Ganz-Genom-Sequenzierung: Revolution in der Diagnostik seltener und onkologischer Erkrankungen

Die Ganzgenomsequenzierung (Whole Genome Sequencing, WGS) ist ein molekulargenetisches Hochdurchsatzverfahren (Verfahren zur schnellen Analyse vieler genetischer Daten) zur Analyse der vollständigen nukleären DNA-Sequenz eines Individuums beziehungsweise eines Tumors (Geschwulst). Im Unterschied zur Exomsequenzierung oder zu zielgerichteten Genpanels werden sowohl kodierende als auch nichtkodierende Genomabschnitte untersucht. Dadurch können Einzelnukleotidvarianten, kleine Insertionen/Deletionen, Kopienzahlveränderungen, strukturelle Varianten, Repeat-Expansionen sowie komplexe genomische Veränderungen in einem einzigen Untersuchungsgang erfasst werden [2, 3]. Klinisch hat WGS insbesondere bei seltenen genetischen Erkrankungen und in der Präzisionsonkologie (personalisierte Krebsmedizin) erheblich an Bedeutung gewonnen [1, 5, 6].

Synonyme

• Whole Genome Sequencing (WGS)
• Genomsequenzierung
• Komplette Genomsequenzierung

Das Verfahren

Benötigtes Material

• EDTA-Blut – Standardmaterial für die Keimbahndiagnostik (Untersuchung vererbbarer genetischer Veränderungen) [2]
• Speichel oder Wangenschleimhautabstrich – in Einzelfällen möglich [2]
• Tumorgewebe und parallele Normalprobe, meist Blut – bei onkologischer Fragestellung (Frage nach einer Krebserkrankung) [5]
• Frischgefrorenes Tumorgewebe bevorzugt; formalinfixiertes, paraffineingebettetes Material eingeschränkt geeignet [5]

Vorbereitung des Patienten

• Keine Nüchternheit erforderlich
• Humangenetische Aufklärung (ärztliche Beratung zu genetischen Risiken) und schriftliche Einwilligung obligat [2, 3]
• Dokumentation der Familienanamnese (Krankheitsvorgeschichte der Familie) und präzise klinische Phänotypisierung (genaue Beschreibung der Krankheitsmerkmale) erforderlich [1, 2]
• Vor der Untersuchung Festlegung, ob sekundäre Befunde (zufällig entdeckte zusätzliche genetische Veränderungen) mitgeteilt werden sollen [7]

Störfaktoren

• Geringe DNA-Qualität oder DNA-Menge [2, 3]
• Niedriger Tumorzellgehalt bei onkologischen Proben [5, 6]
• Formalinbedingte DNA-Schädigung [5]
• Unzureichende klinische Informationen für die bioinformatische Priorisierung (computergestützte Bewertung der wichtigsten genetischen Veränderungen) [2]
• Begrenzte Erfassbarkeit von Repeat-Expansionen, Methylierungsstörungen und niedriggradigem Mosaizismus (Vorliegen genetisch unterschiedlicher Zellgruppen) bei Short-read-WGS [2, 3]

Methode

Die Ganz-Genom-Sequenzierung umfasst mehrere komplexe Schritte:

1. DNA-Extraktion: Die Gewinnung von DNA aus Zellen, typischerweise aus einer Blutprobe oder einem anderen Gewebetyp [2].
2. DNA-Fragmentierung: Die DNA wird in kleinere Fragmente geschnitten, um die Sequenzierung zu erleichtern [2].
3. Library Preparation: Anpassung der DNA-Fragmente für die Sequenzierung durch Hinzufügen von spezifischen Sequenzen an die Enden der Fragmente [2].
4. Sequenzierung: Die eigentliche Sequenzierung der DNA-Fragmente, häufig unter Verwendung von Next-Generation-Sequencing (NGS)-Technologien, die es erlauben, Millionen von DNA-Strängen gleichzeitig zu sequenzieren [2, 3].
5. Datenanalyse: Die erzeugten Sequenzdaten werden mittels bioinformatischer Verfahren analysiert, um Variationen und Mutationen zu identifizieren, die für Krankheiten relevant sein könnten [2, 3].

Indikationen

• Seltene, genetisch heterogene Erkrankungen mit bislang ungeklärter Ursache [1-4]
• Negativer oder unklarer Befund nach Exomsequenzierung oder Paneldiagnostik [2-4]
• Verdacht auf strukturelle Varianten, intronische Varianten oder Repeat-Expansionen [2, 3]
• Neurodevelopmentale Erkrankungen (Störungen der Gehirn- und Nervenentwicklung), multiple Fehlbildungen, komplexe Syndrome (Krankheitsbilder mit mehreren typischen Merkmalen) [1-4]
• Onkologische Fragestellungen bei seltenen Tumoren, Tumoren unklarer Primärlokalisation oder refraktären Verläufen (Verläufe, die auf die Behandlung nicht ausreichend ansprechen) [5, 6]
• Suche nach therapierelevanten Mutationen, Fusionsgenen, genomischen Signaturen oder Keimbahnvarianten [5, 6]
• Präzisionsonkologische Therapieplanung [5, 6]

Interpretation

Erhöhte diagnostische Aussagekraft

• Nachweis pathogener oder wahrscheinlich pathogener Varianten ermöglicht eine molekulare Diagnose beziehungsweise eine präzise tumorbiologische Charakterisierung [1, 5, 6]
• Erfassung von Einzelnukleotidvarianten, Insertionen/Deletionen, Kopienzahlveränderungen, strukturellen Varianten und nichtkodierenden Veränderungen in einer Untersuchung [2, 3]
• Besonders hoher Zusatznutzen bei zuvor negativer Exom- oder Paneldiagnostik [2, 4]

Variante unklarer Signifikanz

• Klinische Relevanz derzeit nicht sicher beurteilbar [2]
• Erfordert häufig Reanalyse, Familienuntersuchungen oder funktionelle Zusatzdiagnostik [2, 3]

Unauffälliger Befund

• Schließt eine genetische Ursache nicht sicher aus [2, 3]
• Mögliche Ursachen: technisch nicht erfassbare Variante, bisher unbekanntes Krankheitsgen oder unzureichende Sensitivität für bestimmte Variantentypen [2, 3]

Spezifische Konstellationen

• Diagnostische Ausbeute bei seltenen Erkrankungen meist 25-35 % [1, 4]
• Höhere Trefferquote als Exomsequenzierung insbesondere bei strukturellen und nichtkodierenden Varianten [2, 4]
• In der Onkologie Nachweis therapeutisch relevanter Mutationen, Genfusionen, Kopienzahlveränderungen, Mikrosatelliteninstabilität, Homologe-Rekombinations-Defizienz und Tumormutationslast [5, 6]
• Zufällige Sekundärbefunde möglich, insbesondere bei erblichen Tumorsyndromen und kardiogenetischen Erkrankungen [7]

Limitationen

• Hohe Komplexität der bioinformatischen und klinischen Interpretation [2, 3]
• Teilweise lange Bearbeitungszeit
• Hoher technischer und personeller Aufwand [2, 5]
• Nicht jede nachgewiesene Variante ist klinisch relevant [2]
• Kosten und Erstattungsfähigkeit weiterhin eingeschränkt [2, 5]
• Repeat-Expansionen, Methylierungsstörungen und niedriggradiger Mosaizismus werden nicht in allen Fällen sicher erkannt [2, 3]

Klinische Bedeutung

• Verkürzung der diagnostischen Odyssee bei seltenen genetischen Erkrankungen [1, 4]
• Ermöglicht eine gezielte genetische Beratung und gegebenenfalls prädiktive Testung von Angehörigen [1, 7]
• Unterstützt die Auswahl zielgerichteter Therapien und Immuntherapien in der Onkologie [5, 6]
• Zunehmende Integration in die Routinediagnostik und personalisierte Medizin [2, 5]

Literatur

1. Wojcik MH, Rehm HL, Belmont JW et al.: Genome Sequencing for Diagnosing Rare Diseases. N Engl J Med. 2024;390(21):1985-1997. https://doi.org/10.1056/NEJMoa2314761
2. Wigby KM, Dimmock DP, Caylor SA et al.: Evidence review and considerations for use of first line genome sequencing to diagnose rare genetic disorders. NPJ Genom Med. 2024;9:12. https://doi.org/10.1038/s41525-024-00396-x
3. Souche E, Kariminejad A, Buratti J et al.: Recommendations for whole genome sequencing in diagnostics for rare diseases. Eur J Hum Genet. 2022;30(9):1017-1021. https://doi.org/10.1038/s41431-022-01113-x
4. Pandey R, Brennan NF, Trachana K et al.: A meta-analysis of diagnostic yield and clinical utility of genome and exome sequencing in pediatric rare and undiagnosed genetic diseases. Genet Med. 2025;27(6):101398. https://doi.org/10.1016/j.gim.2025.101398
5. Kim R, Kim S, Oh BBL et al.: Clinical application of whole-genome sequencing of solid tumors for precision oncology. Exp Mol Med. 2024;56(8):1856-1868. https://doi.org/10.1038/s12276-024-01288-x
6. van Putten J, Snaebjornsson P, Bosch LJW et al.: Real-world clinical utility of tumor whole-genome sequencing in solid cancers. Nat Med. 2026. https://doi.org/10.1038/s41591-026-04280-2
7. ACMG Secondary Findings Working Group, Lee K, Abul-Husn NS et al.: ACMG SF v3.3 list for reporting of secondary findings in clinical exome and genome sequencing: A policy statement of the American College of Medical Genetics and Genomics (ACMG). Genet Med. 2025;27(8):101454. https://doi.org/10.1016/j.gim.2025.101454