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Next-Generation-Sequencing in der Augenheilkunde

Next-generation sequencing in ophthalmology

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Zusammenfassung

Neue Methoden der Grundlagenforschung finden Eingang in die Augenheilkunde und erweitern die Möglichkeiten der Forschung, Diagnostik und Therapie. Dieser Beitrag konzentriert sich auf die Untersuchung der Genaktivität in Zellen und Geweben durch Next-Generation-Sequencing (NGS). Nach einer kurzen Einführung zu den Grundprinzipien des NGS fokussiert sich dieser Beitrag auf die Transkriptomanalyse durch RNA(Ribonukleinsäure)-Sequenzierung anhand von Beispielen aus der Augenheilkunde. Die RNA-Sequenzierung vermittelt einen umfassenden und unvoreingenommenen Überblick über die Genaktivität in Zellen und Geweben und bildet somit ein wichtiges Fundament zur Gewinnung neuer, prüfbarer wissenschaftlicher Hypothesen. Damit trägt sie zur vertieften Charakterisierung krankhafter Veränderungen bei und unterstützt die Entwicklung neuer diagnostischer und therapeutischer Ansätze.

Abstract

New methods for basic research are finding their way into ophthalmology and expand the options for research, diagnostics and treatment. This article centers on the study of gene activity in cells and tissues by next-generation sequencing (NGS). Following a brief introduction to the basic principles of NGS, this article focuses on transcriptome analysis by RNA sequencing using examples from ophthalmology. The RNA sequencing provides a comprehensive and unbiased overview of gene activity in cells and tissues and thus forms an important foundation for generating new testable scientific hypotheses. It thus contributes to the in-depth characterization of pathological changes and supports the development of new diagnostic and therapeutic approaches.

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Literatur

  1. International Human Genome Sequencing Consortium, Whitehead Institute for Biomedical Research, Center for Genome Research, Lander ES et al (2001) Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 409:860–921. https://doi.org/10.1038/35057062

    Article  Google Scholar 

  2. Gibbs RA (2020) The Human Genome Project changed everything. Nat Rev Genet 21:575–576. https://doi.org/10.1038/s41576-020-0275-3

    Article  CAS  Google Scholar 

  3. Afgan E, Baker D, Batut B et al (2018) The Galaxy platform for accessible, reproducible and collaborative biomedical analyses: 2018 update. Nucleic Acids Res 46:W537–W544. https://doi.org/10.1093/nar/gky379

    Article  CAS  Google Scholar 

  4. Huber W, Carey VJ, Gentleman R et al (2015) Orchestrating high-throughput genomic analysis with Bioconductor. Nat Methods 12:115–121. https://doi.org/10.1038/nmeth.3252

    Article  CAS  Google Scholar 

  5. Margulies M, Egholm M, Altman WE et al (2005) Genome sequencing in microfabricated high-density picolitre reactors. Nature 437:376–380. https://doi.org/10.1038/nature03959

    Article  Google Scholar 

  6. Bolz HJ (2018) Genetische Diagnostik von Netzhautdystrophien: Revolutionierung durch neue Methoden der DNA-Sequenzierung. Ophthalmologe 115:1028–1034. https://doi.org/10.1007/s00347-018-0762-5

    Article  CAS  Google Scholar 

  7. Park PJ (2009) ChIP–seq: advantages and challenges of a maturing technology. Nat Rev Genet 10:669–680. https://doi.org/10.1038/nrg2641

    Article  CAS  Google Scholar 

  8. Liang W‑J, Yang H‑W, Liu H‑N et al (2020) HMGB1 upregulates NF-kB by inhibiting IKB‑α and associates with diabetic retinopathy. Life Sci 241:117146. https://doi.org/10.1016/j.lfs.2019.117146

    Article  CAS  Google Scholar 

  9. Buenrostro JD, Giresi PG, Zaba LC et al (2013) Transposition of native chromatin for fast and sensitive epigenomic profiling of open chromatin, DNA-binding proteins and nucleosome position. Nat Methods 10:1213–1218. https://doi.org/10.1038/nmeth.2688

    Article  CAS  Google Scholar 

  10. Li M, Huang H, Li L et al (2021) Core transcription regulatory circuitry orchestrates corneal epithelial homeostasis. Nat Commun 12:420. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20713-z

    Article  CAS  Google Scholar 

  11. Horvath S, Raj K (2018) DNA methylation-based biomarkers and the epigenetic clock theory of ageing. Nat Rev Genet 19:371–384. https://doi.org/10.1038/s41576-018-0004-3

    Article  CAS  Google Scholar 

  12. Boneva S, Schlecht A, Böhringer D et al (2020) 3’ MACE RNA-sequencing allows for transcriptome profiling in human tissue samples after long-term storage. Lab Invest. https://doi.org/10.1038/s41374-020-0446-z

    Article  Google Scholar 

  13. Wolf J, Auw-Haedrich C, Schlecht A et al (2020) Transcriptional characterization of conjunctival melanoma identifies the cellular tumor microenvironment and prognostic gene signatures. Sci Rep 10:17022. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72864-0

    Article  CAS  Google Scholar 

  14. Aran D, Hu Z, Butte AJ (2017) xCell: digitally portraying the tissue cellular heterogeneity landscape. Genome Biol. https://doi.org/10.1186/s13059-017-1349-1

    Article  Google Scholar 

  15. Lukowski SW, Lo CY, Sharov AA et al (2019) A single-cell transcriptome atlas of the adult human retina. EMBO J. https://doi.org/10.15252/embj.2018100811

    Article  Google Scholar 

  16. Cowan CS, Renner M, De Gennaro M et al (2020) Cell types of the human retina and its organoids at single-cell resolution. Cell 182:1623–1640.e34. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.013

    Article  CAS  Google Scholar 

  17. Collin J, Queen R, Zerti D et al (2021) A single cell atlas of human cornea that defines its development, limbal progenitor cells and their interactions with the immune cells. Ocul Surf 21:279–298. https://doi.org/10.1016/j.jtos.2021.03.010

    Article  Google Scholar 

  18. Maguire MG, Ying G‑S, Jaffe GJ et al (2016) Single-nucleotide polymorphisms associated with Age-related macular degeneration and lesion phenotypes in the comparison of age-related macular degeneration treatments trials. JAMA Ophthalmol 134:674–681. https://doi.org/10.1001/jamaophthalmol.2016.0669

    Article  Google Scholar 

  19. Kim EJ, Grant GR, Bowman AS et al (2018) Complete transcriptome profiling of normal and age-related macular degeneration eye tissues reveals dysregulation of anti-sense transcription. Sci Rep 8:3040. https://doi.org/10.1038/s41598-018-21104-7

    Article  CAS  Google Scholar 

  20. Voigt AP, Mulfaul K, Mullin NK et al (2019) Single-cell transcriptomics of the human retinal pigment epithelium and choroid in health and macular degeneration. Proc Natl Acad Sci U S A 116:24100–24107. https://doi.org/10.1073/pnas.1914143116

    Article  CAS  Google Scholar 

  21. Schlecht A, Boneva S, Gruber M et al (2020) Transcriptomic characterization of human choroidal neovascular membranes identifies calprotectin as a novel biomarker for patients with age-related macular degeneration. Am J Pathol. https://doi.org/10.1016/j.ajpath.2020.04.004

    Article  Google Scholar 

  22. Wolf J, Hajdu RI, Boneva S et al (2022) Characterization of the cellular microenvironment and novel specific biomarkers in Pterygia using RNA sequencing. Front Med 8:714458. https://doi.org/10.3389/fmed.2021.714458

    Article  Google Scholar 

  23. Wolf J, Lapp T, Reinhard T et al (2022) Webbasierte Genexpressionsanalyse – auf dem Weg zur molekularen Entschlüsselung gesunder und erkrankter Augengewebe. Ophthalmologie 119:929–936. https://doi.org/10.1007/s00347-022-01592-9

    Article  Google Scholar 

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Author information

Authors and Affiliations

  1. Klinik für Augenheilkunde, Universitätsklinikum Freiburg, Killianstr. 5, 79106, Freiburg, Deutschland

    Julian Wolf, Clemens Lange, Thomas Reinhard & Günther Schlunck

  2. Medizinische Fakultät, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Freiburg, Deutschland

    Julian Wolf, Clemens Lange, Thomas Reinhard & Günther Schlunck

  3. Byers Eye Institute, Stanford University School of Medicine, Palo Alto, CA, USA

    Julian Wolf

  4. Ophtha-Lab, Augenzentrum am St. Franziskus-Hospital, Münster, Deutschland

    Clemens Lange

Authors
  1. Julian Wolf
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  2. Clemens Lange
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  3. Thomas Reinhard
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  4. Günther Schlunck
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Corresponding author

Correspondence to Günther Schlunck.

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Interessenkonflikt

Gemäß den Richtlinien des Springer Medizin Verlags werden Autoren und Wissenschaftliche Leitung im Rahmen der Manuskripterstellung und Manuskriptfreigabe aufgefordert, eine vollständige Erklärung zu ihren finanziellen und nichtfinanziellen Interessen abzugeben.

Autoren

J. Wolf: A. Finanzielle Interessen: Kinderaugenkrebsstiftung, Finanzierung von 20 % meiner Personalkosten für die Freistellung für Forschung (bis 02/2022). – Vortragshonorare oder Kostenerstattung als passiv Teilnehmende: Kostenerstattung für Flüge und Übernachtung DOG Kongress Berlin 2022. – B. Nichtfinanzielle Interessen: 03/19–02/22: Assistenzarzt Klinik für Augenheilkunde, Universitätsklinikum Freiburg; seit 03/22: Postdoctoral Fellow, Department of Ophthalmology, Stanford University, USA. C. Lange: A. Finanzielle Interessen: C. Lange gibt an, dass kein finanzieller Interessenkonflikt besteht. – B. Nichtfinanzielle Interessen: Niedergelassener Augenarzt. G. Schlunck: A. Finanzielle Interessen: G. Schlunck gibt an, dass kein finanzieller Interessenkonflikt besteht. – B. Nichtfinanzielle Interessen: Angestellter Facharzt an Universitätsklinikum. | Mitgliedschaft: Deutsche Ophthalmologische Gesellschaft. T. Reinhard: A. Finanzielle Interessen: T. Reinhard gibt an, dass kein finanzieller Interessenkonflikt besteht. – B. Nichtfinanzielle Interessen: Ärztlicher Direktor, Klinik für Augenheilkunde, Universitätsklinikum Freiburg | Mitgliedschaften: DOG, BVA, DGII.

Wissenschaftliche Leitung

Die vollständige Erklärung zum Interessenkonflikt der Wissenschaftlichen Leitung finden Sie am Kurs der zertifizierten Fortbildung auf www.springermedizin.de/cme.

Der Verlag

erklärt, dass für die Publikation dieser CME-Fortbildung keine Sponsorengelder an den Verlag fließen.

Für diesen Beitrag wurden von den Autor/-innen keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien.

Additional information

Wissenschaftliche Leitung

Franz Grehn, Würzburg

Horst Helbig, Regensburg

Wolf A. Lagrèze, Freiburg

Uwe Pleyer, Berlin

Berthold Seitz, Homburg/Saar

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CME-Fragebogen

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Technische Innovationen wie das Next-Generation-Sequencing konnten die Sequenzierungskosten in den letzten Jahren deutlich reduzieren. In welcher Größenordnung lagen die Kosten für die Sequenzierung des ersten menschlichen Genoms vor über 20 Jahren und mit welchen Kosten muss heutzutage gerechnet werden?

Erstes humanes Genom: 3 Mio. USD, heute: 1 Mio. USD

Erstes humanes Genom: 30 Mio. USD, heute: 1 Mio. USD

Erstes humanes Genom: 300 Mio. USD, heute: 100.000 USD

Erstes humanes Genom: 3 Mrd. USD, heute: 10.000 USD

Erstes humanes Genom: 3 Mrd. USD, heute: 1000 USD

In welcher Reihenfolge läuft eine RNA(Ribonukleinsäure)-Sequenzierung ab?

Lesen der Nukleotidsequenz, Fragmentierung, RNA-Isolation, reverse Transkription und Erstellen einer DNA(Desoxyribonukleinsäure)-Bibliothek, Mapping zum Referenzgenom

RNA-Isolation, Lesen der Nukleotidsequenz, reverse Transkription und Erstellen einer DNA(Desoxyribonukleinsäure)-Bibliothek, Fragmentierung, Mapping zum Referenzgenom

RNA-Isolation, Fragmentierung, reverse Transkription, Lesen der Nukleotidsequenz, Mapping zum Referenzgenom

RNA-Isolation, reverse Transkription und Erstellen einer DNA(Desoxyribonukleinsäure)-Bibliothek, Fragmentierung, Lesen der Nukleotidsequenz, Mapping zum Referenzgenom

RNA-Isolation, reverse Transkription und Erstellen einer DNA(Desoxyribonukleinsäure)-Bibliothek, Lesen der Nukleotidsequenz, Fragmentierung, Mapping zum Referenzgenom

Bei Ihnen stellt sich ein 25-jähriger Patient vor, bei dem Sie die Verdachtsdiagnose einer typischen Retinopathia pigmentosa stellen. Bisher erfolgte keine genetische Abklärung. Welche Untersuchung ist am ehesten indiziert, um den Verdacht zu bestätigen?

Whole-Genome-Sequencing

Whole-Exome-Sequencing

Panel-Sequencing für krankheitstypische Gene

RNA-Seq (RNA-Sequenzierung)

ChIP-Seq (Chromatin-Immunpräzipitations-Sequencing)

Ihre Hypothese lautet, dass der Transkriptionsfaktor X eine wichtige Rolle in der Pathophysiologie der neovaskulären altersabhängigen Makuladegeneration spielt. Wie lässt sich methodisch prüfen, an welchen Stellen des Genoms der Transkriptionsfaktor bindet?

RNA-Seq (Ribonukleinsäure-Sequenzierung)

Whole-Genome-Sequencing

ATAC-Seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin-Sequencing)

Methyl-Seq (Methylome-Sequencing)

ChIP-Seq (Chromatin-Immunpräzipitations-Sequencing)

Der Verpackungszustand der DNA ist ein wichtiger epigenetischer Regulationsmechanimus. Mit welcher Methode lässt sich prüfen, welche Bereiche der DNA zugänglich sind?

Whole-Genome-Sequencing

ChIP-Seq (Chromatin-Immunpräzipitations-Sequencing)

ATAC-Seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin-Sequencing)

RNA-Seq (Ribonukleinsäure-Sequenzierung)

Methyl-Seq (Methylome-Sequencing)

Die Transkriptomanalyse mittels RNA-Seq (Ribonukleinsäure-Sequenzierung) vermittelt einen unvoreingenommenen Einblick in den Funktionszustand eines Gewebes. Für welche der folgenden Anwendungsmöglichkeiten ist RNA-Seq eine geeignete Methode?

Identifikation krankheitsrelevanter Mutationen

Analyse des Transkriptionsprofils von archivierten, Formalin-fixierten Geweben

Identifikation von DNA(Desoxyribonukleinsäure)-Segmenten, die durch Bindung an Histonproteine vor Transkription geschützt sind

Analyse des zugänglichen Euchromatins mittels eines DNA(Desoxyribonukleinsäure)-modifizierten Enzyms

Analyse der DNA(Desoxyribonukleinsäure)-Konfiguration

Sie möchten untersuchen, welche Zelltypen in einem Gewebe vorkommen, und sind zudem daran interessiert, neue Zellsubtypen sowie deren Marker zu identifizieren. Welche Methode ist die geeignetste?

Whole-Genome-Sequencing

ATAC-Seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin-Sequencing)

Bulk RNA-Seq (Ribonukleinsäure-Sequenzierung) mit bioinformatischer Zelltypanalyse

Single-cell-Sequencing

Whole-Exome-Sequencing

Transkriptomdaten können auf vielfältige Art visualisiert werden. Welche Darstellungsweise gibt Ihnen einen einfachen, unvoreingenommenen Überblick über die Unterschiedlichkeit der untersuchten Proben?

Wärmekarte (Heatmap) mit differenziell exprimierten Genen

Balkendiagramm mit differenziell exprimierten Genen, die mit Apoptoseprozessen assoziiert sind

Darstellung der Ergebnisse einer Gen-Ontologie-Analyse

Hauptkomponentenanalyse

Wärmekarte (Heatmap) der signifikant veränderten Zelltypen

Sie haben eine seltene Tumorentität des Auges mittels RNA-Seq (Ribonukleinsäure-Sequenzierung) untersucht. Nun möchten Sie Ihre Ergebnisse mit den Transkriptionsprofilen anderer Tumoren vergleichen. In welcher Datenbank können Sie nach bereits publizierten RNA-Seq-Daten suchen?

Gene Expression Omnibus-Datenbank

ENSEMBL-Datenbank

USCS Genome Browser

Gen-Ontologie-Datenbank

Galaxy.eu

Sie möchten die Rolle eines potenziell proangiogenen Moleküls im Auge grundlagenwissenschaftlich untersuchen. Wie lässt sich zur Hypothesengenerierung ohne bioinformatische Kenntnisse nachschlagen, in welchen Geweben des Auges das zugehörige Gen exprimiert wird?

Gene Expression Omnibus-Datenbank

ENSEMBL-Datenbank

Okuläre Transkriptomdatenbank, z. B. Human Eye Transcriptome Atlas

Cancer Genome Atlas

European Nucleotide Archive

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Wolf, J., Lange, C., Reinhard, T. et al. Next-Generation-Sequencing in der Augenheilkunde. Ophthalmologie 119, 1317–1328 (2022). https://doi.org/10.1007/s00347-022-01765-6

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