Single-patient analysis of oligodendroglioma using long-read whole genome and transcriptome sequencing = 단일 환자 희소돌기아교세포종 장 읽기 기반 전장유전체 및 전사체 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Background and objective
Oligodendroglioma (ODG) is characterized by 1p/19q co-deletion and IDH1 or IDH2 mutations. While short-read sequencing (SRS) is widely used for genomic and transcriptomic profiling, long-read sequencing (LRS) may offer additional insights, particularly in detecting complex variants and transcript isoforms. However, its application in ODG remains limited. In this study, we applied LRS to characterize the genomic and transcriptomic landscape of ODG and assess its added value over conventional approaches.
Methods
Long-read whole genome sequencing (LR WGS) was performed on tumor core tissue and matched peripheral blood from an ODG patient, while short-read whole genome sequencing (SR WGS) was conducted only on tumor tissue. Additionally, long-read and short-read whole transcriptome sequencing (LR WTS and SR WTS) were performed on tumor tissue and peritumoral normal brain tissue from an ODG patient. Genomic analyses examined single-nucleotide variants and insertions/deletions (SNVs/INDELs), structural variants (SVs), copy number variants (CNVs), and tandem repeats (TRs). Transcriptomic analyses examined differentially expressed genes (DEGs), gene ontology (GO), differential transcript usage (DTU), alternative splicing (AS), and gene fusion patterns.
Results
LR WGS detected somatic SNV/INDEL and SV, particularly within repetitive genomic regions. CNV, LR WGS provided more continuous segments, reflecting a refined representation compared to the fragmented CNV segments obtained with SR WGS. In terms of TR, LR WGS facilitated the detection of TR with extended repeat copy numbers. LR WTS consistently identified downregulation of neuronal function related genes. Additionally, LR WTS exhibited reduced gene-length–dependent quantification bias. LR WTS showed differences in the detection of expression changes in neuronal and synaptic genes compared with SR WTS. Compared to SR WTS, LR WTS detected a higher number of novel transcript isoforms. Distinct gene fusion patterns emerged, with LR WTS revealing a higher proportion of interchromosomal fusions, whereas SR WTS predominantly identified intrachromosomal fusions.
Conclusion
LRS demonstrates improved detection of variants within repetitive sequences, yields more continuous CNV profiles, and enables identification of TRs with higher repeat counts. At the transcriptomic level, LRS partially alleviates gene length bias, improves detection of expression changes in neuronal and synaptic genes, uncovers additional novel transcript isoforms, and reveals a higher proportion of interchromosomal gene fusions. These findings suggest that LRS can serve as a valuable tool to expand the genomic and transcriptomic landscape of ODG. Future large-scale studies are warranted to validate the utility of LRS in ODG research.

국문 초록 (Abstract)

배경 및 목적
희소돌기아교세포종 (Oligodendroglioma, ODG)은 1p/19q 염색체 공동 결실과 IDH1 또는 IDH2 변이를 특징으로 하는 중추신경계 종양 종양으로, 유전체 및 전사체 분석에 short-read sequencing (SRS)이 널리 활용되고 있다. 그러나 복잡 구조 변이 및 전사체 아이소폼 탐지에 장점을 지닌 long-read sequencing (LRS)의 ODG 적용 연구는 아직 제한적이다. 본 연구에서는 LRS를 이용하여 ODG의 유전체 및 전사체 전반을 특성화하고, 기존 SRS 기반 분석에 비해 추가적 가치를 평가하고자 하였다.
방법
한명의 ODG 환자로부터 채취한 종양 조직 및 말초 혈액에서 long-read whole genome sequencing (LR-WGS)을 수행하였으며, 동일 종양 조직에는 short-read whole genome sequencing (SR-WGS)을 수행하였다. 또한 종양 조직 및 주변 정상 뇌 조직에 대해 long-read whole transcriptome sequencing (LR-WTS)과 short-read whole transcriptome sequencing (SR-WTS)을 수행하였다. 유전체 분석에서는 단일 염기 변이 및 삽입/결실(SNV/INDEL), 구조 변이(SV), 복제 수 변이(CNV), 반복서열(TR)을 비교하였으며, 전사체 분석에서는 차등 발현 유전자(DEG), 유전자 온톨로지(GO), 전사체별 사용 빈도 차이(DTU), 대체 스플라이싱(AS), 유전자 융합 패턴을 조사하였다.
결과
LR WGS는 반복이 풍부한 영역에서의 SNV/INDEL 및 SV 검출에 특히 우수하였다. CNV 분석에서는 LR WGS가 보다 연속적인 프로파일을 제공한 반면, SR WGS에서는 분절된 CNV 세그먼트가 관찰되었다. 또한 LR-WGS는 확장된 반복서열 복제 수를 민감하게 검출하였다. 전사체 분석에서 LR WTS는 유전자 길에 따른 전량화 편향이 적었다. 또한 신경 및 시냅스 관련 유전자 발현 변화를 검출하는 데 있어 SR WTS와 차이를 보였다. SR WTS와 비교하여 LR-WTS에서는 새로운 전사체 이형체, DTU, AS 이벤트가 더욱 많이 검출되었으며, 유전자 융합 패턴에서도 염색체 간 융합의 비율이 높게 나타났다.
결론
LRS는 반복 서열 내 변이 탐지를 개선하고, 보다 연속적인 CNV 프로파일을 생성하며, 반복 횟수가 더 많은 TR을 식별할 수 있게 해준다. 전사체 수준에서 LRS는 유전자 길이 편향을 부분적으로 완화하고, 신경세포와 시냅스 유전자의 발현 변화 탐지를 개선하며, 새로운 전사체 이소폼을 추가로 발견하고, 염색체 간 유전자 융합의 비율을 더 많이 밝혀냅니다. 이러한 연구 결과는 LRS가 ODG의 게놈 및 전사체 환경을 확장하는 데 유용한 도구로 사용될 수 있음을 시사합니다. 향후 ODG 연구에서 LRS의 유용성을 검증하기 위한 대규모 연구가 필요합니다.

목차 (Table of Contents)

• Introduction 1
• Method 2
• Sample acquisition and pathological diagnosis 2
• Ethics statement 2
• Study design and sequencing strategy 3
• Long-read whole genome sequencing 5
• Data processing and analysis of LR WGS 5
• Long-read whole transcriptome sequencing 6
• Data processing and analysis of LR WTS 7
• Short-read whole genome sequencing 8
• Data processing of SR WGS 8
• Short-read whole transcriptome sequencing 9
• Data processing of SR WTS 9
• Results 10
• Sequencing characteristics of LR WGS and SR WGS 10
• Genome-wide coverage depth 10
• Somatic SNV/INDEL in LR WGS tumor 11
• Somatic SV in LR WGS tumor 15
• Somatic CNV in LR WGS tumor 19
• Somatic TR in LR WGS tumor 21
• Sequencing characteristics of LR WTS and SR WTS 23
• Comparative analysis of TPM in LR WTS and SR WTS 23
• Differentially expressed genes 25
• GO enrichment of exclusively down-regulated genes in LR WTS and SR WTS 27
• Transcript isoforms and alternative splicing events 29
• Integration of somatic variants in LR WGS tumor with LR WTS results 34
• Patterns of somatic gene fusion in LR WTS tumor and SR WTS tumor 38
• Splice acceptor and donor variants 42
• Discussion 47
• Conclusion 50
• References 51
• 국문 초록 57