ריצוף גנום מלא בקריאות ארוכות

איך בכלל קוראים את ה-DNA?

בתוך כל תא בגוף שלנו נמצא ה-DNA, מעין ספר הוראות ביולוגי המכיל את כל המידע הדרוש לבניית הגוף ולתפעולו. 

הספר הזה כתוב באלפבית בן ארבע אותיות בלבד המסומנות באותיות A, C, G, T, אבל הוא ארוך במיוחד ומונה כשלושה מיליארד אותיות.

כשמדענים או רופאים רוצים לחפש שגיאת כתיב גנטית, שינוי באותיות שעלול לגרום למחלה או למצב רפואי, הם צריכים לקרוא את הספר הזה, בתהליך שנקרא ריצוף או sequencing.

כפי שוודאי הבנתם, הבעיה המרכזית היא שאי אפשר לקרוא הכול ברצף אחד, שכן המדובר על 3 מיליארד אותיות!

הטכנולוגיות הנפוצות כיום אינן מסוגלות לקרוא את הספר מתחילתו ועד סופו כמו שאנחנו קוראים רומן. 

במקום זאת, הן גוזרות את ה-DNA להמון קטעים קצרים, קוראות כל קטע בנפרד ואז מנסות להרכיב את הקטעים בחזרה לתמונה שלמה, קצת כמו פירוק והרכבת פאזל ענק מחדש.

וכאן נכנס ההבדל המהותי בין שתי גישות:

קריאות קצרות (Short reads) היא הטכנולוגיה הוותיקה [יחסית] והנפוצה ביותר, ומזוהה בעיקר עם חברת Illumina, גוזרת את ה-DNA לקטעים קצרים מאוד, בדרך כלל כ-150 עד 300 אותיות בכל קטע. זו שיטה מדויקת, זולה יחסית ומהירה, ולכן היא הבסיס לרוב הבדיקות הגנטיות הנעשות כיום.

קריאות ארוכות (Long reads) היא טכנולוגיה חדשה יותר, המסוגלת לקרוא קטעים ארוכים בהרבה, מאלפי אותיות בכל קריאה ועד עשרות ואף מאות אלפי אותיות ברצף אחד.

למה אורך הקטע כל כך משנה?

לקורא הלא מיומן, קריאה ארוכה או קצרה, אולי נשמע כמו הבדל טכני ולא מהותי, אבל ההבדל הוא קריטי. 

דמיינו שאתם מנסים להרכיב פאזל של שמיים כחולים אחידים. אם החלקים קטנטנים וכולם נראים אותו הדבר, כמעט בלתי אפשרי לדעת איפה כל חלק אמור להיות. 

אבל אם כל חלק גדול ומכיל גם פיסת ענן או חלק מצמרתו של עץ, פתאום קל יותר לדעת לאן הוא שייך.

הגנום האנושי מלא באזורים כחולים אחידים כאלה, קטעים שבהם אותו רצף קצר חוזר על עצמו שוב ושוב.

קריאות קצרות למעשה הולכות לאיבוד באזורים האלה, כי אי אפשר לדעת מאיזה חלק בדיוק הגיע כל מקטע. 

קריאות ארוכות, לעומת זאת, מספיק ארוכות כדי לגשר על אזור החזרות כולו ולעגן אותו לרצף הייחודי משני צדדיו וכך לקרוא דרכו בדיוק ניכר.

זו הסיבה שקריאות ארוכות מצליחות לזהות שינויים גנטיים שקריאות קצרות פשוט אינן רואות.

מהי בדיקת ריצוף קריאות ארוכות?

ריצוף קריאות ארוכות הוא שם כולל למשפחה של טכנולוגיות המסוגלות לקרוא קטעי DNA ארוכים ורציפים.

כיום קיימות שתי טכנולוגיות מובילות, ולשתיהן עיקרון פעולה שונה לחלוטין.

Oxford Nanopore ובקיצור ONT

השיטה הזו מבוססת על רעיון מקורי ואלגנטי לפיו מולקולת ה-DNA מושחלת דרך נקב חלבוני זעיר שנקרא nanopore שנמצא בתוך ממברנה, שדרכה זורם זרם חשמלי. 

כל אות (A, C, G, T) שעוברת דרך הנקב משבשת את הזרם החשמלי בצורה מעט שונה, והמכשיר מתרגם את דפוס השיבושים בחזרה לרצף האותיות.

היתרונות הבולטים של שיטת ריצוף זאת הם שאין תקרה תיאורטית לאורך הקריאה, ונמדדו קריאות באורך של מיליוני אותיות. 

השיטה גם מספקת תוצאות בזמן אמת, באמצעות מכשירים מסוימים קטנים כמו כונן USB, מה שמאפשר ריצוף גם בשטח.

PacBio ריצוף HiFi

בשיטה זו אנזים מיוחד קורא מולקולת DNA שסודרה כטבעת, שוב ושוב, מספר פעמים. 

ההצלבה של הקריאות החוזרות שנקראת circular consensus מפיקה קריאה ארוכה ומדויקת במיוחד.

היתרונות הבולטים של שיטת ריצוף זאת הם שקריאות HiFi באורך של כ-15 עד 25 אלף אותיות מגיעות לדיוק של מעל 99.9%, רמת דיוק המשתווה לזו של קריאות קצרות ושל שיטות ותיקות ומהימנות. 

כלומר, כאן מקבלים את מיטב שני העולמות: קריאות ארוכות מאד וגם מדויקות מאד.

שתי הטכנולוגיות מספקות קריאות ארוכות. PacBio HiFi מצטיינת בדיוק גבוה במיוחד לכל קריאה בודדת, ואילו Oxford Nanopore מצטיינת בקריאות ארוכות במיוחד, במהירות ובגמישות. 

שתיהן מסוגלות, בנוסף, לזהות ישירות סימונים כימיים על ה-DNA או מתילציה, שהיא יכולת שנרחיב עליה בהמשך.

3 בדיקות גנטיות: אקסום, גנום מלא וקריאות ארוכות

כדי להבין את מהותה של הבדיקה החדשה, צריך להכיר את שתי הבדיקות שקדמו לה ונמצאות בשימוש קליני נרחב בישראל וברוב מדינות העולם. 

שתיהן מבוססות על טכנולוגיית ריצוף בקריאות קצרות וההבדל ביניהן הוא בחלק מהגנום האנושי שאותו הן קוראות.

ריצוף אקסום WES - Whole Exome Sequencing

הגנום האנושי מורכב משני חלקים עיקריים. חלק קטן ממנו, כ-1% עד 2% בלבד, הוא האקסום. 

אלה הקטעים שמכילים את ההוראות הישירות לייצור החלבונים, שהם אבני הבניין של הגוף. כל השאר נחשב, בפשטנות, לטקסט הרקע.

בדיקת אקסום, שעליה כתבנו באריכות, קוראת רק את החלק הזה, את אזורי החלבונים, וההיגיון פשוט. חלק ניכר מהמחלות הגנטיות הידועות נובע משגיאות דווקא באזורים האלה, ולכן אפשר לחפש את "המפתח מתחת לפנס" ולחסוך משמעותית בעלויות.

יתרונותיה המרכזיים של בדיקת האקסום הנם שהיא זולה יותר באופן יחסי, מהירה יותר לניתוח, ומכסה את אזורי החלבונים בעומק רב, כלומר קוראת אותם פעמים רבות, מה שמגביר את הוודאות והדיוק של תוצאות הבדיקה.

חסרונותיה של הבדיקה בכך שהיא מפספסת מטבעה כל שינוי שנמצא מחוץ לאזור החלבונים, שכן היא אינה בודקת שם. 

בנוסף, בגלל אופן הלכידה של אזורי המטרה, הכיסוי אינו תמיד אחיד, וחלק מהאזורים עלולים להיקרא בצורה חלקית בלבד.

ריצוף גנום מלא בקריאות קצרות WGS - Whole Genome Sequencing

בדיקת WGS קוראת כמעט את כל הגנום האנושי, כ-98% ממנו, ולא רק את אזורי החלבונים כמו בדיקת האקסום. היא עדיין משתמשת בקריאות קצרות, אבל היא לא מוגבלת לחלק של האקסום בלבד.

יתרונותיה הברורים בכך שהיא מציעה כיסוי רחב ואחיד יותר של הגנום, כולל יכולת טובה יותר לזהות שינויים גדולים במבנה ה-DNA כמו העתקים חסרים או עודפים של קטעים, ובגישתה גם לטקסט הרקע, שבו מסתתרים לעיתים רחוקות גורמי מחלה.

חסרונותיה של הבדיקה הנה בעלותה הגבוהה מאד, ובכל שהיא מייצרת כמות עצומה של נתונים לאחסון ולפענוח.

כמו כן, ולמרות הכיסוי הרחב, היא עדיין עיוורת לאותם אזורים חוזרים ומורכבים שקריאות קצרות מתקשות לגשר עליהם.

ריצוף גנום בקריאות ארוכות LRS

הבדיקה החדשה קוראת אף היא את הגנום כולו אך בקריאות ארוכות. עובדה זו מאפשרת לבדיקת LRS להגיע לאותם אזורים אפלים של הגנום, שנותרו מחוץ להישג ידן של שתי הבדיקות הקודמות.

היתרון הגדול ביותר שלה הוא לא רק כמה מהגנום היא קוראת, אלא אילו סוגי שינויים היא מסוגלת לחשוף.

מה קריאות ארוכות מזהות שהקצרות מפספסות?

זהו לב העניין והחידוש המהותי שבדיקת LRS מציעה בתחום הגנטיקה. 

ריצוף קריאות ארוכות אינו רק עוד ריצוף גנום מלא, שכן הוא פותח חלון לסוגים שלמים של שינויים גנטיים שהיו עד כה קשים מאוד או בלתי אפשריים לזיהוי בבדיקה בודדת מבוססת קריאות קצרות.

שינויים מבניים גדולים Structural Variants

לצד שגיאות כתיב של אות בודדת, ה-DNA יכול לעבור שינויים גדולים בהרבה כדוגמאת קטעים שלמים שנמחקו, הוכפלו, התהפכו או קפצו למקום אחר. 

שינויים כאלה שכיחים במגוון מצבים גנטיים, אך הם קשים במיוחד לזיהוי מדויק עם קריאות קצרות, שאינן ארוכות מספיק כדי לתפוס את גבולות השינוי. 

קריאה ארוכה יכולה לגשר על השינוי כולו ולמפות אותו בדיוק רב מאד.

הרחבות חזרה Repeat Expansions

בגנום קיימים אזורים שבהם רצף קצר של אותיות חוזר על עצמו פעמים רבות ברציפות. 

במצב תקין מספר החזרות נשמר בטווח מסוים, אך במחלות גנטיות מסוימות מספר החזרות מוגזם ומגיע למאות ואף אלפי חזרות. 

התופעה הזו עומדת בבסיסן של מחלות נוירולוגיות והתפתחותיות חשובות.

הבעיה הנה שבכדי לספור נכון כמה חזרות יש, צריך קריאה שמסוגלת לגשר על כל האזור החוזר בבת אחת.

קריאות קצרות פשוט לא מסוגלות לבצע זאת, שכן הן מתקצרות בדיוק מול האתגר הזה. קריאות ארוכות סופרות את מספר החזרות ישירות ובמדויק.

דוגמה ממחישה: במחקר שבחן ילדים עם עיכוב התפתחותי, ילד עם תסמונת איקס שביר נבדק בשלוש שיטות.

בדיקה ממוקדת, מבוססת PCR, מצאה שמספר החזרות הרלוונטי הוא מעל 200. ריצוף גנום בקריאות קצרות העריך את מספר החזרות בטעות ב-76 בלבד.

ואז, באמצעות ריצוף גנום מלא בקריאות ארוכות נמדדו במדויק כ-654 חזרות. ההבדל אינו אקדמי, שכן מספר החזרות המדויק קשור לחומרת התסמינים שמציגה תסמונת האיקס השביר, לגיל ההופעה ולפרוגנוזה.

ההשתקה הכימית של הגנום - מתילציה

מעבר לאותיות עצמן, ה-DNA נושא גם סימונים כימיים זעירים שפועלים כמעין מתגי עמעם. 

הם יכולים להשתיק גן מסויים או להפעיל אותו, מבלי לשנות ולו אות אחת מהרצף. הסימון הזה נקרא מתילציה, והוא בעל חשיבות רפואית רבה.

בבדיקות המסורתיות, קריאת המתילציה דורשת תהליך נפרד, בנוסף לבדיקות הגנטיות השגרתיות.

אחד היתרונות הייחודיים של קריאות ארוכות הוא שהן קוראות את הרצף ואת דפוס המתילציה בו-זמנית, באותה בדיקה, תמונה כפולה במחיר [יקר] של בדיקה אחת.

הפרדה בין העותק של אמא לעותק של אבא Phasing

לכל אחד מאיתנו יש שני עותקים של רוב הגנים, אחד מכל הורה. 

לעיתים חשוב לדעת אם שני שינויים גנטיים יושבים על אותו עותק או על שני עותקים שונים, כי לזה יכולה להיות משמעות אבחנתית מכרעת.

קריאות ארוכות, בזכות אורכן, מסוגלות לקבוע זאת לעיתים קרובות גם בלי לבדוק את ההורים, מה שחוסך בדיקות נוספות.

תסמונת ה-X השביר

אחת הדוגמאות החשובות ביותר להמחשת היתרון של קריאות ארוכות היא תסמונת ה-X השביר. 

תסמונת זאת היא הגורם התורשתי הנפוץ ביותר למוגבלות שכלית התפתחותית, והגורם המונוגני הנפוץ ביותר הקשור לאוטיזם. התסמונת נגרמת מהרחבת חזרות באזור מסוים של גן בשם FMR1.

כאן מתחברים כל היתרונות שמנינו עד כה, כולם ביחד.

קריאה ארוכה סופרת במדויק את מספר החזרות, משימה קשה במיוחד לשיטות קצרות.

באזור החזרות הזה, דווקא המתילציה היא שקובעת אם מדובר במצב הגורם למחלה או בנשא ללא תסמינים, ואז קריאות ארוכות רואות את שני הדברים בו זמנית.

בעוד שבשיטות המסורתיות נדרשו לעיתים כמה בדיקות נפרדות ומורכבות כדי לאפיין את האזור הפגוע במלואו, קריאות ארוכות מספקות תמונה מקיפה ומדוייקת יותר, בבדיקה אחת.

השוואה מסכמת בין שלוש הבדיקות

כדי לסכם את ההבדלים, נעבור על המאפיינים המרכזיים ונשווה בין שלוש הבדיקות: ריצוף אקסום, ריצוף גנום מלא בקריאות קצרות וריצוף גנום מלא בקריאות ארוכות.

ריצוף אקסום קורא רק כ-1% עד 2% מהגנום, את אזורי החלבון בלבד. שתי הבדיקות האחרות קוראות כ-98% מהגנום, אך רק קריאות ארוכות מגיעות גם לאותם אזורים אפלים ומורכבים שקריאות קצרות מתקשות בהם.

גם באקסום וגם בגנום מלא בקריאות קצרות, אורך כל קריאה הוא כ-150 עד 300 אותיות. בקריאות ארוכות, אורך הקריאה נע מאלפי אותיות ועד מיליוני אותיות ברצף אחד.

כל שלוש הבדיקות טובות מאוד במשימה של זיהוי שינוי באות בודדת, כאשר שיטת ה-HiFi של הקריאות הארוכות מגיעה לדיוק גבוה במיוחד בתחום זה.

במקרים של צורך לזיהוי שינויים מבניים גדולים, הרי שבדיקת האקסום מזהה אותם באופן חלקי בלבד, בעוד שבדיקת הגנום המלא בקריאות קצרות מזהה אותם טוב יותר ואילו ריצוף הגנום המלא בקריאות ארוכות מצטיינת במשימה זו.

כאשר עולה צורך לזיהוי הרחבות חזרה, בדיקת האקסום אינה מספקת תוצאות כמעט בכלל, ותוצאותיה של בדיקת הגנום המלא בקריאות קצרות נעות בין חלש לבינוני, ואילו ריצוף גנום מלא בקריאות ארוכות מצטיינת ומספקת ספירה מדויקת של מספר החזרות.

בכל הנוגע לבדיקת מתילציה, הרי ששתי הבדיקות שמבוססות על קריאות קצרות נדרשת בדיקה נפרדת ונוספת לשם כך, בעוד שבקריאות ארוכות קריאת המתילציה כלולה באותה בדיקה עצמה.

הפרדה בין עותקי ההורים. יכולת זו מוגבלת בשתי הבדיקות מבוססות הקריאות הקצרות, וחזקה בקריאות ארוכות.

עלות. ריצוף אקסום הוא הזול ביותר. ריצוף גנום מלא בקריאות קצרות נמצא בטווח הבינוני עד הגבוה ואילו ריצוף בקריאות ארוכות הוא היקר ביותר נכון להיום.

זמינות קלינית. ריצוף אקסום הוא בדיקה נרחבת ומבוססת. ריצוף גנום מלא בקריאות קצרות הולך ומתרחב בשימוש הקליני ואילו ריצוף בקריאות ארוכות הוא עדיין בעיקר מחקרי, ובמעבר הדרגתי אל הקליניקה, למרות שעדיין לא זמין כלל בישראל כפי שציינו.

פערי איכות ותפוקת האבחון במספרים

תפוקת אבחון היא המדד המרכזי בשדה הזה, ולמעשה מודדת מתוך כלל הנבדקים, באיזה אחוז מהמקרים הבדיקה הצליחה למצוא את הגורם הגנטי?

הנה מה שעולה מהמחקרים העדכניים:

כנקודת פתיחה, בילדים עם מצבים נוירולוגיים והתפתחותיים, ריצוף גנום בקריאות קצרות כבדיקה ראשונה מספק אבחנה בכ-26% עד 35% מהמקרים.

כאשר מפעילים ריצוף בקריאות ארוכות על מטופלים שנותרו ללא אבחנה לאחר ריצוף גנום בקריאות קצרות, מתקבל ערך אבחוני נוסף של כ-7% עד 17%. 

במילים אחרות, חלק משמעותי מהמקרים שבדיקות קודמות פספסו נפתרים דווקא בזכות הקריאות הארוכות.

מעבר לכך, המחקרים מדווחים על ערך מוסף של כ-10% במקרים שבהם תוצאות האקסום היו לא ברורות, כאשר הרווח מתרכז בעיקר בשינויים מבניים ובאזורים שקריאות קצרות מתקשות בהם.

מחקר קליני גדול שפורסם בחודש יוני 2026 בדק את הרעיון של שימוש בריצוף גנום בקריאות ארוכות כבדיקה ראשונה.

המחקר מצא התאמה גבוהה מאוד לתוצאות הבדיקות המקובלות, לצד תוספת אבחונית מסוימת ובעיקר, הראה שבדיקה בודדת זו יכולה להחליף שילוב של כמה בדיקות נפרדות שנדרשו קודם לכן. 

באותו מחקר נמצא שכ-24% מבדיקות ההמשך אצל ההורים היו מתייתרות אילו הקריאות הארוכות שימשו כבדיקה היחידה.

כך לדוגמא, בבדיקות מהירות של תינוקות וילדים במצב קשה, ריצוף מהיר בקריאות ארוכות הגיע לאבחנה בכ-42% מהמקרים, וקיצר משמעותית את זמן קבלת התוצאה, בממוצע כ-5 ימים לעומת כ-18 ימים בטיפול הרגיל, פער שיכול להשפיע ישירות על החלטות טיפוליות.

המסקנה המתבקשת הנה שקריאות ארוכות אינן מחליפות לחלוטין את הבדיקות הקיימות, אך הן מוסיפות אבחנות במקרים שנופלים בין הכסאות, ומאפשרות לאחד כמה בדיקות לכדי בדיקה אחת מקיפה.

גם לבדיקה בקריאה ארוכה יש חסרונות ומגבלות

לצד היתרונות, חשוב להציג תמונה מאוזנת, שכן נכון להיום לבדיקה בקריאות ארוכות יש מגבלות ממשיות.

דבר ראשון ולפני הכל, עולה שאלה העלות. נכון להיום, ריצוף גנום מלא בקריאות ארוכות יקר יותר מהבדיקות המקובלות. 

הפער הולך ומצטמצם, אך העלות עדיין מהווה חסם משמעותי לשימוש שגרתי, בפרט במערכות בריאות ציבוריות.

שנית, עולה שאלת הזמינות. נכון לסוף שנת 2026 הבדיקה משמשת בעיקר כטכנולוגיה של מרכזי מחקר ומעבדות גנטיות מתקדמות, ואינה בדיקת שגרה הזמינה בכל מקום. 

השילוב שלה באבחון הקליני נמצא רק בתחילת דרכו, כמו במרכז הרפואי RADBOUDUMC בהולנד, אך הוא הדרגתי ויקח עוד זמן עד שתכנס לשימוש שגרתי.

נקודה חשובה נוספת הנה איכות ה-DNA הנדרשת לצורך ביצוע הבדיקה. כדי לקרוא קטעים ארוכים, נדרש דגם DNA שלם ובאיכות גבוהה, זאת אומרת מולקולות שלא נשברו לפני הבדיקה. זה מציב דרישות מחמירות יותר על אופן איסוף הדגימה והכנתה.

מעבר לכך, בעבר שיטת ה-Nanopore סבלה משיעור שגיאות גבוה יותר בכל קריאה בודדת בהשוואה לשיטות אחרות.

פיתוחים חדשים צמצמו את הפער מאוד, ושיטת ה-HiFi של PacBio מגיעה כיום לדיוק גבוה מאוד. עדיין, זהו שיקול שיש להביא בחשבון בהתאם לטכנולוגיה הספציפית ולסוג השאלה האבחנתית.

נקודה אחרונה שמחייבת תשומת לב מיוחדת נוגעת לפענוח תוצאות הבדיקה בקריאות ארוכות וכמות מידע המצטבר. ככל שקוראים חלק גדול יותר מהגנום, כך נחשפים יותר שינויים שמשמעותם אינה ברורה.

פענוח התוצאות דורש מומחיות רבה, כלים ביואינפורמטיים מתקדמים ולעיתים גם שאלות הנוגעות להתמודדות עם ממצאים בלתי צפויים.

איך קובעים איזה בדיקה מתאימה?

אין בדיקה אחת שמנצחת ועדיפה בכל מצב, וכל אחת מהבדיקות נכונה להקשר שלה.

ריצוף אקסום נותר בדיקה יעילה, זולה יחסית ומבוססת והיא בחירה סבירה כאשר יש חשד לשינוי באזורי החלבונים, ובמערכות שבהן עלות הבדיקה היא שיקול מרכזי.

ריצוף גנום מלא בקריאות קצרות מרחיב את היריעה ומזהה שינויים נוספים, והוא הופך יותר ויותר לבדיקת קו ראשון במצבים נוירו-התפתחותיים.

ריצוף בקריאות ארוכות מציע את התמונה המקיפה ביותר, ומתאים במיוחד כאשר יש חשד להרחבות חזרה, לשינויים מבניים מורכבים, או כאשר בדיקות קודמות לא הניבו תשובה למרות תמונה קלינית ברורה. 

יתרון נוסף וחשוב שלו הוא היכולת לאחד מספר בדיקות נפרדות לכדי בדיקה אחת מקיפה.

בהקשר של אבחון אוטיזם ומצבים נוירו-התפתחותיים, קריאות ארוכות עדיין אינן בדיקת שגרה, אך הן רלוונטיות בדיוק לאותם מקרים מורכבים שהכלים הרגילים מתקשים בהם.

ריצוף גנום מלא בקריאות ארוכות - מבט צופה פני עתיד

התפתחות הטכנולוגיה בשנים האחרונות מובילה לכך שהעלות של קריאות ארוכות יורדת עם הזמן, ממש כפי שהיה עם בדיקות גנטיות קודמות, הדיוק של הבדיקה עולה וכלי הפענוח משתכללים במהירות. 

חוקרים רבים מדברים על חזון של בדיקה אחת לכולם. בדיקה בודדת שתחליף את פסיפס הבדיקות הגנטיות הקיים, ותזהה בבת אחת שינויים באות בודדת, שינויים מבניים, הרחבות חזרה ודפוסי מתילציה.

אם החזון הזה יתממש, ריצוף גנום מלא בקריאות ארוכות עשוי לקצר משמעותית את מסע האבחון המתיש שעוברות משפחות רבות, לעיתים לאורך שנים, עד לקבלת תשובה. 

לעת עתה, זו טכנולוגיה מבטיחה שנמצאת בשלב של מעבר הדרגתי מן המעבדה המחקרית אל הקליניקה, ולכן שווה בהחלט להזכיר, להסביר ולהכיר אותה.

אנו ממתינים בציפיה לכניסתה של הטכנולוגיה המתקדמת לשימוש במרכזים הרפואיים בישראל.

קריאה נוספת: אוטיזם, גנטיקה והיקף חובת היידוע