Преимущества секвенирования клинического экзома как второго этапа генетического скрининга пациентов с подозрением на мышечную дистрофию Дюшенна/Беккер

Среди миодистрофий, дебютирующих в раннем детском возрасте и требующих ранней диагностики и лечения, наиболее распространенной и тяжелой формой у пациентов мужского пола остается прогрессирующая мышечная дистрофия Дюшенна/ Беккера (МДД/МДБ, OMIM: 310200). Наиболее перспективным методом современной диагностики как второго этапа генетического скрининга пациентов с подозрением на МДД/МДБ является секвенирование клинического экзома. Данный подход позволяет идентифицировать патогенные и вероятно патогенные варианты не только в гене DMD, но и в генах, ассоциированных с другими формами наследственных нервно-мышечнных заболеваний (ННМЗ).

Цель исследования: провести оценку эффективности использования метода секвенирования клинического экзома как второго этапа генетического скрининга пациентов с подозрением на МДД/МДБ или иной формы ННМЗ в Северо-Западном регионе РФ. Основными критериями включения являлись: предварительно установленный клинический диагноз МДД/МДБ, значительное повышение уровня креатинфосфокиназы (креатинкиназы, КФК: >1000Ед/л), трансаминаз (согласно возрастным рефересным значениям) аланинаминотрансферазы (АЛТ) и аспартатаминотрансферазы (АСТ). На первом этапе пациентам с предполагаемым диагнозом МДД/МДБ было проведено исследование на наличие протяженных делеций и дупликаций в гене DMD методом мультиплексной лигазозависимой амплификации зондов. На втором этапе пациентам, у которых не были обнаружены делеции и дупликации, было проведено секвенирование «клинического» экзома методом NGS, включающее в себя 3332 гена. Всего было обследовано 167 пациентов, средний возраст которых составил 7±2 лет. Патогенные и вероятно патогенные варианты в гене DMD, а также в генах, ассоциированных с другими формами ННМЗ, описанные ранее у пациентов РФ, в нашей когорте были выявлены у 114 пациентов (68,3%). У 11 пациентов (6,6%) были обнаружены варианты в генах, которые не включены в существующие в РФ некоммерческие NGS панели для диагностики МДД/МДБ и других видов мышечных дистрофий, что подчеркивает важность проведения секвенирования экзома для дифференциальной диагностики.

1. Доронина О.Б., Доронин Б.М. Нервно-мышечные заболевания: учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 31.05.02 Педиатрия. Новосибирск; НГМУ, 2020; 86.

2. Гришина Д.А., Супонева Н.А., Шведков В.В., Белопасова А.В. Наследственная прогрессирующая конечностно-поясная мышечная дистрофия 2А типа (кальпаинопатия): обзор литературы. Нервно-мышечные болезни. 2015; 5(1): 25-34.

3. Иллариошкин С.Н., Клюшников С.А., Селиверстов Ю.А., Абрамычева Н.Ю. ДНК-диагностика и медико-генетическое консультирование в неврологии. М.: МИА, 2002; 135-144.

4. Guiraud S., Aartsma-Rus A., Vieira N.M., et al. The pathogenesis and therapy of muscular dystrophies. Annu Rev Genomics Hum Genet. 2015; 16(1): 281-308. DOI: 10.1146/annurevgenom-090314-025003.

5. Romitti P.A., Zhu Y., Puzhankara S., et al. Prevalence of Duchenne and Becker muscular dystrophies in the United States. Pediatrics. 2015; 135(3): 513-521. DOI: 10.1542/peds.2014-2044.

6. Mah J.K., Korngut L., Dykeman J., et al. A systematic review and meta-analysis on the epidemiology of Duchenne and Becker muscular dystrophy. Neuromuscul Disord. 2014; 24(6): 482-491. DOI: 10.1016/j.nmd.2014.03.008.

7. Moat S.J., Bradley D.M., Salmon R., et al. Newborn bloodspot screening for Duchenne muscular dystrophy: 21 years experience in Wales (UK). Eur J Hum Genet. 2013; 21(10): 1049-1053. DOI: 10.1038/ejhg.2012.301.

8. Regev-Yochay G., Gonen T., Gilboa M., et al. Efficacy of a fourth dose of Covid-19 mRNA vaccine against Omicron. N Engl J Med. 2022; 386(14): 1377-1380. DOI: 10.1056/NEJMc2202542.

9. Ishizaki M., Kobayashi M., Adachi K., et al. Female dystrophinopathy: Review of current literature. Neuromuscul Disord. 2018; 28(7): 572-581. DOI: 10.1016/j.nmd.2018.04.005.

10. Gao Q., McNally E.M. The Dystrophin Complex: structure, function and implications for therapy. Compr Physiol. 2015;5(3):1223-1239. DOI: 10.1002/cphy.c140048.

11. Lionarons J.M., Hellebrekers D.M., Klinkenberg S., et al. Methylphenidate use in males with Duchenne muscular dystrophy and a comorbid attention-deficit hyperactivity disorder. Eur J Paediatr Neurol. 2019; 23(1): 152-157. DOI: 10.1016/j.ejpn.2018.09.004.

12. Song T.J., Lee K.A., Kang S.W., et al. Three cases of manifesting female carriers in patients with Duchenne muscular dystrophy. Yonsei Med J. 2011; 52(1): 192-197. DOI: 10.3349/ymj.2011.52.1.192.

13. Nudel U., Zuk D., Einat P., et al. Duchenne muscular dystrophy gene product is not identical in muscle and brain. Nature. 1989; 337(6202): 76-78. DOI: 10.1038/337076a0.

14. Górecki D.C., Monaco A.P., Derry J.M., et al. Expression of four alternative dystrophin transcripts in brain regions regulated by different promoters. Hum Mol Genet. 1992; 1(7): 505-510. DOI: 10.1093/hmg/1.7.505.

15. Townsend N., Wilson L., Bhatnagar P., et al. Cardiovascular disease in Europe – epidemiological update 2015. Eur Heart J. 2015;36(40):2696-2705. DOI: 10.1093/eurheartj/ehv428.

16. D’Souza S., Alinauskas K., McCrea E., et al. Differential susceptibility of human CNS-derived cell populations to TNFdependent and independent immune-mediated injury. J Neurosci. 1995; 15(11): 7293-7300. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.15-11-07293.1995.

17. Sarig R., Mezger-Lallemand V., Gitsis E., et al. Targeted inactivation of Dp71, the major non-muscle product of the DMD gene: differential activity of the Dp71 promoter during development. Hum Mol Genet. 1999; 8(1): 1-10. DOI: 10.1093/hmg/8.1.1.

18. Bladen C.L., Salgado D., Monges S., et al. The TREAT-NMD Duchenne Muscular Dystrophy Registries: conception, design, and utilization by industry and academia. Hum Mutat. 2013; 34(11): 1449-1457. DOI: 10.1002/humu.22349.

19. Doorenweerd N., Straathof C.S., Dumas E.M., et al. Reduced cerebral gray matter and altered white matter in boys with Duchenne muscular dystrophy. Ann Neurol. 2014; 76(3): 403-411. DOI: 10.1002/ana.24222.

20. El Mathari B., Sene A., Dimitrov A., et al. Dystrophin Dp71 gene deletion induces retinal vascular inflammation and capillary degeneration. Hum Mol Genet. 2015; 24(14): 3939-3947. DOI: 10.1093/hmg/ddv303.

21. Соколова М.Г., Лобзин С.В., Никишина О.А. и др. Патогенез когнитивных расстройств при мышечной дистрофии Дюшенна. Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2017; 117(2): 78-84.

22. Koenig M., Hoffman E.P., Bertelson C.J., et al. Complete cloning of the Duchenne muscular dystrophy (DMD) cDNA and preliminary genomic organization of the DMD gene in normal and affected individuals. Cell. 1987; 50(3): 509-517. DOI: 10.1016/00928674(87)90504-6.

23. Ahn A.H., Kunkel L.M. The structural and functional diversity of dystrophin. Nat Genet. 1993; 3(4): 283-291. DOI: 10.1038/ng0493-283.

24. O’Brien K.F., Kunkel L.M. Dystrophin and muscular dystrophy: past, present, and future. Mol Genet Metab. 2001; 74(1-2): 75-88. DOI: 10.1006/mgme.2001.3220.

25. Gao Q., McNally E.M. The Dystrophin Complex: structure, function and implications for therapy. Compr Physiol. 2015; 5(3): 1223-1239. DOI: 10.1002/cphy.c140048.

26. Srivastava S., Love-Nichols J.A., Dies K.A., et al. Meta-analysis and multidisciplinary consensus statement: exome sequencing is a firsttier clinical diagnostic test for individuals with neurodevelopmental disorders. Genet Med. 2019; 21(11): 2413-2421. DOI: 10.1038/s41436-019-0554-6.

27. Hofmann C., Seefried L., Jakob F. Asfotase alfa: enzyme replacement for the treatment of bone disease in hypophosphatasia. Drugs Today (Barc). 2016; 52(5): 271-285. DOI: 10.1358/dot.2016.52.5.2482878.

28. Erbe L.S., Hoffjan S., Janßen S., et al. Exome Sequencing and Optical Genome Mapping in Molecularly Unsolved Cases of Duchenne Muscular Dystrophy: Identification of a Causative X-Chromosomal Inversion Disrupting the DMD Gene. Int J Mol Sci. 2023; 24(19): 14716. DOI: 10.3390/ijms241914716.

29. Duan D., Goemans N., Takeda S., et al. Duchenne muscular dystrophy. Nat Rev Dis Primers. 2021; 7(1): 13. DOI: 10.1038/s41572-021-00248-3.

30. Landfeldt E., Thompson R., Sejersen T., et al. Life expectancy at birth in Duchenne muscular dystrophy: a systematic review and metaanalysis. Eur J Epidemiol. 2020; 35(7): 643-653. DOI: 10.1007/s10654-020-00613-8.

31. Viggiano E., Picillo E., Politano L. Spectrum of genetic variants in the dystrophin gene: A single centre retrospective analysis of 750 Duchenne and Becker patients from southern Italy. Genes (Basel). 2023; 14(1): 214. DOI: 10.3390/genes14010214.

32. Bladen C.L., Salgado D., Monges S., et al. The TREAT-NMD DMD Global Database: analysis of more than 7,000 Duchenne muscular dystrophy mutations. Hum Mutat. 2015; 36(4): 395-402. DOI: 10.1002/humu.22758.

33. Waddell L.B., Lemckert F.A., Zheng X.F., et al. WGS and RNA studies diagnose noncoding DMD variants in males with high creatine kinase. Neurol Genet. 2021; 7(1): e554. DOI: 10.1212/NXG.0000000000000554.

34. Xie Z., Tang L., Zhao T., et al. Practical approach to the genetic diagnosis of unsolved dystrophinopathies: a stepwise strategy in the genomic era. J Med Genet. 2021; 58(11): 743-751. DOI: 10.1136/jmedgenet-2020-107113.

35. Monaco A.P., Bertelson C.J., Liechti-Gallati S., et al. An explanation for the phenotypic differences between patients bearing partial deletions of the DMD locus. Genomics. 1988; 2(1): 90-95. DOI: 10.1016/0888-7543(88)90113-9.

36. Aartsma-Rus A. FDA approval of nusinersen for spinal muscular atrophy makes 2016 the year of splice modulating oligonucleotides. Nucleic Acid Ther. 2017; 27(2): 67-69. DOI: 10.1089/nat.2017.0665.

37. Dobrescu M.A., Mihai C.M., Rizea R.E., et al. Differential diagnosis between Duchenne muscular dystrophy and limb girdle muscular dystrophy 2a. Curr Health Sci J. 2015; 41(4): 385-391. DOI: 10.12865/CHSJ.41.04.385.

38. Niranjan N., Vashisht A.A., Budak G., et al. Sarcolipin overexpression impairs myogenic differentiation in Duchenne muscular dystrophy. Am J Physiol Cell Physiol. 2019; 317(4): C813-C824. DOI: 10.1152/ajpcell.00135.2019.

39. Allen D.G., Whitehead N.P. Duchenne muscular dystrophy–what causes the increased membrane permeability in skeletal muscle? Int J Biochem Cell Biol. 2011; 43(3): 290-294. DOI: 10.1016/j.biocel.2010.11.005.

40. Spencer M.J., Tidball J.G. Do immune cells promote the pathology of dystrophin-deficient myopathies? Neuromuscul Disord. 2001; 11(6-7): 556-564. DOI: 10.1016/s0960-8966(01)00226-5.

41. Schwartz M., Hertz J.M., Sveen M.L., Vissing J. LGMD2I presenting with a characteristic Duchenne or Becker muscular dystrophy phenotype. Neurology. 2005; 64(9): 1635-1637. DOI: 10.1212/01.WNL.0000160403.22829.B0.

42. Mercuri E., Messina S., Bruno C., et al. Congenital muscular dystrophies with defective glycosylation of dystroglycan: a population study. Neurology. 2009; 72(21): 1802-1809. DOI: 10.1212/01.wnl.0000346518.68110.60.

43. Gerecke B.J., Engberding R. Noncompaction CardiomyopathyHistory and Current Knowledge for Clinical Practice. J Clin Med. 2021; 10(11): 2457. DOI: 10.3390/jcm10112457.

44. Bozkurt B., Colvin M., Cook J., et al. Current Diagnostic and Treatment Strategies for Specific Dilated Cardiomyopathies: A Scientific Statement from the American Heart Association. Circulation. 2016; 134(23): e579-e646. DOI: 10.1161/CIR.0000000000000455.

45. McKenna A., Hanna M., Banks E., et al. The Genome Analysis Toolkit: a MapReduce framework for analyzing next-generation DNA sequencing data. Genome Res. 2010; 20(9): 1297-1303. DOI: 10.1101/gr.107524.110.

46. Li H., Durbin R. Fast and accurate short read alignment with Burrows-Wheeler transform. Bioinformatics. 2009; 25(14): 17541760. DOI: 10.1093/bioinformatics/btp324.

47. Van der Auwera G.A., Carneiro M.O., Hartl C., et al. From FastQ data to high-confidence variant calls: the Genome Analysis Toolkit best practices pipeline. Curr Protoc Bioinformatics. 2013; 43: 11.10.1-11.10.33. DOI: 10.1002/0471250953.bi1110s43.

48. Auton A., Salcedo T. The 1000 Genomes Project. New York: Springer; 2015: 71-85.

49. Lek M., Karczewski K.J., Minikel E.V., et al. Analysis of protein coding genetic variation in 60,706 humans. Nature. 2016; 536: 285-291.

50. Barbitoff Y.A., Skitchenko R.K., Poleshchuk O.I., et al. Wholeexome sequencing provides insights into monogenic disease prevalence in Northwest Russia. Mol Genet Genom Med. 2019; 7: e964.

51. Shikov A.E., Barbitoff Y.A., Glotov A.S., et al. Analysis of the Spectrum of ACE2 Variation Suggests a Possible Influence of Rare and Common Variants on Susceptibility to COVID-19 and Severity of Outcome. Front Genet. 2020; 11: 551220.

52. Liu X., Jian X., Boerwinkle E. dbNSFP v2.0: A Database of Human Non synonymous SNVs and Their Functional Predictions and Annotations. Hum Mutat. 2013; 34: E2393-E2402.

53. Barbitoff Y.A., Khmelkova D.N., Pomerantseva E.A., et al. Expanding the Russian allele frequency reference via cross laboratory data integration: insights from 7,452 exome samples. Natl Sci Rev. 2024; nwae326. DOI: 10.1093/nsr/nwae326

54. Zinina E., Bulakh M., Chukhrova A., et al. Specificities of the DMD Gene Mutation Spectrum in Russian Patients. Int J Mol Sci. 2022; 23: 12710. DOI: 10.3390/ijms232112710

55. Beggs A.H., Koenig M., Boyce F.M., Kunkel L.M. Detection of 98% of DMD/BMD gene deletions by polymerase chain reaction. Hum Genet. 1990; 86(1): 45-48.

56. Flanigan K.M., von Niederhausern A., Dunn D.M., et al. Mutational spectrum of DMD mutations in dystrophinopathy patients: application of modern diagnostic techniques to a large cohort. Hum Mutat. 2009; 30(12): 1657-1666.

57. White S.J., Aartsma-Rus A., Flanigan K.M., et al. Duplications in the DMD gene. Hum Mutat. 2006; 27(9): 938-945.

58. Steinmeyer K., Lorenz C., Pusch M., et al. Multimeric structure of ClC-1 chloride channel revealed by mutations in dominant myotonia congenita (Thomsen). EMBO J. 1994; 13(4): 737-743. DOI: 10.1002/j.1460-2075.1994.tb06315.x

59. Poirier K., Lebrun N., Broix L., et al. Mutations in TUBG1, DYNC1H1, KIF5C and KIF2A cause malformations of cortical development and microcephaly. Nat Genet. 2013; 45: 639-647.

60. Itoh-Satoh M., Hayashi T., Nishi H., et al. Titin mutations as the molecular basis for dilated cardiomyopathy. Biochem Biophys Res Commun. 2002; 291: 385-393.

61. Holt K.H., Crosbie R.H., Venzke D.P., Campbell K.P. Biosynthesis of dystroglycan: processing of a precursor propeptide. FEBS Lett. 2000; 468: 79-83.

62. Zaharieva I.T., Thor M.G., Oates E.C., et al. Loss-of-function mutations in SCN4A cause severe foetal hypokinesia or ‘classical’ congenital myopathy. Brain. 2016; 139: 674-691.