Чем полногеномное тестирование отличается от ПЦР и других методов

Большинство людей представляют генетический тест как поиск одного заранее известного признака. ПЦР-тест на ковид ищет вирусную РНК. Тест на отцовство сравнивает один и тот же участок ДНК у двух людей. Тест на наследственный рак ищет одну из известных патогенных вариаций в гене BRCA1 (breast cancer gene 1, ген рака молочной железы 1). В каждом из этих примеров лаборатория заранее знает, что именно нужно найти, и ответ всегда узкий: есть конкретный маркер в образце или нет.

Полногеномное тестирование работает по другой логике. Вместо проверки одной выбранной точки оно одновременно считывает миллионы точек генома, без предварительных гипотез о роли каждой отдельной точки. Название «генетический тест» остаётся общим для обоих подходов. Задачи, которые они решают, существенно различаются.

Чем генетический тест отличается от анализа крови — ДНК-тест и анализ крови: в чём разница

Метод генетического тестирования определяет, насколько полным и точным будет результат

В генетике существует как минимум три различные технологии, позволяющие прочитать ДНК, и каждая даёт результат разного характера:

1. ПЦР (полимеразная цепная реакция) проверяет один заранее выбранный участок ДНК и даёт точный ответ именно о нём.

2. Генотипирование одновременно считывает сотни тысяч точек — объём, достаточный для оценки полигенных рисков.

3. Полногеномное секвенирование (WGS, whole genome sequencing) определяет последовательность каждого нуклеотида без каких-либо предварительных ограничений — для задач, где нужна максимально полная картина.

Это НЕ три уровня качества одного анализа, где один метод «лучше» другого. Это три разных инструмента, которые отвечают на три разных по масштабу вопроса: об одной точке, о сотнях тысяч точек или обо всём геноме целиком.

Как работает ПЦР: один ответ на конкретный вопрос

ПЦР — широко распространённый метод лабораторной диагностики. Лаборатория синтезирует искусственный праймер — короткий фрагмент ДНК, подходящий только к одной заранее известной генетической мишени. Если эта мишень есть в образце, прибор её амплифицирует, то есть многократно копирует, пока сигнал не станет достаточно сильным для фиксации. Если мишени нет, амплификации не происходит — и сигнала нет. Результат всегда бинарный: «есть» или «нет».

В период пандемии метод позволял быстро и точно определять наличие конкретных мутаций в вариантах SARS-CoV-2, различая, например, Дельту и Омикрон (Esman et al., Diagnostics, 2022). В клинической онкогенетике тот же принцип лежит в основе направленного тестирования на уже известную в семье патогенную вариацию в BRCA1 или BRCA2 (breast cancer gene 2, ген рака молочной железы 2): если у родственника уже подтверждён конкретный вариант, остальных членов семьи проверяют именно на него, а не на весь ген (Samadder et al., JAMA Oncol., 2021).

ПЦР работает исключительно с тем, что заранее указано искать. Всё, что лежит за пределами выбранной мишени, для этого метода просто не существует.

Как работает генотипирование: сканирование генома в сотнях тысяч точек одновременно

За каждым результатом генотипирования стоят два составляющих: платформа GSA (Global Screening Array, Illumina), которая физически считывает образец, и база данных GWAS (Genome-Wide Association Study, полногеномное ассоциативное исследование), предоставляющая научный контекст для интерпретации. Вместе они позволяют одновременно считать более 600 000 точек генома с помощью микрочипа, на поверхности которого закреплено столько же молекулярных зондов.

Каждая такая точка, SNP (single-nucleotide polymorphism, однонуклеотидный полиморфизм) — это позиция в геноме, где в популяции естественным образом встречаются разные варианты одной буквы ДНК. Прибор одновременно считывает сигнал со всех точек и преобразует его в цифровой профиль генотипа человека (Verlouw et al., Eur. J. Hum. Genet., 2021). Масштаб этого подхода иллюстрируют крупные биобанки: один из наиболее известных проектов считывал геномные массивы на чипе почти у 500 000 участников одновременно, получая данные по сотням тысяч точек из каждого образца (Bycroft et al., Nature, 2018).

Почему для полигенных рисков не подходит поиск одной мутации

Большинство распространённых состояний и предрасположенностей, которые анализирует Apixmed Prism, не определяются одной поломкой в одном гене. Они формируются одновременным действием тысяч генетических вариантов, каждый из которых в отдельности оказывает минимальное влияние. За десятилетия GWAS-исследований, в ходе которых сравнивались геномы сотен тысяч участников, удалось установить, какие именно из более чем 600 000 точек на чипе статистически связаны с конкретными предрасположенностями или состояниями (Uffelmann et al., Nat. Rev. Methods Primers, 2021). Сумма этих связей используется для расчёта PRS (Polygenic Risk Score, полигенный показатель риска).

Генотипирование генерирует именно тот массив данных, который нужен для подобных расчётов: сотни тысяч точек одновременно с заранее известными весовыми коэффициентами из GWAS-исследований. ПЦР не способна воспроизвести этот массив — она проверяет одну точку за раз, а масштабировать её на тысячи мишеней одновременно технически нецелесообразно.

Полногеномное секвенирование: без заранее выбранных точек

WGS определяет последовательность каждого из примерно 3 миллиардов нуклеотидов ДНК, без каких-либо заранее выбранных мишеней или точек. Он особенно полезен тогда, когда речь идёт о поиске редких, ещё не описанных наукой вариантов: например, в сложных онкологических или орфанных клинических случаях, где заранее определённый набор точек не охватывает нужный участок.

Apixmed Prism поддерживает оба подхода — и генотипирование, и полное секвенирование. Для большинства показателей, охватываемых отчётом, полигенный анализ на основе обоих методов даёт сопоставимый клинически значимый результат, поскольку ключевые варианты, задействованные в расчёте, хорошо представлены в обоих случаях. Разница между подходами становится существенней при поиске редких или новых вариантов, что выходит за рамки стандартного полигенного анализа.

Что это означает для человека, который проходит тест

Когда вы видите формулировку «анализируется ~600 000 генетических маркеров», это касается не одной болезни или одной предрасположенности. Это означает, что анализ одного и того же образца слюны позволяет одновременно рассмотреть десятки различных направлений и оценить как чувствительность к кофеину, так и наследственные особенности усвоения витаминов и сотни других показателей — без необходимости сдавать отдельный целенаправленный тест в поисках ответа на каждый отдельный вопрос.

Три инструмента для трёх разных задач

ПЦР уместна для точечной проверки: подтвердить наличие ДНК патогена, верифицировать известную мутацию, установить отцовство. Генотипирование открывает одновременный доступ к сотням тысяч точек генома, обеспечивая полигенный анализ и точный объём данных для расчёта рисков — при приемлемой стоимости и в разумные сроки. Полногеномное секвенирование используется для задач, где нужна полная картина без каких-либо предварительных ограничений на охват.

Узнать, какие генетические маркеры анализирует Prism →

Часто задаваемые вопросы

Чем генотипирование отличается от ПЦР?

ПЦР проверяет один заранее известный участок ДНК; генотипирование одновременно считывает сотни тысяч точек. ПЦР даёт бинарный ответ «есть / нет» относительно конкретной мишени (Esman et al., Diagnostics, 2022). Генотипирование генерирует массив сигналов с более чем 600 000 точек одновременно, что позволяет оценивать признаки, на которые совместно влияют тысячи вариантов (Verlouw et al., Eur. J. Hum. Genet., 2021).

Откуда известно, какие именно SNP важны для расчёта PRS?

Эту информацию предоставляют масштабные GWAS-исследования. Они сравнивают геномы сотен тысяч участников, чтобы установить, какие конкретные SNP статистически связаны с конкретными признаками или состояниями (Uffelmann et al., Nat. Rev. Methods Primers, 2021). Без этих данных считанные сигналы не имели бы интерпретации.

Анализирует ли Apixmed Prism весь геном так же детально, как WGS?

Отчёт Apixmed Prism поддерживает оба подхода — и генотипирование, и полное секвенирование. Генотипирование считывает заранее определённые точки генома, тогда как WGS определяет последовательность каждого нуклеотида. Для оценки наследственных особенностей и полигенных рисков оба метода дают клинически значимый результат. Разница становится существенной при поиске редких или ещё не каталогизированных вариантов.

Почему ПЦР не может оценить полигенный риск?

ПЦР проверяет одну мишень за раз, а полигенный риск требует проверки тысяч вариантов одновременно. Сложные признаки и распространённые состояния формируются совокупным влиянием тысяч генетических вариантов. Технически масштабировать ПЦР на такое количество мишеней нецелесообразно — для этого используется метод генотипирования.

Можно ли методом генотипирования найти редкую, ещё не описанную мутацию?

Генотипирование ограничено заранее определённым набором точек. Чип считывает только те позиции генома, которые в него заложены при производстве. Поиск абсолютно новых, ещё не каталогизированных вариантов — задача полногеномного секвенирования.

Результаты генетического теста не являются диагнозом и не заменяют консультацию врача. Отчёт Apixmed Prism предоставляет генетический контекст, который дополняет результаты обследований и помогает принимать решения вместе с врачом.

Источники

1. Uffelmann, E., Huang, Q. Q., Munung, N. S. et al. (2021). Genome-wide association studies. Nature Reviews Methods Primers, 1, Article 59.https://doi.org/10.1038/s43586-021-00056-9

2. Verlouw, J. A. M., Clemens, E., de Vries, J. H. et al. (2021). A comparison of genotyping arrays. European Journal of Human Genetics, 29(11), 1611–1624.https://doi.org/10.1038/s41431-021-00917-7

3. Bycroft, C., Freeman, C., Petkova, D. et al. (2018). The UK Biobank resource with deep phenotyping and genomic data. Nature, 562, 203–209.https://doi.org/10.1038/s41586-018-0579-z

4. Esman, A., Cherkashina, A., Mironov, K. et al. (2022). SARS-CoV-2 Variants Monitoring Using Real-Time PCR. Diagnostics, 12(10), 2388.https://doi.org/10.3390/diagnostics12102388

5. Samadder, N. J., Riegert-Johnson, D., Boardman, L. et al. (2021). Comparison of Universal Genetic Testing vs Guideline-Directed Targeted Testing for Patients With Hereditary Cancer Syndrome. JAMA Oncology, 7(2), 230–237.https://doi.org/10.1001/jamaoncol.2020.6252