Para ilmuwan di Lembaga Penelitian Pusat Medis Anak-anak di UT Southwestern (CRI), menggunakan pendekatan baru untuk menunjukkan dengan tepat penyebab penyakit genetik langka pada anak-anak. Mereka juga mengidentifikasi pilihan pengobatan yang lebih cepat daripada metode tradisional. Pendekatan baru tersebut menggabungkan sekuensing DNA dan analisis kimia yang disebut metabolomics untuk mengidentifikasi gen mutan yang menyebabkan jalur metabolisme yang rusak pada pasien. "Kami berharap teknik baru kami akan meningkatkan kecepatan di mana kami dapat menentukan gen yang rusak pada pasien yang dievaluasi di klinik kami di Children's Health," kata Dr. Ralph DeBerardinis, Profesor di CRI dan Pediatrics di UT Southwestern. "Dengan menunjukkan mutasi memungkinkan kita untuk memberikan informasi yang berguna kepada keluarga tentang penyakit dan risikonya kepada anggota keluarga lainnya. Dalam beberapa kasus, informasi itu menunjuk pada terapi yang ada atau membantu kita untuk membuat yang baru," tambah Dr. DeBerardinis. Penyakit dengan basis genetik merupakan penyebab sejumlah besar penyakit dan kematian pada anak-anak dan mengakibatkan sekitar 25 persen dari penerimaan rumah sakit anak. Subset terbesar dari penyakit genetik ini dikenal sebagai inborn errors of metabolism (IEM). Mendiagnosis penyakit inborn errors of metabolism (IEM) telah datang jauh sejak zaman Sir Archibald Garrod yang, pada akhir 1800-an, bergantung pada penggelapan warna urin seseorang untuk mendiagnosis penyakit alkaptonuria penyakit IEM genetik. Meskipun secara individual penyakit ini jarang terjadi, secara kolektif mereka memengaruhi jumlah anak yang tidak proporsional, katanya. IEM disebabkan oleh cacat pada gen yang membantu tubuh memetabolisme atau memecah gula, protein, dan lemak dalam makanan. Metabolisme yang rusak menyebabkan ketidakseimbangan kimia yang dapat menyebabkan kematian atau cacat permanen pada anak-anak, kecuali jika diidentifikasi dan diobati pada usia dini. Hal yang menggembirakan, banyak IEM dapat diobati melalui modifikasi diet dan terapi medis begitu basis genetik penyakit telah diidentifikasi. Sejumlah kecil IEM didiagnosis melalui skrining bayi baru lahir, tetapi mayoritas didiagnosis hanya setelah seorang anak jatuh sakit. Karena penyakit ini sangat jarang, perlu waktu berbulan-bulan atau bahkan bertahun-tahun untuk menerapkan diagnosis yang benar, dan prosesnya seringkali melibatkan prosedur invasif seperti biopsi otot atau liver. "IEM secara tradisional sulit diidentifikasi," kata Dr. DeBerardinis. "Banyak dari penyakit ini memiliki gejala yang tumpang tindih, jadi bahkan jika Anda mencurigai IEM, seringkali sulit untuk menentukan masalahnya. Ada lebih dari 400 IEM yang diketahui dan beberapa ribu gen yang terlibat dalam metabolisme manusia. Mengidentifikasi gen yang bermutasi pada anak dengan IEM. Tingkat beberapa metabolit dalam darah pasien diukur secara rutin. "Ini adalah jarum dalam masalah tumpukan jerami," kata DeBerardinis kepada Clinical OMICs. “Masalahnya adalah kita hanya mengukur beberapa lusin senyawa itu di rumah sakit. Tapi, susunan kimiawi darah sangat kompleks dengan ribuan metabolit. Jika Anda hanya menguji subset, mudah untuk melewatkan apa yang mungkin perlu Anda temukan. Jadi, kami ingin membangun tes yang lebih luas. Untuk melakukan ini, kami menggabungkan informasi genetik dan kimia." Saat ini, para peneliti menggabungkan genomik dan metabolomik untuk mengidentifikasi gen yang, ketika bermutasi, menimbulkan penyakit metabolik pada anak-anak. Dalam studi yang dipublikasikan, para peneliti mengidentifikasi gen yang bertanggung jawab untuk IEM langka yang menyebabkan perkembangan otak yang tidak normal, kejang, dan asidosis metabolik yang parah. Untuk menemukan gen, mereka menggunakan kombinasi sekuensing DNA dan metabolisme, suatu teknik yang dapat mendeteksi ratusan senyawa kimia kecil dalam darah. Para peneliti membandingkan tingkat setiap metabolit yang ditemukan pada pasien dengan subyek sehat menggunakan teknik yang disebut profil metabolik yang tidak ditargetkan. Teknik ini memungkinkan para peneliti untuk mendeteksi 20 kali lebih banyak metabolit dalam darah dibandingkan dengan layar metabolisme konvensional. Pendekatan ini memberi para peneliti pandangan granular tentang perubahan metabolisme pada pasien. Para peneliti kemudian menggunakan teknik sekuensing DNA canggih untuk mencari mutasi di antara hampir 20.000 gen manusia. Selanjutnya, mereka menggabungkan daftar perubahan metabolisme dan daftar gen yang bermutasi untuk menentukan mutasi mana yang dapat menjelaskan perbedaan metabolisme yang ada pada pasien. "Melakukan metabolisme secara paralel dengan studi DNA memungkinkan untuk menentukan mutasi yang menyebabkan penyakit jauh lebih cepat daripada studi DNA saja," kata Dr Min Ni, penulis utama studi dan Asisten Profesor di CRI dan Pediatrics di UT Southwestern. "Dalam hal ini, itu membantu kami menentukan bahwa pasien memiliki cacat genetik dalam satu enzim yang dikenal sebagai LIPT1. Kami dapat mengkonfirmasi teknik skrining baru kami bekerja dengan menggunakan sel-sel yang dikultur dari pasien dan model tikus untuk menunjukkan bahwa mutasi kami diidentifikasi pada pasien menyebabkan gangguan metabolisme dan mencegah perkembangan normal. " Kemampuan kelompok untuk menguji signifikansi mutasi pada lab basah adalah apa yang membuat hasil mereka sangat berarti. DeBerardinis mencatat bahwa pengurutan secara rutin mengidentifikasi varian genetik. Tetapi, komponen penting dari penelitian ini adalah kemampuan mereka untuk menentukan apakah varian tersebut menyebabkan fenotipe. Penelitian ini telah memberikan informasi yang sangat penting kepada pasien dan keluarganya. Di luar itu, DeBerardinis mencatat bahwa “lain kali ada pasien yang mendapat WES tanpa pemeriksaan metabolomik, dan mutasi ditemukan pada gen LIPT1, akan mudah bagi lab untuk mengatakan bahwa ini adalah penyebab masalah. ” “Salah satu bagian paling menarik dari penelitian ini adalah memungkinkan kami untuk membangun platform penelitian menggunakan teknologi genomik dan metabolomik canggih bersama-sama dengan uji eksperimental, untuk mengidentifikasi penyebab penyakit IEM langka” kata Min Ni, Ph.D., asisten profesor di CRI. Ini sangat penting karena, seperti yang dinyatakan Ni, "diagnosis IEM yang efisien selalu menantang." Ada lebih dari 400 IEM yang diketahui memiliki kesamaan metabolisme yang tidak normal. Disebabkan oleh mutasi pada enzim yang mengkatalisasi salah satu langkah dalam jaringan biokimia, beberapa dapat didiagnosis dengan perubahan fenotipik yang disebabkan oleh pergeseran metabolit. Tetapi, bagi banyak orang lain, diagnosis membutuhkan peluruhan dalam gejala non-spesifik dengan sarana pengujian molekuler atau biokimia yang terbatas. Oleh karena itu, sebagian besar tetap tidak terdiagnosis. Namun, jika cacat metabolik yang mendasarinya dapat dipahami, solusi dari blok metabolik dapat dikembangkan — memperbaiki langkah yang rusak di jalur. Ni mengatakan dia “sangat terkejut” bahwa mutasi satu-titik pada gen, seperti yang mereka temukan di LIPT1, dapat menyebabkan perubahan yang luar biasa dari berbagai jalur metabolisme. Karena LIPT1 mengaktifkan beberapa enzim lain, pasien ini sebenarnya memiliki cacat pada beberapa enzim yang berbeda dalam Siklus Kreb. Meskipun kompleksitas ini membuatnya lebih sulit untuk menemukan solusi, hasil penelitian telah mendorong tim untuk berpikir tentang menambahkan suplemen makanan untuk mengisi kembali yang telah terkuras dalam diet pasien. Ni berharap bahwa pekerjaan ini melampaui LIPT1. Dia mencatat bahwa "alur kerja dapat segera diterapkan untuk mempelajari banyak IEM lainnya." DeBerardinis menambahkan: "menerapkan metabolisme dalam pengaturan klinis tidak mustahil. Spektrometri massa sudah ada di laboratorium klinis, jadi kami berharap dapat meyakinkan orang-orang bahwa ini adalah sesuatu yang bisa diterapkan secara luas."

Sumber:

1. clinical omics

2. Functional Assessment of Lipoyltransferase-1 Deficiency in Cells, Mice, and Humans. Cell Reports, 2019; 27 (5): 1376 DOI: 10.1016/j.celrep.2019.04.005