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

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.