Clinical Nephrology » Experience in using high-performance parallel DNA sequencing to characterize the molecular genetic features of kidney angiomyolipoma

Experience in using high-performance parallel DNA sequencing to characterize the molecular genetic features of kidney angiomyolipoma

E.B. Kuznetsova, K.M. Mosyakova, A.S. Tanas, M.S. Chaplygina, E.A. Alekseeva, E.V. Shpot', K.I. Anoshkin, D.V. Zaletaev, A.Z. Vinarov, V.V. Strel'nikov

Angiomyolipoma is one of the most common forms of kidney pathology in tuberous sclerosis. Since tuberous sclerosis as a genetic disorder associated with mutations in genes, TSC1 and TSC2, mutational profiling of angiomyolipoma has been limited to just these two genes. We first screened mutations by high parallel sequencing in a broad panel of genes involved in tumorigenesis in surgery samples and blood of patients with angiomyolipoma. Sequencing of the DNA of the tumor specimens revealed mutations in 30 out of 409 examined genes. TSC2 gene mutations were identified as both of germinal and somatic nature. Apart from TSC2, the greatest number of nucleotide changes in the tumor DNA was found in ROS1 gene. Noteworthy is that all the examined patients were carriers of polymorphism in the gene CYP2D6 (c.G1094A: p.R365H) which has incidence in the general population not exceeding 10%. Further search and characterization of mutations in a lager sample of patients will contribute to the study of kidney angiomyolipoma biology and provide a basis for developing new modalities to prevent and treat this disease.

Keywords: high-performance parallel DNA sequencing, renal angiomyolipoma, tuberous sclerosis, mutation, genetic polymorphism

Введение

Ангиомиолипома – одна из наиболее типичных форм патологии почек при туберозном склерозе [1]. Туберозный склероз – генетически детерминированное заболевание, причиной которого являются мутации в генах супрессоров опухолевого роста TSC1 и TSC2. Мутации гена TSC2, по данным Каталога соматических мутаций в опухолях (Catalogue of Somatic Mutations in Tumors – COSMIC), выявляются в материале ангиомиолипом почки примерно в половине случаев [2].

Подавляющее большинство типов опухолей человека к настоящему времени достаточно подробно охарактеризовано с точки зрения спектра соматических мутаций, чего нельзя сказать о ангиомиолипомах почки, исследования мутационного профиля которых за пределами генов TSC1 и TSC2 практически не проводились.

Высокопроизводительное параллельное секвенирование ДНК – новый метод молекулярно-генетического анализа, позволяющий проводить одновременный поиск мутаций в значительном количестве генов. Мы впервые применили этот метод для поиска мутаций в опухолевом материале и лимфоцитах периферической крови больных ангиомиолипомой почки.

Материал и методы

В исследование включены 6 пациенток с ангиомиолипомой почки, которые проходили лечение в клинике урологии им. И.М. Сеченова. Возраст больных варьировался от 23 до 64 лет (средний возраст – 43,5 года), размер образования – от 37 до 77 мм (средний размер – 55,8 мм).

В пяти случаях проведено экзомное секвенирование ДНК из операционного материала опухолей, в одном случае – экзомное секвенирование ДНК из лимфоцитов периферической крови, поскольку операция не проводилась.

Скрининг мутаций в генах, вовлеченных в канцерогенез, проведен методом секвенирования нового поколения на платформе Ion Torrent PGM (Life Technologies, США). Протокол включает этапы подготовки библиотек фрагментов геномной ДНК, клональной эмульсионной ПЦР, секвенирования на геномном анализаторе и биоинформационного анализа результатов. Библиотеки фрагментов ДНК готовили, используя технологию Ion Ampliseq, представляющую собой ультрамультиплексную ПЦР (до 4000 пар праймеров в одной пробирке). Для проведения скрининга мутаций отобраны гены с наибольшими показателями частоты соматических мутаций в опухолях человека по данным каталога соматических мутаций COSMIC [2]. Каталог COSMIC составлен по результатам анализа 16 тыс. публикаций, описывающих соматические мутации в общей сложности 25 тыс. генов в различных типах опухолей. Для поиска мутаций в этой категории генов использован ранее разработанный набор праймеров Ion AmpliSeq Comprehensive Cancer Panel (Life Technologies). Ампликоны набора перекрывают подавляющую часть кодирующих областей 409 генов, вовлеченных в опухолеобразование.

Мультиплексную ПЦР и последующие этапы подготовки библиотек фрагментов генома проводили с использованием набора реактивов Ion AmpliSeq Library Kit 2.0 (Life Technologies) по протоколу производителя. Аликвоты подготовленных библиотек подвергали клональной амплификации на микросферах в эмульсии на приборе Ion OneTouch с использованием набора Ion OneTouch 200 Template Kit v2 DL (Life Technologies). Эффективные продукты эмульсионной ПЦР – микросферы, покрытые целевыми ампликонами, очищали от пустых микросфер на приборе Ion OneTouch ES. Секвенирование проведено на геномном секвенаторе Ion Torrent PGM в чипах серии Ion 318 с использованием набора Ion PGM 200 Sequencing Kit (Life Technologies).

Результаты секвенирования анализировали с использованием программного обеспечения Torrent Suite в составе Base Caller (первичный анализ результатов секвенирования); Torrent Mapping Alignment Program – TMAP (выравнивание последовательностей относительно референсного генома NCBI build 37 – hg19); Variant Caller (анализ вариаций нуклеотидных последовательностей).

Аннотацию функционального значения генетических вариаций и фильтрацию известных полиморфизмов с использованием базы данных dbSNP провели с помощью компьютерной программы ANNOVAR [3]. При проведении биоинформационного анализа использовали базу данных dbSNP [4].

Визуальный анализ данных, ручную фильтрацию артефактов секвенирования и выравнивание последовательностей осуществили с использованием программы Integrative Genomics Viewer – IGV [5].

Для исключения артефактов геномного секвенирования и определения соматического или герминального характера мутаций провели валидацию мутаций, выявленных при скрининге. Применен метод прямого секвенирования индивидуальных ПЦР-продуктов с праймеров, фланкирующих области конкретных мутаций, на автоматическом генетическом анализаторе ABI PRISM 3100 (Life Technologies) по протоколам производителя.

Результаты

Экзомное секвенирование генов, вовлеченных в опухолеобразование, проведенное в 5 образцах ДНК опухолей, позволило выявить мутации в 30 генах из 409 исследованных: TSC2, ROS1, IGF2R, KMT2D, DICER1, MUTYH, MTR, CRBN, WHSC1, NCOA2, LAMP1, CCND2, MEN1, CASC5, CDH11, PTPRT, PAK3, RAD50, FGFR1, FANCA, TIMP3, STK36, ATR, WHSC1, FN1, PDGFRA, NUMA1, MAML2, CREBBP, ASXL1.

Мутации в гене TSC2 считаются патогномоничными для ангиомиолипомы. В нашем исследовании в 5 образцах опухолей нами выявлено три генетических варианта гена TSC2. В одном случае нонсенс-мутация (c.1111C>T, p.Q371*, 11 экзон гена), обнаруженная в материале опухоли, отсутствует в ДНК из лимфоцитов крови той же пациентки, что говорит о соматическом характере мутации. Эта мутация была описана ранее как патогенная [6]. Во втором случае миссенс-мутация c.C3275T, p.P1092L (28-й экзон гена), выявленная нами впервые, присутствует в ДНК, полученной как из опухоли, так и из лимфоцитов крови пациентки, что говорит о герминативном характере мутации и о развитии ангиомиолипомы на фоне туберозного склероза. В третьем случае выявлен герминативный интронный вариант гена TSC2, c.5260-15C>T, который описан в литературе и считается непатогенным [7].

Для пациентки, которой не проведено хирургическое вмешательство по поводу ангиомиолипомы почки, осуществлено секвенирование генов TSC1 и TSC2 в ДНК из лимфоцитов крови и обнаружена миссенс-мутация c.C320A: p.A107D в 4-м экзоне гена TSC2 (описана нами впервые). В этом случае также можно говорить о развитии ангиомиолипомы на фоне туберозного склероза.

Помимо мутаций в гене TSC2 наибольшее количество нуклеотидных замен в ДНК опухолей обнаружено в гене ROS1. Нами впервые описано две миссенс-мутации в гене ROS1 (c.A176G:p.Q59R, 3-й экзон; c.G2677T:p.G893C, 18-й экзон) и одна нонсенс-мутация (c.G2187A:p.W729*, 15-й экзон). Кроме того, в одной из опухолей выявлено наличие редкого, ранее описанного генетического варианта c.C1958T:p.S653F (rs34203286), популяционная частота которого составляет 0,4% [4].

Генетические варианты более в чем одном образце ДНК опухолей обнаружены нами также для генов LAMP1 (в двух опухолях) и RAD50 (также в двух опухолях). Все они представляют собой миссенс-мутации, причем три из четырех описаны нами впервые.

Кроме наличия редких вариантов в геномах изученных опухолей интересно отметить, что все обследованные пациентки с ангиомиолипомой почки являются носительницами полиморфизма в гене CYP2D6 (c.G1094A:p.R365H). Частота встречаемости этого однонуклеотидного полиморфизма в общей популяции составляет 9% [4].

Обсуждение

Нами впервые проведено параллельное секвенирование нескольких сотен генов, вовлеченных в опухолеобразование, в операционном материале ангиомиолипомы и в лимфоцитах периферической крови больных. Ранее для ангиомиолипомы изучался спектр соматических мутаций гена TSC2, повреждения которого ассоциированы с туберозным склерозом – генетическим заболеванием, наиболее частой патологией почек при котором является ангиомиолипома. Согласно опубликованным данным, выявляемость мутаций в гене TSC2 в ангиомиолипомах почки составляет 70% у больных туберозным склерозом и 20% – у больных сспорадическими ангиомиолипомами [8]. Мутации в других генах при ангиомиолипоме практически не изучались. Опубликовано два сообщения о мутациях гена TP53 в образцах злокачественной эпителиоидной ангиомиолипомы [9, 10]. Секвенирование гена рецептора эпидермального фактора роста EGFR показало отсутствие мутаций этого гена в ангиомиолипомах [11]. Описаний изучения мутационного спектра других генов в ангиомиолипоме в литературе и базах данных не найдено. Таким образом, мутационный ландшафт ангиомиолипомы практически не исследован, что отрицательно сказывается на изучении этиопатогенеза и эффективности разработки способов терапии, в т.ч. таргетной, этого заболевания.

Проведенное нами исследование, заключенное в параллельном секвенировании 409 генов, вовлеченных в онкогенез, в небольшой выборке пациенток с ангиомиолипомой (6 человек) впервые позволило бросить широкий взгляд на мутационные характеристики этих опухолей. Включение в список исследуемых генов TSC2 позволило сравнить получаемые нами результаты с ранее опубликованными. Патогенные мутации TSC2 обнаружены нами у 3 из 6 (50%) пациенток, что соответствует данным литературы. Например, Каталог соматических мутаций в опухолях COSMIC содержит сведения о секвенировании ДНК из 29 образцов ангиомиолипом, в 13 из которых (45%) выявлены мутации TSC2 [2].

Дополнительно к мутациям TSC2 в материале ангиомиолипом нами выялены мутации и/или крайне редкие полиморфные варианты в 30 генах из 409, отобранных по наибольшей частоте структурных нарушений в различных опухолях человека. Обнаруженные мутации находятся в генах, кодирующих транскрипционные факторы, белки клеточной адгезии, ферменты системы репарации повреждений ДНК, посттрансляционной модификации гистонов и ремоделинга хроматина, рецепторы и белки системы внутриклеточной передачи сигналов. В этом отношении геном ангиомиолипомы в определенной степени напоминает геном злокачественного новообразования, что является неожиданной находкой, требующей дальнейшего изучения.

Определенное нами 100%-ное носительство полиморфизма в гене CYP2D6 (c.G1094A:p.R365H) у больных ангиомиолипомами почки заставляет обратить внимание на роль соответствующего белка в этиопатогенезе заболевания, а также учитывать генетический статус CYP2D6 при назначении лекарственной терапии. Известно, что ангиомиолипомы чаще развиваются у женщин, чем у мужчин, при том что для туберозного склероза различий в частоте в зависимости от пола не выявлено [12]. Причины этого явления малоизучены. В некоторых исследованиях отмечается, что клетки ангиомиолипомы могут экспрессировать эстрогеновый рецептор [13]. Поскольку цитохром активно участвует в метаболизме гормонов, нельзя исключить значение функциональных полиморфизмов этого гена в определении предрасположенности к ангиомиолипоме. С другой стороны, некоторые лекарственные средства, применяемые в терапии ангиомиолипомы, являются ингибиторами CYP2D6, что следует учитывать при совместном назначении лекарственных средств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нами впервые проведено широкое мутационное профилирование ангиомиолипомы почки методом высокопроизводительного параллельного секвенирования ДНК. Наряду с мутациями в гене TSC2, как ранее описанными в литературе, так и выявленными впервые, обнаружены структурные нарушения в 30 генах белков, выполняющих ключевые функции в регуляции клеточного цикла и процессов дифференцировки тканей. Дальнейший поиск и характеристика мутаций в этих генах в расширенной выборке образцов внесут вклад в изучение биологии ангиомиолипомы почки и обеспечат основу для разработки новых способов профилактики и лечения этого заболевания.

Literature

1. Harabayashi T., Shinohara N., Katano H., Nonomura K., Shimizu T., Koyanagi T. Management of renal angiomyolipomas associated with tuberous sclerosis complex. J. Urol. 2004;171(1):102–105.

2. Forbes S.A., Beare D., Gunasekaran P., Leung K., Bindal N., Boutselakis H., Ding M., Bamford S., Cole C., Ward S., Kok C.Y., Jia M., De T., Teague J.W., Stratton M.R., McDermott U., Campbell P.J. COSMIC: exploring the world's knowledge of somatic mutations in human cancer. Nucleic Acids Res. 2015;43(D1):D805–D811.

3. Wang K., Li M., Hakonarson H. ANNOVAR: Functional annotation of genetic variants from next-generation sequencing data. Nucleic Acids Res. 2010;38:e164.

4. Sherry S.T., Ward M.H., Kholodov M., Baker J., Phan L., Smigielski E.M., Sirotkin K. dbSNP: the NCBI database of genetic variation. Nucleic Acids Res. 2001;29(1):308–311.

5. Robinson J.T., Thorvaldsdóttir H., Winckler W., Guttman M., Lander E.S., Getz G., Mesirov J.P. Integrative Genomics Viewer. Nature Biotechnology. 2011;29:24–26.

6. Rendtorff N.D., Bjerregaard B., Frödin M., Kjaergaard S., Hove H., Skovby F., Brøndum-Nielsen K., Schwartz M.; Danish Tuberous Sclerosis Group. Analysis of 65 tuberous sclerosis complex (TSC) patients by TSC2 DGGE, TSC1/TSC2 MLPA, and TSC1 long-range PCR sequencing, and report of 28 novel mutations. Human mutation. 2005;26(4):374–383.

7. Jansen F.E., Braams O., Vincken K.L., Algra A., Anbeek P., Jennekens-Schinkel A., Halley D., Zonnenberg B.A., van den Ouweland A., van Huffelen A.C., van Nieuwenhuizen O., Nellist M. Overlapping neurologic and cognitive phenotypes in patients with TSC1 or TSC2 mutations. Neurology. 2008;70(12):908–915.

8. Yang H.M., Choi H.J., Hong D.P., Joo S.Y., Lee N.E., Song J.Y., Choi Y.L., Lee J., Choi D., Kim B., Park H.J., Park J.B., Kim S.J. The analysis of mutations and exon deletions at TSC2 gene in angiomyolipomas associated with tuberous sclerosis complex. Exp. Mol. Pathol. 2014;97(3):440–444.

9. Li J., Zhu M., Wang Y.L. Malignant epithelioid angiomyolipoma of the kidney with pulmonary metastases and p53 gene mutation. World J. Surg. Oncol. 2012;10:213.

10. Kawaguchi K.I., Oda Y., Nakanishi K., Saito T., Tamiya S., Nakahara K., Matsuoka H., Tsuneyoshi M. Malignant transformation of renal angiomyolipoma: a case report. Am. J. Surg. Pathol. 2002;26(4):523–529.

11. Lim S.D., Kim W., Ahn G., Kwon G.Y. Protein expression and mutational analysis of epidermal growth factor receptor in renal angiomyolipomas. Pathol. Int. 2007;57(9):584–588.

12. Bissler J.J., Kingswood J.C. Renal angiomyolipomata. Kidney Int. 2004;66(3):924–934.

13. Logginidou H., Ao X., Russo I., Henske E.P. Frequent estrogen and progesterone receptor immunoreactivity in renal angiomyolipomas from women with pulmonary lymphangioleiomyomatosis. Chest. 2000;117(1):25–30.