Flongle により迅速かつ低コストで ゲノム異常を検出


乳房腫瘍に特徴的なBCR-ABL1 融合遺伝子から、一部の肝がんで見られる多様なFGFR2 融合遺伝子まで、悪性腫瘍 で融合遺伝子が広範囲にわたる役割を果たしていることが広く認識されています 1 。そのため、多くの腫瘍では融合 遺伝子の検出が診断と治療の主眼となっています。デューク大学医療センター(米国)の Jeck 氏らは、融合遺伝子の 検出方法や評価方法を改善するための方策を探っています 2 。

よく用いられる融合遺伝子の検出方法の 1 つに蛍光in situ ハイブリ ダイゼーション(FISH)があります。これは、比較的素早く結果が 得られるものの、単一の遺伝子ターゲットの検出に限定されます 2 。 また、定量的 RT-PCR では、前もって融合遺伝子パートナーに 関する知見が得られている必要があります 2 。ショートリードシーク エンス技術は多数のターゲットを同時に調査することが可能である 上、多くの場合に融合切断点や融合遺伝子パートナーを特定可能な 精度が得られます。しかし、このようなショートリードシークエンス 検査の採算性には疑問符が付けられています。Jeck 氏らは、「患者 1 名の検査に対するフルシークエンス解析は、ほぼすべての機器で 過剰な検査になってしまう」と述べています。マルチプレックスにより コストは削減されますが、検査の所要時間は大幅に増えることが あります。そして、多くの場合、良い転帰には時間が決定的に重要 になるのです。そこで研究者たちは、Oxford Nanopore 社の Flongle が融合遺伝子の検出に有用であるかどうかを評価しました。 フローセル 1 枚当たりのコストがわずか 90ドルで、よく使用される 方法と比較してコストが大幅に削減されます *。 さらに、融合遺伝子の検出という点で、同チームが採用した Flongle のシークエンスパイプラインを用いて得られた結果は、ショート リードに基づく方法で得られた結果との「一致度が優れて高い」 ことが示されました。また、Flongle は 3.3 kb のタンデムリピート 配列内の異常を検出する上で比較対象のショートリードシークエンス

"Flongle は、1つのサンプルで 融合遺伝子を同定する有望な プラットフォームである2"

技術よりも優れていたことから、ナノポアのロングシークエンスリード の利点が示されています。同チームは、Flongle が「検出が困難で あることで有名な CIC-DUX4 の転座を同定する際に特に強力」で あったと述べています。

flongle-case-study-Figure 1

図 1 ナノポアのロングシークエンスリードを用いた融合遺伝子の検出を 示した図。この画像は Oxford Nanopore Technologies 社の cDNA アプリケーションに関するポスターから引用したもので、ナノポアの ロングリードと、様々な種類のがんと関連があるEWSR1 遺伝子の シークエンスアライメントを示しています。これにより、切断点接合部 と融合遺伝子パートナーの両方を同定することができました。 ポスターの閲覧:nanoporetech.com/poster-cdna-biology

また、Flongle の「ラン当たりの単価の低さ」を活用することにより、 セントジェームス大学病院(英国、リーズ)を拠点とする Watson 氏ら は、リンチ症候群 3 (様々な種類のがんの遺伝的素因の 1 つ)と 関連のあるPMS2 の挿入欠失変異を検出する上でナノポアシーク エンスが示す性能を評価しました。評価対象の変異は、周辺の ゲノム配列が複雑であるためにサンガーシークエンスによる検証は 困難であることが明らかになりました。Watson 氏らは、妥当性 検証済みの基準シークエンスとナノポアリードのコンセンサス配列 のアセンブリをペアワイズ比較し、シークエンス同一性が 100% で あることを示しました。さらに、バイオインフォマティクス解析で 得られた結果の方が、直交法を用いて作成したクロマトグラムよりも はるかに「解釈が容易」でした。Watson 氏らは以上の結果を総合し、 Flongle などのロングリード対応機器が今後、「遺伝診断学に不可欠 なツールになる可能性が高い」と結論しています *。

Flongle flow cell

"2つのケースにおいて、当初 [ショートリード]シークエンス パイプラインでは同定できなかった CIC-DUX4の転座を Flongleでは 同定できました3"

The extensive role of gene fusions in malignancies is well recognised, ranging from the characteristic BCR-ABL1 gene fusion found in breast tumours to the diverse range of FGFR2 fusions seen in certain liver cancers1 . Consequently, gene fusion detection is central to the diagnosis and treatment of many tumours. Jeck and colleagues at Duke University Medical Center, USA, have been evaluating ways to improve how fusions can be detected and assessed2.

A commonly used method for fusion detection employs fluorescence in situ hybridisation (FISH), which provides relatively quick results, but is limited to the detection of a single gene target2. Similarly, quantitative RT-PCR requires prior knowledge of fusion partners2. Short-read sequencing technology is capable of simultaneously surveying numerous targets, whilst often providing the resolution to determine fusion breakpoints and partners. However, doubts over the economic viability of such short-read sequencing tests exist; Jeck et al. note that 'a full sequencing run on most devices is excessive for the testing of a single patient'. Although multiplexing reduces costs, it may greatly extend turnaround times and, in many cases, time to action is critical for successful outcomes. To that end, the researchers evaluated the potential utility of the Oxford Nanopore Flongle device for fusion detection; at only $90 per flow cell, costs were greatly reduced compared with commonly used methods*.

'Flongle is a promising platform for single specimen fusion identification'

Jeck, W.R., Iafrate, A.J., and Nardi, V. J. Mol. Diagn. (2021)

Moreover, in terms of detecting fusions, results obtained via the Flongle sequencing pipeline implemented by the team showed ‘excellent concordance’ with those obtained using a short-read-based approach. Flongle also outshone the selected short-read sequencing technology for detecting an aberration within a 3.3 kb tandem repeat, highlighting the benefits of long nanopore sequencing reads. The team stated that Flongle was ‘particularly strong in identifying notoriously difficult to detect CIC-DUX4 translocations‘.

Figure 1. A demonstration of fusion detection using long nanopore sequencing reads. Taken from the Oxford Nanopore Technologies cDNA applications poster, this image shows a sequence alignment of long nanopore reads to the EWSR1 gene, associated with various forms of cancer, which enabled both the breakpoint junction and the fusion partner to be identified.

Also leveraging the Flongle for its 'low per-run unit cost', Watson et al. based at St James's University Hospital in Leeds, UK, assessed the performance of nanopore sequencing to identify a PMS2 insertion-deletion mutation associated with Lynch syndrome3, a genetic predisposition to different cancer types. The variant under study proved difficult to validate using Sanger sequencing due to the complexity of the surrounding genomic sequence. Watson and colleagues demonstrated 100% sequence identity following pairwise comparison between a verified benchmark sequence and consensus assembly of nanopore reads. Furthermore, results from the bioinformatic analysis were much 'simpler to interpret' than the chromatograms generated using orthogonal techniques. Taken together, Watson et al. concluded that long-read capable devices, such as the Flongle are, in the future, 'likely to become essential tools in diagnostic genetics'*.

Figure 2. Flongle is an adapter for MinION and GridION devices that enables cost-effective, real-time sequencing on smaller, single-use flow cells.

*Oxford Nanopore Technologies products are not intended for use for health assessment or to diagnose, treat, mitigate, cure, or prevent any disease or condition.

  1. Arai, Y. et al. Fibroblast growth factor receptor 2 tyrosine kinase fusions define a unique molecular subtype of cholangiocarcinoma. Hepatology 59, 1427–1434 (2014). DOI: https://doi.org/10.1002/hep.26890

  2. Jeck, W.R., Iafrate, A.J., and Nardi, V. Nanopore Flongle sequencing as a rapid, single-specimen clinical test for fusion detection. J. Mol. Diagn. 23(5):630–636 (2021). DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmoldx.2021.02.001

  3. Watson, C.M. et al. Long-read nanopore sequencing enables accurate confirmation of a recurrent PMS2 insertion-deletion variant located in a region of complex genomic architecture. Cancer Genet. 256–257:122–126 (2021). DOI: https://doi.org/10.1016/j.cancergen.2021.05.012