胸主動脈瘤與剝離症侯群的系統性基因分析及結構變異檢測算法在單一或組合策略下的性能比較

Abstract

胸主動脈瘤與剝離症候群 (TAAD) 是一種隱蔽且潛在致命的疾病。在本研究中，針對來自 NTU TAAD cohort的 125位受試者，使用基於次世代定序技術的 NTU TAAD 基因組 (29 genes) 進行篩檢，得出了 42 個基因診斷結果。此基因組篩檢在證實早期診斷及對已知主動脈擴張患者進行剝離風險分層方面展現出高效性。基因組的特異性為 82.4%，陽性預測值 (PPV) 為 87%。然而，其靈敏度為 54.8%，在此世代研究中的檢測率為 43%。值得注意的是，皮膚擴張紋可能作為初步篩查指標，適合在進行進一步、更全面的檢查之前使用。 此外，在我們對結構變異檢測算法的比較研究中，評估了五個先進的結構變異檢測算法和商業軟體 DRAGEN 的性能，使用來自 GIAB v0.6 Tier 1 基準集以及著名的 HGSVC2 基準集的短讀序全基因組數據。每種算法均獨立測試，並且在多樣協議 (multiple agreement) 和聯合 (union) 策略下進行了多種組合測試。聯合策略達到了更高的召回率 (recall rate)，而多樣協議策略則展現出更優秀的精確度 (precision)。我們的分析顯示，每種算法具有內在的優勢和劣勢，導致所檢測到的結構變異類型和大小有所不同。組合策略有效協調了這些差異，提升了總體性能，並達到與商業軟體 DRAGEN 相當的 F1 分數。 在世代研究中，未找到致病基因的 83 位前驅患者中，34 位臨床特徵為主動脈瘤或剝離篩選為 NTU TAAD WGS cohort的試驗者並接受了全基因組定序和基因變異篩選，過程中使用兩組虛擬基因組篩選變異，分別為專注型 (focused panel) 和廣譜型 (broad spectrum panel)。在這 34 位前驅患者中，經過專注型虛擬基因資組過濾後，在 5 位患者中發現了致病變異點，包括在 FBN1 基因中發現的一個單核苷酸變異點 (SNV)、兩個剪接位點變異 (splice site variant) 和兩個結構變異 (structural variant)。廣譜虛擬基因組篩選後每位患者大約識別出 260 個候選變異。為了偵測全新的致病基因，針對剩餘的 29 位患者的廣譜基因組篩選出來之候選變異進行了基因層級的交集分析，此方法對於發現潛在導致胸主動脈瘤和剝離病理的新基因至關重要。

Thoracic aortic aneurysm and dissection (TAAD) is a silent yet potentially severe condition. In the NTU TAAD cohort study, 125 probands were screened using a next-generation sequencing NTU TAAD panel comprising 29 genes, leading to 42 genetic diagnoses. The panel effectively confirmed early-stage cases and stratified dissection risk, showing a specificity of 82.4% and a positive predictive value (PPV) of 87%. However, sensitivity was 54.8%, with a detection rate of 41%. Notably, skin striae distensae may serve as an early screening indicator before comprehensive examinations. Our comparative study evaluated five advanced SV detection algorithms alongside the commercial software DRAGEN using short-read whole-genome sequencing data from the GIAB v0.6 Tier 1 and HGSVC2 benchmark sets. The union strategy improved recall, while the multiple agreement method enhanced precision. Each algorithm exhibited strengths and limitations, affecting SV detection variability. Combining approaches optimized performance, yielding F1 scores similar to those of DRAGEN. Among 83 probands previously testing negative for disease-causing genes, 34 underwent whole-genome sequencing and variant prioritization in the NTU TAAD WGS cohort. We applied focused (169 genes) and broad-spectrum (3197 genes) virtual panels, identifying disease-causing variants in 5 probands, including 1 SNV, 2 splice site variants, and 2 structural variants in FBN1. The broad-spectrum panel yielded roughly 260 candidate variants per proband, and gene-level intersection analysis among the remaining 29 probands provided insights into potential novel genetic contributors to TAAD pathology.