Applied Biosystems™ Axiom™ Genotyping - Thiết kế nghiên cứu giải mã di truyền ở quy mô quốc gia

Điều quan trọng là phải xem xét các yếu tố của thiết kế array tùy theo mục tiêu nghiên cứu, có thể bao gồm phát hiện các tổ hợp mới, xác nhận và tinh chỉnh các phát hiện trước đó, và giám sát các biến thể quan trọng đã biết. Những yếu tố đó là: 

Phạm vi bao phủ toàn bộ hệ gen để khám phá 

Trong nghiên cứu di truyền học hiện đại, phương pháp suy luận được sử dụng để tận dụng nguồn lực của các dự án giải trình tự lớn. Với quy mô lớn bộ gen đã được giải trình tự, chúng tôi xây dựng được bảng gen tham chiếu vững chắc. Điều này cho phép xác định kiểu gen quy mô lớn với chi phí hiệu quả thông qua microarray từ 500,000-1,000,000 marker. Phương pháp suy luận sau đó giúp phát hiện thêm hàng chục triệu biến thể khác một cách chính xác.  Thiết kế tối ưu của lưới marker GWAS) được chọn lọc để hỗ trợ suy luận – là yếu tố then chốt để thực hiện thành công. Ví dụ, phiên bản Applied Biosystems™ Axiom™ Precision Medicine Diversity Array (PMDA) mới nhất được thiết kế với phạm vi bao phủ toàn diện cho các quần thể trong Dự án 1000 bộ gen, trong đó phần lớn không gian trong array phục vụ cho mục đích đó. Mỗi nghiên cứu cụ thể sẽ có các lựa chọn microarray phù hợp khác nhau. UK Biobank array đã được thiết kế đặc biệt nhằm mang lại phạm vi bao phủ cao trên dân số Anh trọng tâm là các biến thể phổ biến trong quần thể châu Âu. Biobank Phần Lan đã thiết kế Array cho quần thể người Phần Lan, sau khi trải qua một tình trạng tắc nghẽn gần đây, do đó chỉ cần ít marker nhưng vẫn đạt độ bao phủ cao. Kết quả giải trình tự từ dự đã chỉ ra rằng việc thiết kế array dựa trên bảng tham chiếu từ Dự án 1000 bộ gen sẽ phục vụ tốt cho nghiên cứu quần thể. Mặt khác, Taiwan Precision Medicine Initiative đã sử dụng một bảng tham chiếu tập trung và được tối ưu hóa riêng, nhằm thiết kế array phù hợp nhất với quần thể người Đài Loan. 

Xác định trực tiếp các biến thể quan trọng cho mục đích nghiên cứu 

Các biến thể được chọn có thể bao gồm những biến thể đã được xác định trước đó từ các nghiên cứu trước đây, tài liệu y khoa hoặc thực hành lâm sàng cũng như các biến thể có liên quan đến kiểu hình quan tâm. Yếu tố chung của nhóm biến thể này là suy luận cao hoặc không thực tế (ví dụ, đối với các biến thể hiếm) hoặc không hoàn toàn có thể hỗ trợ các mục tiêu nghiên cứu. Mặc dù hầu hết các biến thể phát hiện được bằng thiết kế đầu dò thông thường, một số khác cần thêm nỗ lực đáng kể. Ví dụ, trong một nghiên cứu ở nhóm dân số lớn tuổi, UK Biobank muốn phân tích các biến thể APOE e4, rs7412 và rs429358, những biến thể chịu trách nhiệm cho phần lớn nguy cơ mắc bệnh Alzheimer khởi phát sớm. Trước đó, biến thể rs429358 chưa từng được định kiểu gen thành công bằng microarray. Khi được xác định là mục tiêu chính của thiết kế array, chúng tôi đã dành thêm không gian để triển khai nhiều thiết kế đoạn dò.  Kết quả là một xét nghiệm thành công, và giải pháp này có thể được áp dụng cho nhiều array khác trong tương lai. 

Giám sát các biến thể có ý quan trọng đã biết 

Mặc dù một dự án nghiên cứu có mục đích phát hiện mới, nhưng việc xác định các biến thể đã biết vẫn đóng vai trò rất quan trong. Những biến thể này bao gồm các biến thể gây bệnh được lấy từ cơ sở dữ liệu ClinVar hoặc các cơ sở dữ liệu khác, cũng như các biến thể ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa thuốc dựa theo hướng dẫn của Hiệp hội thực hiện Dược lý Di truyền lâm sàng (CPIC). Các chuyên gia đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn và tích hợp các mô-đun phù hợp. Việc tích hợp các biến thể dược lý di truyền từ Applied Biosystems™ PharmacoScan™ array, hoặc một mô-đun nghiên cứu ung thư di truyền từ UK Biobank array, v.v., cung cấp nền tảng vững chắc cho thiết kế array mới. Từ đó cho phép các nhà nghiên cứu tập trung vào những phát hiện mới. Phiên bản Axiom PMDA mới nhất đã tích hợp toàn diện tất cả những điều này giúp mang đến một nền tảng toàn diện và cập nhật và linh hoạt cho nhiều mục tiêu nghiên cứu, trong khi các array tùy chỉnh thường tập trung theo mục đích cụ thể. 

Xác nhận các kết quả trước đó. 

Như đã đề cập ở trên, điều này có thể được thực hiện bằng cách đánh giá trực tiếp các biến thể. Một phương pháp khác là điều chỉnh lại vùng xung quanh GWAS trước đó, phân tích trực tiếp nhiều biến thể lân cận bao gồm các đa hình nucleotide đơn (SNP) và chèn/xóa (Indel) để xác định chính xác hơn biến thể nhân quả. Quá trình này thường tập trung vào các biến thể đã biết hoặc dự đoán gây mất chức năng; biến thể missense và nonsense; các biến thể nằm trong vùng điều hòa, tại các vị trí splice,v,v... 

Khảo sát chung của một lớp biến thể. 

Mục tiêu chính của phương pháp này là tập trung vào các biến thể exome, đặc biệt là những biến thể dự kiến gây mất chức năng. Ví dụ, UK Biobank Axiom Array bao gồm hàng chục nghìn biến thể dự đoán mất chức năng, với tần suất dao động từ rất cao xuống rất thấp trong dân số Anh. Bởi vì những biến thể này thường có kích thước hiệu ứng lớn, giúp chúng có thể đạt ý nghĩa trong phân tích liên kết, ngay cả khi chỉ tìm thấy 10-100 allele thay thế trong số 500,000 người tham gia nghiên cứu.  Các yếu tố điều hòa như vị trí gắn micro RNA (miRNA) cũng được quan tâm trong vấn đề này. 

Hình 1: Các mô-đun thành phần của Axiom Array: MAF: tần suất allele hiếm, HLA: kháng nguyên bạch cầu người, eQTL: locus tính trạng định lượng biểu hiện gen, CNV: biến thể số lượng bản sao.  

UK Biobank Axiom Array đóng vai trò nền tảng cho các nghiên cứu khác. 

Việc phát triển UK Biobank Axiom Array kết hợp nhiều yếu tố trong thiết kế array. Array này sử dụng thành phần từ nhiều biobank array khác nhau, tập trung bao phủ các biến thể phổ biến ở người châu Âu và người Mỹ gốc Phi, đồng thời xét nghiệm trực tiếp hàng trăm nghìn biến thể hiếm gây mất chức năng và biến thể không đồng nghĩa ở exome. Quá trình thiết kế UK Biobank Axiom Array đã bắt đầu bằng việc giảm bớt thành phần biến thể hiếm xuống, chỉ giữ lại các biến thể được kỳ vọng xuất hiện trong quần thể người Anh, bao gồm cả một số biến thể có tần suất thấp. Đồng thời, giảm độ bao phủ các biến thể di truyền đặc trưng ở người châu Phi. Phần không gian được giải phóng sau đó được sử dụng để tăng khả năng bao phủ các biến thể di truyền ở người Anh và châu Âu, mở rộng xuống mức tần suất thấp từ 1%. Các mô-đun marker cho nhiều kiểu hình quan trọng đã được tổng hợp bởi các nhà nghiên cứu và đối tác, bao gồm các bệnh lý thần kinh – tâm thần, ung thư, tim mạch và nhiều bệnh khác, cùng với các marker cho dược di truyền và suy đoán HLA. Kết quả array không chỉ cung cấp các thành phần đặc hiệu đáp ứng nhu cầu nghiên cứu trước mắt, mà còn cung cấp một bộ dữ liệu kiểu gen phong phú cho các nghiên cứu trong tương lai. 

Mở rộng thành phần nghiên cứu trên phiên bản Axiom PMDA mới nhất. 

Các array thương mại như Axiom PMDA được thiết kế nhằm đáp ứng các nhu cầu nghiên cứu tổng quát, chẳng hạn như khả năng suy luận các kiểu gen trên toàn cầu; các biến thể gây bệnh đã biết theo danh sách khuyến nghị báo cáo phát hiện tình cờ bởi American College Medical Genetics cùng các biến thể dược lý di truyền theo hướng dẫn của CPIC và nhiều nguồn khác. Thiết kế PMDA có thể được xem là bước phát triển tiếp theo của UK Biobank Axiom Array, với việc mở rộng phạm vi bao phủ sang quần thể trên toàn cầu và bổ sung thêm các biến thể có ý nghĩa y học cao dựa theo các phát hiện mới khoa học mới nhất. Một microarray được thiết kế riêng cho nhóm hoặc dự án nghiên cứu cụ thể có thể được tối ưu theo sát mục tiêu của dự án. Với khả năng tùy biến hoàn toàn của Applied Biosystems™ Axiom™ Genotyping Solution, chúng tôi có thể thiết kế microarray phù hợp theo từng dự án nghiên cứu — từ việc bổ sung các biến thể quan trọng vào PMDA, đến thêm một mô-đun có nguồn gốc UK Biobank Axiom Array vào array cho quần thể châu Á, hướng tới việc tạo một array tùy chỉnh hoàn toàn 100%.