07 november 2015

KNAW symposium: Moeten we van iedere patient het complete DNA sequencen?

©KNAW
Afgelopen dinsdag 3 november hield de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen, KNAW, een symposium Genetische screening: wie, waarom en wanneer?
De belangstelling was groot, er werd zelfs een wachtlijst ingesteld.
Enkele punten die mij opvielen:
  • de algemene stemming was dat het tijdperk van Whole Genome Sequencing (WGS) en Whole Exome Sequencing (WES) in de praktijk van de clinische genetica was aangebroken  
  • een enkele spreker zette kritische kanttekingen
  • tussen de regels door viel ook bij de voorstanders op te merken dat de interpretatie van een WGS of WES arbeidsintensief is en nog de nodige problemen oplevert
Een duidelijke voorstander is Liz Worthey, die ervaring heeft opgedaan met WGS van patienten ten behoeve van diagnose en behandeling. Ze gaf vijf overtuigende voorbeelden uit haar praktijk van het nut van WGS. De tradionele genetische diagnose mist cruciale informatie die een WGS wel levert. Ze ging nog een stap verder: door de gebrekkige informatie zou er anders veel onnodige diagnostiek en behandelingen uitgevoerd moeten worden. Dat is kostbaar en belastend voor de patient. Met WGS heb je in een keer alle informatie op tafel. Nog een stap verder: zelfs voor gezonde personen is WGS nuttig. De vraag die hiermee niet beantwoord wordt is of routinematige WGS kosten effectief is. Ze kwam nu met succesverhalen, de krenten uit de pap. 

Robert Green is een kritisch voorstander, een zeer interessante spreker. Hij had zijn eigen genoom drie maal laten sequencen en daar kwam een verrassend resultaat uit: hij had een mutatie die een ernstige misvorming van het gezicht had moeten opleveren. Iedereen kon zien dat dat niet het geval was. Daarmee legde hij de vinger op de zere plek: we kunnen nog onvoldoende vanuit mutaties in het DNA voorspellen wat het fenotypisch effect is. Het omgekeerde is schijnbaar makkelijker: uitgaande van een pathologisch fenotype de genetische oorzaak aanwijzen. De moeilijkheid om voor alle DNA varianten het fenotype te voorspellen betekent dat we nog niet weten welke factoren nog meer verantwoordelijk zijn voor een fenotype.

De Nederlandse clinisch geneticus en genoom onderzoeker Han Brunner (auteur van een overzichtsartikel in het prestigieuze Nature Reviews Genetics) kwam met het interessante gegeven dat iedere baby ongeveer 1 nieuwe mutatie in zijn eiwit-coderende genen heeft ('de novo mutation in protein coding DNA'). Engiszins pessimistisch voegde hij daar aan toe: We cannot prevent de novo mutations.

Ieder kind 1 nieuwe mutatie in zijn eiwitcoderende genen lijkt nogal veel, maar in zijn 2012 review artikel schrijft hij:
"In contrast to the millions of inherited variants per genome, the number of de novo germline variants will be only about 100 per genome."
Als je het coderend gedeelte van het genoom op 1% stelt (ondergrens), kom je op hetzelfde aantal uit: 1 gemuteerd coderend gen per kind.

Een ander getal in hetzelfde artikel: "family-based whole-genome sequencing studies have shown that, on average, 74 germline single-nucleotide variants (SNVs) occur de novo in an individual's genome".
Als je weer het coderend gedeelte op 1% stelt, komt je uit op 0,74 de novo mutaties in het coderende gedeelte.

Voortbordurend op deze getallen:
Als je voor de berekening uit gaat van 1 nieuwe mutatie in een eiwit-coderend gen per kind (er zijn 20.000 eiwit-coderende genen), dan heeft geen enkel kind een complete intacte set van 20.000 genen. Als je vervolgens bedenkt dat voor de ouders van het kind hetzelfde geldt... wie heeft er dan nog normale genen?

Als je dit getal betrekt op het aantal geboortes wereldwijd:
131.400.000 geboortes per jaar wereldwijd (ruim 131 miljoen), dan worden er 131.400.000 nieuwe mutaties per jaar geproduceerd (!). Waarvan de meeste verschillend zullen zijn.

Als die mutaties gelijkmatig verdeeld zijn over de 20.000 menselijke eiwit-coderende genen (ieder gen heeft evenveel kans), dan kom je op gemiddeld 6570 nieuwe mutaties per gen per jaar over de gehele mensheid.

Als we de gemiddelde lengte van een gen (inclusief introns) op 13.000 bases stellen, dan heeft iedere base in ieder gen een 100% kans om 1x gemuteerd te worden in 2 jaar (!). (Het totaal aantal bases in coderende genen is 260 miljoen; een gemiddeld eiwit is 485 aminozuren lang).
Als we de totale wereldbevolking van 7 miljard in de berekening meenemen, dan lijkt het mij zeker dat iedere mogelijke mutatie in eiwit-coderende genen op dit moment in een persoon ergens ter wereld aanwezig is.

Een verbazingwekkende uitkomst met vele consequenties, die ik nog niet allemaal kan overzien. Waarom zijn we niet allemaal ziek? Mutanten zijn we allemaal, dat is zeker. Deze conclusie lijkt mij tamelijk zeker: dit aantal maakt een volledige evaluatie (door natuurlijke selectie) van het menselijk genoom mogelijk. Dat wil zeggen: iedere basepositie kan afzonderlijke getest worden tegen een steeds wisselende achtergrond.
Wat niet uitputtend getest kan worden zijn alle combinaties van mutaties, omdat dat getal vele malen hoger ligt.

Dit zou ook wel eens kunnen verklaren waarom het voorspellen van fenotypische effecten van mutaties zo moeilijk is. En dan hebben we nog niet eens de grotere mutaties als inserties en deleties meegeteld. Die komen daar nog eens boven op. En dan hebben we het ook nog niet gehad over mutaties in de regulerende gedeeltes van DNA die grote effecten kunnen hebben.

Geen wonder: "There are probably 100 different types of diabetes": er zijn honderden manieren waarop een gen gemuteerd kan zijn.

Als je bedenkt dat ieder gen meerdere eiwitten produceert door 'alternative splicing', dan wordt het probleem niet kleiner. Een onderzoeker meldt: "I wouldn't be surprised to have in one cell type 100,000 or more different proteins". Dat is 5 maal het aantal genen.

Het wordt nu een beetje begrijpelijk dat "Even in the most apparently clear-cut case of a nonsense variant in BRCA2, the actual disease risk is likely to be reduced in the absence of a documented family history." Voorspelbaarheid!

Ondanks alles ben ik niet tegen Whole Genome Sequencing van patienten en gezonde personen. Hoe moet je anders kennis verzamelen van fenotypische effecten van mutaties en ervaring op doen in het interpreteren van de complete basevolgorde van het menselijk DNA? 
Speciale aandacht moet uitgaan naar mislukte voorspellingen (BRCA2 etc). Die moeten tot op de bodem worden uitgezocht. Als dat niet kan in een clinische setting, dan moet dat als zuiver wetenschappelijk onderzoek uitgevoerd worden. Het mag niet zo zijn dat de arts tegen de patient zegt: we hebben uw DNA gesequenced, maar we kunnen de uitkomsten niet goed interpreteren.

5 opmerkingen:

Anoniem zei

gert
bedankt. weer veel om te leren en veel om over na te denken.

Bijv:

ik lees op http://massgenomics.org/2015/07/insights-human-de-novo-mutations.html


In the past few years, whole-genome sequencing (WGS) studies performed in families (especially parent-child trios) have offered some revelations about de novo mutations and their role in human disease, notably that:

- "The de novo mutation rate for humans is ~1.2e-08 per generation wh
ich works out to around 38 mutations genome-wide per offspring"

staat hier nou dat er per individu over het hele genoom rond de 38 mutaties zijn te vinden, en dat dat allemaal de novo mutaties zijn?

wijkt nogal af dan jouw schatting, toch?

trouwens, grappig: 95% of the global mutation rate is explained by paternal age (each year adding 1-2 mutations)

altijd al geweten dat evolutie van mannen moest komen. En bovendien, méér naarmate ze ouder worden! ;-)


harry p zei

verkeerde knopje ingedrukt gert
dat had je ws al geraden
het verandert ook niks aan de inhoud!

hp

gert korthof zei

Harry, dat is ook een goed artikel. (trouwens ik hoop niet dat je vader bent geworden op oudere leeftijd! Ik heb vanwege die mutaties maar helemaal afgezien van voortplanting. Op het symposium: should boys freeze their sperm at 17?)

" ~1.2e-08 per generation which works out to around 38 mutations genome-wide per offspring "
dat is 1,2 per 100 miljoen bases=
12 per miljard =
38,4 per 3,2 miljard bases (= totaal human genome).
dat zijn de novo mutaties (die je ouders zelf niet hadden).
dat moet je dus optellen bij de mutaties die je wel van je ouders kreeg (komen nu eenmaal voor in de populatie).

Die 38 zijn over het hele genome dus inclusief die 95-99% junk
Afhankelijk van wat je coderend DNA noemt (dus wel of niet introns meetellen),
kom je op 1% daarvan is 0,38 in genen (exome) als benedengrens.
Dat ligt binnen de marge van Han Brunner: iedere baby ongeveer 1 nieuwe mutatie in zijn eiwit-coderende genen heeft. Dat is geen factor 10 verschil.

Het is niet altijd duidelijk of men introns er af trekt: ze zitten in genen maar het zijn eigenlijk stukken junk-DNA omdat mutaties daarin vrijwel nooit fenotypisch effect hebben, dus selectief neutraal zijn.

H: "altijd al geweten dat evolutie van mannen moest komen. En bovendien, méér naarmate ze ouder worden! ;-)"
'we' kunnen dus de de novo mutaties verlagen in de menselijke populatie door vaderschap op oudere leeftijd te ontmoedigen!

Zelf denk ik dat je bij in vitro fertilisatie theoretisch wel iets aan het verminderen van mutaties zou kunnen doen: verhogen van dna repair! die mutaties zijn tenslotte domme kopieerfouten. (daar hebben we het al over gehad!)

Bert Morrien zei

De kosten van WGS zijn dramatisch sneller gedaald dan volgens de Wet van Moore verwacht kon worden.
http://www.unz.com/gnxp/the-intel-of-sequencing/
Dat is maar een kant van de medaille, want al die data moet ook geanalyseerd kunnen worden.
Zowel sequencing als analyse zijn zonder computers onmogelijk maar bij de analyse wordt tegenwoordig ook gebruik gemaakt van kunstmatige intelligentie. Volgens Ray Kurzweil verloopt die ook sneller dan de wet van Moore, hij heeft het over "The Law of Accelerating Returns" en zijn website
http://www.kurzweilai.net/
draagt als titel "Accelerating Intelligence".
Ofschoon menigeen gedacht heeft dat het einde van de wet van Moore in zicht was, zijn er nieuwe ontwikkelingen die dit onwaarschijnlijk maken. Er zijn veelbelovende nieuwe technologieën, zoals
http://www.cnet.com/news/spintronics-may-save-moores-law/, maar ook aan de traditionele halfgeleidertechnologie zijn er nog steeds belangrijke verbeteringen mogelijk.
http://ibmresearchnews.blogspot.nl/2015/10/carbon-nanotubes-at-9-nm.html
In ieder geval wordt AI al toegepast voor analyse van het genoom in het kader van de behandeling van kankerpatiënten, waarbij niet alleen het genoom van de patiënt betrokken is, maar ook gebruik wordt gemaakt van genetische informatie van familieleden.
https://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/46748.wss
Het genoom zou wel eens onmisbaar kunnen zijn bij het voorkomen en het bestrijden van allerlei ziektes en daarom zie ik het er van komen dat van iedere nieuwgeborene een DNA profiel zal worden gemaakt. Wat dat betreft is de aanbeveling van de KNAW nog bescheiden te noemen.
Vroeger zouden wij met die massieve hoeveelheid gegevens weinig kunnen aanvangen, maar dat is dus niet meer zo en in de toekomst mag daar veel van verwacht worden.

gert korthof zei

Bert bedankt voor je link naar IBM-Watson.
Kanker is een ziekte van het DNA. Daar twijfelt niemand aan.
Dat soort AI software is onmisbaar, MAAR vergeet iet dat die software is 100% afhankelijk van empirische data!
Eerst moet die empirische informatie moeizaam verzameld worden bij echte levende patienten en gezonde personen. Dat is en blijft het meest arbeidsintensieve deel.
Voor de pilot groep is er geen database beschikbaar, want zij zijn de proef-personen ahw.

"daarom zie ik het er van komen dat van iedere nieuwgeborene een DNA profiel zal worden gemaakt."
ik mag hopen niet zonder toestemming van de ouders???
privacy ligt nu al gevoelig bij de hielprik voor een tiental testen.
En wat dacht je van je ziektekostenverzekering: als die vragen gaat stellen over je DNA profiel??? dat is het eeuwige dilemma!