DOI: https://doi.org/10.1038/s12276-025-01428-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40164689
تاريخ النشر: 2025-04-01
المؤلف: Jung Ah Kim وآخرون
الموضوع الرئيسي: السمع، القوقعة، الطنين، الوراثة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الأسس الجينية لفقدان السمع، وهي حالة تؤثر على حوالي 1 من كل 1000 مولود جديد، وتقارن فعالية تسلسل الإكسوم الكامل (WES) مع تسلسل الجينوم الكامل (WGS). بينما تم استخدام WES بشكل شائع للتشخيص الجزيئي نظرًا لفعاليته من حيث التكلفة، فإنه غالبًا ما يفشل في تحديد التشخيصات المحتملة في العديد من المرضى بسبب التغطية المحدودة. لمعالجة هذه القيود، قام المؤلفون بإجراء WGS على مجموعة من 140 عائلة تعاني من فقدان السمع، وحددوا التغيرات الجينية المسببة في 37 عائلة، وهو ما يمثل 26% من إجمالي المجموعة.
تظهر نتائج الدراسة أن WGS يمكن أن يكشف عن مجموعة أوسع من التغيرات الجينية مقارنةً بـ WES، بما في ذلك المتغيرات في مناطق الترميز، والمتغيرات الخفية، والمتغيرات الميتوكوندرية، ومتغيرات عدد النسخ، والمتغيرات التنظيمية، وإدخالات العناصر القابلة للتحويل. من بين المتغيرات الملحوظة التي تم تحديدها كانت هناك انزياحات غير طبيعية في جينات مثل EYA1 و CDH23، وطفرات ميتوكوندرية في MT-RNR1 و MT-CO1، ومتغيرات هيكلية في STRC، وإدخال Alu في SLC17A8. تؤكد النتائج على مزايا WGS في التشخيص الجيني لفقدان السمع، مما يشير إلى أنه مع استمرار انخفاض تكلفة WGS، من المحتمل أن يتوسع استخدامه، مما يسهل تحديد الأسباب الجينية المرتبطة بهذه الحالة بدقة أكبر.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على انتشار وتأثير فقدان السمع، الذي يؤثر على حوالي 1.33 من كل 1000 مولود جديد في البلدان المتقدمة ونحو نصف الأفراد الذين تزيد أعمارهم عن 60 عامًا. يعد التشخيص الجزيئي الدقيق أمرًا ضروريًا لتحديد الأسباب الجينية لفقدان السمع، مما يمكن أن يؤثر على نتائج المرضى وخيارات العلاج. ومع ذلك، فإن التباين الجيني والتعبير المتغير لفقدان السمع يعقدان التشخيصات الدقيقة. كان تسلسل الإكسوم الكامل (WES) طريقة شائعة للتشخيص الجيني، حيث يستهدف فقط الإكسوم، الذي يشكل حوالي 1-2% من الجينوم. أظهرت دراسات مختلفة فعالية التشخيص لـ WES، مع عوائد تشخيصية تتراوح من 33.3% إلى 57.3% عبر مجموعات سكانية مختلفة.
على الرغم من مساهماته، فإن WES له قيود، بما في ذلك عدم قدرته على تقييم المناطق التنظيمية أو الداخلية وسعته المحدودة لاكتشاف متغيرات عدد النسخ (CNVs). بالمقابل، يوفر تسلسل الجينوم الكامل (WGS) تحليلًا شاملاً للجينوم بأكمله، مما يسهل اكتشاف المتغيرات في المناطق التنظيمية، وتغيرات الانزياح العميقة، والمتغيرات الهيكلية، والتي تعتبر حاسمة لفهم التعبير الجيني وآليات الأمراض. تهدف هذه الدراسة إلى تقييم القدرات التشخيصية لـ WGS في المرضى الذين يعانون من فقدان السمع، مع افتراض أن WGS قد يكشف عن متغيرات مسببة للمرض إضافية قد تفوتها WES، مما يعزز التشخيصات الجزيئية، ويتنبأ بتوقعات المرضى، ويوجه استراتيجيات العلاج الشخصية.
الطرق
تمت الموافقة على الدراسة من قبل لجنة المراجعة المؤسسية لمستشفى سيفيرانس، نظام صحة جامعة يونسي (IRB #4-2015-0659) وركزت على الأفراد الذين يعانون من فقدان السمع المسجلين في مجموعة فقدان السمع بجامعة يونسي (YUHL). قدم المشاركون موافقة مستنيرة لمشاركتهم في الدراسة ونشر بياناتهم السريرية.
من إجمالي 729 عائلة مسجلة، تم إجراء تسلسل الإكسوم الكامل (WES) على المشاركين من 437 عائلة، بينما تم إجراء تسلسل الجينوم الكامل (WGS) على المشاركين من 140 عائلة. يسمح هذا النهج المنهجي بتحليل شامل للعوامل الجينية المرتبطة بفقدان السمع داخل المجموعة.
النتائج
تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن تسلسل الجينوم الكامل (WGS) يوفر عائدًا تشخيصيًا قابلًا للمقارنة مع تسلسل الإكسوم الكامل (WES) لتحديد المتغيرات الجينية المرتبطة بفقدان السمع. تم استخدام عملية تحليل متعددة الخطوات لـ WGS، والتي شملت اكتشاف أنواع مختلفة من المتغيرات الجينية مثل المتغيرات في مناطق الترميز، والمتغيرات الخفية، وتغيرات عدد النسخ (CNVs). في مجموعة من 19 مريضًا خضعوا لكل من WES و WGS، أظهر WES عمق تسلسل أعلى متوسط (63×) مقارنةً بـ WGS (37×). ومع ذلك، أظهرت كلا الطريقتين تغطية مشابهة لجينات فقدان السمع، حيث غطى WES 99.6% و WGS غطى 99.1% من المواقع المستهدفة. من الجدير بالذكر أن WGS قدم مكالمات متغيرات ذات جودة أعلى من WES، خاصةً بالنسبة للمتغيرات الانزياحية و CNVs، والتي غالبًا ما تفوتها WES.
فيما يتعلق بالعائد التشخيصي، حقق WES حوالي 35% (151/437) بين العائلات المحالة للاختبار، بينما حقق WGS حوالي 26% (37/140). وجدت الدراسة أن المرضى الذين لديهم خصائص معينة، مثل تاريخ عائلي لفقدان السمع أو ظواهر شديدة، كان لديهم معدلات تشخيص أعلى مع WGS. بالإضافة إلى ذلك، حدد WGS متغيرات مسببة للأمراض لم يتمكن WES من تحديدها، بما في ذلك المتغيرات الخفية ومتغيرات الحمض النووي الميتوكوندري. على سبيل المثال، تم تصنيف متغير جديد في جين EYA1 على أنه يحتمل أن يكون مسببًا للأمراض بناءً على تحليل التوافق وتأثيره المتوقع على الانزياح. وبالمثل، تم تحديد متغيرات هتروزيغوت مركبة في جين CDH23 من خلال WGS، والتي كانت ستظل غير قابلة للاكتشاف بواسطة WES بسبب التغطية الضعيفة. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على مزايا WGS في اكتشاف مجموعة أوسع من المتغيرات الجينية ذات الصلة بفقدان السمع.
المناقشة
في البحث المناقش، تم إجراء تقييم سريري شامل على المرضى الذين يعانون من فقدان السمع، بما في ذلك الفحوصات البدنية والتقييمات السمعية، بما في ذلك قياس السمع النقي واختبارات سمعية متنوعة. تم تصنيف درجة فقدان السمع إلى فئات تتراوح من خفيفة إلى عميقة بناءً على عتبات تردد معينة. تم استخراج الحمض النووي الجينومي من الأفراد المتأثرين وأفراد عائلتهم لاستدعاء المتغيرات، باستخدام تقنيات تسلسل متقدمة وأدوات المعلوماتية الحيوية. استخدمت الدراسة مجموعة أدوات تحليل الجينوم (GATK) لاكتشاف المتغيرات، وتصنيف المتغيرات أحادية النوكليوتيد (SNVs) ذات الجودة المنخفضة، وتحديد الطفرات المسببة للأمراض في الحمض النووي الميتوكوندري المرتبطة بفقدان السمع.
كشفت النتائج عن متغيرات ميتوكوندرية مسببة للأمراض، لا سيما الطفرة المتماثلة الم.7444G>A في MT-CO1 والطفرات الم.1555A>G في MT-RNR1، وكلاهما مرتبط بفقدان السمع في مرضى معينين. بالإضافة إلى ذلك، حدد تسلسل الجينوم الكامل (WGS) تغيرات عدد النسخ (CNVs) في جينات فقدان السمع المعروفة، مثل STRC و CATSPER2، والتي تم تأكيدها من خلال تحليل الفصل. أكدت الدراسة على الحساسية المحسنة لـ WGS مقارنةً بتسلسل الإكسوم الكامل (WES) في اكتشاف كل من المتغيرات الميتوكوندرية و CNVs، مما يبرز إمكانيته في توضيح الأسباب الجينية لفقدان السمع غير المتلازمي. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على أهمية التحليل الجينومي الشامل في فهم الأسس الجينية لفقدان السمع وفائدة WGS في التشخيصات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s12276-025-01428-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40164689
Publication Date: 2025-04-01
Author(s): Jung Ah Kim et al.
Primary Topic: Hearing, Cochlea, Tinnitus, Genetics
Overview
The research investigates the genetic underpinnings of hearing loss, a condition affecting approximately 1 in 1000 newborns, and compares the efficacy of whole-exome sequencing (WES) with whole-genome sequencing (WGS). While WES has been commonly employed for molecular diagnosis due to its cost-effectiveness, it often fails to identify potential diagnoses in many patients due to limited coverage. To address this limitation, the authors conducted WGS on a cohort of 140 families with hearing loss, identifying causative genetic variations in 37 families, which represents 26% of the total cohort.
The study’s findings demonstrate that WGS can uncover a broader range of genetic variations than WES, including coding region variants, cryptic splice variants, mitochondrial variants, copy number variants, cis-regulatory variants, and transposable element insertions. Notable identified variants included aberrant splicing in genes such as EYA1 and CDH23, mitochondrial mutations in MT-RNR1 and MT-CO1, structural variants in STRC, and an Alu insertion in SLC17A8. The results underscore the advantages of WGS in the genetic diagnosis of hearing loss, suggesting that as the cost of WGS continues to decrease, its application will likely expand, facilitating more accurate identification of genetic causes associated with this condition.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the prevalence and significant impact of hearing loss, which affects approximately 1.33 per 1,000 newborns in developed countries and nearly half of individuals over 60 years old. Accurate molecular diagnosis is essential for identifying genetic causes of hearing loss, which can inform patient outcomes and therapeutic options. However, the genetic heterogeneity and variable expressivity of hearing loss complicate accurate diagnoses. Whole-exome sequencing (WES) has been a common method for genetic diagnosis, targeting only the exome, which constitutes about 1-2% of the genome. Various studies have demonstrated the diagnostic efficacy of WES, with diagnostic yields ranging from 33.3% to 57.3% across different populations.
Despite its contributions, WES has limitations, including its inability to assess regulatory or intronic regions and its restricted capacity to detect copy number variants (CNVs). In contrast, whole-genome sequencing (WGS) offers a comprehensive analysis of the entire genome, facilitating the detection of variants in regulatory regions, deep-intronic splicing alterations, and structural variants, which are crucial for understanding gene expression and disease mechanisms. This study aims to evaluate the diagnostic capabilities of WGS in patients with hearing loss, positing that WGS may reveal additional disease-causing variants that WES might miss, thereby enhancing molecular diagnoses, predicting patient prognosis, and guiding personalized treatment strategies.
Methods
The study was approved by the institutional review board of Severance Hospital, Yonsei University Health System (IRB #4-2015-0659) and focused on individuals with hearing loss enrolled in the Yonsei University Hearing Loss (YUHL) cohort. Participants provided informed consent for both their involvement in the study and the publication of their clinical data.
Out of a total of 729 enrolled families, whole exome sequencing (WES) was conducted on probands from 437 families, while whole genome sequencing (WGS) was performed on probands from 140 families. This methodological approach allows for a comprehensive analysis of genetic factors associated with hearing loss within the cohort.
Results
The results of this study indicate that whole genome sequencing (WGS) provides a diagnostic yield comparable to whole exome sequencing (WES) for identifying genetic variants associated with hearing loss. A multistep analysis process was employed for WGS, which included the detection of various types of genetic variants such as coding region variants, cryptic splice variants, and copy number variations (CNVs). In a cohort of 19 patients who underwent both WES and WGS, WES showed a higher average sequencing depth (63×) compared to WGS (37×). However, both methods demonstrated similar coverage for hearing loss-associated genes, with WES covering 99.6% and WGS covering 99.1% of targeted loci. Notably, WGS provided higher quality variant calls than WES, particularly for splice variants and CNVs, which are often missed by WES.
In terms of diagnostic yield, WES achieved approximately 35% (151/437) among families referred for testing, while WGS yielded about 26% (37/140). The study found that patients with specific characteristics, such as a family history of hearing loss or severe phenotypes, had higher diagnostic rates with WGS. Additionally, WGS identified pathogenic variants that WES could not, including cryptic splice variants and mitochondrial DNA variants. For instance, a novel variant in the EYA1 gene was classified as potentially pathogenic based on cosegregation analysis and its predicted impact on splicing. Similarly, compound heterozygous variants in the CDH23 gene were identified through WGS, which would have been undetectable by WES due to poor coverage. Overall, these findings underscore the advantages of WGS in detecting a broader range of genetic variants relevant to hearing loss.
Discussion
In the discussed research, a comprehensive clinical evaluation was conducted on patients with hearing loss, involving physical examinations and audiological assessments, including pure-tone audiometry and various auditory tests. The degree of hearing loss was classified into categories ranging from mild to profound based on specific frequency thresholds. Genomic DNA was extracted from affected individuals and their family members for variant calling, utilizing advanced sequencing techniques and bioinformatics tools. The study employed the Genome Analysis Toolkit (GATK) for variant detection, filtering low-quality single-nucleotide variants (SNVs), and identifying pathogenic mitochondrial DNA (mtDNA) mutations associated with hearing loss.
The findings revealed significant pathogenic mtDNA variants, notably the homoplasmic m.7444G>A mutation in MT-CO1 and the m.1555A>G mutation in MT-RNR1, both linked to hearing loss in specific patients. Additionally, whole-genome sequencing (WGS) identified copy number variations (CNVs) in known hearing loss genes, such as STRC and CATSPER2, which were confirmed through segregation analysis. The study underscored the enhanced sensitivity of WGS over whole-exome sequencing (WES) in detecting both mitochondrial variants and CNVs, highlighting its potential in elucidating genetic causes of nonsyndromic hearing loss. Overall, the research emphasizes the importance of comprehensive genomic analysis in understanding the genetic underpinnings of hearing loss and the utility of WGS in clinical diagnostics.