ゲノム検査の進歩-知っておくべきこと
by Dr.C.H.Weaver M.D.updated9/1/2018
Q:ゲノム検査とは何ですか？
A:ゲノム検査では、遺伝子群とその発現レベルの変化を調べます。 この遺伝子発現または活性は、遺伝子が互いにどのように相互作用し、体内の特定の組織の挙動を予測するかを特徴付けることができる。 これは、多くの場合、遺伝性形質の一部として、個々の染色体または遺伝子内の特定の変化を見て遺伝子検査、とは対照的です。
Q:ゲノム検査はがん診断においてどのような役割を果たしていますか？
A:ゲノム検査は、個々の癌組織内の遺伝子発現に基づいて患者の予後に関する情報を提供することができ、特定の治療（化学療法など）が有益であるかどうかをしばしば予測することができる。
Q:診断プロセスのどの時点でゲノム検査が行われますか？
: ゲノム検査は、がんの組織サンプル（生検または切除）が取得された後、いつでも行うことができます。
Q.ゲノム検査について医療チームにどのような質問をすればよいですか？
A:医療提供者に質問する主な質問は以下の通りです。
- 私の全体的な予後を判断するために、私が持っている癌のタイプのゲノム検査が利用可能ですか？
- この検査の結果は、あなたのがんの管理を変える可能性を秘めていますか？ 具体的には:
- テストは、特定の治療法が私の治療に有益であるかどうかを教えてくれるでしょうか？
- あなたは他の患者とこのテストを使用して肯定的な結果を持っていましたか？
- このテストは私の保険プランの対象ですか？ （このタイプのテストは数千ドルで実行できますが、多くの計画では自己負担なしでテストをカバーしています。)
Q：ゲノム検査の役割が特に重要な特定の癌タイプはありますか？
: ゲノム検査が特に有利である可能性のある癌患者には、3つのタイプがあります。:
- リンパ節にまだ広がっていないエストロゲン受容体陽性乳癌（早期乳癌）の患者は、組織生検だけでは予測が困難な予後を有する可能性がある。 ゲノム検査は、予後情報（すなわち、10年生存の予測）を提供するのに役立つだけでなく、化学療法が重要な利益になるかどうかを予測することができ、可能な限り化学療法の毒性を回避することを可能にする。
- 特定のタイプの結腸癌を有する患者は、予後の決定、化学療法の利点の予測、および化学療法の選択（どの化学物質が最も有益であるかの決定）の点で、ゲノ
- 身体の他の部位に転移したがん（転移性疾患）または局所的に再発したがん（手術および/または化学療法にもかかわらず）の患者は、通常、がんの元の部位に関連していないものを含む、多種多様な遺伝子の発現を調べるゲノム検査を受けることができる。 このタイプのゲノム検査は、当初は考慮されていなかった治療の標的となる可能性のある特定の遺伝子を同定することができる。 標的療法への変更は、生存を著しく改善する可能性を有するであろう。
がんの診断とモニタリングにおけるゲノミクスの新たな役割
概要
がんは、特定の遺伝子の機能に影響を与える遺伝的異常の結果です。 遺伝子は、細胞の形態、機能、および成長パターンを決定する。 成長を加速または抑制するものは、しばしば癌に関与する。 例えば、多くの癌は、細胞増殖を刺激する原因となる遺伝子に異常を有し、および／または癌を正常に予防する遺伝子が正常に機能していない。 これらの遺伝的異常の両方が制御されていないと過剰な細胞の成長、癌の特徴形質をもたらすことができます。 ゲノム検査、または彼らは科学者によって呼び出されるアッセイは、異常であるか、適切に動作していない癌の特定の遺伝子を識別するためのツールで 本質的には、これは特定の癌の遺伝的署名または指紋を識別するようなものです。
ゲノム検査は遺伝子検査とは異なります。 遺伝子検査は、典型的には、健康な個人が癌を発症する素因となる遺伝形質（遺伝子）を有するかどうかを決定するために使用される。 ゲノム検査は、すでに癌と診断された患者からの罹患組織のサンプル中の遺伝子を評価する。 このようにして、遺伝した可能性のある遺伝子に加えて、変異した、または異常な機能を発達させた遺伝子が同定される。
ゲノム検査は、医師が次のことを支援することができます:
- 患者の予後（潜在的な転帰）を決定する
- がんが積極的/急速に成長しているか遅いかを決定する
- 個々のがんに対して最も効果的な治療法を選択する
- 治療を受けている患者を監視し、治療が有効であるかどうかを判断する
- 寛解している患者を監視し、治療が有効であるかどうかを判断する
- 寛解している患者を監視し、治療が有効であるかどうかを判断する
- 治療可能
おそらくゲノム検査の最大の約束は、治療を個別化する可能性です。 これはより深刻な条件の患者がより少なく深刻な条件と診断される患者は不必要な処置を免れるかもしれないが生命を延長するかもしれない積極的で、革新的な療法を識別され、提供することができることを意味する。 例えば、節陰性乳がんの女性の中には、手術だけで治療を受けた後に再発する人もいます。 ゲノム検査は、どの節陰性乳癌患者が再発する可能性が高く、したがって追加の化学療法の恩恵を受けるか、どの患者が化学療法を必要としないかを区別することが示されている。
遺伝学の科学が癌の診断とモニタリングにどのように適用されているかを理解するためには、遺伝学の基本原則を理解することが役立ちます。 これには、DNA、染色体、および遺伝子が何であるか、それらがどのように機能するか、およびDNAに含まれる情報が遺伝子発現によって細胞の機能を決定す
このような背景知識により、次のような遺伝的異常を検出するためのテストの約束を理解することができます:
- 蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）
- ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）
- 逆転写PCR
- マイクロアレイ技術
- 血清プロテオミクス
背景—遺伝学の基本原則
遺伝における遺伝学の重要性はよく知られているが、遺伝学が細胞の構造と機能を制御する上で果たす役割は、個々の生物にとってさらに重要であ 遺伝は、人間とすべての種が独自の形質を再現し永続させることができ、細胞がどのように構築され、どのような仕事をし、どのように成長するかを指示することを保証する生物が繁殖するために生き残ることを確実にするために必要である。 DNAと遺伝子が細胞の分単位の寿命を決定する上で持っているこの重要な役割の理解は、遺伝学が癌にどのように関与しているかを理解するために
DNA:生物全体の遺伝情報は、一般的にDNAとして知られているデオキシリボ核酸の形ですべての細胞の核に含まれています。 DNAは二本鎖ヘリカル（コイル状）分子である。 各鎖は、構造的骨格に加えて、窒素塩基と呼ばれる窒素含有化合物の配列で構成されており、これは遺伝学のアルファベットと考えることができる。 アデニン、グアニン、チミン、およびシトシン：四つの塩基があります。 二つの鎖は、塩基で接続されています。
遺伝子コード、または細胞の構造と機能を制御する遺伝情報は、塩基の配列に含まれています。 塩基配列は、最終的にタンパク質分子を作るために一緒に接続されているアミノ酸の配列を制御します。 異なる配列は異なるタンパク質を作る。 細胞内で合成されるタンパク質は、その細胞の構造と機能を決定します。
染色体:DNAは染色体と呼ばれる特定の数の単位でパッケージ化されています。 人間は各細胞に46の染色体を持っています。 ほとんどの場合、染色体は細胞の核内のタンパク質の周りにしっかりと詰め込まれているので、見ることができません。 しかし、細胞分裂直前の細胞の寿命の段階では、染色体は光学顕微鏡で見えるようになる。 彼らは”h”の”クロス”としてタンパク質によって結合されたコイル状のDNAの四つの長さを持つ資本”H”のように見えます。
遺伝子：DNAは、エクソンと呼ばれるタンパク質のコードを含む領域と、イントロンと呼ばれる非コード領域を含むDNAの長いセグメントに編成されています。 遺伝子は子孫に渡され、次に複製され、細胞分裂の間に個々の細胞に渡されるので遺伝の基本的な単位として定義されます。 複製には、dnaの両方の鎖を鋳型として使用して、一致する鎖である相補的DNA（cDNA）を合成することが含まれる。 その結果、細胞分裂が完了した後の各細胞のDNAの2つの同一のコピーが得られる。 通常の条件下では、DNAの構造、したがって遺伝子は、複製および細胞分裂を通じて比較的一定のままである。
遺伝子発現：遺伝子に含まれる遺伝情報は、遺伝子発現と呼ばれるプロセスを通じて細胞の構造と機能に翻訳されます。 遺伝子は、タンパク質を作るためのコード、またはレシピと考えることができます。 タンパク質は、細胞の構造と機能の基本的な構成要素です。 遺伝子が「発現」されると、それがコードするタンパク質が細胞内に積極的に構築され、それらのタンパク質が果たす機能が実行されている。 例えば、ｈｅｒ−２／ｎｅｕ遺伝子が乳癌で発現される場合、より多くの上皮成長因子受容体（Ｅｇｆｒ）が存在し、これは、ＨＥＲ−２／ｎｅｕがコードする細胞表面上のタンパク質である。 さらに、ＥＧＦＲの機能は、細胞増殖を刺激することであり、したがって、ＨＥＲ−２／ｎｅｕを発現している細胞は、多くのＥｇｆｒを有し、活発に増殖している。
遺伝子発現は、以下のステップを含む複雑なシステムを介して発生します:
- 特定の遺伝子でのDNA分子の二本鎖の一時的な分離。
- dnaのセグメントの転写、これは暴露されたDNA配列の一本鎖コピーの合成であり、このコピーはメッセンジャー RNA（mRNA）と呼ばれます。
- mRNAに含まれる情報に基づいて、タンパク質合成、または細胞内に新しいタンパク質を構築する。
: 遺伝的異常は、偶然または環境の影響によって起こり得る細胞のDNAの変化である。 これらの変化は、それらが成長するのに役立ちます正常な細胞上の影響を受けた細胞にいくつかの利点を貸します。 その結果、細胞は急速に分裂することができ、癌の成長になる。 しかし、この成長の利点は、個々の細胞にのみ利益をもたらし、必ずしも生物全体（ヒト）に利益をもたらすわけではない。
遺伝子異常の種類は次のとおりです。
転座—ある染色体から別の染色体上の遺伝子を持つ遺伝子の変化する場所; このタイプの異常は、多くの異なる白血病を定義する
欠失—DNAにヌクレオチドの遺伝子または配列が欠落している
多型—ヌクレオチド配列の変化
遺伝的異常を検出するためのテスト
様々な新しい実験室試験で遺伝的異常を検出することができます。 遺伝子の病気を引き起こす突然変異を見つけることは癌の疑われた診断を確認するか、またはある特定の癌にし向けるそれらを識別できます。 臨床設定で現在使用されているこれらの技術のいくつかは下記のものを含んでいます:
- 蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）
- ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）
- 逆転写PCR
さらに、以下の実験室技術が癌研究に使用されており、将来的に臨床:
- マイクロアレイ
蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）
FISHは、数値異常（ヌクレオチドの増減）、転座（ある染色体上の遺伝子または遺伝子のセグ これらの異常は白血病およびlymphomas1のようなある癌の開発そして進行の役割を、担います。
魚はどのように機能しますか？ FISHは、個々の染色体が見えるようにDNAが解明されたサンプル細胞に対して行われます。 これは、中期または間期と呼ばれる細胞分裂の直前の細胞相の間に起こる。 サンプルDNAは、最初に熱と化学ホルムアミドを使用して変性され、個々の鎖が分離し、塩基配列が露出するようになる。 次に、着色されたfluorosに結合される特定のDNA配列は、プローブと呼ばれる、サンプルDNAとインキュベートされるか、または結合される。 プローブは、プローブ内の塩基配列に対する補数である染色体中のDNAとハイブリダイズ（接続）する。 ハイブリダイズされたDNAおよび調査からの蛍光性の存在か不在は専門にされた顕微鏡と目に見え、目的のDNA順序がサンプルにあるかどうか示す。 さらに、特殊なFISH技術を使用して、がんに関与する転座、反転、および増幅を検出することができます。2
乳がんおよび卵巣がんのFISH:乳がんおよび卵巣がんの患者が、がんに一般的に関与する遺伝子であるHER2/neuがん遺伝子を過剰発現するかどうかを判断するためにFISHが一般的に使用されます。 HER2/neuはHER2受容器、ある癌細胞の表面の蛋白質のための遺伝コードを運びます。 HER2は、血液中の成長因子と結合し、それによって癌細胞を刺激して成長させる。
HER2/neuは乳癌および卵巣癌の約20％〜30％で増幅され、この増幅および/または過剰発現は予後不良を示す。3FISHを使用して、HER2/neu癌遺伝子が個々の細胞のレベルで複数のシグナルを送信しているかどうかを観察することができ、これは遺伝子増幅を示す。
血液（血液）がんの魚: 魚はまた、様々な血液学的悪性腫瘍を診断し、管理するために使用することができます。 多くの血液悪性腫瘍の根底にある遺伝的異常は、染色体転座、またはある染色体から別の染色体上の遺伝子を持つ遺伝子の変化する場所である。
Polymerase chain reaction(PCR)
PCRは、疾患の遺伝子検査や最小残存疾患の検出に有用なin vitro実験室法であり、治療後に残された少量の疾患であり、再発につながる可能性があり、他の技術では一般的に検出できない。 この手順は、小さなサンプルからのDNAのセグメントを増幅し、それを検出可能にする。 PCRでは、既知のDNAの比較的小さな配列を、短時間で数百万コピーに複製することができます。
PCRはどのように機能しますか？ この方法は、1）サンプルDNA、2）ヌクレオチドの十分な供給、3）dnaのコピーを担当する熱安定性ポリメラーゼ酵素、および4）プライマー、目的のDNA断片の両側にあり、特定のDNAセグメントの複製を開始するためにポリメラーゼに信号を送るヌクレオチドの短い配列を必要とする。
PCRは、それぞれ異なる温度で発生する三段階のプロセスです。 2本の対になったDNA鎖を分離するために、サンプルDNAを最初に約90º Cに加熱する。 一旦分離されると、プライマーが標的ＤＮＡ上のそれらの相補配列（約４ ０℃）にハイブリダイズすることを可能にする温度に冷却される。 最後に、DNAの複製はおよそ70º C、DNAのポリメラーゼが最も活動的である温度で起こります。 このプロセスを２ ０〜３ ０回繰り返し、その結果、目的のＤＮＡ断片の約１ ０ ０万倍の増幅が生じる。4
逆転写PCR
逆転写(RT)-PCRは、遺伝子が発現される程度を検出する技術です。 複雑なプロセスは、DNAのどのセグメントが分離し、mRNAに転写（コピー）され、細胞内のタンパク質として発現されるかを制御する。 すべての遺伝子が転写され、その後均等に発現されるわけではない。 細胞内の多くのコントロールのために、いくつかの遺伝子は過剰発現され、これは、それらが転写され、正常よりも高い速度で発現されることを意味し、他の遺伝子は現在発現されているか、または特定の機能が細胞内で現れないように「オフ」される。
RT-PCRはどのように機能しますか？ ＲＴ−ＰＣＲは、ＰＣＲと同じステップを使用してＤＮＡのセグメントを増幅するが、試料はｍＲＮＡの相補的コピーである。 MRNAから始めることにより、この試験は、発現されるDNAのみを測定し、特定の遺伝子が発現される程度を決定することを可能にする。 臨床腫瘍学におけるRT-PCRの最近の用途には、前立腺癌におけるリンパ節微小転移の検出および乳癌における骨転移が含まれる。5
乳がんにおけるRT-PCR：乳がん検査Oncotype DX™は、ノード陰性のエストロゲン受容体（ER）陽性乳がんの女性における再発の個々のリスクを決定するためにRT-PCRを このテストは乳癌の21の遺伝子の表現を評価します。 これらの遺伝子のいくつかの過剰発現は予後不良を示し、他の遺伝子の発現はより良好な予後を示す可能性がある。 すべての21遺伝子の発現は、「再発スコア（商標）」、またはその癌が再発する可能性を計算するために使用されます。 大規模な臨床試験では、Recurrence Score™は、患者の年齢、癌の大きさ、癌の病期などの標準的な尺度よりも、結節陰性、ER陽性の乳癌を有する女性の予後を予測するのに6
遺伝子異常の検出を改善するための戦略
遺伝子異常を検出するためのいくつかの方法が癌研究に利用されている。 それらはまだ臨床現場で日常的に使用されていませんが、以下は有望であり、将来的に癌の診断、検査、および監視に使用される可能性があります。
マイクロアレイ：マイクロアレイ分析は、生物学とコンピュータサイエンスを組み合わせて、何千もの遺伝子の活性を反映する特定の組織サンプルの遺伝的プロファイルを生成する技術です。 この技術は、単一の分析で、わずか数ではなく、癌に関与する可能性のあるすべての遺伝子の発現を評価できるため、FISHまたはPCRよりも利点があります。 すべての遺伝子が癌にどのように関与しているかをグラフィカルに示すことにより、マイクロアレイは特定の癌の”遺伝的署名”を生成することが これは癌のサブタイプの同一証明をより精密にさせます。 がんの遺伝的特徴のスナップショットを撮る能力は、そのがんがどのように発症し、個別化された治療を設計するかをよりよく理解することにつ
マイクロアレイはどのように機能しますか？ 異なるマイクロアレイ方法が利用されているが、それぞれが五つの基本的なステッ:
- サンプルの調製
- サンプルとコンピュータチップを組み合わせる
- コンピュータチップをスキャンする
- 正規化
- 結果のコンピュータ分析。
サンプルの調製：最初のステップでは、テストと参照サンプルの両方から抽出されたRNAから逆転写（転写はDNAをコピーしてRNAを作ることを覚えているので、逆転写はRNAからDNAを生成することを覚えている）によってRNAからcDNAを合成する。 サンプルDNAの区分はコンピュータ破片と結合した後検出することができるように、fluorochromes、か放射性化学薬品と分類されます。
サンプルとコンピュータチップの組み合わせ:次に、サンプルをコンピュータチップと組み合わせます。 各スポットは、特定のDNA配列の多くのコピーを持っています。 これらの配列は、ヒトゲノムプロジェクト、ヒト種のDNA配列の事実上すべてを同定した科学的努力を通じて生成されたDNA配列の公開データベースから
サンプルをコンピュータチップに追加すると、ハイブリダイゼーションと呼ばれるプロセスが発生します。 これは、サンプルDNAセグメントがヌクレオチドの正確な相補配列（遺伝学のアルファベットである四つの化合物）を有するコンピュータチップ上のセグ
コンピュータチップのスキャン:ハイブリダイゼーションが完了すると、スキャナーを使用して蛍光を検出し、サンプルDNAがマイクロアレイチップ上の
: 生の信号強度は、多くの患者または実験からの個々のチップ間で変化し得るので、個々のチップ強度は、共通の標準に調整するか、または正規化されなけれ たとえば、バックグラウンドノイズの減算は、すべてのサンプルに適用される一般的な正規化方法です。 正規化は、多くの患者または実験からの遺伝子発現プロファイルを比較することを可能にする。
コンピュータ解析:マイクロアレイ実験の最後のステップはコンピュータ解析です。 彼らは他の結果の文脈で評価されていない限り、マイクロアレイ解析から生じる生のデータポイントの何千もの本質的に理解できません。 例えば、正常組織および罹患組織の遺伝子発現プロファイル（マイクロアレイの結果）を比較して、それらの発現が変化する遺伝子を同定し、また、疾患の7
腫瘍学におけるマイクロアレイ: マイクロアレイ解析は、B細胞非ホジキンリンパ腫（BCNHL）、急性白血病、および乳癌を含む癌のいくつかのタイプの遺伝的基礎の理解を高めることによっ
- BCNHLの病理に関するかなりの知識は、罹患組織と正常組織の遺伝子発現パターンを比較することによって得られている。 二つの異なる疾患カテゴリは、異なる遺伝子発現プロファイルを表示します。 マイクロアレイは、これらの発現プロファイルを確立し、将来的には、彼らは正確にBCNHLの新しいケースを分類するのに役立つかもしれません。
- 急性白血病の場合、マイクロアレイは、急性リンパ球性白血病（ALL）と急性骨髄性白血病（AML）の区別に役立つ明確な遺伝子発現パターンを確立するのに役立 これらのプロファイルを使用して、白血病の29の34の新しい症例が正しく予測された。
- さらに、マイクロアレイは、乳がんにおける2つの異なる遺伝子発現プロファイル、BCRA1およびBCRA2を同定するのに役立っている。 この発見は、乳がんが発症するさまざまな方法を示唆しており、乳がんの原因のさらなる理解を促進する手がかりを提供します。7
1 Spagnolo SD,Ellis DW,Juneja S,Leong AS,et al. リンパ腫診断における分子研究の役割：レビュー。 病理学2004;36(1)19-44.
2Spurbeck JL,Adams SA,Stupca PJ,Dewald GW. 医療ゲノミクスパートXIのプライマー：ヒト染色体の可視化。 メイヨークリニック2004:79:58-75.
3Paik S,Hazan R,Fisher ER,et al. 国立外科アジュバント乳房および腸プロジェクトからの病理学的所見：原発性乳癌におけるerb B-2タンパク質過剰発現の予後的意義。 J Clin Oncol1990;8:103-112.
4Tefferi A,Wieben ED,Dewald GW,et al. 医学ゲノミクスパートII上のプライマー：分子遺伝学における背景の原則と方法。 Mayo Clinic Proceedings2002;77:785-808。
5Tefferi A,Wieben ED,Dewald GW,et al. 医学ゲノミクスパートII上のプライマー：分子遺伝学における背景の原則と方法。 Mayo Clinic Proceedings2002;77:785-808。
6Paik S,Shak S,Tang G,et al. ノード否定的な乳癌患者の再発を予測するための複数の遺伝子PT-PCRの試金-NSABPはB—20およびB-14を調査します。 第26回サンアントニオ乳がんシンポジウムのProc。 December3-8k,2003;San Antonio,TX,Abstract#16.
7Tefferi A,Bolander ME,Ansell SM,et al. 医療ゲノミクスパートIII上のプライマー：マイクロアレイ実験とデータ解析。 Mayo Clinic Proceedings2002;77:927-940.
