بقلم نيل وارد، نائب الرئيس والمدير العام لشركة PacBio EMEA

لقد مرت 40 سنة على صدور قانون المخدرات اليتيمةوالتي حفزت تطوير مئات العلاجات للأمراض النادرة اكثر من النصف تمت الموافقة عليها في العقد الماضي. في الآونة الأخيرة، في عام 2022، أطلقت حكومة المملكة المتحدة برنامجًا خطة عمل الأمراض النادرة في محاولة لإبقاء الأمراض النادرة في دائرة الضوء.

أحد العوامل الرئيسية المساهمة في اكتشافات الأمراض النادرة هو التقدم السريع في تكنولوجيا التسلسل الجيني. منذ أكثر من 70% من الأمراض النادرة لها أصول وراثيةإن نشر التقنيات الجينومية يمكّن الباحثين من فهم الآليات السببية للأمراض بشكل أفضل، والمساعدة في تحسين دقة التشخيص، وتحديد الأهداف الدوائية الجديدة المحتملة والمؤشرات الحيوية التي يمكن استخدامها لتطوير العلاجات.

وعلى الرغم من التقدم الإيجابي، لا يزال هناك أكثر من 300 مليون شخص في جميع أنحاء العالم مصابون بحالة نادرة، نصفهم من الأطفال. ولا تزال العديد من هذه الحالات غير مفسرة، مع استمرار لغز المرض النادر للمرضى وعائلاتهم. ولكن هذا على وشك أن يتغير، مع موجة من الابتكارات الحديثة في علم الجينوم التي من المقرر أن تزود الباحثين بالقدرة على اكتساب أعمق رؤية حتى الآن للأسس الجينية للأمراض النادرة.

كيف تطورت التقنيات الجينية مع مرور الوقت؟ 

مع تطور تكنولوجيا الجينوم، قام الباحثون بتعميق رؤيتهم للتنوعات الجينية المعقدة التي تكمن وراء العديد من الأمراض النادرة. كان التنميط النووي أول تقنية تقدم نظرة عامة على الجينوم في العالم 1950s، وجعل من الممكن التأكد متلازمة تيرنر عن طريق الكشف عن خلل كروموسومي في كروموسوم X واحد بدلاً من اثنين في الأنثى. وفي وقت لاحق، قدمت المصفوفات الدقيقة عرضًا عالي الدقة حدد متغيرات أرقام النسخ الكبيرة، مثل تلك التي تؤدي إلى متلازمة دي جورج. 

ثم شهد عام 2009 وصول تسلسل الإكسوم وزيادة كبيرة في عدد الحالات التي يمكن تحديدها. يتيح تسلسل الإكسوم للعلماء البحث بدقة عن التغيرات الجينية الصغيرة - أقل من 50 نقطة أساس - في معظم الجينات البالغ عددها 20,000 ألف جين في الجينوم البشري. اليوم، يعد تسلسل الإكسوم هو الخط الأول لاختبار الأمراض الوراثية المشتبه بها في العديد من البلدان.

كانت خدمة الصحة الوطنية (NHS) في إنجلترا، بالشراكة مع Genomics England، أول خدمة رعاية صحية في العالم تقدم تسلسل الجينوم الكامل قصير القراءة (srWGS) كجزء من الرعاية الروتينية. يقدم تسلسل الجينوم الكامل قصير القراءة تحسنًا طفيفًا مقارنة بتسلسل الإكسوم. إنه يمثل سير عمل أبسط وأسرع في المختبر وله انحياز تضخيم أقل من الإكسومات. تم تمييز أكثر من 20,000 جينًا، ويتيح srWGS تحسينًا في اكتشاف التغيرات الهيكلية. 

ما هي عيوب طريقة srWGS؟

ومع ذلك، هناك عيوب هنا أيضا. تعد طريقة srWGS أكثر تكلفة من تسلسل الإكسوم ولا تزال تفسر أقل من نصف حالات الأمراض النادرة. على سبيل المثال، لا يمكن تقييم 8% من الجينوم البشري بشكل فعال باستخدام srWGS وغالبًا ما يتم استبعاد هذه المناطق من أي تحليل. في الأساس، تسلسل الجينوم الكامل قصير القراءة مليء بالثغرات.

هناك المئات من الجينات المعروفة بأهميتها سريريًا والتي يصعب تقييمها بواسطة srWGS. بعضها، مثل جينات HLA، متعدد الأشكال بدرجة كبيرة؛ إن الكميات الكبيرة من التباين بين تسلسل الفرد والجينوم المرجعي تجعل من الصعب محاذاة المكالمة وتنويعها بشكل صحيح مع قراءات التسلسل القصيرة. تمتلك جينات أخرى، مثل SMN1 وSMN2، نسخًا في الجينوم البشري متطابقة تقريبًا مع بعضها البعض. في هذه الجينات، لا تستطيع الأجزاء القصيرة التي تبلغ 300 نقطة أساس أو أقل التمييز بين المناطق المختلفة للجينوم البشري، مما يؤدي غالبًا إلى استدعاءات متغيرة غير صحيحة. 

هناك أيضًا العديد من الجينات التي تحيط بها امتدادات متكررة أو منخفضة التعقيد من الحمض النووي وغالبًا ما يكون من المستحيل تحديد اتجاه هذه الجينات باستخدام جينومات قصيرة القراءة. تمثل الاختلافات الهيكلية أيضًا تحديًا لاكتشافها بشكل موثوق باستخدام srWGS. هناك عشرات الآلاف من المناطق الجينومية التي تختلف في عدد النسخ أو اتجاهها، وفي العديد من الحالات حيث يمكن لهذه التغييرات في عدد النسخ أن تؤثر على سمات مثل استقلاب الدواء.

لكن هناك طريقة أخرى؛ التسلسل طويل القراءة، والذي يجعل من الممكن تسلسل خيوط الحمض النووي التي يبلغ طولها عشرات الآلاف من القواعد في امتداد واحد.

ما هي مزايا التسلسل طويل القراءة مقارنة بتقنيات الجينوم الأخرى في أبحاث الأمراض النادرة؟ 

يقدم تسلسل القراءة الطويلة العديد من الفوائد في أبحاث الأمراض النادرة. أولاً، تولد القراءات الطويلة مجموعات من الحمض النووي تمتد لعشرات الآلاف من الأزواج الأساسية، وبالتالي يمكن اكتشاف المتغيرات الأكبر والأكثر تعقيدًا التي تفوتها القراءات القصيرة. تحافظ الطريقة أيضًا على السلامة الجزيئية لزيادة الدقة، حيث يتم تسلسل سلاسل كاملة من الحمض النووي في قراءة واحدة بدلاً من تفكيكها وإعادة تجميعها.

علاوة على ذلك، فإن القراءة الطويلة تمكن الباحثين إلى مرحلة أو تحديد الاختلافات التي تحدث معًا على نفس حبلا الأم أو الأب. وهذا مفيد لدراسة كيفية انتقال الأمراض النادرة عبر الأجيال، أو في تحديد الطفرات المتغايرة الزيجوت المركبة عندما يكون الفرد المصاب بالمرض النادر هو الوحيد المتاح لإجراء التسلسل. 

وأخيراً، تتيح القراءات الطويلة اكتشاف ملفات تعريف 5-ميثيل سيتوزين دون الحاجة إلى إعداد عينات إضافية أو سير عمل. هذه القدرة مفيدة في التحقيق في اضطرابات البصمة المعروفة مثل متلازمة برادر-ويلي، والكشف عن الأسباب اللاجينية الجديدة للمرض. تبدو تقنيات القراءة القصيرة، بدون هذه الوظيفة، غير مكتملة بالمقارنة.

بالنسبة للمرضى، يمكن أن تساعد دقة القراءات الطويلة في تسليط الضوء على الأمراض النادرة وربما تلغي الحاجة إلى اختبارات متكررة ومتكررة. وحتى لو لم يتمكن الباحثون من استخدام البيانات على الفور، فإن الحصول على بعض مجموعات البيانات الأكثر شمولاً يفتح الباب أمام تحسين عملية إعادة التحليل في المستقبل.

على الرغم من مزايا التسلسل طويل القراءة حتى الآن، لم يكن الوصول إلى هذه التكنولوجيا متاحًا للكثيرين بسبب القدرة على تحمل التكاليف وانخفاض الإنتاجية. وقد جعل هذا من الصعب على الباحثين إنشاء قراءات طويلة كاختبار للخط الأول - ولكن هذا على وشك التغيير.

ثورة في الاختبارات الجينومية: تأثير تكنولوجيا القراءة الطويلة من الجيل الثالث على أبحاث الأمراض النادرة 

أدى وصول الجيل الثالث من القراءات الطويلة في العام الماضي إلى انخفاض كبير في تكلفة إجراء اختبار جينومي شامل من أكثر من $ 100 مليون في عام 2001 إلى أقل من 1,000 دولار اليوم. كما زاد حجم العينات، حيث تعمل آلة واحدة الآن على تسليم أكثر من 1,300 جينوم بشري سنويا، مع انخفاض مدخلات العينات وعدد أقل بكثير من المواد الاستهلاكية. وبالنظر إلى أن فك شفرة الجينوم البشري الأول استغرق عقودًا من الزمن - اكتمل فقط في العام الماضي - وهذا يمثل قفزة خطيرة في القدرات.

تعمل إمكانية الوصول المتزايدة إلى التكنولوجيا طويلة القراءة على تسهيل النظام البيئي العالمي للأمراض النادرة الذي بدأ يحقق فوائد بالفعل. إحدى الدراسات التي أجراها الإجابات الجينومية للأطفال وجد البرنامج أن تقنية القراءة الطويلة أسفرت عن معدل اكتشاف أعلى بكثير مقارنة بـ srWGS، مع أربعة أضعاف عدد المتغيرات الهيكلية النادرة للتشفير التي تم الكشف عنها. 

دراسة أخرى في اليابان تم نشر قراءات طويلة للعثور على السبب المحتمل لمتلازمة غير مفسرة لدى شابات يبلغن من العمر 12 عامًا، يشتبه في أنهن متلازمة درافيت. من خلال التسلسل الجيني لأحد التوأمين وكلا الوالدين، حدد الباحثون انقلابًا جديدًا بحجم 12 كيلو بايت في منطقة كانت مرتبطة سابقًا بنفس الأعراض التي تؤثر على الشابات.

إنهاء ألغاز الأمراض النادرة

يمكننا أن نتوقع المزيد من هذه الأنواع من الاختراقات نظرًا لأن زيادة إمكانية الوصول إلى تقنية القراءة الطويلة تعني إمكانية تطبيقها بشكل أكبر وأسرع من أي وقت مضى. نظرًا لدقة وفائدة القراءات الطويلة مقارنة بالطرق الأخرى المتاحة، فمن المحتمل أنها ستحل محل srWGS كخطوة منطقية تالية بعد فشل تسلسل الإكسوم في تقديم تفسير. إننا نشهد بالفعل هذا النهج قيد التنفيذ في رؤية الجينوم في اسكتلندا الخطة، بالإضافة إلى مؤسسات عالمية رائدة أخرى مثل مستشفى بوسطن للأطفال في الولايات المتحدة وBioscientia في ألمانيا.

إن البيانات عالية الجودة والمقروءة لفترة طويلة لديها القدرة على كشف لغز الأمراض النادرة التي لم يتم حلها في إطار زمني مخفض إلى حد كبير. ومن خلال فهم أعمق لأسس الأمراض النادرة، يستطيع الباحثون الآن إنشاء تشخيصات محسنة والمساعدة في تطوير علاجات جديدة من شأنها تحسين حياة المرضى وأسرهم.