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基因组研究中心

Cyrius:利用全基因组测序数据进行准确的CYP2D6基因分型

小陈和迈克尔·埃伯利

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介绍

对于临床处方的大量药物，个体间的药物代谢率存在显著差异。药物代谢变异的一个重要因素是药物代谢酶的遗传组成，因此对编码这些酶的基因(即药物基因)进行基因分型是个性化药物的一个重要组成部分1.细胞色素P450 2D6(CYP2D6)编码最重要的药物代谢酶之一，约21%的临床使用药物由其代谢2．的CYP2D6该基因具有高度多态性，由Pharmacogene Variation (PharmVar)联盟定义的明星等位基因超过100个3.．明星等位基因4.被基因单倍型通过小的变体（个SNV和INDEL）和结构变体（SV）上，并且对应于不同水平的酶活性，即不良，中间的，正常的或超速代谢的组合来定义5–7．

基因分型CYP2D6由共同的缺失和重复的挑战CYP2D6以及CYP2D6和它的伪基因paralog，CYP2D74,8,9它拥有94%的序列相似性，包括一些几乎相同的区域8,10．传统上，CYP2D6基因分型在低或中等吞吐量基于阵列的平台，如PharmacoScan，或聚合酶链式反应（PCR）为基础的方法，例如TaqMan分析，ddPCR和长距离PCR完成。这些试验星的等位基因（变种），他们询问，导致变异整个试验分型结果的数量不同8、11、12．为了检测svv，这些检测方法或检测平台可能需要补充拷贝数变异(CNV)检测方法，这可能也仅限于检测已知CNV的一个子集4,9．

随着下一代测序技术的最新进展，现在可以在高通量和临床相关的时间框架内分析整个基因组。在这些进展的推动下，许多国家正在进行大规模的人口测序项目13 - 15其中药物基因组学（PGX）测试将大大增加这些努力的临床效用。这些研究中让PGX，我们开发了CYP2D6来电者，Cyrius16，一种新的WGS特异性CYP2D6基因分型工具，克服了基因间同源性的挑战CYP2D6和CYP2D7．在这里，我们提供Cyrius的概述，以及未来PGx的应用，使WGS。

CYP2D6Cyrius采用的基因分型方法

读对准精度降低CYP2D6因为与CYP2D7(图1)，这可能使变体调用具有挑战性和容易出错。Cyrius使用了一种新的方法来克服这一挑战，图2中使用了coreell示例NA12878 (* 3 / * 68 + 4 *)作为一个例子。首先，居里乌斯确定了两者的总拷贝数CYP2D6和CYP2D7通过计算从WGS对齐的BAM文件的读深度，使用所有的读映射到任意一个CYP2D6或CYP2D7．下一个居里乌斯确定完成的数目CYP2D6基因以及基于117个碱基识别杂交基因，这些碱基已被证明在不同基因之间存在差异CYP2D6和CYP2D7在种群中。杂交种是在CYP2D6在这些碱基上测量基因内的变化。例如，图2B所示的样本NA12878有两个完整的CYP2D6一个是外显子1的来源CYP2D6和外显子2-9来自CYP2D7(即。* 68)．接下来，Cyrius解析读取序列，以识别定义星型等位基因的改变蛋白质的小变异(图2C)。最后，Cyrius将svv和小变异与恒星等位基因定义进行匹配，并产生与所谓变异一致的基因型。

图1所示。WGS数据质量CYP2D6 / CYP2D7地区。
从1000个基因组项目（1kGP）中，对每个位置绘制的2504个样本的平均绘图质量（红线）CYP2D6 / CYP2D7区域（GRCh38）。在200bp的窗口中应用中值滤波器CYP2D6 / CYP2D7显示为橙色(CYP2D6)和绿色(CYP2D7）框。两个2.8kb重复区（REP1和REP2）的下游CYP2D6和CYP2D7几乎相同且基本不对齐。紫色虚线框表示CYP2D7和REP7。基因内的两个主要的同源性区域，在阴影映射低精度的粉红色和高光区。
图2。Cyrius工作流，使用NA12878(*3/*68+*4)作为一个例子。

一种。CN(CYP2D6+CYP2D7)是通过计算和建模所有与任一对齐的读数而得到的CYP2D6或CYP2D7.直方图显示了归一化的CYP2D6+CYP2D7深度1kGP样品中，示出了在CN2，3，4，5，6和7的峰的红色垂直线表示NA12878的值，对应于CN5指示的额外拷贝（可能是CYP2D6或混合)。B.通过检查中枢神经系统来调用svvCYP2D6/CYP2D7区分基地。外显子用黄色方框表示。蓝点表示未加工CYP2D6CNs，计算为CN(CYP2D6+CYP2D7）乘以的比例CYP2D6支持读取CYP2D6和CYP2D7支持读取。红色的钻石表示基因的CNCYP2D6-在3'端衍生（可以完成CYP2D6或CYP2D7-CYP2D6混合)，计算为CN(CYP2D6+CYP2D7)减去CN（间隔符）CYP2D6CN在每个位置被调用CYP2D6 / CYP2D7区分位点和变化CYP2D6基因内的CN表示杂种的存在。在NA12878,CYP2D6CN在外显子2和外显子1之间由2变为3，表示aCYP2D6-CYP2D7混合(* 68)．C。支持定义蛋白质变化小变异的星型等位基因的读计数用于调用每个变异的CN。y轴显示所有查询的小变量位置的读计数。在NA12878中有六种变异称为g.100C>T，称为两个拷贝(一个拷贝属于*4另一个属于* 68基于星型等位基因定义)。最后，恒星等位基因被称为基于检测到的svv和小变异。

性能验证

CDC基因测试参考材料计划(GeT-RM)提供的参考样本11日17，主要pharmacogenes的共识基因型使用多个基因分型平台导出，其中，已启用了新开发的方法分型的准确性进行评估。我们评估了CYP2D6由Cyrius对144个truthset样本进行调用，其中包括138个GeT-RM样本和8个使用PacBio HiFi序列读取生成的truth样本(两个样本在GeT-RM和PacBio之间重叠)。居里乌斯最初在144个真理样本中发出了5个不一致的呼叫，显示出了96.5%的一致性。我们随后能够识别原因，并改进Cyrius正确调用这5个样本中的4个，达到99.3%的“训练”一致性(144个样本中的143个)。居里乌斯的精确度比现有的两个都高CYP2D6呼叫者阿尔迪18(86.8%)和占星师19(84.0%)16．

总之，在本研究中使用验证样品证实了我们CYP2D647个不同的单倍型的呼叫精度，包括40个恒星等位基因以及几个SV结构，如复制和串联排列，包括* 13 + * 2，* 68 + * 4，* 36 + 10 *和36 * + * 36 + 10 *。这40个星形等位基因代表PharmVar中131个星形等位基因的30.5%（截至2020年7月），以及51.7%（60个星形等位基因中的31个）的已知功能。将Cyrius应用于1000基因组项目（1kGP）的样本20.，代表了5个不同的群体(欧洲人、非洲人、东亚人、南亚人和混合的美国人)，表明这40个有效的星型等位基因代表了泛基因组群体中存在的96%的星型等位基因。

接下来，我们评估了597个1kGP三组测序数据中Cyrius呼叫的孟德尔一致性。尽管上述与真基因型的比较允许不同的单倍型分阶段，但孟德尔一致性检查是一种更严格的检查star等位基因分阶段的方法，当超过两个CYP2D6存在。572三重奏，在所有三个家庭成员的电话，561（98.1％）是孟德尔一致。所有不一致的三人组可以通过改变逐步得到解决 - 即不先证者有一个所谓的明星等位基因是在双方父母缺席。的不一致的情况下，大多数（8/11）是在三人确定的两个相同拷贝CYP2D6应该是与没有副本的其他单倍型的单倍型相同CYP2D6（即* Cyrius呼叫*1/*1与trio-based逐步* 5 / * 1 x2)．这种孟德尔一致性检查证实了整个系谱的基因型的一致性，但没有证实被称为明星等位基因的准确性。将三个一致性测试与上述对真实基因型进行的准确性测试相结合，提供了对Cyrius产生的基因型总体准确性的信心。

五个民族人群中可操作的药物遗传变异

Cyrius的方法可以用于解决其他类似的同源性问题，包括另一个药物基因CYP2B6.．为了提供更完整的药物基因组学图像，我们已经开发了一个额外的管道，基因型19药物基因与CPIC21A级指引(https://cpicpgx.org/genes-drugs/)，基因信息应用于更改受影响药物的处方。这19个基因包括Cacna1s、cftr、cyp2b6、cyp2c19、cyp2c9、cyp2d6、cyp3a5、cyp4f2、dpyd、g6pd、ifnl3、nudt15、ryr1、slco1b1、tpmt、ugt1a1、vkorc1、hla-a和HLA-B，其中我们使用专门的调用者的基因型CYP2D6/CYP2B6(Cyrius),HLA-A / HLA-B（DRAGEN HLA呼叫者）。翻译小变异基因拷贝数变异和成明星等位基因和活动成绩让我们能够评估1kGP样品中的不同代谢状态的分布，并确定使用需要修改药物处方基因型的基因。基于这种分析，我们估计在pangenomic人群个体的99.2％至少有一个pharmacogene提供可操作的变异（图3），表明WGS能为几乎每一个健康的人提供有价值的药理学信息。

图3。泛基因组群体中每个个体中具有可行动变异的药物基因数量的分布。

总结

我们提出了一种新的软件工具，Cyrius，可以精确地对高度复杂的基因进行分型CYP2D6地区。通过144个验证样本，我们能够确认Cyrius在40个不同的恒星等位基因上的准确性，这些等位基因大约代表了泛基因组群体中96%的恒星等位基因。我们鼓励有兴趣了解更多关于居里乌斯的读者阅读yobet亚洲我们描述这种方法的手稿16．与传统的基因分型方法相比，WGS为建立更精确的等位基因频率数据库提供了一个很有前景的选择，因为它能检测包括CNVs在内的所有变异，并结合正确的软件，能够准确解析所有已知的恒星等位基因。随着基于wgs的PGx工具和Cyrius等更有针对性的方法的持续发展，我们可以帮助加速药物基因组学，向个性化医疗迈进一步。

确认

我们感谢CDC遗传检测参考材料计划(GeT-RM)产生了一致的基因型。我们感谢纽约基因组中心和科瑞尔医学研究所生成和发布了1kGP WGS数据。感谢我们的合著者沈飞、Nina gonzudo、Alka Malhotra、Cande roger、Ryan Taft和David Bentley。我们感谢张伯超提供的DRAGEN HLA呼叫者。

外部链接

出版:https://www.nature.com/articles/s41397-020-00205-5

软件:https://github.com/Illumina/Cyrius

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药物基因组学

全基因组测序

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