Вэс недостатки и преимущества: Преимущества и недостатки технологий солнечной электростанции и ветровой электростанции

Содержание

Преимущества и недостатки технологий солнечной электростанции и ветровой электростанции

Использование энергии солнца и ветра способствует увеличению доли неисчерпаемых источников энергии для покрытия энергетических потребностей мира.

Уже более 100 стран сформулировали политические цели для расширения использования возобновляемых источников энергии и ввели соответствующие энергетические программы, которые обязывают операторов сети покупать электроэнергию, производимую возобновляемыми источниками энергии.

Использование энергии солнца и ветра целесообразно для выработки электрической энергии и возможно на всей территории Украины.

Однако, для исследования энергетического потенциала солнечного излучения и силы ветра, в целях наиболее эффективного использования технологий СЭС/ВЭС и, как результат, увеличение производства электроэнергии с последующей ее продажей по «зеленому» тарифу необходимо привлекать специалистов энергетической отрасли.

В соответствии с Законом Украины «Об электроэнергетике», в отличие от промышленных СЭС мощностью более 30 кВт, для владельцев частных СЭС и / или ВЭС предусмотрены следующие дополнительные стимулы:

  • производство электроэнергии из энергии ветра и солнечного излучения частного домохозяйства осуществляется без соответствующей лицензии;
  • размер «зеленого» тарифа привязан к курсу евро (при увеличении курса евро тариф также увеличивается).

ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕХНОЛОГИИ СЭС:

  • бесшумность работы;
  • срок работы солнечных элементов практически неограничен и может составлять десятки лет;
  • преобразование солнечной энергии происходит в основном за счет использования фотоэлектрических элементов;
  • дополнительный или автономный источник электроэнергии частного дома;
  • возможность получения «зеленого» тарифа.

НЕДОСТАТКИ ТЕХНОЛОГИИ СЭС:
  • зависимость от климатических характеристик местности;
  • потребность в большой площади размещения.

ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕХНОЛОГИИ ВЭС:

  • энергия ветра неисчерпаема;производство электроэнергии с помощью ВЭС не сопровождается опасными выбросами в атмосферу;
  • возможность размещения в труднодоступных местах;
  • требуют малой площади и вписываются в любой ландшафт;получение бесплатной электроэнергии в долгосрочной перспективе, отсутствие затрат на топливо и его доставку;
  • автономность — независимость от состояния и работы внешних электрических сетей.

НЕДОСТАТКИ ВЭС:
  • шум;
  • высокая стоимость;
  • большой срок окупаемости;
  • непостоянство и нерегулируемость ветрового потока.

Достоинства и недостатки ветровой энергетики » Альтернативная энергетика. Альтернативные источники энергии. Альтернативная энергия

ДОСТОИНСТВА:
Экологически чистый вид энергии: Создание электроэнергии с поддержкою «ветряков» не сопровождается выбросами CO2 и каких-либо иных газов.
Эргономика: Ветровые электростанции занимают совсем немного места и просто вписываются в хоть какой ландшафт, а также непревзойденно смешиваются с иными видами хозяйственного применения территорий.
Возобновляемая энергия: Энергия ветра, в отличие от ископаемого горючего, неистощима.
Ветровая энергетика — лучшее решение для труднодоступных мест: Для удалённых мест установка ветровых электрогенераторов может быть лучшим и более дешёвым решением.

НЕДОСТАТКИ:
Непостоянность: Непостоянность содержится в негарантированности получения нужного количества электроэнергии. На неких участках суши силы ветра может оказаться недостаточно для выработки нужного количества электроэнергии.
Условно низкий выход электроэнергии: Ветровые генераторы веско уступают в выработке электроэнергии дизельным генераторам, что приводит к необходимости установки сходу нескольких турбин. Не считая того, ветровые турбины неэффективны при пиковых отягощениях.
Немалая стоимость: Стоимость установки, производящей 1 гига-ватт электроэнергии, около 1 миллиона баксов.
Опасность для живой природы: Вертящиеся лопасти турбины представляют потенциальную опасность для неких видов живых организмов. По статистике, лопасти каждой установленной турбины являются предпосылкой погибели не менее 4 особей птиц в год.

Шумовое загрязнение: Шум, производимый «ветряками», может причинять беспокойство, как животным, так и людям, живущим вблизи.

ФАКТЫ:
— В США 32% всех мощностей ветрогенераторов было запущено в 2008 году.
— «Ветряки» вырабатывают 1,5% всей употребляемой электроэнергии.
— Ветровые электростанции побережий могут прирастить мировую электроэнергию в 40 разов.
— Ожидается, что к 2010 году мощность всех ветровых электростанций в мире приблизится к 200 000 мега-ваттам (сегодня суммарная мощность всех «ветряков» около 121 188 мега-ватт).

Плюсы и минусы ветроэнергетики.


Ветер, как неисчерпаемый источник экологически чистой энергии, находит все более широкое применение и приобретает все большую общественную поддержку.
Начало использования энергии ветра восходит к древнему Вавилону (осушение болот), Египту (помол зерна), Китаю и Маньчжурии (откачка воды с рисовых полей). В Европе эта технология появилась в XII веке, но современные технологии стали использоваться только в XX веке.
Ветряные электростанции могут функционировать в районах со скоростью ветра выше 4,5 м/с. Они могут работать с сетью существующих электростанций либо быть автономными системами. Возникают также так называемые «ветряные фермы» — энергоблоки с некоторым количеством единиц техники, общих для всей системы. Наибольшее количество энергии из ветра в настоящее время производится в Соединенных Штатах, а в Европе — в Дании, Германии, Великобритании, Нидерландах. В Германии находится самая мощная электростанция в мире — 3 МВт. Aeolus II работает на ветряной ферме Вильгельмсхафен и производит ежегодно 7 млн. кВт/ч энергии, обеспечивая около 2 тысяч домашних хозяйств. Всего в мире уже более 20 тысяч ветряных электростанций.
Несмотря на массовое производство, стоимость строительства современной ветряной электростанции велика. Однако, следует отметить, что ничтожна стоимость ее эксплуатации. Экологические и экономические выгоды зависят от правильного расположения. Требует это детального и всестороннего анализа как технических аспектов, так и экологических, а также финансовых. Ветряная энергетика соответствует всем условиям, необходимым для причисления ее к экологически чистым методам производства энергии. Ее основными преимуществами являются:
1. Отсутствие загрязнения окружающей среды — производство энергии из ветра не приводит к выбросам вредных веществ в атмосферу или образованию отходов.
2. Использование возобновляемого, неисчерпаемого источника энергии, экономия на топливе, на процессе его добычи и транспортировки.
3. Территория в непосредственной близости может быть полностью использована для сельскохозяйственных целей.
4. Стабильные расходы на единицу полученной энергии, а также рост экономической конкурентоспособности по сравнению с традиционными источниками энергии.
5. Минимальные потери при передаче энергии – ветряная электростанция может быть построена как непосредственно у потребителя, так и в местах удаленных, которые в случае с традиционной энергетикой требуют специальных подключений к сети.
6. Простое обслуживание, быстрая установка, низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию.Противники ветряной энергетики находят в ней также и недостатки. Большинство потенциальных преград для использования этого вида энергии чрезмерно пропагандируются как недостатки, которые делают невозможным ее развитие. По сравнению с вредом, причиняемым традиционными источниками энергии, они незначительны:
1. Высокие инвестиционные затраты — они имеют тенденцию к снижению в связи с новыми разработками и технологиями. Также стоимость энергии из ветра постоянно снижается.
2. Изменчивость мощности во времени — производство электроэнергии зависит, к сожалению, от силы ветра, на которую человек не может повлиять.
3. Шум – исследования шума, выполненные с использованием новейшего диагностического оборудования, не подтверждают негативного влияния ветряных турбин. Даже на расстоянии 30-40 м от работающей станции, шум достигает уровня шума фона, то есть уровня среды обитания.
4. Угроза для птиц — в соответствии с последними исследованиями, вероятность столкновения лопастей ветряка с птицами не больше, чем в случае столкновения птицы с высоковольтными линиями традиционной энергетики.
5. Возможность искажения приема сигнала телевидения — незначительна.
6. Изменения в ландшафте.
Несмотря на все преимущества, ветряки имели серьезные недостатки. Эффект их работы зависел от погодных условий, поэтому в безветренные дни и дни, когда ветер очень сильный, ветряки не могли работать. Однако, энергия всех видов была, есть и будет нам нужна. Само слово «энергия» происходит от греческого слова energia и означает деятельность, активность. Ее использование может быть разнообразным. Наиболее всего мы нуждаемся в ней в промышленном производстве, отоплении, транспорте, для освещения. В начале она поставлялась нам из окружающей среды (природные ресурсы), такие как бурый уголь, древесина или нефть. Сегодня трудно представить себе жизнь без электроэнергии. Электричество нам необходимо так же, как вода и воздух.

Плюсы и минусы ветровых электростанций

Ветровая электростанция вырабатывает электричество с помощью специальных генераторов в виде ветряных турбин, работающих на энергии ветра. Именно такая энергия классифицируется как экологическая, потому что не используется топливо, полученное в процессе горения.

Как устроена ветровая электростанция

Ветряная электростанция содержит генератор, в котором энергия, вырабатываемая вращением ротора превращается в электрическую энергию. Ротор вращается с помощью винта или турбины. Чем больше генератор, тем больше энергии ветра он будет преобразовывать в электричество. Размер генератора должен соответствовать размеру винта или турбины. Если он будет слишком большим, то это будет препятствовать запуску при слабом ветре.

Преимущества и плюсы ветровых электростанций

  • Бесплатная возобновляемая энергия. Энергия ветра является возобновляемой и бесплатной. Ветряки не выделяют CO2 или других вредных веществ. Ветер является идеальным и бесконечным источником энергии. Строительство большего количества ветряных электростанций приводит к сокращению возникновения электростанций, которые выбрасывают в атмосферу вредные вещества.
  • Разнообразие. Использование энергии ветра, способствует разнообразию источников энергии и позволяет минимизировать зависимость от обычных электростанций или других типов получения энергии.
  • Будущее. У энергии ветра есть будущее! Создание новых ветряных электростанций приводит к технологическому развитию, техническим инновациям и созданию новых рабочих мест.
  • Снижающиеся затраты. Затраты на получение энергии от ветра значительно снизились в последние годы. За последние двадцать лет стоимость снизилась на целых 80%, что делает этот вид энергии в настоящее время наиболее прибыльным из всех типов электростанций.
  • Дополнительная прибыль. Владелец участка, на котором находятся ветряные электростанции, может рассчитывать на прибыль от предоставления этой земли в аренду, поскольку фактическая площадь, необходимая для электростанции невелика. Кроме того, землю, на которой располагается электростанция можно использовать в сельском хозяйстве (для выращивания разных культур) так как станции не имеют вредных выбросов.
  • Благоразумие. Срок службы такой электростанции в среднем составляет 20-30 лет, и после ее демонтажа не остается никаких следов — ни в ландшафте, ни в атмосфере.
  • Эффективность. Процесс эксплуатации ветровых станций довольно прост, время сборки очень короткое, а также затраты на эксплуатацию и обслуживание также довольно низкие. Электростанция производит в 85 раз больше энергии, чем потребляет. Также она имеет относительно небольшие потери при транспортировке энергии.
  • Принятие. Настройка ветровой электростанции пользуется общественным признанием. Подавляющее большинство людей понимают и поддерживают преимущества использования этого вида энергии.

Недостатки ветровых электростанций

  • Инвестиционные затраты. Ветряные электростанции влекут за собой большие инвестиционные затраты. Однако в настоящее время цены на строительство ветряных электростанций постоянно снижаются благодаря новым достижениям в области технологий.
  • Непостоянство. Сила энергии ветра не постоянна, это вызывает колебания в выработке энергии. Ветер не всегда предсказуем, его даже может не быть несколько дней. Это означает, что ветряные турбины не производят одинаковое количество электроэнергии на протяжении всего времени. Иногда это приводит к полному отсутствию электричества.
  • Опасность для птиц. Ветряные электростанции неблагоприятно воздействуют на окружающую среду, и на живые организмы. Они имеют мощные движущиеся элементы, которые могут убивать птиц и летучих мышей. Особенно это опасно в периоды миграции птиц. Однако это происходит редко, а также существует правило, которое гласит, что нельзя строить ветряные электростанции на миграционных маршрутах.
  • Шум. Ветряные электростанции могут создавать шумы. Они являются источниками постоянных низкочастотных шумов. Эти низкочастотные шумы, создаваемые турбинами (около 40 дБ) и неслышимый инфразвук, могут вызывать у человека усталость.
  • Помехи. Некоторые ветряные электростанции с большим диаметром лопастей и высокой скоростью вращения могут вызывать радиолокационные помехи, а также влиять на телевизионный сигнал.
  • Влияние на здоровье. Ветряные электростанции имеют негативное влияние на здоровье людей, живущих рядом с ними. Вследствие их влияния у человек может возникнуть так называемый синдром ветряных турбин (проблемы со сном, концентрацией, головные боли и головокружение), поэтому рекомендуется размещать ветряные электростанции на расстоянии не менее 2,5 — 3 км от жилых зданий;
  • Затраты на размещении. Одно из наиболее подходящих мест для размещения ветряных электростанций это недалеко от берега. Но земля у побережья, как известно, обычно очень дорогая.
  • Нуждаются в поддержке. Ветряные электростанции производят электроэнергию около 30% времени и должны поддерживаться электростанциями, работающими например, на угле, которые в свою очередь продуцируют вредные выбросы.
  • Снижение стоимости земли и недвижимости. Исследования показали, что стоимость недвижимости, расположенной в радиусе 1,6 км от ветряных станций, может существенно снижаться;
  • Последствия. Расходы, связанные с мелиорацией земель и ликвидацией фундамента ветряков после окончания работы станции.
  • Рабочие места. Возведение станций влияет на сокращение количества рабочих мест, для обслуживания дюжины ветряных мельниц требуется всего один человек;

Какой можно сделать вывод

Сторонники возобновляемой энергии выступают за строительство домашних ветряных электростанций, где только могут. Противники утверждают, что ветроэлектростанции оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Это вечный спор консерваторов с новаторами. Поэтому здесь уже каждый сам для себя решает, будет ли он инвестировать в свое будущее или продолжит пользоваться старыми и понятными методами, которые проверены временем.

Похожие записи

✅ Недостатки вэс — правомосквы.рф

Энергия ветра: преимущества и недостатки

Освоение энергии ветра по всему миру, в последние годы, происходит весьма стремительно. Лидерами на данный момент являются Китай и США, однако и остальной мир постепенно развивает это перспективное направление «чистой» энергетики, базирующейся на неисчерпаемом природном ресурсе – энергии ветра. С каждым годом в мире устанавливается все больше и больше ветрогенераторов, и налицо тенденция к дальнейшему распространению технологии.

Давайте рассмотрим преимущества и недостатки использования ветроэлектрических установок.

1. Используется полностью возобновляемый источник энергии. В результате действия солнца, в атмосфере постоянно движутся воздушные потоки, для создания которых не требуется добывать, транспортировать, и сжигать никакое топливо. Источник принципиально неисчерпаем.

2. В процессе работы ветряной электростанции полностью отсутствуют вредные выбросы. Это значит, что отсутствуют как любые парниковые газы, так и какие бы то ни было отходы производства вообще. То есть технология экологически безопасна.

3. Ветряная станция не использует воду для своей работы.

4. Ветряная турбина и основные рабочие части таких генераторов расположены на значительной высоте над землей. Мачта, на которой установлена ветряная турбина, занимает небольшую площадь на земле, поэтому окружающее пространство может быть с успехом использовано для хозяйственных нужд, там могут быть размещены различные здания и сооружения, например, для сельского хозяйства.

5. Применение ветрогенераторов особенно оправдано для изолированных территорий, куда обычными способами электроэнергию не доставить, и автономное обеспечение для таких территорий является, пожалуй, единственным выходом.

6. После введения в эксплуатацию ветряной электростанции, стоимость киловатт-часа генерируемой таким образом электроэнергии значительно снижается. Например, в США специально исследуют работу вновь установленных станций, оптимизируют эти системы, и таким образом удается снижать стоимость электроэнергии для потребителей до 20 раз от первоначальной стоимости.

7. Техническое обслуживание в процессе эксплуатации минимально.

1. Зависимость от внешних условий в конкретный момент. Ветер может быть сильным, или его может не быть вообще. Для обеспечения непрерывной подачи электроэнергии потребителю в таких непостоянных условиях, необходима система хранения электроэнергии значительной емкости. Кроме этого, требуется инфраструктура для передачи этой энергии.

2. Сооружение ветровой установки требует материальных затрат. В некоторых случаях привлекаются инвестиции в масштабах регионов, что не всегда легко обеспечить. Именно стартовый этап, само возведение проекта является весьма дорогостоящим мероприятием. Упомянутая выше инфраструктура — немаловажная часть проекта, которая также стоит денег.

В среднем, стоимость 1 кВт установленной мощности составляет $1000.

3. Некоторые эксперты считают, что ветряки искажают природный ландшафт, что их вид нарушает естественную природную эстетику. Поэтому крупным фирмам приходится прибегать к помощи профессионалов по дизайну и ландшафтной архитектуре.

4. Ветряные установки производят аэродинамический шум, который может причинить дискомфорт людям. По этой причине в некоторых странах Европы принят закон, по которому расстояние от ветряка до жилых домов не должно быть меньше 300 метров, а уровень шума не должен превышать 45 дБ днем и 35 дБ ночью.

5. Есть небольшая вероятность столкновения птицы с лопастью ветряка, однако она настолько мала, что вряд ли нуждается в серьезном рассмотрении. А вот летучие мыши более уязвимы, поскольку строение их легких, в отличие от строения легких птиц, способствует получению смертельной баротравмы, при попадании млекопитающего в область пониженного давления около края лопасти.

Несмотря на недостатки, преимущества ветряных генераторов по части пользы для окружающей среды очевидны. Для наглядности стоит отметить, что работа ветрогенератора мощностью 1 МВт позволяет сэкономить за 20 лет около 29000 тонн угля или 92000 баррелей нефти.

Преимущества и недостатки ветроэлектростанций

Преимущества ветроэлектростанций

  • Ветер — возобновляемый и практически неисчерпаемый источник энергии.
  • Ветроэлектростанции не производят угарного газа (СО), углекислоты (С02) и окислов азота и серы, пылевых загрязнителей и других вредных отходов.
  • Построенную крупную ветряную турбину сравнительно легко и дешево обслуживать.
  • Ветроэлектростанции способны снизить зависимость от природного топлива, гидроресурсов и атомных реакторов для производства электричества.
  • Крупные ветряные турбины можно широко расположить на местности. Это позволяет разнести источники электроэнергии по регионам и помочь созданию нечувствительной к сбоям системы электроснабжения (защищенной от катастрофических сбоев и терактов).
  • Ветроэнергетика может использоваться как дополнительный источник энергии наряду с иными способами производства электричества. Это диверсифицирует систему электроснабжения страны.
  • Крупные ветряные турбины можно размещать на офшорных платформах — на крупных озерах, в океане, так же как и на земле.
  • Даже самые крупные ветряные турбины занимают мало места, ив местах их расположения можно осуществлять другую деятельность — заниматься сельским хозяйством или скотоводством, например.

Недостатки ветроэлектростанций

  • Ветер — неустойчивый источник энергии. Его показатель производительности ниже, чем у подавляющего большинства других источников энергии (В районах, где ветер дует редко и не обладает большими скоростями, строить ВЭУ вообще нецелесообразно.).
  • Гроза, ураган или снежный буран могут повредить или разрушить крупную ветряную турбину.
  • Некоторым людям вид крупных ветряных турбин не нравится.
  • Ветряные турбины производят шум. Однако даже на небольшом расстоянии от башни шум, производимый лопастями и турбиной, редко бывает слышнее, чем шум ветра.
  • Крупные ветряные турбины иногда ранят и убивают птиц. Эту проблему можно частично решить за счет разумного выбора месторасположения ветроэнергостанции и за счет размещения самих турбин таким образом, чтобы они не находились близко друг от друга и чтобы их лопасти не вращались в одной плоскости.
  • Энергия ветра не сможет сама по себе удовлетворить потребности в электричестве города, штата или государства целиком. Лучше всего использовать ее в качестве вспомогательного источника, в комбинации с природным топливом, гидроресурсами и атомными реакторами.
  • Районы с постоянными ветрами, которые подходят для строительства ветроэлектростанции, как правило, находятся вдали от населенных центров, требуя строительства протяженных линий электропередачи.

Почему энергия ветра не используется шире? Если построить ветряные турбины по всем подходящим районам США, то хотя бы в некоторых из них в любой момент времени будет дуть хороший ветер. Если объединить все турбины в единую сеть, то мы получим постоянный и надежный источник электричества, разве нет?

Теоретически — да. В любой данный момент времени на территории США найдется несколько районов, где ветер дует с оптимальной для работы ветряных турбин скоростью. Проблема состоит в том, чтобы эффективно доставлять выработанную электроэнергию до конечных потребителей. Некоторые из них неизбежно будут оказываться слишком далеко от работающих электрогенераторов, чтобы передача им электроэнергии была эффективной. Пока еще не существует технологий, позволяющих сохранять выработанное за счет энергии ветра электричество в количествах, достаточных для регулярного электроснабжения городов и населенных пунктов.

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.

Достоинства и недостатки ветровой энергетики

ДОСТОИНСТВА:
Экологически чистый вид энергии: Создание электроэнергии с поддержкою «ветряков» не сопровождается выбросами CO2 и каких-либо иных газов.
Эргономика: Ветровые электростанции занимают совсем немного места и просто вписываются в хоть какой ландшафт, а также непревзойденно смешиваются с иными видами хозяйственного применения территорий.
Возобновляемая энергия: Энергия ветра, в отличие от ископаемого горючего, неистощима.
Ветровая энергетика — лучшее решение для труднодоступных мест: Для удалённых мест установка ветровых электрогенераторов может быть лучшим и более дешёвым решением.

НЕДОСТАТКИ:
Непостоянность: Непостоянность содержится в негарантированности получения нужного количества электроэнергии. На неких участках суши силы ветра может оказаться недостаточно для выработки нужного количества электроэнергии.
Условно низкий выход электроэнергии: Ветровые генераторы веско уступают в выработке электроэнергии дизельным генераторам, что приводит к необходимости установки сходу нескольких турбин. Не считая того, ветровые турбины неэффективны при пиковых отягощениях.
Немалая стоимость: Стоимость установки, производящей 1 гига-ватт электроэнергии, около 1 миллиона баксов.
Опасность для живой природы: Вертящиеся лопасти турбины представляют потенциальную опасность для неких видов живых организмов. По статистике, лопасти каждой установленной турбины являются предпосылкой погибели не менее 4 особей птиц в год.
Шумовое загрязнение: Шум, производимый «ветряками», может причинять беспокойство, как животным, так и людям, живущим вблизи.

ФАКТЫ:
— В США 32% всех мощностей ветрогенераторов было запущено в 2008 году.
— «Ветряки» вырабатывают 1,5% всей употребляемой электроэнергии.
— Ветровые электростанции побережий могут прирастить мировую электроэнергию в 40 разов.
— Ожидается, что к 2010 году мощность всех ветровых электростанций в мире приблизится к 200 000 мега-ваттам (сегодня суммарная мощность всех «ветряков» около 121 188 мега-ватт).

Плюсы и минусы ветровых электростанций

Ветровая электростанция вырабатывает электричество с помощью специальных генераторов в виде ветряных турбин, работающих на энергии ветра. Именно такая энергия классифицируется как экологическая, потому что не используется топливо, полученное в процессе горения.

Как устроена ветровая электростанция

Ветряная электростанция содержит генератор, в котором энергия, вырабатываемая вращением ротора превращается в электрическую энергию. Ротор вращается с помощью винта или турбины. Чем больше генератор, тем больше энергии ветра он будет преобразовывать в электричество. Размер генератора должен соответствовать размеру винта или турбины. Если он будет слишком большим, то это будет препятствовать запуску при слабом ветре.

Преимущества и плюсы ветровых электростанций

  • Бесплатная возобновляемая энергия. Энергия ветра является возобновляемой и бесплатной. Ветряки не выделяют CO2 или других вредных веществ. Ветер является идеальным и бесконечным источником энергии. Строительство большего количества ветряных электростанций приводит к сокращению возникновения электростанций, которые выбрасывают в атмосферу вредные вещества.
  • Разнообразие. Использование энергии ветра, способствует разнообразию источников энергии и позволяет минимизировать зависимость от обычных электростанций или других типов получения энергии.
  • Будущее. У энергии ветра есть будущее! Создание новых ветряных электростанций приводит к технологическому развитию, техническим инновациям и созданию новых рабочих мест.
  • Снижающиеся затраты. Затраты на получение энергии от ветра значительно снизились в последние годы. За последние двадцать лет стоимость снизилась на целых 80%, что делает этот вид энергии в настоящее время наиболее прибыльным из всех типов электростанций.
  • Дополнительная прибыль. Владелец участка, на котором находятся ветряные электростанции, может рассчитывать на прибыль от предоставления этой земли в аренду, поскольку фактическая площадь, необходимая для электростанции невелика. Кроме того, землю, на которой располагается электростанция можно использовать в сельском хозяйстве (для выращивания разных культур) так как станции не имеют вредных выбросов.
  • Благоразумие. Срок службы такой электростанции в среднем составляет 20-30 лет, и после ее демонтажа не остается никаких следов — ни в ландшафте, ни в атмосфере.
  • Эффективность. Процесс эксплуатации ветровых станций довольно прост, время сборки очень короткое, а также затраты на эксплуатацию и обслуживание также довольно низкие. Электростанция производит в 85 раз больше энергии, чем потребляет. Также она имеет относительно небольшие потери при транспортировке энергии.
  • Принятие. Настройка ветровой электростанции пользуется общественным признанием. Подавляющее большинство людей понимают и поддерживают преимущества использования этого вида энергии.

Недостатки ветровых электростанций

  • Инвестиционные затраты. Ветряные электростанции влекут за собой большие инвестиционные затраты. Однако в настоящее время цены на строительство ветряных электростанций постоянно снижаются благодаря новым достижениям в области технологий.
  • Непостоянство. Сила энергии ветра не постоянна, это вызывает колебания в выработке энергии. Ветер не всегда предсказуем, его даже может не быть несколько дней. Это означает, что ветряные турбины не производят одинаковое количество электроэнергии на протяжении всего времени. Иногда это приводит к полному отсутствию электричества.
  • Опасность для птиц. Ветряные электростанции неблагоприятно воздействуют на окружающую среду, и на живые организмы. Они имеют мощные движущиеся элементы, которые могут убивать птиц и летучих мышей. Особенно это опасно в периоды миграции птиц. Однако это происходит редко, а также существует правило, которое гласит, что нельзя строить ветряные электростанции на миграционных маршрутах.
  • Шум. Ветряные электростанции могут создавать шумы. Они являются источниками постоянных низкочастотных шумов. Эти низкочастотные шумы, создаваемые турбинами (около 40 дБ) и неслышимый инфразвук, могут вызывать у человека усталость.
  • Помехи. Некоторые ветряные электростанции с большим диаметром лопастей и высокой скоростью вращения могут вызывать радиолокационные помехи, а также влиять на телевизионный сигнал.
  • Влияние на здоровье. Ветряные электростанции имеют негативное влияние на здоровье людей, живущих рядом с ними. Вследствие их влияния у человек может возникнуть так называемый синдром ветряных турбин (проблемы со сном, концентрацией, головные боли и головокружение), поэтому рекомендуется размещать ветряные электростанции на расстоянии не менее 2,5 — 3 км от жилых зданий;
  • Затраты на размещении. Одно из наиболее подходящих мест для размещения ветряных электростанций это недалеко от берега. Но земля у побережья, как известно, обычно очень дорогая.
  • Нуждаются в поддержке. Ветряные электростанции производят электроэнергию около 30% времени и должны поддерживаться электростанциями, работающими например, на угле, которые в свою очередь продуцируют вредные выбросы.
  • Снижение стоимости земли и недвижимости. Исследования показали, что стоимость недвижимости, расположенной в радиусе 1,6 км от ветряных станций, может существенно снижаться;
  • Последствия. Расходы, связанные с мелиорацией земель и ликвидацией фундамента ветряков после окончания работы станции.
  • Рабочие места. Возведение станций влияет на сокращение количества рабочих мест, для обслуживания дюжины ветряных мельниц требуется всего один человек;

Какой можно сделать вывод

Сторонники возобновляемой энергии выступают за строительство домашних ветряных электростанций, где только могут. Противники утверждают, что ветроэлектростанции оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Это вечный спор консерваторов с новаторами. Поэтому здесь уже каждый сам для себя решает, будет ли он инвестировать в свое будущее или продолжит пользоваться старыми и понятными методами, которые проверены временем.

Ветровые электростанции: принцип работы, преимущества и недостатки

К сожалению, ископаемое топливо не безгранично. С каждым годом запасов становится все меньше. Чтобы не наступил момент полного истощение ресурсов человечество дошло до альтернативной энергетики. Другими словами, теперь человек может получать электричество из энергии солнца, ветра, воды. В этой статье мы рассмотрим что такое ветряная электростанция и как она работает, какие типы ВЭС существуют, разберем все их достоинства и недостатки. Кроме того мы приведем примеры известных мировых и украинских производителей ветряков, которые можно найти на рынке.

Принцип работы ветровой электростанции

Вне зависимости от типа электростанции, ее принцип работы заключается в одном: поток ветра определенной силы раскручивает лопасти ветрогенератора. Буквально происходит следующее — подвижная часть вращается, передавая это же вращение непосредственно на генератор. Благодаря этому в системе и образуется электропоток.

Далее он заряжает установленные аккумуляторы, которые подключены к инверторам. Они, в свою очередь преобразовывают полученный ток в обычное напряжение, которое необходимо для питания приборов, оборудования и техники. Для получения большего объема мощности отдельные ветрогенераторы соединяют в сеть, образуя при этом ветровую электростанцию.

Если же разделить ВЭС на два основных типа, то они бывают роторными и крыльчатыми. Первые оснащены вертикальной осью вращения, за счет чего более удобные в работе, малошумные и не привязаны к направлению ветра. Но, в свою очередь, роторные станции считаются менее эффективными и производительными и чаще всего устанавливаются на мелких, частных станциях.

Для выработки энергии в больших, промышленных масштабах, используют крыльчатые установки. Однако же в обслуживании и монтаже куда сложнее. Крыльчатые ветряки важно располагать в правильно направлении ветра для получения большей производительности.

Уcтpoйcтвo и виды вeтpoвых элeктpocтaнций

ВЭС вырабатывает электроток благодаря энергии ветра. Промышленные и крупные ветровые станции состоят из нескольких больших ветряков, которые соединены в одну сеть. Их мощности хватает для обеспечения электричеством сел, поселков и городов. Мелкие станции вырабатывают меньше мощности, но даже ее может хватить на удовлетворение энергопотребности небольшого массива.

По функциональности ветровые электростанции можно разделить на:

В зависимости от расположения ВЭС бывают:

Также станции можно разделить по типу конструкции:

Преимущества и недостатки ВЭС

Самым основным достоинством ветровой станции является независимость от ископаемого топлива. Для работы и генерации электричества ВЭС использую полностью бесплатный источник — ветер. К тому же, ветропарк не наносит природе никакого урона, как, например, гидроэлектростанции. То есть, можно сказать, что ВЭС — экологически чистая и безвредная методика получения энергии.

Однако можно выделить и некоторые недостатки, среди которых основным можно выделить высокую стоимость оборудования. В результате это влияет и на цену конечного продукта — ветровой энергии. Говоря о финансовой стороне стоит упомянуть долгую и практически отсутствующую окупаемость оборудования. Кроме того для сбережения энергии также требуется большое количество аккумуляторов, поскольку ветер не всегда есть, что провоцирует перебои в генерации. Среди минусов можно также назвать высокий шум от работы ветряков и низкий уровень КПД, который практически невозможно увеличить.

Вeдyщиe мировые производители

Поскольку рынок альтернативной энергетики непрестанно растет и развивается, существует огромное количество компаний, специализирующихся на строительстве ветрогенераторов. Среди большого количества компаний мы выделили пятерку самый популярных и надежных.

Датская компания Vestas

Предприятие Vestas Wind Systems A/S одним из первых начало производство, установку и обслуживание ветрогенераторов еще в 1986 году. С тех пор она добилась колоссальных успехов в отрасли альтернативной энергетики. Vestas являются одним из самых крупных застройщиков ветроэлектростанций. На счету предприятия около 10 тысяч МВт мощности со всех произведенных единиц.

Немецкое производство Nordex

Компания была основана в 1985 году, еще до того как в первой половине 90-х годов увеличился спрос на ветряные турбины в мире. С самого начала Nordex сосредоточились на больших и мощных турбинах. Всего за два года, в 1995, компания установила самую большую в мире ветряную турбину N54 на 1000 кВт. С серийно выпускаемыми мульти-мегаваттными ветряными турбинами Generation Gamma, компания может предложить высокоэффективные ветряные турбины для наземного использования. С 2013 года Nordex выпускает Delta Generation для сильных, средних и слабых ветров.

Немцы Superwind

Она просто разрабатывает, проектирует и производит свою продукцию наивысшего качества, чтобы удовлетворить потребности клиентов. Компания тесно сотрудничает с системными интеграторами и высококвалифицированными дистрибьюторами по всему миру.

Испанская компания Ecotecnia

Ecotècnia была производителем и установщиком ветряных турбин, основанным в 1981 году с главным офисом в Барселоне . Первым ветрогенератором компании была установка мощностью 30 кВт, разработанная в 1984 году при финансовой поддержке Министерства науки Испании. Со временем и активным развитием компания увеличила выходную мощность своей ветряной турбины до 1,67 МВт. А к 2007 году Ecotècnia установила ветряные электростанции с общей мощностью более 1 ГВт. Основным продуктом, которые завоевал весь мир, является морская ветряная турбина Haliade мощностью 6 МВт, одна из самых мощных турбин на Земле.

Французское предприятие Vergnet

Компания Vergnet, основанная в 1989 году, обладает более чем 25-летним опытом инженерного совершенства. Главный офис находится в Орлеане, Франция. В штате компании числится 166 сотрудников в 10 офисах по всему миру, работающих в более чем 40 странах. На сегодняшний день Vergnet установили более 900 ветровых турбин, выполнили более 45 МВт солнечных проектов и разработали ряд уникальных гибридных энергетических решений, включая первый в своем роде Hybrid Wizard™. Всемирная ветроэнергетическая ассоциация (WWEA) вручила Vergnet престижную премию World Wind Energy Award 2013, ежегодно присуждаемую отдельным лицам и организациям, которые внесли огромный вклад в использование энергии ветра во всем мире.

Украинские производители ветровых турбин

Украинское производство еще не настолько развито, чтобы конкурировать с иностранными компаниями. Однако одно из самых крупных производств ветряных мельниц не для промышленного использования принадлежит предприятию FLAMINGO AERO. Мощность из ветрогенераторов варьируется от 0,8 до 20 кВт.

Также стоит выделить фирму Winder, которая уже на протяжении 14 лет обеспечивает ветряными генераторами частные дома и небольшие предприятия.

Но несомненным лидером украинского рынка смело можно назвать «Фурлендер Виндтехнолоджи». Они первые и единственные на территории стран постсоветского пространства, кто производит ветрогенераторы мультимегаватного класса.

Самая большая электростанция

Самый крупный по габаритам и производимой мощности ветрогенератор в мире считается Энеркон Е-126 (Enercon E-126). Производитель гиганта — немецкая компания, специализирующаяся на проектировании, строительстве и монтаже ветровых электростанций. Первый такой ветряк был установлен еще в 2007 году в немецком городе Эмден. Тогда его мощность составляла 6 МВт. Позже, в 2009 году, провели модернизацию турбины, увеличив мощность до 7,58 МВт. Отметим, что какой бы ни был надежный ветрогенератор, его мощность все равно колеблется в зависимости от погодных условий.

Но что остается неизменным, так потрясающие размеры. Ветряк имеет высоту основной колонны в 135 метров, а диаметр подвижного ротора равен 127 метрам. То есть, если лопасть поднимается вверх, общая высота сооружения достигает 198 метров. А вес ветряка равен 6000 тоннам.

На фото ниже мы покажем размеры этого гиганта. На первой картинке может показаться, что лопасть ветряка просто огромна, однако это только ее половина.

На втором фото представлена целая лопасть Энеркона.

Также представлены фото, где ветряк можно сравнить с другими вещами, привычного нам размера.

Oбзop пoпyляpных моделей мировых производителей

Датская компания Vestas выпускает ветротурбину V112. Отличительной особенностью этой модели является то, что предприятие производит как морскую турбину, которую можно размещать на шельфовой зоне, так и береговую. Представляют собой турбины Vestas огромные промышленные ветряки, у которых диаметр ротора равен 112 метрам, а номинальная мощность — 3000 кВт. Ветряк функционирует на разной скорости ветра — от 4 до 23 м/с. Шесть таких ветряков были установлены в 2017 году во Львовской области, на ВЭС “Старый Самбор-2”.

Еще один промышленный ветряк, но уже украинского производства от компании “Фурлендер Виндтехнолоджи”. WTU-2.0 имеет номинальную мощность в 2 мВт, а диаметр ротора достигает 100 метров. Минимальная скорость ветра, при которой работает ветряк, 3 м/с, а максимальная — 25 м/с. 22 ветряка WTU-2.0 от “Фурлендер Виндтехнолоджи” были введены в эксплуатацию в Казахстане.

Немецкая компания Enercon выпускает три модели наземных ветряков E66 разной мощности: 1500 кВт, 1800 кВт и 2000 кВт. Диаметр их ротора неизменен, несмотря на разную производимую мощность, и равен 66 метрам. Трехлопастные ветряки работают при минимальной скорости ротора в 8 об/мин и максимальной в 22 оборота в минуту.

Также в Германии есть предприятие, выпускающее небольшие ветряки, схожие больше для частного использования. Как пример — Nordex N27, которые включают в себя турбины разной мощности: 150 кВт, 225 кВт и 250 кВт. Диаметр роторной подвижной части достигает 27 метров. Это старые модели, которые теперь сложно найти на рынке новыми и продаются они в основном в состоянии б/у. Средняя цена варьируется между 22 и 25 тысячами евро.

Невероятную производительность также имеет ветровой генератор Siemens SWT-7.0-154. Его мощность достигает 7 МВт, а диаметр движущейся части — 154 метра. Гигант работает при минимальной скорости ветра в 3 м/с и при максимальной в 25 м/с. Трехлопастный ветряк работает на прямом приводе и на одном генераторе. Стоимость формируется индивидуально для заказчика, исходя из объемов производства и количества ветряков.

Источники:

http://electricalschool.info/energy/1539-jenergija-vetra-preimushhestva-i.html
http://www.enersy.ru/energiya/preimuschestva-i-nedostatki-vetroelektrostantsiy.html
http://alternativenergy.ru/vetroenergetika/21-dostoinstva-i-nedostatki-vetrovoj-yenergetiki.html
http://plusiminusi.ru/plyusy-i-minusy-vetrovyx-elektrostancij/
http://uaenergy.com.ua/post/32527/vetrovye-elektrostancii-princip-raboty-preimuschestva-i-nedostatki

Преимущество и недостатки ветровых электростанций по сравнению с тепловыми (ТЭС)

Использование сил природы для извлечения собственной выгоды является показателем развитости человека. В частности это касается применения силы ветра для собственных нужд. Очень давно человек не имел ни малейшего представления о физике и о перемещении воздушных масс вдоль плоскости земной поверхности, но использовать силу ветра в виде тяговой силы для судоходства человек научился вместе с изобретением паруса. Далее закономерным продолжением развития ученой мысли стало появление ветряков или ветряных мельниц.


Следующий глобальный прорыв в процессе контроля воздуха и ветра наступил в конце 19 века, когда на свет появилась первая ветряная электростанция. Проблема, которая привела к поискам альтернативного источника энергии, заключается в желании сэкономить, поскольку каждый год наблюдалось повышение цен на прочие виды топливных ресурсов.


Использование ветрогенераторов сегодня является очень распространенным способом получения электрической энергии, а современный ветряк известен каждому школьнику. Лидерами в количестве применяемых ветряных электростанций являются Соединенные Штаты Америки и Китай, но другие страны также понимают, что преимущество ветровых электростанций заключается в возможности получения дешевой энергии и эта отрасль энергетики получает значительное развитие.

Установка ветряка стоит намного ниже, чем проведение ЛЭП или подключение к уже существующей. При этом невысокая стоимость энергии ветра и простота, позволяющая самостоятельно изготовить простейший ветряк, делает ветряные электростанции популярными среди простых обывателей.

Назначение ветряных электростанций

Для удовлетворения ежедневной потребности потребителя требуется эксплуатация оборудования, которое способно выдавать до 10 кВт электроэнергии. При этом идеально смонтированная ветряная система должна состоять из нескольких ветрогенераторов, которые аккумулируют энергию в общую батарею. Это позволяет корректировать выходную мощность аккумулятора, подключая дополнительные или отключая лишний ветряк.


Бесперебойного снабжения энергией можно добиться при монтировании автономного комплекса. Но тут всплывает проблема и основной недостаток современной ветряной электростанции в сравнении с ТЭС, которая заключается в стабильности потока ветра для вырабатывания энергии постоянной мощности. Во избежание проблем многие комплексы оснащаются дополнительными или резервными источниками питания в виде дизельных или бензиновых генераторов, которые могут автоматически отключаться или подключаться в зависимости от силы ветра.

Принцип действия и конструкция ветряных электростанций

Чтобы понять, какими преимуществами обладают ветровые электростанций, следует знать принцип их работы и конструктивные особенности. В основу работы подобного устройства положено использование силы ветра, посредством которой вращаются лопасти колеса, передающего движение на вал генератора при помощи сложной системы передаточных звеньев. В зависимости от конструктивных особенностей конкретной системы энергия ветра может передаваться на электрический генератор или питать водяной насос. Зная простейшие законы физики, можно сформулировать условие максимизации получаемой энергии.

Количество получаемой от генератора энергии находится в пропорциональной зависимости от диаметра колеса и лопастей ветряка. Иными словами, чем больший поток ветра, тем быстрее начинает крутиться вал генератора и большее количество энергии вырабатывается.

Но руководствоваться лишь одним размером при выборе ветряка было бы ошибочным, поскольку на разных высотах потоки воздуха ведут себя по-разному. Именно в силу этого, при проектировании ветряных электростанций особое внимание уделяется особенностям рельефа местности.

Проблемы эксплуатации ветряных электростанций заключаются в необходимости порой установки очень высоких мачт, поскольку на большей высоте наиболее потоки воздуха более стабильны, а ближе к поверхности земли их сила сокращается. Эксплуатация тепловой электростанции (ТЭС) лишена подобного ограничения, поскольку для ее нормальной работы требуется только наличие топлива.

Конструктивно все ветряные электростанции подразделяются на три типа: пропеллерные, барабанные и карусельные. Различие по типам заключается в расположении стабилизаторных лопастей и вращающегося вала относительно потока ветра. Наиболее экономичным типом является пропеллерный, где лопасти располагаются в горизонтальной плоскости по отношению к направлению ветра. В двух других случаях вал генератора располагается вертикально. Барабанные и карусельные ветряки обычно устанавливаются в местностях, где роза ветров не играет существенной роли.

Ветровые электростанции: преимущества и недостатки

При выборе альтернативного источника энергии в виде установки ветряной станции возникает вопрос: Какими преимуществами обладают ветровые электростанции по сравнению с тепловыми?

  • Простота конструкции, что позволяет обслуживать и эксплуатировать подобные объекты людям, не имеющим специального образования;
  • Неиссякаемость источника вырабатываемой энергии. Самое главное преимущество ветровых электростанции на тепловыми в том, что для их работы используется энергия ветра, который относится к возобновляемым источникам. Эксплуатация тепловых станции (ТЭЦ) требует постоянного использования топлива, а ветер есть всегда;
  • Экономичность. Использование ветряной станции это уникальный случай получения максимальной выгоды при минимальных затратах. Один генератор способен выдавать от 10 до 1000 Вт;
  • Экологичность. Для работы ветряка не требуется переработки топлива, а соответственно не загрязняется атмосфера.

Преимущества ветровых электростанций по сравнению с ТЭС также включают в себя компактность, автономность, доступность.


Но, несмотря на преимущества ветровых электростанций по сравнению с тепловыми, они обладают рядом недостатков.

Какими недостатками обладают современные ветровые электростанции?

  1. Ветряная зависимость. Этот недостаток вытекает из преимущества, поскольку при отсутствии ветра выработка энергии полностью прекратится;
  2. Создание помех для радиосвязи и телекоммуникации;
  3. Изменение естественного ландшафта;
  4. Большая площадь, требуемая для установки целого блока генераторов;


В любом случае, если провести тщательный анализ, то можно прийти к выводу, что применение ветряных электростанций обладает большим количество плюсов, нежели минусов и является на настоящий момент самым простым и эффективным способом получения электрической энергии.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

преимущества и недостатки использования ВЭС. Часть 2

В первой части повествуется о том, как наши предки использовали силу ветра, как смогли при помощи него получать электроэнергию. В настоящее время ветряная энергетика успешно развивается во многих странах. Для успешного функционирования ВЭС важно правильно найти местность, которое характеризуется постоянными ветряными потоками, обладающими достаточной силой. Также в первой части были перечислены преимущества ветряной энергетики, среди которых выделяются возобновляемость, экологичность, безопасность и для природы и для здоровья человека, низкая стоимость.

Недостатки ВЭС

Однако наряду с преимуществами ветряная энергетика сопровождается и недостатками, которые очень важно учитывать, чтобы предпринять заранее ряд действий, минимизирующих возможные потери или риски.

Самым главным недостатком является огромная сумма, которую следует вложить на стартовом этапе. Эти финансы должны быть направлены на приобретение оборудования, строительство станций, привлечение специалистов, которые должны рассчитать оптимальное место для установки ветряных ферм.

Чтобы решить такую проблему, многие опытные специалисты рекомендуют привлекать инвесторов или же воспользоваться банковским кредитованием, тем более что впоследствии ветряные фермы смогут обеспечить постоянные доходы.

Вторым явным недостатком является невозможность ведения точного прогнозирования, поскольку руководство природными процессами полностью человеку все-таки не подвластно. Чтобы в этом направлении минимизировать риски, привлекают грамотных специалистов, осуществляющих мониторинговые исследования, на основе которых проводятся расчеты по определению лучшего места расположения.

Еще несколько лет назад многие зачисляли к недостаткам повышенный шум, который сопровождал работу станций. В настоящее время можно смело утверждать, что шум от работающих лопастей слышен уже только фоном даже на расстоянии 30 метров. К тому же такой показатель шума полностью идентичен природным естественным шумам.

В редких случаях, попадая под вращающиеся лопасти, могут погибать птицы, поэтому представители общества по защите животных первоначально предъявляли существенные претензии. Однако практика показала, что количество пернатых, пострадавших от ВЭС, ничем не отличается от количества тех птиц, которые погибли при контакте с высоковольтными линиями.

Работающие ВЭС могут немного искажать телевизионный сигнал, если он находится на небольшом удалении от ферм. Однако, учитывая, что в настоящее время чаще используется спутниковое телевидение или цифровое, то риск искажения также сводится практически на нет.

Существенные достижения ветряной энергетики

Интересен опыт внедрения ветроэнергетики в Шотландии. В настоящее время количество энергии, которое вырабатывается ветряными станциями, на четверть превышает объемы, которые необходимы для обеспечения всего жилого компонента страны. Однако на достигнутых результатах страна не останавливается, деятельность сориентирована на получение такого количества электроэнергии, которого будет хватать не только для жилого, но и для промышленного сектора. Невзирая на высокие показатели первоначальных капиталовложений, страна готова выделить около 46 миллиардов фунтов стерлингов, чтобы успешно развивать ветряную энергетику. А вот от атомных станций принято решение в Шотландии постепенно отказываться, освобождая место ветряной и солнечной возобновляемой энергии.

В Канаде также успешно развивается ветряная энергетика, где общее количество ветряных станций достигло полутысячи. Всего десять лет назад в стране была построена первая ветряная станция, а уже в настоящее время 3% приходится на ветроэнергетику, в перспективе через десять лет увеличение объемов до 20%.

На Ямайке успешно функционирует гибридная электростанция, основанная на успешном использовании одновременно энергии ветра и солнца. Владельцем гибридной станции является тот самый производитель, который выпускает оборудование для таких станций. Он заявляет о том, что полностью окупить средства, вложенные на строительство, удается за четыре года, после чего ВЭС будет приносить хорошую прибыль.

К сожалению, ветряная энергетика на российском пространстве развивается медленными темпами. Кроме этого стоимость ветряного электричества превышает в восемь раз традиционное электричество. Объяснить данный факт, по мнению большинства специалистов, можно только слабым вниманием к такому альтернативному энергетическому ресурсу. Вследствие этого за год в России вырабатывается столько ветряной энергии, сколько в Китае всего за два часа.

Секвенирование всего генома (WGS) и секвенирование всего экзома (WES)

 

«Должен ли я выбрать секвенирование всего генома (WGS) или секвенирование всего экзома (WES) для моего проекта?» — такой часто задаваемый вопрос во время консультаций по Genohub, мы подумали, что было бы полезно ответить на него здесь. Обладая неограниченными ресурсами и временем, WGS является явным победителем, поскольку он позволяет исследовать однонуклеотидные варианты (SNV), вставки, структурные варианты (SV) и варианты числа копий (CNV) как в ~1% части генома, кодирует белковые последовательности и ~ 99% оставшихся некодирующих последовательностей.WES по-прежнему стоит намного меньше, чем WGS, что позволяет исследователям увеличить количество выборок, что является важным фактором для исследований больших групп населения. Однако у WES есть свои ограничения. Ниже мы выделили преимущества WGS по сравнению с WES и описали реальный пример того, как кто-то заказывает эти услуги с помощью Genohub.

Преимущества полногеномного секвенирования

  1. Позволяет исследовать SNV, вставки, SV и CNV в кодирующих и некодирующих областях генома. WES опускает регуляторные области, такие как промоторы и энхансеры.
  2. WGS имеет более надежный охват последовательностей. Различия в эффективности гибридизации зондов захвата WES могут привести к тому, что области генома будут иметь небольшое покрытие или вообще не охватывать его.
  3. Однородность покрытия с WGS выше, чем с WES. Области генома с низкой сложностью последовательности ограничивают возможность разработки полезных приманок для захвата WES, что приводит к эффектам нецелевого захвата.
  4. Амплификация
  5. ПЦР не требуется во время подготовки библиотеки, что снижает вероятность систематической ошибки ГХ.WES часто требует ПЦР-амплификации, так как для захвата обычно требуется около 1 мкг ДНК.
  6. Длина чтения последовательности не является ограничением для WGS. Большинство зондов-мишеней для exome-seq имеют длину менее 120 нуклеотидов, что делает бессмысленным секвенирование с использованием большей длины считывания.
  7. Для достижения такого же охвата, как у WES, требуется меньшая средняя глубина считывания.
  8. WGS не страдает эталонным смещением. Зонды захвата WES, как правило, предпочтительно обогащают эталонные аллели в гетерозиготных сайтах, производя ложноотрицательные вызовы SNV.
  9. WGS более универсальный. Если вы секвенируете вид, отличный от человека, ваш выбор для секвенирования экзома довольно ограничен.

Преимущества секвенирования всего экзома

  1. WES нацелен на регионы, кодирующие белки, поэтому считывания составляют менее 2% генома. Это снижает стоимость секвенирования целевой области на большой глубине и снижает затраты на хранение и анализ.
  2. Снижение затрат позволяет увеличить количество секвенируемых образцов, что позволяет проводить сравнения на основе больших популяций.

Большинство функционально связанных вариантов заболеваний можно обнаружить на глубине 100-120x (1), что определенно делает секвенирование экзома экономически обоснованным. Сегодня на Genohub, если вы хотите выполнить секвенирование всего генома человека на глубине ~ 35X, стоимость составляет примерно 1700 долларов за образец. Если бы вы запросили услуги секвенирования экзома человека со 100-кратным охватом, используя целевую область размером 62 МБ, ваша стоимость составила бы 550 долларов США за образец. Обе эти цены включают подготовку библиотеки. Таким образом, с точки зрения производства данных WES по-прежнему значительно дешевле, чем WGS.Важно отметить, что это не включает ваши затраты на хранение и анализ данных, которые также могут быть немного выше при секвенировании всего генома.

Также важно помнить, что глубина — это еще не все. Чем лучше у вас единообразие прочтений и охват, тем выше вероятность того, что вы действительно найдете мутации de novo и вызовете их. И это главная цель, если вы не можете вызывать SNP или INDEL с высокой чувствительностью и точностью, то самые высокоглубинные прогоны секвенирования бесполезны.

Таким образом, полногеномное секвенирование обычно обеспечивает лучшую однородность и сбалансированное соотношение аллелей. В то время как большая глубина exome-seq может соответствовать этому, достаточная глубина картирования или обнаружение вариантов в определенных регионах могут никогда не достичь качества WGS из-за сбоев конструкции зонда или недостатков протокола. Это важные соображения при исследовании таких тканей, как первичные опухоли, где изменения числа копий и гетерогенность являются мешающими факторами.

Если вы готовы начать проект exome, потратьте несколько минут на определение охвата, необходимого для вашего эксперимента.У нас есть руководство по exome-seq с примерами, которые помогут вам определить количество прочтений секвенирования, необходимое для достижения определенного охвата вашего экзома. Если вы планируете приступить к секвенированию всего генома, используйте наш NGS Matching Engine, который автоматически рассчитывает объем секвенирования на различных платформах, чтобы удовлетворить требования охвата вашего проекта.

Артикул:

1) Влияние глубины секвенирования экзома следующего поколения на обнаружение диагностических вариантов

Нравится:

Нравится Загрузка…

Секвенирование всего экзома – обзор

Секвенирование всего экзома и секвенирование всего генома

WES был описан в 2009 г. [34] как метод, позволяющий секвенировать экзом, который представляет собой часть генома, включающую все участки, кодирующие белок (экзоны). Привлекательность WES заключается в том, что, хотя он охватывает только ~1,5% генома, он содержит большинство (~85%) вариантов, вызывающих нарушения одного гена. Действительно, в том же году было сообщено об обнаружении врожденной диареи с потерей хлоридов у пациента с ошибочно диагностированным синдромом Барттера как о первом клиническом применении WES [35].Отчет о впечатляющей диагностике и терапии с помощью WES в случае тяжелого воспалительного заболевания кишечника продемонстрировал потенциал этой технологии не только для диагностики, но и для лечения [36].

В 2011 году компания Ambry Genetics, как первая лаборатория, сертифицированная CLIA, предложила WES вместе с медицинской интерпретацией для клинических целей. По состоянию на октябрь 2014 г. на веб-сайте GeneTests (www.genetests.org) было перечислено 16 лабораторий, предлагающих клинические WES. Срок выполнения в большинстве случаев составляет 12–13 недель, самый короткий — 4–8 недель, а цена — 4000–5500 долларов США.Примечательно, что стоимость WES может быть всего в два-четыре раза выше, чем стоимость некоторых гораздо более селективных панелей. Большинство лабораторий также предлагают интерпретацию данных, в том числе в некоторых случаях интерпретацию внешних данных. На веб-сайте GeneTests (www.genetests.org) указана одна лаборатория (Медицинский колледж Висконсина), предлагающая WGS, заявляющая о минимальном покрытии 10 для более чем 90% генома со сроком выполнения 12–13 недель. WGS также можно получить от Illumina и BGI (www.bgiamericas.com).

WES обычно выполняется с использованием обогащения на основе гибридизации с использованием наборов от Agilent Technologies, Roche NimbleGen, Illumina или других. Хотя все предлагаемые наборы позволяют использовать WES, существуют различия в их конструкции и характеристиках [37]. В некоторых случаях наборы охватывают только экзоны, кодирующие белок, тогда как другие наборы включают дополнительные локусы для некодирующих РНК (включая микроРНК) и 5′-, а также 3′-нетранслируемые области. Полученные различия в размере мишени (например, 37 МБ для Nextera Rapid Capture Exome от Illumina по сравнению с 96 МБ для SeqCap EZ Exome + UTR от NimbleGen) подразумевают значительные, до трехкратные, различия в стоимости секвенирования.

WES особенно привлекательна, когда есть подозрение, что заболевание вызвано неизвестным локусом — на сегодняшний день WES позволил связать более 150 новых генов с менделевскими расстройствами человека [38]. Однако в клинических условиях большую часть информации, предоставляемой WES, по-прежнему трудно интерпретировать, поскольку она относится к локусам, которые до сих пор не были связаны с каким-либо заболеванием человека. Чтобы сосредоточиться на большинстве клинически значимых локусов, были разработаны так называемые панели «клинического экзома», такие как TruSight One от Illumina, которая охватывает> 4800 генов и имеет совокупный размер мишени всего ~ 12 Мб, или SureSelect Inherited Disease от Agilent (>2700 генов, 10.5 Мб).

Использование WGS, которое теоретически должно быть гораздо более мощным диагностическим инструментом, чем WES, в настоящее время ограничено недостаточным пониманием роли изменчивости в некодирующей части генома. Интересно, что исследование 50 пациентов с тяжелой умственной отсталостью, у которых причинный молекулярный дефект не был обнаружен в обширных предшествующих исследованиях, включая WES и сравнительную геномную гибридизацию, показало, что WGS имеет высокую диагностическую ценность 42%, но в основном благодаря результатам экзонные варианты, по-видимому, пропущенные более ранними исследованиями [39].

WES против WGS: почему экзом — это еще не все (а иногда и лучше)

В выпуске этого месяца мы собираемся более подробно вернуться к теме, которая уже затрагивалась в этом разделе раньше— то есть различия между последовательностью всего генома (WGS) и последовательностью всего экзома (WES). На первый взгляд различия просты и очевидны в названиях. WGS предоставляет последовательность геномной (ядерной) ДНК из образца, включая все виды некодирующих областей, таких как центромеры, теломеры, длинные повторяющиеся участки «мусорной» ДНК и различные нетранскрибируемые контрольные области, которые влияют на активность фактической ДНК. гены.Для человека весь геном состоит примерно из 3,3 миллиарда пар оснований, гаплоидных, то есть 6,6 миллиардов пар оснований для захвата всего диплоидного комплемента на клетку. Экзом, напротив, представляет собой просто набор экспрессируемых РНК (включая как кодирующие мРНК, так и некодирующие функциональные РНК, которые могут быть чем угодно, от функциональных компонентов рРНК рибосом до тРНК, необходимых для экспрессии белков, и таких вещей, как микроРНК, важных для подавления активности генов и посттранскрипционной регуляции). Общий размер экзома человека составляет примерно 30 миллионов пар оснований, или только около одного процента генома.

Секвенирование генома или экзома требует сбора значительного «избытка» данных или «глубины секвенирования». Это делается по двум причинам: во-первых, для повышения точности (одно считывание может исказить конкретную пару оснований, поэтому консенсус нескольких считываний в одном и том же месте будет более точным), а во-вторых, для создания считываний полной длины хромосомы из короткие биты требуют «мозаики» или перекрытия между чтениями, чтобы мы могли генерировать длинные непрерывные последовательности. Поскольку преобладающие технологии секвенирования следующего поколения (NGS) производят отдельные длины прочтений, намного меньшие, чем многие транскрипты РНК, мозаичное размещение является таким же требованием для WES, как и для WGS.В целом, несмотря на то, что существует множество нюансов, в которые мы не будем вдаваться, в то время как WGS или WES требуют большого количества данных для генерации и обработки биоинформационными конвейерами, WES в первом приближении в 30 раз меньше данных, чем WGS (извините, если вы ожидаете, что это будет 100-кратное, но WGS, как правило, работает с глубиной ~ 30x, а WES — с ~ 100x, чтобы обеспечить захват редких вариантов; подробнее об этом ниже). Очевидно, что WES имеет одно непосредственное преимущество перед WGS в том, что его быстрее и дешевле получать и анализировать.

Мы обычно думаем о проведении той или иной формы NGS в клиническом контексте, чтобы попытаться раскрыть основную причину конкретного физического проявления — фенотипа. Мы проигнорируем неудобную реальность того, что некоторое фенотипическое поведение возникает из-за сложных полигенных признаков, и для простоты предположим, что в этом гипотетическом примере это простая моногенная менделевская причина. Помимо факторов стоимости и времени, каковы плюсы и минусы использования подхода WGS или WES для решения этой проблемы?

Сюрприз №1: по полному покрытию экзонов WGS превосходит WES

В последовательностях, кодирующих белок, мутации в некоторых случаях могут быть известны как патогенные из других примеров, или они могут быть новыми, но с очевидным влиянием, таким как стоп-кодоны, значительные вставки/делеции или сдвиги рамки считывания.Даже менее поддающиеся интерпретации аминокислотные замены в некоторых случаях могут быть тщательно изучены в сравнении с известными или предсказанными компьютером белковыми структурами с разумной вероятностью обнаружения значительных разрушительных изменений (помещение пролина в середину этой критической α-спирали, вероятно, не очень хорошо). ! Хотя вы можете подумать, что мутации в кодирующих областях должны одинаково наблюдаться как в подходах WES, так и в WGS, было замечено, что это не совсем так; в частности, последовательности генов, богатых GC, более точно фиксируются WGS, чем WES.WGS также имеет более высокие баллы за полноту среди предварительно выбранных панелей генов, имеющих отношение к заболеванию, где, как сообщается, WES пропускает от 0,42% до колоссальных 24,44% экзонических данных, полученных в стратегии WGS без ПЦР. (Для более подробного изучения этих чисел см., например, [1]). Если вашей целью является полное покрытие хотя бы экзонов, то WGS превосходит WES.

Значимые мутации также могут возникать вне экзонов, в регуляторных элементах, таких как промоторы транскрипции, энхансеры и супрессоры, тем самым изменяя уровень экспрессии и/или местоположение.Точно так же мутации в интронах могут влиять на выбор сайта сплайсинга и приводить к неадекватной экспрессии конкретных изоформ вариантов сплайсинга гена, который в противном случае экспрессируется на приемлемом общем уровне. Поскольку они по самой своей природе встречаются в нетранскрибируемых участках генома (или, по крайней мере, не сохраняются в зрелых транскриптах), сразу можно ожидать, что они будут захвачены в WGS, а не в WES. Строго говоря, это правда; набор данных WGS будет включать все эти виды регионов, но проблема возникает, когда мы пытаемся интерпретировать.Как и в случае с экзонами, в некоторых случаях существуют очень специфические вариации, такие как SNP (однонуклеотидные полиморфизмы) в неэкзонных областях, которые имеют известное фенотипическое влияние (или его отсутствие). По мере того, как базы данных заполняются все большим количеством примеров геномов человека с клиническими коррелятами, библиотека известных вариаций становится все больше. Однако в настоящее время по сравнению с размером человеческого генома и частотой, с которой наблюдаются отклонения от эталонных геномов, эта известная библиотека невелика, и в большинстве случаев отмеченные изменения имеют неизвестное влияние.Они даже имеют собственное название «ВУС» (варианты неизвестного значения) и создают ряд головных болей в клинической практике не только в интерпретации, но и в отношении этических проблем даже при их раскрытии. В частности, если они раскрываются неспециалистам, они могут вызвать недопонимание (более подробное обсуждение см., например, в [2]). По некоторым оценкам, у каждого из нас в геноме примерно полмиллиона VUS. Таким образом, хотя данные WGS охватывают все это, во многих случаях мы не знаем, как интерпретировать то, что у нас есть.

Сюрприз №2: посмотрите на экзоны, если хотите узнать, что произошло за их пределами

Как это ни парадоксально, лучший подход к поиску доказательств значимой неэкзонной изменчивости, вероятно, — это WES. Правильно, мы должны посмотреть на экзоны, чтобы узнать, что произошло в другом месте. Здесь важно помнить, что WES генерируется из кДНК и включает в себя не только отдельные последовательности, но и относительные наблюдаемые частоты генных продуктов и даже отдельные варианты сплайсинга одного гена.Если (и это важное предостережение) библиотека кДНК, используемая для WES, происходит из интересующей клеточной популяции, это дает представление не о реальных неэкзонных последовательностях, а об их значительных эффектах. Например, в случае мутаций, влияющих на общий уровень экспрессии гена, затронутый ген будет представлять более низкий или более высокий уровень по сравнению с ожидаемым при сравнении с другими генами домашнего хозяйства в образце. Там, где мутация влияет на что-то более тонкое, такое как смещение сайта сплайсинга в конкретном гене, относительные уровни изоформ гена будут отклоняться в образце от эквивалентных соотношений изоформ в контрольных образцах.Хотя это не дает нам никакой информации о том, что является (являются) фактической основной причиной мутации (мутаций), оно игнорирует влияние действительно незначительных вариаций, которые мы иначе классифицировали бы как VUS и не оставляли без внимания.

Итак, что лучше, WGS или WES?

Ответ на этот вопрос зависит от того, что вы ищете, а также от доступных ресурсов с точки зрения времени, стоимости и инструментов биоинформатики. WES быстро завоевала популярность и остается рентабельной целенаправленной стратегией для изучения того, что, вероятно, будет наиболее информативно насыщенным набором геномных данных из образца.Имейте в виду комментарий выше, однако, что популяции кДНК и полученные из них наборы данных WES в некоторой степени являются тканеспецифичными. В дополнение к этому они продемонстрировали предвзятость в отношении представления некоторых типов последовательностей и могут не иметь полноты WGS. Для сравнения, WGS без ПЦР требует больше затрат и усилий, но имеет более полный охват и обобщается на весь организм (мы притворимся, что это место совсем недавно не было посвящено соматическому микрохимеризму в качестве исключения).Если в какой-то момент в будущем у нас будет гораздо больше данных, так что VUS уйдет в прошлое, тогда WGS, вероятно, будет «лучшим» выбором. Однако до того, как это произойдет, и поскольку стоимость технологии NGS продолжает снижаться, а простота использования увеличивается, мы можем достичь ситуации, когда наиболее полная и интерпретируемая геномная картина будет получена путем захвата как WGS, так и парных WES, соответствующих тканям. Каждый из них дает несколько иное представление о геноме, и на самом деле эти две формы данных дополняют друг друга.

ССЫЛКИ

  1. Meienberg J, Bruggmann R, Oexle K, Matyas G. Клиническое секвенирование: WGS лучше WES? Хум Жене . 2016;135(3):359-62.
  2. Хоффман-Эндрюс Л. Известное неизвестное: проблемы генетических вариантов неопределенного значения в клинической практике. J Law Biosci . 2018;4(3):648-65.

Идентификация новых и рецидивирующих болезнетворных мутаций при дистрофиях сетчатки с использованием полноэкзомного секвенирования (WES): преимущества и ограничения

Abstract

Наследственные дистрофии сетчатки (IRD) представляют собой менделевские заболевания с огромной генетической и фенотипической гетерогенностью.Поэтому идентификация лежащей в основе генетической основы этих дистрофий является сложной задачей. В этом исследовании мы использовали полноэкзомное секвенирование (WES) в 11 семьях с IRD и выявили болезнетворные варианты в 8 из них. Анализ последовательности около 250 генов, связанных с IRD, выявил 3 ранее описанных связанных с заболеванием варианта в RHO , BEST1 и RP1 . Далее мы идентифицировали 5 новых патогенных вариантов в RPGRIP1 (p.Ser964Profs*37), PRPF8 (p.Tyr2334Leufs*51), CDHR1 (p.Pro133Arg и c.439-17G>A) и PRPF31 (p.Glu183_Met193dup). В дополнение к подтверждению возможностей WES в генетической диагностике IRD, мы документируем проблемы с анализом данных и показываем случаи, когда WES не учитывал основные генетические причины IRD и требовал дополнительных методов. Например, мутация c.439-17G>A в CDHR1 будет оценена как маловероятная при использовании стандартного анализа WES. Только анализ транскриптов фибробластов пациентов подтвердил патогенную природу этого варианта, влияющего на сплайсинг CDHR1 путем активации скрытого сайта сплайсинга-акцептора.В другом примере дупликация из 33 пар оснований в PRPF31 , пропущенная WES, может быть идентифицирована только с помощью целевого анализа с помощью секвенирования по Сэнгеру. Мы обсуждаем преимущества и проблемы использования WES для выявления мутаций при гетерогенных заболеваниях, таких как IRD.

Образец цитирования: Тивари А., Лемке Дж., Альтмюллер Дж., Тиле Х., Глаус Э., Флейшхауэр Дж. и др. (2016) Идентификация новых и рецидивирующих мутаций, вызывающих заболевания, при дистрофиях сетчатки с использованием полноэкзомного секвенирования (WES): преимущества и ограничения.ПЛОС ОДИН 11(7): e0158692. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0158692

Редактор: Дрор Шарон, Медицинский центр Хадасса-Еврейского университета, ИЗРАИЛЬ

Получено: 7 апреля 2016 г.; Принято: 20 июня 2016 г .; Опубликовано: 8 июля 2016 г.

Авторские права: © 2016 Tiwari et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все научные данные, помогающие понять статью, такие как секвенирование по Сэнгеру, родословная вовлеченной семьи, конвейеры секвенирования и фильтрации вариантов, представлены в статье и в файлах вспомогательной информации. В соответствии с законами о конфиденциальности пациентов личная информация пациента и членов его семьи, такая как имя, адрес, дата рождения, идентификационный номер пациента и т. д., не будет обнародована. Эта информация никоим образом не дополняет и не убавляет научного содержания статьи и не препятствует его полному пониманию.

Финансирование: Это исследование финансировалось за счет гранта Швейцарского национального научного фонда (номер гранта: 320030_138507) для WB и JN и от Velux Stiftung, Швейцария, для WB. Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Наследственные дистрофии сетчатки (ИРС) представляют собой группу редких, но весьма гетерогенных генетических заболеваний, характеризующихся аномальной функцией или дегенерацией определенных типов клеток сетчатки, таких как, например, фоторецепторы.Следовательно, у пострадавших людей наблюдается частичная или полная потеря зрения. Эти заболевания гетерогенны не только с точки зрения возраста начала, тяжести и прогрессирования заболевания, но и с точки зрения лежащей в их основе генетики [1]. В настоящее время известно около 250 генов, мутации в которых вызывают различные формы дистрофии сетчатки. Эти мутации могут наследоваться по аутосомно-рецессивному, доминантному или сцепленному с Х-хромосомой типу. Основываясь на клетках, которые поражаются первыми во время прогрессирования заболевания, эти заболевания также классифицируются как палочковидные (например, палочкоядерные).г. пигментный ретинит, RP) или с преобладанием колбочек (например, колбочковая дистрофия, CORD). Более того, было показано, что мутации в одном и том же гене приводят к вариабельным фенотипам, добавляя к уже существующей сложности.

Секвенирование полного экзома (WES) является эффективным методом выявления мутаций, вызывающих заболевание, особенно при моногенных наследственных заболеваниях, таких как IRD [2–4]. Хотя быстрый и точный, WES не может идентифицировать мутации, вызывающие заболевание, почти в 35% случаев (Tiwari et al, неопубликованные данные).Возможные причины включают (i) варианты в генах, еще не связанные с заболеванием, (ii) варианты, которые лежат в глубоких интронных областях и поэтому не учитываются методами захвата экзома, или (iii) ограничения используемого метода, препятствующие эффективной идентификации последовательности изменения. Дополнительные методы, т.е. картирование аутозиготности или секвенирование всего генома можно рассматривать для облегчения идентификации генетических изменений, связанных с заболеванием.

Общие диагностические подходы, применяемые в большинстве генетических лабораторий, включают секвенирование по Сэнгеру генов, наиболее часто ассоциированных с заболеванием, с последующим секвенированием панели или всего экзома.В этом исследовании большинство случаев были сначала проверены с помощью секвенирования по Сэнгеру на наличие вариантов в наиболее вероятных генах-кандидатах. Затем они были подвергнуты полноэкзомному секвенированию. Первоначальный анализ был направлен на выявление вариантов в пределах 250 генов, связанных с различными формами дистрофии сетчатки. Дополнительные члены семьи также были привлечены для проведения сегрегационного анализа мутации с фенотипом заболевания. Мы представляем примеры случаев, которые подчеркивают проблемы и ограничения анализа данных WES, которые могут иметь значение для процедур, используемых для выявления мутаций в диагностике генов и исследовательских проектах.

Материалы и методы

Заявление об этике

Исследование проводилось в соответствии с Хельсинкской декларацией и согласно утвержденным протоколам Цюрихского университета в соответствии с рекомендациями Swissmedic. Разрешение на генетическое тестирование в рамках этого исследования было предоставлено Институту медицинской молекулярной генетики Федеральным управлением общественного здравоохранения (FOPH) в Швейцарии.

Пациенты и семьи

Пациенты и члены их семей были направлены к нам для целей генетического тестирования из различных глазных клиник.Все пациенты или члены их семей, а также родители больных детей предоставили письменное информированное согласие на генетическое тестирование. Родословные были составлены с использованием программного обеспечения PED6 (http://www.medgen.de/ped/index.html). Информация о семейном анамнезе, жалобах на зрение и характере наследования заболеваний была собрана посредством стандартного офтальмологического обследования. В это исследование были включены все члены семьи с 5-значным идентификатором пациента, представленным в родословных. Члены семьи, не отмеченные 5-значным идентификатором, не участвовали в этом исследовании, и образцы не анализировались.

Экстракция ДНК

Венозная кровь, полученная от пациентов, использовалась для выделения геномной ДНК в дубликате с использованием технологии покрытых магнитных шариков в соответствии с рекомендациями производителя (PerkinElmer Chemagen Technologie GmbH, Baesweiler, Германия). Целостность ДНК проверяли с помощью Nanodrop (Life Technologies, Дармштадт, Германия).

Анализ секвенирования всего экзома (WES)

WES был выполнен в Кельнском центре геномики Кельнского университета с использованием библиотеки экзома человека NimbleGen SeqCap EZ (Roche NimbleGen Inc., Мэдисон, Висконсин) для подготовки библиотеки. Секвенирование парных концов 100 нуклеотидов проводили на Illumina HiSeq2000. Выравнивание прочтений последовательностей, индексирование эталонного генома, вызов вариантов и аннотирование было достигнуто с использованием конвейера, основанного на BWA[5], Samtools[6], Picard (http://broadinstitute.github.io/picard/) и Annovar[ 7] соответственно. Варианты были аннотированы с помощью Alamut-HT (Interactive Biosoftware, Руан, Франция) и визуализированы в Alamut Viewer 2.2 (Interactive Biosoftware, Руан, Франция). Был создан конвейер фильтрации для удаления известных и частых SNP или доброкачественных полиморфизмов.Были отобраны варианты с частотой менее 1% в популяции. Варианты, которые были описаны в литературе и Базе данных мутаций генов человека (HGMD) как связанные с заболеванием, получили более высокий приоритет. Среди типов вариантов мутации укорочения белка, приводящие к потере функции, такие как бессмысленные мутации или мутации сдвига рамки считывания, получили более высокий приоритет. Патогенность миссенс-вариантов проверяли с помощью пяти алгоритмов прогнозирования белков SIFT[8], PolyPhen2[9], MutationTaster2[10], MAPP[11] и Align GVGD[12, 13].

Дизайн праймеров, ПЦР-амплификация и секвенирование по Сэнгеру

Наиболее вероятные варианты, вызывающие заболевание, были подтверждены секвенированием по Сэнгеру у пациента и доступных членов семьи. Праймеры были разработаны с использованием алгоритма Primer3 [14] и приобретены в Microsynth AG (Балгач, Швейцария). Все области-мишени были амплифицированы в двух повторах из геномной ДНК пациентов и доступных членов семьи с использованием ДНК-полимеразы Hot FirePol ® (Solis BioDyne, Тарту, Эстония).Продукты ПЦР очищали путем обработки их реагентом ExoSAP (Affymetrix, Санта-Клара, Калифорния) и секвенировали с использованием набора для секвенирования Big Dye Terminator Cycle v1.1 (Applied Biosystems, Карлсбад, Калифорния, США) и генетического анализатора ABI Prism 3730 (Applied Biosystems). , Карлсбад, Калифорния, США). Анализ данных секвенирования по Сэнгеру проводили с использованием программного обеспечения для анализа секвенирования v5.4, SeqScape v2.6 (Applied Biosystems, Карлсбад, Калифорния, США), MutationSurveyorV5.0.0 (Soft Genetics, Пенсильвания, США) и Chromas (Technelysium, Южный Брисбен, Австралия). ) для выявления вероятных мутаций, вызывающих заболевание.Мутация определяется, как описано ранее [15].

Культура клеток и анализ сплайсинга

Фибробласты, полученные от пациентов, были созданы, как описано ранее [16, 17]. Клетки культивировали в среде МЕМ, замещенной 10% фетальной телячьей сывороткой, 1,3% L-глютамином, 0,8% антибиотиком и антимикотическим раствором, и инкубировали при 37°C и 5% CO 2 . 80% конфлюэнтных клеток обрабатывали 100 мкг/мл циклогексимида и инкубировали в течение 4 часов, после чего клетки собирали и выделяли общую РНК с использованием мини-набора Qiagen RNeasy (Hombrechtikon, Швейцария).кДНК получали из тотальной РНК путем обратной транскрипции со случайными праймерами в соответствии с инструкциями производителя (Supercript III, Invitrogen, Базель, Швейцария). Праймеры, перекрывающие интронную область (интрон 5 гена CDHR1 ), были сконструированы для амплификации специфического продукта в случае активации криптического сайта сплайсинга в клеточной линии пациента. Проводили реакцию ОТ-ПЦР, и продукты ПЦР анализировали на агарозном геле. Продукты ОТ-ПЦР подтверждали секвенированием.

Расчет конструкций

Структурное моделирование CDHR1 (эталонная последовательность NP_149091.1), PRPF31 (эталонная последовательность NP_056444.3) и соответствующие последовательности мутантных белков выполняли на сервере iTasser [18]. Визуализацию сгенерированных структур и их выравнивание выполняли с использованием PyMol (Система молекулярной графики PyMOL, версия 1.8 Schrödinger, LLC).

Результаты

Из 11 случаев с диагнозом РП или ХОЗЛ в 8 случаях были выявлены предполагаемые ассоциированные с заболеванием варианты. Клинические фенотипы пациентов, описания вариантов и предсказания патогенности этих вариантов последовательностей показаны в таблице 1.

Все идентифицированные варианты, описанные в этом исследовании (за исключением вариантов RP1 и BEST1 ), отсутствовали во внутренней базе данных из 130 экзомов (260 аллелей). Вариант RP1 (NM_006269.1:c.2613dup) был идентифицирован в четырех дополнительных семьях с диагнозом пигментный ретинит. BEST1 Вариант (NM_001139443.1:c.242G>A) оказался гетерозиготным у человека, о котором известно, что он не страдает заболеванием сетчатки (частота аллеля = 0,38% в нашей собственной базе данных).

Анализ WES

Случай ID 27485 (RP, аутосомно-доминантный): Основной пациент — 63-летний мужчина с диагнозом RP. Семья представила аутосомно-доминантный тип наследования с сыном индексного пациента, который также был затронут. Мы идентифицировали гетерозиготную миссенс-мутацию в RHO : NM_000539.3:c.170T>G:p.Leu57Arg (рис. 1a и 1b). Эта мутация была описана ранее [19] (HGMD_PRO = CM063096) и косегрегирована с болезнью в семье.Согласно четырем алгоритмам прогнозирования белка (таблица 1), мутация является повреждающей и локализована в трансмембранном домене.

Рис. 1. Родословные пациентов и хроматография последовательности идентифицированных вариантов, связанных с заболеванием.

Затронутые лица обозначены заштрихованными символами, а незатронутые лица обозначены незакрашенными символами. Индексные пациенты обозначены стрелкой и подвергались WES. Варианты обозначены как M1, M2, M3 и M4, а зиготность вариантов указана в третьих скобках под каждым анализируемым членом семейства.Изображения хроматографии последовательности пациентов и репрезентативных членов семьи показаны ниже эталонной последовательности. Мутированное положение на хроматографе обозначено звездочкой. (a) Семейная родословная пациента 27485. (b) Хроматография последовательности идентифицированного гетерозиготного варианта RHO у пациента (внизу) и здоровой дочери (вверху). (c) Семейная родословная пациента 23880. (d) Хроматография последовательности идентифицированного гетерозиготного варианта PRPF8 у пациента (внизу) и здорового отца (вверху). (e) Семейная родословная пациента 27536. (f) Хроматография последовательности идентифицированного гомозиготного варианта RPGRIP1 у пациента (внизу), гетерозиготной здоровой матери (в центре) и здоровой сестры (вверху). (g) Семейная родословная пациента 24718. (h) Хроматография последовательности идентифицированного гомозиготного варианта BEST1 у пациента (внизу), здорового гетерозиготного отца (в центре) и здоровой сестры (вверху).

https://дои.org/10.1371/journal.pone.0158692.g001

Case ID 23880 (RP, аутосомно-доминантный): Основной пациент — 35-летний мужчина, у которого есть больной брат или сестра. Его мать также пострадала от RP, но не отца. В материнской ветви семьи были дополнительные пораженные члены, что явно указывало на аутосомно-доминантный тип наследования. Новая гетерозиготная дупликация со сдвигом рамки считывания была идентифицирована в предпоследнем кодоне PRPF8 : NM_006445.3:c.7000dupA:p.Tyr2334* (рис. 1c и 1d).Этот вариант выявлен у всех больных членов семьи (пациент, его сестра и отец). Незатронутые члены семьи не носили этот вариант.

Случай ID 27536 (RP, аутосомно-рецессивный; дифференциальный диагноз: врожденный амавроз Лебера, LCA): пациентка — 32-летняя женщина от кровнородственных родителей, не пораженных. У нее есть одна больная и одна здоровая сестра. Новая гомозиготная делеция сдвига рамки считывания была обнаружена в экзоне 17 (из 24 экзонов) RPGRIP1 у пациентки и больной сестры: NM_020366.3:c.2890delT:p.Ser964Profs*37 (рис. 1e и 1f). Эта мутация приводит к сдвигу рамки считывания и преждевременному триплету стоп-кодона 37 ниже по течению от мутации. Вызов варианта NGS первоначально предполагал гетерозиготную мутацию в RPGRIP1 . Мутация была исключена у здоровой сестры и матери. Образцы от отца больного были недоступны, но можно предположить, что он, как и мать, также является носителем данной мутации.

Случай ID 24718 (конусно-стержневая дистрофия, аутосомно-рецессивная): гомозиготная миссенс-мутация в BEST1 была выявлена ​​у больного индексного пациента (24718) и его больного брата (24719): NM_001139443.1:c.242G>A:p.Arg81His. Они унаследовали по одному мутантному аллелю от каждого родителя; оба гетерозиготные носители мутации (рис. 1g и 1h). Все остальные члены семьи не затронуты и не проявляют каких-либо проявлений, связанных с бестрофином. Они являются либо гетерозиготными носителями (28218, 28549, 24990 и 24989), либо не носителями (28197 и 28177) мутации. Ранее сообщалось, что эта мутация вызывает заболевание [20–22] (HGMD_PRO = CM001382). Прогнозируется, что он вреден (SIFT), вероятно, вреден (оценка Polyphen2 = 1.0) и болезнетворные (MutationTaster2).

Случай ID 26165 (RP, аутосомно-доминантный): Основная пациентка — 54-летняя женщина с двумя больными братьями, 3 здоровыми братьями и сестрами, больным отцом и здоровой матерью. Родословная указывает на аутосомно-доминантный тип наследования (рис. 2а). Гетерозиготная вставка сдвига рамки была обнаружена в экзоне 4 в RP1 (последний экзон): NM_006269.1:c.2613dup:p.Arg872Thrfs*2 (рис. 2b). Этот сдвиг рамки приводит к преждевременному стоп-кодону, находящемуся на 2 триплета ниже по течению от мутации.Мутация сочеталась с заболеванием внутри семьи (рис. 2а). Ранее он был описан как связанный с заболеванием [23] (HGMD_PRO = CI004598). Мутация отсутствовала в этнически сопоставимой контрольной когорте, представляющей 576 аутосомных аллелей.

Рис. 2. Родословные пациентов и хроматография последовательности идентифицированных вариантов, связанных с заболеванием.

Варианты обозначаются как M5. (a) Семейная родословная пациента 26165. (b) Хроматография последовательности идентифицированного гетерозиготного варианта RP1 у пациента (внизу) и здоровой сестры (вверху). (c) Семейная родословная пациента 25900. (d) Хроматография последовательности идентифицированного гетерозиготного варианта RP1 у пациента (внизу), здоровой сестры-носителя варианта (в центре) и здоровой матери (вверху). β: известный полиморфизм в положении c.2618 в гене RP1 с частотой 26,98% у европейцев (Источник: Exome Aggregation Consortium).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0158692.g002

Case ID 25900 (RP, аутосомно-доминантный): основной пациент — 47-летняя женщина с больным отцом.Ее мать и двое братьев и сестер не пострадали (рис. 2с). Такая же вставка сдвига рамки считывания в RP1 , как описано выше, была обнаружена у пациента и больного отца: NM_006269.1:c.2613dup:p.Arg872Thrfs*2. Мутация была также выявлена ​​у двух дополнительных членов этой семьи (28223 и 28109), у которых не было никаких симптомов заболевания при первом клиническом обследовании в возрасте 37 и 40 лет соответственно (рис. 2в и 2г).

Случай ID 26007 (RP, аутосомно-рецессивный): пациентка — 59-летняя женщина с клиническим диагнозом RP.Ее родители не пострадали (рис. 3а). Мы обнаружили новые сложные гетерозиготные мутации в CDHR1 , кодирующем родственного кадгерину члена семейства 1, в ДНК пациента. Она унаследовала по одному мутантному аллелю от каждого родителя (рис. 3b и 3c). (i) NM_033100.2:c.398C>G:p.Pro133Arg (Missense) был передан по материнской линии. Это приводит к замене высококонсервативного пролина на аргинин (рис. S1, , красный прямоугольник ). Прогнозируется, что он будет вредным (SIFT) и болезнетворным (MutationTaster2).Структурное предсказание с использованием iTasser показало, что этот миссенс-вариант приводит к созданию короткого бета-листа в мутантном белке, который находится в первом домене кадгерина CDHR1 (рис. 3d и 3e). (ii) NM_033100.2:c.439-17G>A была унаследована от отца. Этот вариант расположен на 17 оснований выше экзона 6, и предполагается, что он будет генерировать загадочный акцепторный сайт сплайсинга в интроне 5 (фиг. 4, , зеленый прямоугольник ). Значения прогнозирования нового акцептора сплайсинга с использованием пяти различных алгоритмов прогнозирования сплайсинга (подобный SpliceSite Finder, MaxEntScan, NNSPLICE, GeneSplicer и Human Splicing Finder) сравнимы с таковыми для канонического сайта акцептора сплайсинга, начиная с консервативного акцептора сплайсинга экзона 6 ( Рис. 4 , вставка: синий прямоугольник , таблица 2).Кажется вероятным, что этот новый акцепторный сайт сплайсинга используется механизмом сплайсинга в дополнение к каноническому сайту. Это приводит к удлинению экзона на 15 п.н. и формированию 3 пар оснований стоп-кодона ниже скрытого акцепторного сайта сплайсинга (рис. 4, , красный прямоугольник ). Оба варианта отсутствовали в контрольной когорте из 576 аллелей, подобранной по этническому признаку.

Рис. 3. Родословные пациентов и хроматография последовательности идентифицированных вариантов, связанных с заболеванием.

Варианты обозначаются как M6, M7 и M8. (a) Семейная родословная пациента 26007. (b) Последовательная хроматография гетерозиготного CDHR1 варианта c.398C>G у пациента (внизу), матери-носителя (в центре) и отца (вверху). (c) Последовательная хроматография гетерозиготного CDHR1 варианта c.439-17G>A у пациента (внизу), матери (в центре) и отца-носителя (вверху). (d) Предсказанная структура эталонного белка CDHR1 (синий цвет), совмещенная с мутантным CDHR1 (p.Pro133Arg) (оранжевый цвет).Мутация показана пурпурными сферами и локализована в пределах первого домена кадгерина (белый прямоугольник). (e) Увеличенное изображение первого домена кадгерина CDHR1 показывает дополнительный бета-лист (белая стрелка), близкий к мутации (f) Семейная родословная пациента 23530. (g) Изображение в агарозном геле PRPF31 экзон 7 ПЦР показывает большую полосу только у пораженных членов, что указывает на дупликацию. C = контроль воды в ПЦР. (h) Сравнение предсказанных моделей последовательности эталонного белка PRPF31 (i и v, зеленые), мутантного PRPF31 (ii и vi, пурпурного цвета), сопоставление эталонного и мутантного PRPF31(iii и viii) и увеличенного изображения выравнивание по сайту мутации (iv и viii).Дополнительный виток мутанта в домене спиральной спирали показан белым цветом. Белой стрелкой показана первая аминокислота дупликации 11 пар оснований. «N» обозначает N-конец белка.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0158692.g003

Рис. 4. CDHR1 интронный вариант.

Снимок изображения Аламута, показывающий интронный вариант (c.439-17G>A) у пациента 26007 (зеленый прямоугольник). Файл выравнивания bam ясно показывает гетерозиготный вариант на 17 п.н. выше экзона 6.Врезка: Снимок алгоритмов предсказания сплайсинга ( in silico ) показывает сильное усиление криптического акцептора сплайсинга в месте варианта (синий прямоугольник). Значения сопоставимы со значениями канонического акцепторного сайта сплайсинга. Красный прямоугольник показывает стоп-кодон в кадре для скрытого сайта активатора сплайсинга.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0158692.g004

Поскольку за сайтом сплайсинга следует стоп-кодон, мы пришли к выводу, что мутантный транскрипт может подвергаться нонсенс-опосредованному распаду мРНК.Чтобы проверить эту гипотезу, мы обработали фибробласты, полученные из биопсии кожи пациента, по сравнению с контрольными фибробластами (не несущие этих мутаций в CDHR1 ) циклогексимидом и ДМСО в качестве контроля. Впоследствии мы выделили тотальную РНК из этих клеточных линий и провели ОТ-ПЦР. При гель-электрофорезе мы идентифицировали аномальный продукт ОТ-ПЦР (рис. 5b, белая звездочка) в клеточной линии пациента, обработанной циклогексимидом. Ожидаемый размер этого продукта составлял 140 б.п. Продукт не амплифицировался в контрольной клеточной линии после обработки ДМСО или циклогексимидом, а также в клеточной линии пациента, обработанной ДМСО (фиг. 5b).После секвенирования этого продукта ПЦР мы подтвердили, что у этого пациента произошла активация предсказанного сайта сплайсинга. Он включал вставку из 15 п.н. из интрона 5 CDHR1 , которая соответствует предсказанной скрытой активации сплайсинга, происходящей из-за мутации c.439-17G>A (рис. 5c и 4 , вставка ).

Рис. 5. Анализ альтернативного сплайсинга in vitro .

(a) Дизайн праймера для захвата предполагаемой задержки интрона из-за варианта c.439-17G>A в CDHR1 . (b) Электрофорез ОТ-ПЦР в агарозном геле, показывающий продукт ПЦР размером 140 пар оснований только в клеточной линии пациента (белая звездочка). Никаких продуктов не было обнаружено в контрольной клеточной линии или в водном контроле. (c) Внизу: хроматография последовательности показывает отчетливое удержание 15 п.н. от интрона 5 в продукте ОТ-ПЦР, полученное из-за скрытой активации сайта сплайсинга. Вверху: Схема, представляющая экзон-интронные границы, наблюдаемые в продукте ОТ-ПЦР.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0158692.g005

ID случая 23530 (RP, аутосомно-доминантный): Основной пациент — 43-летний мужчина с больным братом-близнецом, вторым больным братом, здоровой сестрой и здоровой матерью (рис. 3е). Сообщается, что пострадал отец. Среди известных генов RP у этого пациента с помощью WES не было идентифицировано ни одной мутации, объясняющей заболевание. Однако при скрининге генов-кандидатов с помощью секвенирования по Сэнгеру в гене PRPF31 была обнаружена новая дупликация из 33 пар оснований (NM_015629.3:c.548_580dup: p.Glu183_Met193dup), которые косегрегировали по заболеванию в семье. Удвоение наблюдалось только у пораженных членов семьи, что видно по более крупному продукту ПЦР на агарозном геле (рис. 3g). Структурный анализ мутантного белка PRPF31, выровненного со структурой эталонного белка, предсказывает образование дополнительного витка из-за этой дупликации из 11 аминокислот во втором домене спиральной альфа-спирали белка PRPF31 (рис. 3h). Модель с наивысшей оценкой достоверности (c-оценка) предсказала, что дополнительный виток является продолжением существующей альфа-спирали (рис. 3hi–3hiv).Вторая модель предполагала, что этот дополнительный виток спирали выходил за пределы спирального спирального домена (рис. 3hv–3hviii). В обеих моделях прогнозируется, что мутация приведет к потере N-концевой альфа-спирали (рис. 3h, обозначенной буквой N зеленого цвета для эталонного PRPF31 и пурпурным цветом для мутантного PRPF31).

В трех семьях (одна с предполагаемым доминантным типом наследования и два потенциально рецессивных случая) нам не удалось обнаружить мутации в генах, в настоящее время связанных с ИРЗ, которые могли бы объяснить фенотип заболевания на основе предполагаемого типа наследования (рис. 6). ).Эти случаи дополнительно исследуются для выявления новых генных мутаций, связанных с заболеванием.

Рис. 6. Родословные семей, в которых не выявлены основные генетические мутации.

(a) Семейная родословная пациента 22538 с диагнозом ХОБЛ. (б) Семейная родословная пациента 26309 с диагнозом РП. (c) Семейная родословная пациента 23609 с диагнозом CORD.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0158692.g006

Обсуждение

ИРЗ демонстрируют исключительную генетическую и фенотипическую гетерогенность.Эти заболевания сетчатки в настоящее время связаны с мутациями в более чем 250 генах. С появлением секвенирования следующего поколения (NGS) идентификация лежащей в основе генетической основы IRD была революционизирована. Было показано, что генетическая диагностика с помощью секвенирования панели или всего экзома является надежным и быстрым методом с заявленной диагностической эффективностью в пределах 50–65% [15, 24–27] (Tiwari et al, неопубликованные данные). Хотя это число выше по сравнению с традиционным секвенированием по Сэнгеру и подходами к генам-кандидатам, значительный процент случаев все еще остается недиагностированным.Эти недиагностированные пациенты менее часты для синдромальных случаев [15] и в случаях внутри кровнородственных популяций, где было показано, что анализ мутаций на основе аутозиготности в сочетании с WES/NGS показывает более высокую диагностическую эффективность [28, 29]. Мы использовали хорошо зарекомендовавший себя метод скрининга образцов пациентов на наличие мутаций в наиболее вероятных генах-кандидатах и ​​подтвердили идентифицированные варианты у дополнительных членов семьи с помощью сегрегационного анализа. Некоторые пациенты были предварительно обследованы на наличие мутаций в вероятных генах-кандидатах ( RHO , PRPh3 , RP2 , RPGR , CRX , NRL) с использованием секвенирования по Сэнгеру.В этом исследовании, которое включало одну кровнородственную семью, нам удалось выявить болезнетворные варианты в 7 из 11 случаев с помощью WES. Ассоциированный с заболеванием вариант в дополнительном случае был идентифицирован только секвенированием по Сэнгеру. Наша когорта состояла из 8 случаев RP и 3 случаев CORD, семь и один из которых показали положительные результаты в этом исследовании соответственно. Мы выявили 3 ранее описанные мутации в 4 семьях и 5 новых вариантов в 4 семьях. Типы вариантов включали 3 сдвига рамки считывания, 3 миссенс-мутации и 1 сплайс-мутацию, а также 1 дупликацию 33 п.н.

Хотя это привело к более высокому уровню диагностических успехов, необходима осторожность при анализе данных NGS, особенно при заболеваниях с заметной генетической гетерогенностью, таких как IRD. Идентификация вариантов, связанных с заболеванием, иногда очень проста, как в случае 27485 (рис. 1а), где у пораженных членов семьи была идентифицирована известная миссенс-мутация в RHO . Мутации в RHO составляют большинство случаев аутосомно-доминантного RP. Это может быть немного сложнее, когда в гене идентифицировано очень мало мутаций.Например, в случае 23880 (рис. 1c), у которого была идентифицирована новая дупликация одного нуклеотида в предпоследнем кодоне PRPF8 . Мутации в PRPF8 являются одной из наименее частых причин доминантного RP, и поэтому этот ген с меньшей вероятностью будет подвергаться скринингу с помощью секвенирования по Сэнгеру в традиционном диагностическом лабораторном скрининге. Известно, что аминокислоты 2301–2335 на С-конце PRPF8 взаимодействуют с EFTUD2 и SNRNP200 [30–32], и было показано, что многие мутации, приводящие к RP, кластеризуются на С-конце домена PRPF8 [30, 33].Было высказано предположение, что неэффективная репрессия SNRNP200 из-за мутаций на С-конце PRPF8 связана с PRPF8-сцепленным RP [34]. Нонсенс-мутация p.Tyr2334* в PRPF8 у пациента 23880 приводит к преждевременной терминации кодона в белке. Однако потеря функции в предпоследней аминокислоте не может быть объяснена нонсенс-опосредованным распадом. Скорее всего, это приводит к неэффективному подавлению функции SNRNP200 или потере взаимодействия либо с EFTUD2, либо с SNRNP200.

При использовании панельного подхода анализ ограничивается генами, связанными с конкретным заболеванием.Например, в случае 27536 (рис. 1e) первичным клиническим диагнозом был RP с дифференциальным клиническим диагнозом врожденного амавроза Лебера (LCA). Панель RP обычно исключает RPGRIP1 , потому что большинство мутаций, описанных в RPGRIP1 , были связаны с LCA (n = 77, источник: HGMD), и очень немногие с RP (n = 4, источник: HGMD). что привело к неудачной генетической диагностике. В этом случае мы выявили новую делецию сдвига рамки считывания у всех затронутых членов семьи в экзоне 17 (из 24) RPGRIP1 (стр.Ser964Profs*37), что приводит к преждевременному триплету терминирующего кодона 37 ниже по течению от мутации и, скорее всего, приводит к бессмысленно-опосредованному распаду транскрипта. Ретроспективно дифференциальный диагноз LCA мог бы более точно описать клинический фенотип у этого пациента. Точно так же в случае 24718 CORD возникает из-за ранее описанной гомозиготной миссенс-мутации в BEST1 (p.Arg81His) [20]. Хотя большинство мутаций BEST1 наследуются доминантно, мутации BEST1 связаны как с рецессивными, так и с доминантными формами макулодистрофии Беста [35]. BEST1 не является наиболее вероятным кандидатом на CORD, и поэтому BEST1 будет исключен из типичной панели диагностических генов CORD. Функциональные исследования показали, что эта мутация приводит к снижению проводимости хлоридов и усилению протеасомной деградации белка BEST1 [21, 22, 36].

Конвейеры анализа и алгоритмы вызова вариантов постоянно совершенствуются, поэтому вероятность неправильного вызова может создать проблемы с анализом. Например, в случае 27536 зиготность мутации RPGRIP1 c.2890delT был отмечен как гетерозиготный, а не как гомозиготный. Поскольку родители были кровными родственниками и не пострадали, мы ожидали, что в этом случае гомозиготный или сложный гетерозиготный вариант(ы) будут причиной заболевания. Только при детальном повторном анализе этой специфической мутации мы определили, что последовательность включает 6 прочтений Т-аллеля и 49 делеций Т-аллеля, что свидетельствует об атипичном балансе аллелей (<20% эталонного аллеля) в сочетании со смещением цепи Т-аллеля. -аллель (S2 фиг.1). После проверки Сэнгером мы могли подтвердить, что эта делеция является гомозиготной.

Генные мутации

, которые могут наследоваться либо рецессивно, либо доминантно, либо демонстрировать неполную пенетрантность, особенно сложны для точной интерпретации генетических данных и результатов, например, RP1 . В семьях пациентов 26165 и 25900 была идентифицирована ранее описанная доминантно наследуемая дупликация со сдвигом рамки считывания в RP1 [23] (рис. 2a–2d). В семье пациента 26165 все пораженные члены были гетерозиготными по мутации, а здоровые члены семьи не являлись носителями мутации.Однако в семье пациента 25900 двое здоровых братьев и сестер (один брат и одна сестра) также были гетерозиготными по мутации (рис. 2c и 2d). Это может быть связано с неполной пенетрантностью, поскольку было показано, что доминантные мутации в RP1 проявляют переменную экспрессивность [37, 38]. Это несоответствие можно объяснить и более поздним возрастом начала заболевания у этих членов семьи. Поэтому в таких случаях требуется повторное клиническое обследование. Мы также идентифицировали эту мутацию в четырех дополнительных семьях с аутосомно-доминантным RP в нашей когорте (данные не показаны), что подтверждает патогенность варианта последовательности.

CDHR1 принадлежит к надсемейству кадгеринов молекул кальций-зависимой клеточной адгезии. Он кодирует фоторецептор-специфический кадгерин, который играет роль в морфогенезе диска наружного сегмента. Он может быть необходим для структурной целостности внешнего сегмента фоторецепторных клеток, и было показано, что он взаимодействует с PROM1 [39]. Мы идентифицировали сложные гетерозиготные мутации в трио, где индексный пациент был поражен РП (рис. 3а). Миссенс-вариант в CDHR1 (Pro133Arg) влияет на высококонсервативную аминокислоту и локализован в первом домене кадгерина белка.Структурный анализ предсказал появление нового бета-листа в этом кадгериновом домене из-за миссенс-варианта. Кадгерины участвуют в кальций-зависимой межклеточной адгезии. Другая замена пролина была идентифицирована в конце пятого домена кадгерина у испанского пациента с RP [40]. Можно предположить, что мутация нарушает роль кадгеринового домена в межклеточной адгезии. В качестве альтернативы он может опосредовать свою патогенность с помощью механизма, еще не описанного для CDHR1. Было предсказано, что вариант c.439-17G>A CDHR1 активирует криптический сайт активатора сплайсинга in silico .Используя фибробласты пациента, эта активация была подтверждена в клеточной линии, полученной от пациента. Часто центр идентификации мутации находится в пределах кодирующих областей. Изменениям сплайсинга, затрагивающим позиции +/-2 и +5 пар оснований вокруг экзонов, также придается большое значение. Однако области заполнения также могут содержать мутации, которые могут привести к альтернативному сплайсингу. Эти области сильно различаются между экзонами и зависят от используемого метода обогащения. Кроме того, варианты, лежащие на концах областей заполнения, обычно демонстрируют смещение нитей и, таким образом, исключаются из многих конвейеров анализа.Поэтому важно тщательно проанализировать область «заполнения» последовательностей захвата экзома, чтобы не пропустить мутации, лежащие дальше от канонических акцепторных и донорных сайтов сплайсинга. Это также подчеркивает необходимость функциональных анализов для проверки предсказанных эффектов вариантов, например, изменений миссенс или сайта сплайсинга. В этом случае только анализ транскриптов клеточной линии, полученной от пациента, подтвердил дефект сплайсинга.

У пациента 23530 ни один из вариантов, идентифицированных при WES, не объясняет доминирующий фенотип RP в семье.Мы включили ДНК пациентов в проект скрининга по Сэнгеру гена PRPF31 , мутации в котором составляют второе место по количеству связанных с заболеванием мутаций в случаях аутосомно-доминантного РП. С помощью секвенирования по Сэнгеру у пациента и всех пораженных членов семьи была идентифицирована новая дупликация 33 п.н. в PRPF31 . Этот случай иллюстрирует важное ограничение этого подхода NGS, когда большое дублирование было пропущено в данных WES, но могло быть идентифицировано только с помощью обычного секвенирования по Сэнгеру.Структурный анализ предсказывает генерацию дополнительного витка в альфа-спирали спирально-спирального домена белка. Вероятно, мутация нарушает взаимодействие PRPF31 с PRPF6 [41]. Усовершенствованные алгоритмы биоинформатики для обнаружения дупликаций или делеций размером более 20 пар оснований могут помочь в выявлении таких мутаций. Однако такие специфические анализы обычно не используются, и поэтому важно рассмотреть возможность использования альтернативных методов анализа для случаев, когда еще не поставлен генетический диагноз.

В заключение, наше исследование показывает возможности WES в выявлении патогенных мутаций в IRD с показателем успеха 63%, но также и его ограничения. В каждом случае может быть несколько мутаций в разных генах, в дополнение к вариациям последовательности de novo, которые могут не косегрегировать с заболеванием [15]. Более того, мутации, расположенные внутри и снаружи захваченных экзонических областей, должны быть тщательно оценены на предмет влияния на сплайсинг или дополнительных регуляторных эффектов. Кроме того, дополнительный подход к WES может быть очень полезен для выявления мутаций, связанных с IRD, в случаях отсутствия генетического диагноза.

Вспомогательная информация

S2 Рис. Скриншот Alamut для

RPGRIP1 варианта NM_020366.3:c.2890delT (p.Ser964Profs*37).

Эта делеция 1 п.н., ведущая к сдвигу рамки, была аннотирована как гетерозиготная. Значения прочтений на вставке показывают 49 делеций и 6 Т-аллелей (что показывает смещение цепи). Секвенирование по Сэнгеру подтвердило гомозиготность этой делеции.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0158692.s002

(TIF)

Благодарности

Авторы благодарят всех пациентов и членов их семей за участие.

Вклад авторов

Задумал и разработал эксперименты: AT JN WB. Проведены эксперименты: AT JA EG HT. Проанализированы данные: AT EG HT. Предоставленные реагенты/материалы/инструменты для анализа: PN JN WB. Написал статью: AT JN WB. Собраны образцы от пациентов и членов их семей: JL JF JN WB. Проведен клинический анализ пациентов: JF.

Каталожные номера

  1. 1. Berger W, Kloeckener-Gruissem B, Neidhardt J. Молекулярная основа заболеваний сетчатки и витреоретинальных тканей человека.Прогресс в исследованиях сетчатки и глаз. 2010;29(5):335–75. пмид: 20362068.
  2. 2. Эллингфорд Дж.М., Бартон С., Бхаскар С., О’Салливан Дж., Уильямс С.Г., Лэмб Дж.А. и др. Молекулярные данные 537 человек с наследственным заболеванием сетчатки. Журнал медицинской генетики. 2016. пмид: 27208204.
  3. 3. Кортон М., Нишигути К.М., Авила-Фернандес А., Никопулос К., Ривейро-Альварес Р., Тату С.Д. и соавт. Экзомное секвенирование пациентов с дистрофиями сетчатки как инструмент молекулярной диагностики.ПлоС один. 2013;8(6):e65574. пмид: 23940504; Центральный PMCID в PubMed: PMC3683009.
  4. 4. Хуан Л., Сяо С., Ли С., Цзя С., Ван П., Сунь В. и др. Молекулярная генетика колбочково-стержневой дистрофии у китайских пациентов: новые данные 61 пробанда и обзор мутаций 163 пробандов. Экспериментальное исследование глаза. 2016;146:252–8. пмид: 26992781.
  5. 5. Ли Х, Дурбин Р. Быстрое и точное выравнивание коротких считываний с преобразованием Берроуза-Уилера. Биоинформатика. 2009;25(14):1754–60. пмид: 19451168; Центральный PMCID в PubMed: PMC2705234.
  6. 6. Ли Х., Хэндсакер Б., Высокер А., Феннелл Т., Руан Дж., Гомер Н. и др. Формат Sequence Alignment/Map и SAMtools. Биоинформатика. 2009;25(16):2078–9. пмид: 19505943; Центральный PMCID в PubMed: PMC2723002.
  7. 7. Ван К., Ли М., Хаконарсон Х. ANNOVAR: функциональная аннотация генетических вариантов на основе данных высокопроизводительного секвенирования. Исследование нуклеиновых кислот. 2010;38(16):e164. пмид: 20601685; Центральный PMCID в PubMed: PMC2938201.
  8. 8. Кумар П., Хеникофф С., Нг ПК.Прогнозирование влияния кодирования несинонимичных вариантов на функцию белка с использованием алгоритма SIFT. Протоколы природы. 2009;4(7):1073–81. пмид: 19561590.
  9. 9. Аджубей И.А., Шмидт С., Пешкин Л., Раменский В.Е., Герасимова А., Борк П. и др. Метод и сервер для прогнозирования повреждающих миссенс-мутаций. Природные методы. 2010;7(4):248–9. пмид: 20354512; Центральный PMCID в PubMed: PMC2855889.
  10. 10. Schwarz JM, Cooper DN, Schuelke M, Seelow D. MutationTaster2: предсказание мутаций для возраста глубокого секвенирования.Природные методы. 2014;11(4):361–2. пмид: 24681721.
  11. 11. Stone EA, Sidow A. Нарушение физико-химических ограничений за счет миссенс-замен опосредует нарушение функции белка и тяжесть заболевания. Исследование генома. 2005;15(7):978–86. пмид: 15965030; Центральный PMCID в PubMed: PMC1172042.
  12. 12. Мате Э., Оливье М., Като С., Ишиока С., Эно П., Тавтигян С.В. Вычислительные подходы для прогнозирования биологического эффекта миссенс-мутаций p53: сравнение трех методов, основанных на анализе последовательностей.Исследование нуклеиновых кислот. 2006;34(5):1317–25. пмид:16522644; Центральный PMCID в PubMed: PMC13.
  13. 13. Тавтигян С.В., Деффенбо А.М., Инь Л., Джадкинс Т., Шолль Т., Самоллоу П.Б. и соавт. Комплексное статистическое исследование 452 миссенс-замен BRCA1 с классификацией восьми повторяющихся замен как нейтральных. Журнал медицинской генетики. 2006;43(4):295–305. пмид: 16014699; Центральный PMCID в PubMed: PMC2563222.
  14. 14. Untergasser A, Cutcutache I, Koressaar T, Ye J, Faircloth BC, Remm M, et al.Primer3 — новые возможности и интерфейсы. Исследование нуклеиновых кислот. 2012;40(15):e115. пмид: 22730293; Центральный PMCID в PubMed: PMC3424584.
  15. 15. Глокл Н., Коль С., Мор Дж., Шойренбранд Т., Спрехер А., Вайсшу Н. и др. Панельное секвенирование следующего поколения как надежный и эффективный метод выявления мутаций у невыбранных пациентов с дистрофиями сетчатки. Европейский журнал генетики человека: EJHG. 2014;22(1):99–104. пмид: 23591405; Центральный PMCID в PubMed: PMC3865404.
  16. 16.Глаус Э., Шмид Ф., Да Коста Р., Бергер В., Нейдхардт Дж. Генотерапевтический подход с использованием адаптированной к мутации мяРНК U1 для исправления дефекта сплайсинга RPGR в клетках, полученных от пациентов. Молекулярная терапия: журнал Американского общества генной терапии. 2011;19(5):936–41. пмид: 21326217; Центральный PMCID в PubMed: PMC3098652.
  17. 17. Вильегас Дж., Макфаул М. Создание и культивирование фибробластов кожи человека. Текущие протоколы в молекулярной биологии / под редакцией Frederick M Ausubel [et al].2005;Глава 28:Единица 28 3. pmid:18265368.
  18. 18. Рой А., Кучукурал А., Чжан Ю. И-ТАССЕР: унифицированная платформа для автоматизированного предсказания структуры и функции белка. Протоколы природы. 2010;5(4):725–38. пмид: 20360767; Центральный PMCID PubMed: PMCPMC2849174.
  19. 19. Салливан Л.С., Боун С.Дж., Берч Д.Г., Хьюбэнкс-Уитон Д., Хеккенливли Дж.Р., Льюис Р.А. и др. Распространенность болезнетворных мутаций в семьях с аутосомно-доминантным пигментным ретинитом: скрининг известных генов в 200 семьях.Исследовательская офтальмология и визуальная наука. 2006;47(7):3052–64. пмид: 16799052; Центральный PMCID в PubMed: PMC2585061.
  20. 20. Крамер Ф., Уайт К., Паулейхофф Д., Гериг А., Пассмор Л., Ривера А. и др. Мутации в гене VMD2 связаны с ювенильной вителлиформной макулярной дистрофией (болезнь Беста) и вителлиформной макулодистрофией взрослых, но не с возрастной дегенерацией желтого пятна. Европейский журнал генетики человека: EJHG. 2000;8(4):286–92. пмид: 10854112.
  21. 21.Дэвидсон А.Э., Миллар И.Д., Берджесс-Муллан Р., Махер Г.Дж., Уркхарт Дж.Э., Браун П.Д. и соавт. Функциональная характеристика миссенс-мутаций бестрофина-1, связанных с аутосомно-рецессивной бестрофинопатией. Исследовательская офтальмология и визуальная наука. 2011;52(6):3730–6. пмид: 21330666.
  22. 22. Джонсон А.А., Бахман Л.А., Жиль Б.Дж., Кросс С.Д., Стелзиг К.Е., Реш З.Т. и соавт. Аутосомно-рецессивная бестрофинопатия не связана с потерей функции анионного канала бестрофина-1 у пациента с новой мутацией BEST1.Исследовательская офтальмология и визуальная наука. 2015;56(8):4619–30. пмид: 26200502; Центральный PMCID PubMed: PMCPMC4515977.
  23. 23. Пейн А., Витана Э., Халик С., Хамид А., Деллер Дж., Абу-Сафие Л. и др. Мутации укорочения белка RP1 преобладают в локусе RP1 adRP. Исследовательская офтальмология и визуальная наука. 2000;41(13):4069–73. пмид:11095597.
  24. 24. Consugar MB, Navarro-Gomez D, Place EM, Bujakowska KM, Sousa ME, Fonseca-Kelly ZD, et al. Панельное генетическое диагностическое тестирование наследственных заболеваний глаз является высокоточным и воспроизводимым, а также более чувствительным для обнаружения вариантов, чем секвенирование экзома.Генетика в медицине: официальный журнал Американского колледжа медицинской генетики. 2015;17(4):253–61. пмид: 25412400.
  25. 25. Чжао Л., Ван Ф., Ван Х., Ли И., Александр С., Ван К. и др. Молекулярная диагностика на основе секвенирования следующего поколения у 82 пробандов с пигментным ретинитом из Северной Ирландии. Генетика человека. 2015;134(2):217–30. пмид: 25472526; Центральный PMCID в PubMed: PMC4347882.
  26. 26. Берёзкин А., Шева Э., Кимчи А., Мизрахи-Мейссонье Л., Хатеб С., Ратнаприя Р. и др.Полное секвенирование экзома выявило мутации в известных генах заболеваний сетчатки в 33 из 68 израильских семей с наследственными ретинопатиями. Научные отчеты. 2015;5:13187. пмид: 26306921; Центральный PMCID в PubMed: PMC4549705.
  27. 27. Xu Y, Guan L, Shen T, Zhang J, Xiao X, Jiang H и др. Мутации 60 известных причинных генов в 157 семьях с пигментным ретинитом на основе секвенирования экзома. Генетика человека. 2014;133(10):1255–71. пмид: 24938718.
  28. 28. Абу-Сафие Л., Альрашед М., Анази С., Алкурая Х., Хан А.О., Аль-Оуайн М. и др.Аутозигомное секвенирование экзома у пациентов с дистрофией сетчатки выявляет патогенетические мутации и новые гены-кандидаты болезни. Исследование генома. 2013;23(2):236–47. пмид: 23105016; Центральный PMCID в PubMed: PMC3561865.
  29. 29. Алдахмеш М.А., Сафие Л.А., Алкурая Х., Аль-Раджи А., Шамселдин Х., Хашем М. и др. Молекулярная характеристика пигментного ретинита в Саудовской Аравии. Молекулярное зрение. 2009;15:2464–9. пмид: 19956407; Центральный PMCID в PubMed: PMC2786884.
  30. 30. Пена В., Лю С., Буйницки Дж. М., Лурманн Р., Валь М. С.Структура многокомпонентного домена белок-белкового взаимодействия в факторе сплайсинга prp8 и его связь с пигментным ретинитом. Молекулярная клетка. 2007;25(4):615–24. пмид: 17317632.
  31. 31. Maeder C, Kutach AK, Guthrie C. АТФ-зависимое раскручивание мяРНК U4/U6 с помощью хеликазы Brr2 требует C-конца Prp8. Структурная и молекулярная биология природы. 2009;16(1):42–8. пмид: 19098916; Центральный PMCID в PubMed: PMC2707180.
  32. 32. Mozaffari-Jovin S, Santos KF, Hsiao HH, Will CL, Urlaub H, Wahl MC, et al.H-подобный домен РНКазы Prp8 ингибирует опосредованное Brr2 раскручивание мяРНК U4/U6 путем блокирования загрузки Brr2 на мяРНК U4. Гены и развитие. 2012;26(21):2422–34. пмид: 23124066; Центральный PMCID в PubMed: PMC34

    .

  33. 33. Zhang L, Shen J, Guarnieri MT, Heroux A, Yang K, Zhao R. Кристаллическая структура C-концевого домена фактора сплайсинга Prp8, несущего мутанты пигментного ретинита. Белковая наука: публикация Белкового общества. 2007;16(6):1024–31. пмид: 17473007; Центральный PMCID в PubMed: PMC2206663.
  34. 34. Mozaffari-Jovin S, Wandersleben T, Santos KF, Will CL, Luhrmann R, Wahl MC. Ингибирование РНК-хеликазы Brr2 С-концевым хвостом сплайсосомного белка Prp8. Наука. 2013;341(6141):80–4. пмид: 23704370.
  35. 35. Boon CJ, Klevering BJ, Leroy BP, Hoyng CB, Keunen JE, den Hollander AI. Спектр глазных фенотипов, вызванных мутациями в гене BEST1. Прогресс в исследованиях сетчатки и глаз. 2009;28(3):187–205. пмид: 19375515.
  36. 36.Макдональд И.М., Гудисева Х.В., Вильянуэва А., Греве М., Карузо Р., Айягари Р. Фенотип и генотип пациентов с аутосомно-рецессивной бестрофинопатией. Офтальмологический Жене. 2012;33(3):123–9. пмид: 21809908.
  37. 37. Дитрих К., Якоби Ф.К., Типпманн С., Шмид Р., Цреннер Э., Виссингер Б. и др. Новая мутация гена RP1 (Lys778ter), связанная с аутосомно-доминантным пигментным ретинитом. Британский журнал офтальмологии. 2002;86(3):328–32. пмид:11864893; Центральный PMCID в PubMed: PMC1771063.
  38. 38. Аудо И., Моханд-Саид С., Даэненс С.М., Жермен А., Орхан Э., Антонио А. и др. RP1 и аутосомно-доминантная палочко-колбочная дистрофия: новые мутации, обзор опубликованных вариантов и корреляция генотип-фенотип. Мутация человека. 2012;33(1):73–80. пмид:22052604.
  39. 39. Yang Z, Chen Y, Lillo C, Chien J, Yu Z, Michaelides M, et al. Мутантный проминин 1, обнаруженный у пациентов с дегенерацией желтого пятна, нарушает морфогенез фоторецепторного диска у мышей. Журнал клинических исследований.2008;118(8):2908–16. пмид: 18654668; Центральный PMCID в PubMed: PMC2483685.
  40. 40. Никопулос К., Авила-Фернандес А., Кортон М., Лопес-Молина М.И., Перес-Карро Р., Бонтаделли Л. и соавт. Идентификация двух новых мутаций в CDHR1 в кровнородственных испанских семьях с аутосомно-рецессивной дистрофией сетчатки. Научные отчеты. 2015;5:13902. пмид: 26350383; Центральный PMCID PubMed: PMCPMC4642573.
  41. 41. Лю С., Ли П., Дыбков О., Ноттротт С., Хартмут К., Лурманн Р. и др.Связывание домена Nop Prp31 человека с составной РНК-белковой платформой в мяРНП U4. Наука. 2007;316(5821):115–20. пмид: 17412961.

Ограничения секвенирования всего экзома

Генетическое тестирование как для клинических, так и для рекреационных целей стало более доступным в последнее десятилетие благодаря достижениям в технологии секвенирования. С разнообразием вариантов тестирования становится все более важным понять последствия и ограничения, характерные для типа генетического тестирования, прежде чем продолжить.

Секвенирование всего экзома (WES) имеет свои преимущества по сравнению с тестами на один ген или панелью и тестами на секвенирование всего генома (WGS). Путем секвенирования кодирующих белок экзонических областей генома человека, то есть экзома, можно получить больше генетической информации, чем при нацеливании на выбранный набор генов, при одновременном достижении лучшей эффективности времени и затрат, чем WGS 1 . Таким образом, результаты WES могут оказаться полезными для пациентов со сложными заболеваниями неопределенной или гетерогенной генетической природы, а также повысить доступность клинического генетического тестирования.Однако, как и у большинства научных методов, у WES также есть свои ограничения, в первую очередь следующие.

  1. WES не покрывает 100% экзома.
    Могут быть захвачены не все экзоны. Важный экзон не может быть включен в текущие стандартные аннотации генома человека 2 ; и просто сложно покрыть 100% экзома с помощью современной технологии WES. В результате болезнетворные варианты в этих «пропущенных» экзонах останутся незамеченными.Если требуется наиболее полный охват экзонов, WGS показал более полный охват экзома, чем WES 3 .

  2. WES не валидирован для обнаружения структурных вариаций (SV), включая варианты числа копий (CNV), инверсии и транслокации.
    WES имеет низкую чувствительность к структурным изменениям, поэтому обнаружение ограничено 1 . Хотя некоторые CNV, включая вставки и дупликации, могут быть обнаружены WES, технические ограничения означают, что другие, вероятно, будут пропущены 4 .Например, синдром Гентингтона — это заболевание, вызванное СВ и диагностированное на основании экспансии CAG-повторов. Вместо этого болезнь Хантингтона должна быть подтверждена с помощью теста, который специально подсчитывает количество повторов CAG в гене HTT, поскольку он не может быть надежно обнаружен с помощью WES. В настоящее время не существует единого метода, который идентифицирует все типы структурных вариаций, но WGS или хромосомные микрочипы (CMA) могут идентифицировать SV более точно, чем WES.

  3. WES не включает секвенирование некодирующих интронных областей.
    В некодирующих областях могут быть функциональные варианты, регулирующие экспрессию генов, такие как энхансеры и длинные некодирующие РНК. Однако эти некодирующие варианты (NCV), даже если они генетически идентифицируемы, не охватываются WES и, следовательно, не могут быть обнаружены. Например, некодирующие регуляторные SNP RBM8A в сочетании с кодирующим вариантом объясняют большинство пациентов с TAR-синдромом 5 . В то время как экзом может дать некоторое представление о некодирующих областях, исследования ассоциации всего генома могут быть более подходящими для точного понимания.

Из-за таких ограничений может потребоваться дополнительное тестирование для захвата пропущенных областей, подтверждения обнаруженных вариантов или поиска неуловимых вариантов. Тем не менее, есть ключевой процесс, который может повысить полезность WES. Более тесная связь между клиническими и аналитическими сущностями для уточнения фенотипической информации, используемой для приоритизации вариантов, может помочь сузить клиническую интерпретацию, делая применение WES более эффективным и действенным 4 .

В конечном счете, при принятии решения о том, какой тип генетического тестирования наиболее подходит пациенту, необходимо учитывать различные факторы, такие как фаза диагностической оценки, симптомы и личная история болезни, доступность и семейный анамнез.Хотя нет никакого хрустального шара, чтобы сказать, какой метод будет работать лучше всего для каждого пациента, страдающего сложным генетическим заболеванием, есть некоторые положительные моменты благодаря постоянным достижениям в диагностических технологиях и исследованиям в отношении методов лечения, которых можно ожидать с нетерпением.

Ссылки

  1. Го Г. и Чой М. Применение секвенирования всего экзома для выявления вариантов, вызывающих заболевание, при наследственных заболеваниях человека. Геномика и информатика 10(4), 214-219 (2012).
  2. Парла, Дж.С., Иосифов И., Грабилл И. и др. . Сравнительный анализ захвата экзома. Genome Biol 12, R97 (2011).
  3. Мейенберг, Дж., Бруггманн, Р., и др. . Клиническое секвенирование: WGS лучше WES? Хум Жене . 135, 359–362 (2016).
  4. Бердик, К. Дж., Коган, Дж. Д. и др. . Ограничения секвенирования экзома при выявлении редких и невыявленных заболеваний. Am J Med Genet A . 182(6), 1400–1406 (2020).
  5. Чжан, Ф.и Лупски, Дж. Р. Некодирующие генетические варианты при заболеваниях человека. Хум Мол Жене . 15; 24(R1), R102–R110 (2015).

Что такое секвенирование всего экзома и секвенирование всего генома?: MedlinePlus Genetics

Определение последовательности строительных блоков ДНК (нуклеотидов) в генетическом коде человека, называемое секвенированием ДНК, продвинуло вперед изучение генетики и является одним из методов, используемых для проверки генетические нарушения. Два метода, секвенирование всего экзома и секвенирование всего генома, все чаще используются в здравоохранении и исследованиях для выявления генетических вариаций; оба метода основаны на новых технологиях, позволяющих быстро секвенировать большое количество ДНК.Эти подходы известны как секвенирование следующего поколения (или секвенирование следующего поколения).

Первоначальная технология секвенирования, названная секвенированием по Сэнгеру (названная в честь ученого, разработавшего ее, Фредерика Сэнгера), стала прорывом, который помог ученым определить генетический код человека, но это требует много времени и средств. Метод Сэнгера был автоматизирован, чтобы сделать его быстрее, и до сих пор используется в лабораториях для секвенирования коротких фрагментов ДНК, но потребуются годы, чтобы секвенировать всю ДНК человека (известную как геном человека).Секвенирование следующего поколения ускорило процесс (на секвенирование генома человека уходит от нескольких дней до нескольких недель) при одновременном снижении стоимости.

С секвенированием нового поколения теперь возможно секвенировать большое количество ДНК, например, все фрагменты ДНК человека, которые содержат инструкции по созданию белков. Считается, что эти части, называемые экзонами, составляют 1 процент генома человека. Вместе все экзоны в геноме известны как экзом, а метод их секвенирования известен как секвенирование всего экзома.Этот метод позволяет идентифицировать вариации в кодирующей белок области любого гена, а не только в нескольких избранных генах. Поскольку большинство известных мутаций, вызывающих заболевание, происходят в экзонах, считается, что полноэкзомное секвенирование является эффективным методом выявления возможных мутаций, вызывающих заболевание.

Тем не менее, исследователи обнаружили, что вариации ДНК за пределами экзонов могут влиять на активность генов и выработку белка и приводить к генетическим нарушениям — вариациям, которые были бы пропущены при секвенировании всего экзома.Другой метод, называемый секвенированием всего генома, определяет порядок всех нуклеотидов в ДНК человека и может определять вариации в любой части генома.

Хотя при секвенировании всего экзома и всего генома можно выявить намного больше генетических изменений, чем при секвенировании отдельных генов, значимость большей части этой информации неизвестна. Поскольку не все генетические изменения влияют на здоровье, трудно понять, участвуют ли идентифицированные варианты в интересующем нас состоянии.Иногда выявленный вариант связан с другим генетическим заболеванием, которое еще не было диагностировано (это называется случайной или вторичной находкой).

Помимо использования в клинике, полноэкзомное и полногеномное секвенирование представляют собой ценные методы для исследователей. Непрерывное изучение последовательностей экзома и генома может помочь определить, связаны ли новые генетические вариации с состояниями здоровья, что поможет в диагностике заболеваний в будущем.

Являются ли подходы секвенирования всего экзома и всего генома рентабельными? Систематический обзор литературы

Поиск в базе данных выявил 1277 публикаций, 302 из которых были дубликатами (рис. 1).После проверки заголовков и аннотаций и оценки полнотекстовых публикаций на предмет приемлемости было выявлено 14 публикаций, которые соответствовали критериям включения. Обзор списков ссылок найденных публикаций и публикаций признанных авторов в этой области выявил 22 дополнительные релевантные публикации (7 из которых были выявлены после июля 2016 г., запланированной даты окончания проверки литературы 18,19,20,21 ) . Всего было выявлено 36 релевантных публикаций.

Рисунок 1

Результаты поиска литературы.

Характеристики исследований

В таблице 2 приведены характеристики этих 36 публикаций. Подробные описания приведены в дополнительном приложении S3. В публикациях исследовано использование WES и WGS при различных состояниях с генетическим фоном. Наиболее частыми состояниями были неврологические нарушения или расстройства развития нервной системы (7 публикаций), при этом 13 (36%) публикаций исследовали WES и WGS исключительно у детей или новорожденных.Размер выборки исследования варьировался от одного ребенка до когорты из 2000 пациентов.

Таблица 2 Характеристики исследования

Исследования, о которых сообщалось в следующих девяти публикациях (22%), не включали пациентов. Беннетт и др. 22 использовали аналитическую модель принятия решений для оценки рентабельности возврата случайных результатов из WES и WGS в США. Бьюкенен-Хьюз и др. 23 построили дерево решений для расчета рентабельности бактериального WGS при диагностике инфекций мочевыводящих путей.Chrystoja и Diamandis 24 представили обсуждение проблем и возможностей, связанных с использованием WGS в качестве диагностического теста. В отчете Foundation for Genomics and Population Health 25 описаны затраты на WES при колоректальном раке в трех лабораториях Национальной службы здравоохранения Великобритании. Плетнер и др. 26 исследовал затраты, связанные с выполнением WGS в немецкой клинической практике. Сабатини и др. 27 провел восходящее исследование затрат на WES в Канаде и сравнил результаты с затратами на традиционный клинический путь диагностики нарушений развития нервной системы с использованием моделей «затраты-воздействие плательщика».Van Nimwegen 28 разработал модель принятия решений для изучения экономической эффективности WES в клинической практике в Нидерландах. Наконец, Циплова и соавт. 20,21 рассчитали экономическую эффективность WES и WGS по сравнению с анализом хромосомных микрочипов (CMA) в трех гипотетических сценариях тестирования.

Была идентифицирована 21 экономическая оценка, из которых 8 были полной экономической оценкой 18,19,20,21,22,23,28,29,30 и 13 были частичной экономической оценкой. 3,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42 Семь исследований представили данные о стоимости путей тестирования WES или WGS, 24,25,26,27, 43,44,45 и восемь исследований представили данные о клинически значимых показателях результатов для этих тестов. 5,6,8,9,10,46,47,48 Из восьми полных экономических оценок две были CUA 22,23 и шесть были CEA, опубликованными в период с 2014 по 2017 год в Австралии (2), США Штаты (1), Великобритания (1), Нидерланды (1) и Канада (1). 18,19,20,21,28,29,30 Из этих публикаций исследование Soden et al. 29 не сообщал непосредственно о затратах на WES, но оценивал порог рентабельности WES при нарушениях развития нервной системы у детей путем расчета стоимости текущего диагностического пути.

Все 13 частичных экономических оценок представляли собой анализ затрат и последствий. Эти исследования были опубликованы в период с 2013 по 2016 год в Нидерландах (4), Австралии (3), Канаде (2), Франции (1), США (2) и Великобритании (1). Одиннадцать из этих публикаций исследовали WES, а исследование Pankhurst et al. 42 оценка бактериального WGS и исследование Shashi et al. 3 оценка нескольких потенциальных подходов NGS. В то время как во всех 13 публикациях сообщались оценки затрат на WES или WGS, только в 3 указывались методы и источники, лежащие в основе этих оценок. 35,37,42

Из семи исследований, в которых были представлены данные о стоимости путей тестирования WES или WGS, четыре оценивали WGS. Chrystoja и Diamandis 24 рассмотрели потенциал WGS и обобщили данные о затратах, извлеченные из ранее опубликованных научных исследований и коммерческих источников.Дьюи и др. 43 оценили стоимость WGS в Соединенных Штатах, а также расходы, связанные с курированием и последующим клиническим наблюдением. Вейманн и др. 45 оценили затраты на использование WGS для принятия обоснованных решений о лечении пациентов с поздними стадиями рака. Таун и др. 44 оценили стоимость использования WES для постановки диагноза при редких проявлениях в педиатрической популяции. Исследования Фонда геномики и здоровья населения, 25 Sabatini et al., 27 и Plöthner et al. 26 были описаны ранее.

Восемь исследований, опубликованных в период с 2011 по 2016 год, представили данные о клинически значимых показателях результатов для WES и WGS. В семи из этих исследований изучали WES; 5,6,8,9,10,46,47 восьмой оцененный WGS. 48 В четырех публикациях в качестве сравнения использовался традиционный путь оказания помощи при исследуемом заболевании. 6,10,46,48 Три публикации представляли собой ретроспективный анализ 6,47,48 и три были диагностическими исследованиями, в которых оценивалась диагностическая ценность СВО при различных состояниях. 5,8,9 Последние два исследования представляли собой тематические исследования отдельных пробандов и семей. 10,46

Двадцать четыре (67%) публикаций, отвечающих критериям включения, были посвящены WES, пять (14%) – WGS, пять (14%) – как WGS, так и WES, и две (6%), оценивая бактериальный WGS. Наиболее частым местом проведения исследований были США (36% публикаций). Первые два исследования были опубликованы в 2011 году, а все остальные исследования были опубликованы в период с 2013 по 2017 год.

Затраты на WES и WGS

В Таблице 3 приведены сводные оценки затрат на заходы на посадку NGS с подробной информацией, представленной в Дополнительном приложении S4. В 29 исследованиях сообщалось об оценках затрат, из которых в 18 сообщалось о затратах на WES. Оценки варьировались от 382 фунтов стерлингов (555 долларов США) 32 до 3592 фунтов стерлингов (5169 долларов США) 34,38 за один тест WES. Самая высокая оценка одного теста (3592 фунта стерлингов) была основана на коммерческих ценах. Самая высокая оценка фактических затрат на один тест WES (т.е. не коммерческие цены) составляла 1808 фунтов стерлингов (2602 доллара США). 37 Смета расходов на трио варьировалась от 2 658 фунтов стерлингов (3 825 долларов США) 44 до 6 466 фунтов стерлингов (9 304 доллара США). 38 Тринадцать публикаций заявили, что затраты были оценены в рамках исследования; девять из этих публикаций сообщили о своем подходе к оценке затрат. 19,20,21,26,27,28,36,37,45 Во многих публикациях не указано, какие компоненты были включены в смету расходов. Стоимость реагентов варьировалась от 291 фунта стерлингов (420 долларов США) 35 до 1171 фунта стерлингов (1685 долларов США). 31

Таблица 3. Сводная оценка стоимости различных подходов к секвенированию

Оценки затрат мало менялись с течением времени. Самая низкая оценка для одного теста WES составила 736 фунтов стерлингов (1060 долларов США) 44 в 2013 году и 736 фунтов стерлингов (1070 долларов США) 28 в 2017 году. Что касается затрат на уровне страны, самая низкая оценка (382 фунтов стерлингов; 555 долларов США) 32 было сообщено в австралийском исследовании 2015 года, а самая высокая оценка (3592 фунта стерлингов; 5169 долларов США) 36,38 была зарегистрирована в двух канадских исследованиях 2014 года.Не было никаких региональных различий: самые низкие оценки затрат в Северной Америке (736 фунтов стерлингов; 1060 долларов США) 44 и в остальном мире (382 фунтов стерлингов; 555 долларов США) 32 были схожими, но гораздо меньше с более высокими оценками затрат (£ 3592; 5169 долларов США в Северной Америке, 36,38 3401 фунт стерлингов; 4907 долларов США в остальном мире). 40,41

Стоимость WGS оценивалась в шести исследованиях, в четырех из которых использовались данные из коммерческих источников. 24,26,28,43 Смета расходов варьировалась от 1312 фунтов стерлингов (1906 долларов США) для секвенирования с использованием HiSeq X в Германии 26 до 17 243 фунтов стерлингов (24 810 долларов США) для неуказанной платформы в Канаде. 24 В четырех исследованиях использовался прозрачный восходящий подход для оценки стоимости WGS. 20,21,26,28,45 Имелись ограниченные данные о снижении стоимости WGS с течением времени, при этом самая низкая оценка снизилась с 10 497 фунтов стерлингов (15 146 долларов США) 43 в 2013 году до 1 312 фунтов стерлингов (1 906 долларов США) 26 в 2017 году. Однако это основано на небольшой выборке. Две оценки затрат на бактериальный WGS были значительно ниже, чем на WES или WGS у людей.

Наконец, из 16 исследований, в которых стоимость испытаний рассчитывалась, а не применялась предполагаемая цифра или использовалась коммерческая цена, только 10 описывали расчет стоимости прозрачным образом.

Исходы WES и WGS

В публикациях, которые соответствовали критериям включения, оценивались различные исходы, включая успешные диагнозы, диагностический результат, чувствительность и специфичность, годы жизни с поправкой на качество (QALY), время до постановки диагноза, изменение клинических лечение, неотложная клиническая полезность, смертность/выживаемость, удовлетворенность родителей, частота подтипов заболеваний, способ наследования, спектр генетических событий, отчеты о случайных находках, захват мишеней и прогнозирование видов бактерий и чувствительности к лекарствам.Диагностическая ценность была наиболее распространенной мерой исхода (18 публикаций). В таблице 4 приведены оценки диагностического выхода с помощью секвенирования, а подробная информация представлена ​​в дополнительном приложении S5. Наименьшая диагностическая ценность WES (3%) была оценена в группе пациентов с колоректальным раком. 37 Самый высокий уровень WES (79%) был зарегистрирован у лиц с мышечными заболеваниями, начавшимися в детстве. 18 Около трети включенных публикаций исследовали WES или WGS в группе населения, которую было трудно диагностировать.

Таблица 4. Сводка оценок диагностической эффективности для двух подходов к секвенированию

Экономическая эффективность WES и WGS

Экономическая эффективность WES или WGS оценивалась в восьми исследованиях. Сагу и др. 30 оценили экономическую эффективность WES по сравнению с обычной практикой тестирования (генетические тесты и панельные тесты генов болезней) в различных контекстах заболеваний. Когда WES был введен позже в пути тестирования, дополнительные затраты на каждый дополнительный положительный диагноз составили 3 213 фунтов стерлингов (4 670 долларов США).Когда WES использовался в качестве теста почти первой линии, дополнительные затраты на дополнительный положительный диагноз составляли 2230 фунтов стерлингов (3242 доллара США).

Van Nimwegen 28 сравнили затраты и результаты, связанные с WES (с использованием HiSeq 4000), с таковыми при обычной диагностике неврологических расстройств у детей (которая включает магнитно-резонансную томографию, электроэнцефалографию и биопсию мышц). В первом анализе автора WES рассматривался как тест последней инстанции с дополнительными затратами на каждый дополнительный диагноз в размере 8 319 фунтов стерлингов (12 092 доллара США).Второй анализ рассматривал WES как тест первой линии, и во многих вероятных сценариях это приводило к экономии средств.

Соден и др. 29 подсчитали, что WES будет рентабельной при нарушениях развития нервной системы у детей по сравнению с существующими негеномными подходами к исследованию (включая лабораторные тесты, рентгенологические процедуры и электромиограммы) на основе стоимости за диагноз, если стоимость WES не превышала 2123 фунта стерлингов (3063 доллара США) на человека.

Шофилд и др. 18 сообщил, что WES обеспечивает экономию затрат на каждый диагноз в размере 6 483 фунтов стерлингов (9 342 доллара США) по сравнению с традиционными исследованиями (биопсия мышц, гистологический и биохимический анализы, секвенирование по Сэнгеру) для диагностики заболеваний мышц у детей.

Старк и др. 19 изучали экономическую эффективность трех сценариев внедрения WES в качестве рутинного клинического теста для младенцев с подозрением на моногенные заболевания. Интеграция WES после стандартных исследований (включая биохимические исследования, визуализацию и нейрофизиологические исследования) стоит 3830 фунтов стерлингов (5518 долларов США) за каждый дополнительный диагноз, замена подмножества существующих исследований на WES стоит 1238 фунтов стерлингов (1784 доллара США) за дополнительный диагноз и внедрение WES в качестве первого линейный тест, заменивший большинство исследований, сэкономил 1030 фунтов стерлингов (1484 доллара США) за каждый дополнительный диагноз.

Циплова и др. 20,21 оценили экономическую эффективность стратегий, включающих WES и WGS, по сравнению с CMA при расстройствах аутистического спектра. Добавление WES к CMA стоило 13 912 фунтов стерлингов (20 046 долларов США) за дополнительный диагноз, тогда как внедрение WGS вместо CMA стоило 32 219 фунтов стерлингов (46 424 долларов США) за дополнительный диагноз с использованием секвенатора HiSeq 2500 и 14 219 фунтов стерлингов (20 488 долларов США) с использованием секвенатора HiSeq X. Внедрение WGS по сравнению с подходом WES-плюс-CMA стоило 106 590 фунтов стерлингов (153 587 долларов США) за дополнительную диагностику с использованием секвенатора HiSeq 2500 и 15 464 фунтов стерлингов (22 283 доллара США) с использованием секвенатора HiSeq X.

Бьюкенен-Хьюз и др. 23 исследовали экономическую эффективность бактериального WGS для выбора целевого антибиотика при инфекциях мочевыводящих путей, обнаружив, что бактериальный WGS дороже, чем методы, используемые в современной клинической практике, с худшими результатами для здоровья.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *