associated gene panels using diagnostic next-generation sequencing in association with patient phenotypes. However, several recent studies reported that the detection rate hardly exceeds 50% even when whole-exome sequencing is applied. Therefore, the necessity of introducing whole-genome sequencing is emerging to discover more diverse genomic variants and examine their association with rare diseases. When no diagnosis is provided by whole-genome sequencing, additional omics techniques such as RNA-seq also can be considered to further interrogate causal variants. This paper will introduce a description of these multi-omics techniques and their applications in rare disease studies.
Remarkable advances in genetic diagnosis expanded our knowledge about inherited tubulopathies and other genetic kidney diseases. This review suggests a simple categorization of inherited tubular disease, clarifies the concept of autosomal dominant tubulointerstitial kidney disease (ADTKD), and introduces novel therapies developed for tubulopathies. Facing patients with suspicious tubular disorders, clinicians should first evaluate the status of volume and acid-base. This step helps the clinicians to localize the affected segment and to confirm genetic diagnosis. ADTKD is a recently characterized disease entity involving tubules. The known causative genes are UMOD, MUC1, REN, and HNF1β. Still, only half of ADTKD patients show mutations for these four identified genes. Whole exome sequencing is a suitable diagnostic tool for tubulopathies, especially for ADTKD. Genetic approaches to treat tubulopathies have progressed recently. Despite the practical obstacles, novel therapies targeting inherited tubulopathies are currently in development.
Park, Sehhoon;Lee, Chung;Ku, Bo Mi;Kim, Minjae;Park, Woong-Yang;Kim, Nayoung K.D.;Ahn, Myung-Ju
BMB Reports
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v.54
no.7
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pp.386-391
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2021
Owing to rapid advancements in NGS (next generation sequencing), genomic alteration is now considered an essential predictive biomarkers that impact the treatment decision in many cases of cancer. Among the various predictive biomarkers, tumor mutation burden (TMB) was identified by NGS and was considered to be useful in predicting a clinical response in cancer cases treated by immunotherapy. In this study, we directly compared the lab-developed-test (LDT) results by target sequencing panel, K-MASTER panel v3.0 and whole-exome sequencing (WES) to evaluate the concordance of TMB. As an initial step, the reference materials (n = 3) with known TMB status were used as an exploratory test. To validate and evaluate TMB, we used one hundred samples that were acquired from surgically resected tissues of non-small cell lung cancer (NSCLC) patients. The TMB of each sample was tested by using both LDT and WES methods, which extracted the DNA from samples at the same time. In addition, we evaluated the impact of capture region, which might lead to different values of TMB; the evaluation of capture region was based on the size of NGS and target sequencing panels. In this pilot study, TMB was evaluated by LDT and WES by using duplicated reference samples; the results of TMB showed high concordance rate (R2 = 0.887). This was also reflected in clinical samples (n = 100), which showed R2 of 0.71. The difference between the coding sequence ratio (3.49%) and the ratio of mutations (4.8%) indicated that the LDT panel identified a relatively higher number of mutations. It was feasible to calculate TMB with LDT panel, which can be useful in clinical practice. Furthermore, a customized approach must be developed for calculating TMB, which differs according to cancer types and specific clinical settings.
Interdigitating dendritic cell sarcoma (IDCS) is an aggressive neoplasm and is an extremely rare disease, with a challenging diagnosis. Etiology of IDCS is also unknown and most studies with only case reports. In our case, immunohistochemistry showed that the tumor cells were positive for S100, CD45, and CD68, but negative for CD1a and CD21. This study aimed to investigate the causative factors of IDCS by sequencing the protein-coding regions of IDCS. We performed whole-exome sequencing with genomic DNA from blood and sarcoma tissue of the IDCS patient using the Illumina Hiseq 2500 platform. After that, we conducted Sanger sequencing for validation of sarcoma-specific variants and gene ontology analysis using DAVID bioinformatics resources. Through comparing sequencing data of sarcoma with normal blood, we obtained 15 nonsynonymous single nucleotide polymorphisms (SNPs) as sarcoma-specific variants. Although the 15 SNPs were not validated by Sanger sequencing due to tumor heterogeneity and low sensitivity of Sanger sequencing, we examined the function of the genes in which each SNP is located. Based on previous studies and gene ontology database, we found that POLQ encoding DNA polymerase theta enzyme and FNIP1 encoding tumor suppressor folliculin-interacting protein might have contributed to the IDCS. Our study provides potential causative genetic factors of IDCS and plays a role in advancing the understanding of IDCS pathogenesis.
Alport syndrome (ATS) is an inherited glomerular disease caused by mutations in one of the type IV collagen novel chains (${\alpha}3$, ${\alpha}4$, and ${\alpha}5$). ATS is characterized by persistent microscopic hematuria that starts during infancy, eventually leading to either progressive nephritis or end-stage renal disease. There are 3 known genetic forms of ATS, namely X-linked ATS, autosomal recessive ATS, and autosomal dominant ATS. About 80% of patients with ATS have X-linked ATS, which is caused by mutations in the type IV collagen ${\alpha}5$ chain gene, COL4A5. Although an 80% mutation detection rate is observed in men with X-linked ATS, some difficulties do exist in the genetic diagnosis of ATS. Most mutations are point mutations without hotspots in the COL4A3, COL4A4, and COL4A5 genes. Further, there are insufficient data on the detection of COL4A3 and COL4A4 mutations for their comparison between patients with autosomal recessive or dominant ATS. Therefore, diagnosis of ATS in female patients with no apparent family history can be challenging. Therefore, in this study, we used whole-exome sequencing (WES) to identify mutations in type IV collagen in 2 girls with glomerular basement membrane structural changes suspected to be associated with ATS; these patients had no relevant family history. Our results revealed de novo c.4688G>A (p.Arg1563Gln) and c.2714G>A (p.Gly905Asp) mutations in COL4A5. Therefore, we suggest that WES is an effective approach to obtain genetic information in ATS, particularly in female patients without a relevant family history, to detect unexpected DNA variations.
Loss of heterozygosity (LOH) is a genomic aberration. In some cases, LOH can be generated without changing the copy number, which is called copy-neutral LOH (CN-LOH). CN-LOH frequently occurs in various human diseases, including cancer. However, the biological and clinical implications of CN-LOH for human diseases have not been well studied. In this study, we compared the performance of CN-LOH determination using three commonly used tools. For an objective comparison, we analyzed CN-LOH profiles from single-nucleotide polymorphism array data from 10 colon adenocarcinoma patients, which were used as the reference for comparison with the CN-LOHs obtained through whole-exome sequencing (WES) data of the same patients using three different analysis tools (FACETS, Nexus, and Sequenza). The majority of the CN-LOHs identified from the WES data were consistent with the reference data. However, some of the CN-LOHs identified from the WES data were not consistent between the three tools, and the consistency with the reference CN-LOH profile was also different. The Jaccard index of the CN-LOHs using FACETS (0.84 ± 0.29; mean value, 0.73) was significantly higher than that of Nexus (0.55 ± 0.29; mean value, 0.50; p = 0.02) or Sequenza (0 ± 0.41; mean value, 0.34; p = 0.04). FACETS showed the highest area under the curve value. Taken together, of the three CN-LOH analysis tools, FACETS showed the best performance in identifying CN-LOHs from The Cancer Genome Atlas colon adenocarcinoma WES data. Our results will be helpful in exploring the biological or clinical implications of CN-LOH for human diseases.
Kim, Jae-Jung;Hong, Young Mi;Yun, Sin Weon;Lee, Kyung-Yil;Yoon, Kyung Lim;Han, Myung-Ki;Kim, Gi Beom;Kil, Hong-Ryang;Song, Min Seob;Lee, Hyoung Doo;Ha, Kee Soo;Jun, Hyun Ok;Choi, Byung-Ok;Oh, Yeon-Mok;Yu, Jeong Jin;Jang, Gi Young;Lee, Jong-Keuk;The Korean Kawasaki Disease Genetics Consortium,
Genomics & Informatics
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v.19
no.4
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pp.38.1-38.7
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2021
Kawasaki disease (KD) is an acute pediatric vasculitis that affects genetically susceptible infants and children. To identify coding variants that influence susceptibility to KD, we conducted whole exome sequencing of 159 patients with KD and 902 controls, and performed a replication study in an independent 586 cases and 732 controls. We identified five rare coding variants in five genes (FCRLA, PTGER4, IL17F, CARD11, and SIGLEC10) associated with KD (odds ratio [OR], 1.18 to 4.41; p = 0.0027-0.031). We also performed association analysis in 26 KD patients with coronary artery aneurysms (CAAs; diameter > 5 mm) and 124 patients without CAAs (diameter < 3 mm), and identified another five rare coding variants in five genes (FGFR4, IL31RA, FNDC1, MMP8, and FOXN1), which may be associated with CAA (OR, 3.89 to 37.3; p = 0.0058- 0.0261). These results provide insights into new candidate genes and genetic variants potentially involved in the development of KD and CAA.
Hereditary spastic paraplegia is a not common inherited neurological disorder with heterogeneous clinical expressions. ALDH18A1 (located on 10q24.1) gene-related spastic paraplegias (SPG9A and SPG9B) are rare metabolic disorders caused by dominant and recessive mutations that have been found recently. Autosomal recessive hereditary spastic paraplegia is a common and clinical type of familial spastic paraplegia linked to the SPG11 locus (locates on 15q21.1). There are different symptoms of spastic paraplegia, such as muscle atrophy, moderate mental retardation, short stature, balance problem, and lower limb weakness. Our first proband involves a 45 years old man and our second proband involves a 20 years old woman both are affected by spastic paraplegia disease. Genomic DNA was extracted from the peripheral blood of the patients, their parents, and their siblings using a filter-based methodology and quantified and used for molecular analysis and sequencing. Sequencing libraries were generated using Agilent SureSelect Human All ExonV7 kit, and the qualified libraries are fed into NovaSeq 6000 Illumina sequencers. Sanger sequencing was performed by an ABI prism 3730 sequencer. Here, for the first time, we report two cases, the first one which contains likely pathogenic NM_002860: c.475C>T: p.R159X mutation of the ALDH18A1 and the second one has likely pathogenic NM_001160227.2: c.5454dupA: p.Glu1819Argfs Ter11 mutation of the SPG11 gene and also was identified by the whole-exome sequencing and confirmed by Sanger sequencing. Our aim with this study was to confirm that these two novel variants are direct causes of spastic paraplegia.
Lee, Hyeonju;Min, Jeesu;Ahn, Yo Han;Kang, Hee Gyung
Childhood Kidney Diseases
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v.26
no.1
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pp.40-45
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2022
Purpose: Chronic kidney disease (CKD) has various underlying causes in children. Identification of the underlying causes of CKD is important. Genetic causes comprise a significant proportion of pediatric CKD cases. Methods: In this study, we performed whole-exome sequencing (WES) to identify genetic causes of pediatric CKD. From January to June 2021, WES was performed using samples from pediatric patients with CKD of unclear etiology. Results: Genetic causes were investigated using WES in 37 patients (17 males) with pediatric CKD stages 1 (n=5), 2 (n=7), 3 (n=2), 4 (n=2), and 5 (n=21). The underlying diseases were focal segmental glomerulosclerosis (n=9), congenital anomalies of the kidney and urinary tract including reflux nephropathy (n=8), other glomerulopathies (n=7), unknown etiology (n=6), and others (n=7). WES identified genetic causes of CKD in 12 of the 37 patients (32.4%). Genetic defects were discovered in the COL4A4 (n=2), WT1 (n=2), ACTN4, CEP290, COL4A3, CUBN, GATA3, LAMA5, NUP107, and PAX2 genes. WT1 defects were found in patients whose pathologic diagnosis was membranoproliferative glomerulonephritis, and identification of CUBN defects led to discontinuation of immunosuppressive agents. Genetic diagnosis confirmed the clinical diagnosis of hypoparathyroidism, sensorineural deafness, and renal disease; Alport syndrome; and Joubert syndrome in three of the patients with CKD of unknown etiology (COL4A4 [n=2], CUBN [n=1]). Extrarenal symptoms were considered phenotypic presentations of WT1, PAX2, and CEP290 defects. Conclusions: WES provided a genetic diagnosis that confirmed the clinical diagnosis in a significant proportion (32.4%) of patients with pediatric CKD.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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