Adapted application of NGS to improve genetic characterization of tuberous sclerosis complex and spinal muscular atrophy patients

Abstract

La next-generation sequencing (NGS) ha suposat un canvi radical en el diagnòstic de les malalties genètiques, ja que permet la seqüenciació paral·lela massiva d'àmplies regions de DNA en múltiples pacients en el mateix experiment. En el camp del complexe esclerosi tuberosa (CET), l'ús de la NGS aconsegueix el diagnòstic genètic del 85-90% dels pacients. Per a millorar la taxa diagnòstica, hem desenvolupat un flux de treball centrat en la identificació de variants a baixa freqüència i variants intròniques profundes. La seva aplicació ens ha permès diagnosticar 29 pacients, incloent a cinc pacients amb variants a baixa freqüència (freqüència al·lèlica <20%) i dos amb variants intròniques profundes. En l'àrea de l'atròfia muscular espinal (AME), aproximadament el 95% dels pacients presenten deleció homozigota del gen SMN1 com a causa de la malaltia. Tanmateix, s'observa una gran variabilitat fenotípica entre pacients. El nombre de còpies de SMN2, el gen paràleg de SMN1 i gairebé idèntic, es considera el principal modificador de la malaltia, ja que SMN2 és parcialment funcional i, en una certa manera, compensa la producció de proteïna SMN. Per a estudiar la variabilitat genètica de SMN2 en pacients de AME, hem desenvolupat un mètode basat en la NGS que permet estudiar en profunditat la regió SMN, més enllà de l'estudi del nombre de còpies de SMN1 i SMN2. La seva aplicació en 368 pacients d'AME ens ha permès detectar variants modificadores, estructures híbrides SMN2-SMN1 i l'anàlisi de les regions consens de les teràpies modificadores de SMN2. L'aplicació adaptada de la tècnica NGS empleada en aquest treball ha millorat la taxa diagnòstica en la malaltia CET i la caracterització genètica de la regió SMN en pacients d'AME.

La next-generation sequencing (NGS) ha supuesto un cambio radical en el diagnóstico de las enfermedades genéticas, ya que permite la secuenciación paralela masiva de amplias regiones de DNA en múltiples pacientes en el mismo experimento. En el campo del complejo esclerosis tuberosa (CET), el uso de la NGS logra el diagnóstico genético del 85-90% de los pacientes. Para mejorar la tasa diagnóstica, hemos desarrollado un flujo de trabajo centrado en la identificación de variantes a baja frecuencia y variantes intrónicas profundas. Su aplicación nos ha permitido diagnosticar 29 pacientes, incluyendo a cinco con variantes a baja frecuencia (frecuencia alélica <20%) y dos con variantes intrónicas profundas. En el área de la atrofia muscular espinal (AME), aproximadamente el 95% de los pacientes presentan deleción homocigota del gen SMN1 como causa de la enfermedad. Sin embargo, se observa una gran variabilidad fenotípica entre pacientes. El número de copias de SMN2, el gen parálogo de SMN1 y casi idéntico, se considera el principal modificador de la enfermedad, ya que SMN2 es parcialmente funcional y, en cierta manera, compensa la producción de proteína SMN. Para investigar la variabilidad genética de SMN2 en pacientes de AME, hemos desarrollado un método basado en la NGS que permite estudiar en profundidad la región SMN, más allá del estudio del número de copias de SMN1 y SMN2. Su aplicación en 368 pacientes de AME nos ha permitido detectar variantes modificadoras, estructuras híbridas SMN2-SMN1 y el análisis de las regiones consenso de las terapias modificadoras de SMN2. La aplicación adaptada de la técnica NGS utilizada en este trabajo ha mejorado la tasa diagnóstica en la enfermedad CET y la caracterización genética de la región SMN en pacientes de AME.

Next-generation sequencing (NGS) has supposed a radical change in diagnosis of genetic diseases, as it allows a massively parallel sequencing of large DNA regions in multiple patients in the same experiment. In the field of tuberous sclerosis complex (TSC), the use of NGS achieves the genetic diagnosis in 85-90% of patients. To improve the diagnostic yield, we have developed a workflow focused on the identification of low-frequency and deep intronic variants. Its application has allowed us to diagnose 29 patients, including 5 patients with low frequency variants (allele frequency <20%) and 2 with deep intronic variants. In the field of spinal muscular atrophy (SMA), about 95% of patients present homozygous deletion of SMN1 gene as the cause of the disease. However, there is a large phenotypic variability between patients. Copy number of SMN2, an almost identical paralog gene of SMN1, is considered the main phenotypic modifier of the disease as SMN2 is partially functional and compensates to some extent the production of SMN protein. To explore the genetic variability of SMN2 in SMA patients, we have developed a NGS-based method that enables the deep study of the SMN region, beyond SMN1 and SMN2 copy number determination. Its application in 368 SMA patients allow us to detect modifiers variants, SMN2-SMN1 hybrid structures and analysis the consensus regions of SMN2 modifier therapies. The adapted application of the NGS technique employed in this work, improved the genetic diagnostic yield in TSC disease and the genetic characterization of the SMN region in SMA patients.