Objasnění genetických příčin u vzácných neurologických onemocnění: přínos nových postupů využívajících data z masivně paralelního sekvenování

• Název práce v češtině: Objasnění genetických příčin u vzácných neurologických onemocnění: přínos nových postupů využívajících data z masivně paralelního sekvenování
• Název v anglickém jazyce: The elucidation of genetic causes in rare neurological diseases: the contribution of new methods using data from next generation sequencing
• Klíčová slova: bioinformatika, masivně paralelní sekvenování, mikrosatelity, MPS, neurogenetická onemocnění, neurologická onemocnění
• Klíčová slova anglicky: bioinformatics, neurogenetic diseases, neurologic diseases, next generation sequencing, NGS, short tandem repeats, STR
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Klinika dětské neurologie (13-441)
• Vedoucí / školitel: doc. MUDr. Dana Šafka Brožková, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 04.10.2021
• Datum zadání: 04.10.2021
• Datum potvrzení stud. oddělením: 30.12.2021

Předběžná náplň práce

Neurologické choroby výrazně negativně ovlivňují kvalitu života pacientů i jejich rodiny. Projevy těchto nemocí jsou různorodé, ale většinou velmi závažné a mohou vést i k úplné ztrátě mobility nebo soběstačnosti nemocných. Mezi tato onemocnění patří například epilepsie, dědičné periferní neuropatie, spastické paraparézy, ataxie a další. Jedná se tedy o heterogenní skupinu onemocnění, jejichž příčina je především genetická - monogenní i polygenní. Současnými diagnostickými metodami je však možné určit kauzální genetickou příčinu pouze u přibližně 30 % pacientů.
Mikrosatelity (short tandem repeats, STRs) jsou oblasti v genomu, u nichž dochází k repetitivnímu opakování krátkého nukleotidového motivu o délce obvykle 2 – 6 nukleotidů. STRs jsou vysoce polymorfní ve smyslu počtu opakování daného motivu. Nadměrné zmnožení STRs se ukázalo jako příčina různých onemocnění – primárně neurologických, nicméně aberantní zmnožení STRs je připisováno i některým formám rakoviny a dalším nemocem. Momentálně je známo téměř 40 různých genů, u kterých je popsáno spojení neurologických onemocnění s expanzí STRs. Pro choroby způsobené zmnožením STRs je typické, že s narůstající délkou expanze se stupňuje závažnost symptomů a zároveň dochází k dřívějšímu projevu nemoci u pacienta.
Masivně paralelní sekvenování (MPS) umožňuje sekvenování celého lidského exomu (WES) a genomu (WGS). U pacientů, u kterých WES vyšetření (analýza krátkých nukleotidových záměn, inzercí či delecí) neobjasní příčinu onemocnění, je možné pokračovat WGS vyšetřením. Z MPS dat lze analyzovat jak malé varianty v genomu (krátké nukleotidové záměny, inzerce a delece), tak velké aberace, jako jsou změny v počtu kopií genomových lokusů (copy number variation, CNV) a s použitím určitých přístupů i detekovat patogenní amplifikace repetitivních sekvencí.
Cílem tohoto projektu je zmapovat, v jakém rozsahu se na vzniku vzácných neurologických onemocnění u pacientů v ČR podílí aberantní genetické strukturální varianty (krátké nukleotidové záměny, inzerce, delece a CNV) a nadměrné zmnožení krátkých repetitivních sekvencí. Dalším cílem je pak zhodnotit diagnostický přínos nových bioinformatických metod zpracování MPS dat a vylepšení této neinvazivní diagnostické metody. Metody zahrnují zavedení nových bioinformatických postupů pro retrospektivní i prospektvní analýzu MPS dat u pacientů se vzácnými neurologickými chorobami.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Neurological diseases significantly negatively affect the quality of life of patients and their families. Manifestations of these diseases are diverse, but mostly very serious and can lead to a complete loss of mobility or self-sufficiency of patients. These diseases include epilepsy, hereditary peripheral neuropathies, spastic paraparesis, ataxia and others. It is therefore a heterogeneous group of diseases, the cause of which is mainly genetic - monogenic and polygenic. However, current diagnostic methods can only determine the causal genetic cause in approximately 30% of patients.
Microsatellites (short tandem repeats, STR) are sequences of DNA consisted of tandemly repeated nucleotide motifs, usually 2-6 nucleotides in length. STR are highly polymorphic in the number of repetitions of a given motif. Excessive amplification of STR has been shown to be the cause of various diseases - primarily neurological. However aberrant expansion in STR is also known to attribute to some forms of cancer and other diseases. At present, almost 40 different genes with the association of neurological disease to aberrant STR amplification has been described. For STR diseases is typical that with increasing size of expansion, the severity of symptoms increases and at the same time the patient exhibits an earlier manifestation of the disease.
Next generation sequencing (NGS) allows sequencing of the entire human exome (WES) and genome (WGS). In patients in whom WES examination (analysis of short nucleotide changes, insertions or deletions) does not explain the cause of the disease, it is possible to continue with WGS. NGS data allows the detection of small variants in the genome (short nucleotide substitutions, insertions and deletions) and also large aberrations (such as changes in copy number variations (CNV) and pathogenic STR amplifications using new approaches).
The aim of this project is to discover the extent to which aberrant genetic structural variants (short nucleotide substitutions, insertions, deletions and CNV) and excessive STR expansions contribute to the development of rare neurological diseases in patients in the Czech Republic. Another goal is to evaluate the diagnostic gains of new bioinformatics methods of NGS data processing and the improvement of this non-invasive diagnostic method. The methods include the introduction of new bioinformatics procedures for retrospective and prospective analysis of MPS data of patients with rare neurological diseases.