Dědičnost STR

Download Report

Transcript Dědičnost STR

Slide 1

Možnosti identifikace
osoby prostřednictvím
analýzy DNA


Slide 2

MALÉ REVIEW
SLOVNÍČEK:
Gen = funkční (exprimovaný) úsek DNA
Lokus = jakýkoli úsek či místo v DNA
Marker = znak DNA užívaný při testování
Alela = konkrétní varianta(forma) genu/lokusu/markeru
Polymorfismus = existence více alel v témže
genu/lokusu/markeru
Lidský genom
cca 3 miliardy nukleotidů (2x)
max 10% kódující (geny), 90% nekódující
max 30 tisíc genů


Slide 3

INDIVIDUALITA

V čem tkví genetická jedinečnost?

Nepolymorfní
gen/lokus/marker
Nízce polymorfní
gen/lokus/marker
Vysoce polymorfní
gen/lokus/marker


Slide 4

INDIVIDUALITA

V čem tkví genetická jedinečnost?

GENETICKÝ
PROFIL
Vysoce polymorfní lokus 1
Vysoce polymorfní lokus 2
Vysoce polymorfní lokus 3
Vysoce polymorfní lokus 4
Vysoce polymorfní lokus 5


Slide 5

INDIVIDUALITA

V čem tkví genetická jedinečnost?
1986

VNTR
2000

STR

201X
?
SNP


Slide 6

90% nekódující sekvence

10% kódující sekvence a spol.

méně než 50% jedinečné sekvence

přes 50% repetitivní sekvence


Slide 7

Nuclear genome
3000 Mb
65-80000 genes
30%
Genes and generelated sequences

Mitochondrial genome
16.6 kb
37 genes

70%
Extragenic
DNA

Unique or moderately repetitive
10%
90%
Coding
DNA

Pseudogenes

Noncoding
DNA

Gene
fragments

Introns,
untranslated
sequences, etc.

Two rRNA
genes

22 tRNA
genes

13 polypeptideencoding genes

80%

20%

Unique or
low copy
number

Moderate to
highly
repetitive

Tandemly
repeated
or clustered
repeats

Interspersed
repeats


Slide 8

ROSTE S:
• mutační rychlostí lokusu (HOT SPOTS)
• stářím lokusu
• evoluční výhodou variability (pozitivním selekčním
tlakem na nové mutace) (např. HLA)

KLESÁ S:
• účinností reparačních mechanismů (nDNA vs. mtDNA)
• negativním selekčním tlakem na nové mutace (GENY)


Slide 9


Slide 10

rozptýlené

LINE

SINE

krátký
motiv

dlouhý
motiv

VNTR

STR

tandemové


Slide 11

Rozptýlené repetitivní sekvence
Většina rozptýlených repetic má původ v transpozibilních elementech

DNA transpozony
• gen pro transpozázu + na obou koncích
invertovaná repetitivní sekvence (vzniká
útvar stopka-očko)
• mechanismus cut´n´paste (jako při
zrání imunoglobulinů a TLR)
• u lidí už neaktivní (mutace), ale…!!!
Retrotranspozony
• pro skákání používají buněčné RNA polymerázy
• mechanismus copy´n´paste
• u lidí aktivní, tvoří přes 45% genomu, aktivní je jen
každá cca 100 kopie (mutace)
• jsou buď autonomní (kódují potřebné proteiny), nebo
neautonomní (využívají proteinový aparát jiných
transpozónů)


Slide 12

LTR retrotranspozony – endogenní retroviry
• připomínají svým složením proviry skutečných retrovirů
• obsahují LTR (long terminal repeats, dlouhé terminální repetice) a geny gag, pol,
env a prt
• alespoň jeden z genů nezbytných pro sestavení infekčních virových částic je
mutován nebo chybí → mohou se pohybovat pouze uvnitř buněk
• životní cyklus podobný infekčním retrovirům jako je HIV
• lidský genom v současné době obsahuje pouze fosilie endogenních retrovirů – cca
8% genomu
• Intaktní endogenní retroviry dlouhé 7-9 kb, ale také mnoho zkrácených
• často lze najít pouze samostatné LTR


Slide 13

non-LTR retrotranspozony
LINE = long interspearsed nuclear elements
• autonomní retrotranspozóny
• cca 21% lidského genomu
• rozeznáváme různé rodiny – LINE1 (L1), LINE 2, LINE 3 …
• LINE1 jsou aktivní (17% genomu) – 500 000 kopií, z toho cca 100 stále schopno
transpozice
• aktivní element L1 je dlouhý cca 6 kb
• obsahuje ORF1 (?) a ORF2 (reverzní transkriptáza)


Slide 14

neautonomní retrotranspozony
SINE = short interspearsed nuclear elements
• typicky kratší než 500 bp
• nejpočetnější rodinou jsou Alu repetice
• Alu mohou být náhodně aktivní (11% genomu) – 1 000 000 kopií
• obsahují sekvenci 282 bp - patrně odvozena z RNA podjednotky SRP (7SL RNA)
• SRP = signal recognition particle - ribonukleoproteinový komplex - rozpoznává signální
peptid, váže se na něj a přemístí komplex ribozom-mRNA-nascentní peptid ke kanálu
endoplazmatického retikula (ER), skrz nějž je nascetní peptid translokován do lumenu ER nebo
integrován v membráně ER
• Alu se tak může vázat na ribozom a díky svému "ocasu" bohatému na adenin také (pokud
ribozom zrovna zpracovává LINE-1 mRNA) na nascentní protein ORF2 a zneužít ORF2 k reverzní
transkripci a integraci vlastní RNA a nikoli LINE-1


Slide 15


Slide 16

funkce transpozónů
junk DNA, selfish DNA…

• ze širšího hlediska – důležitá role – zvyšuje plasticitu genomu
• vyřazení genu z provozu
• změna exprese genu
• transpozice jinak netranspozibilních elementů (svezou se)
• indukce delecí, inverzí
• geny odvozené z transpozónů
• podpora mezichromozomového nerovnoměrného crosing-overu nebo
intrachromozomové rekombinace
• uvažuje se o tom, že by transpozony mohly mít nějakou reálnou fyziologickou funkci,
např. proto, že jejich exprese je obecně zvýšena během stresové odpovědi


Slide 17

tandemově repetitivní sekvence

VYSOCE REPETITIVNÍ
NÍZCE REPETITIVNÍ
SINGLE COPY SEKVENCE

• rRNA, tRNA a
histonové geny

• α-satelity
• minisatelity = VNTR
• mikrosatelity = STR


Slide 18

α-satelitní DNA
• primární jednotka dlouhá 171 bp
• tvoří funkční jádro centromery
• některé proteiny kinetochory se váží na alfa
satelit v centromeře a tím zahajují sestavování
kinetochory


Slide 19

minisatelitní DNA = LTR (dlouhé tandemové)
• primární jednotka (motiv) dlouhá řádově desítky bazí – vzniká z mikrosatelitů
• více se vyskytují v subtelomerických oblastech chromozómů
• lze sem zařadit i cíleně vznikající TTAGGG repetice v oblasti telomer


Slide 20

VNTR – co to je?
• VNTR (Variable Number of
Tandem Repeats) označuje vlastně
obecně jev, na němž byly založeny
první identifikace, tj. existenci
variability počtu opakování motivu
v repetici

• tyto první testy prováděl
Alec Jeffreys


Slide 21

VNTR
• Jeffreys studoval gen pro myoglobin

• zjistil, že v jednom z intronů je repetitivní
sekvence
• rozhodl se ji studovat tak, že vytvoří specifickou
sondu, provede restrikci a vzniklou směs
fragmentů bude hybridizovat se sondou
• sonda však nenašla jen jedno, ale celou řadu
cílových míst – vznikl hybridizační vzor

• Jeffreys zjistil, že tento vzor je různý u různých
osob
• způsob, jak zobrazit jedinečnost genomu, byl
objeven


Slide 22

metoda se nazývá RFLPs
• DNA je inkubována s restriktázou
• Mnoho možností, které restriktázy užít
(i kombinace více restriktáz)
• DNA lze poté zviditelnit s použitím
specifické sondy – výsledný hybridizační
obraz je u různých osob různý (Restriction
Fragment Length Polymorphisms)
• Délkový i sekvenční polymorfismus!!!


Slide 23

RFLP: Elektroforéza


Slide 24

RFLP: Autoradiogram


Slide 25

Jak jedinečné tyto obrazce jsou?
Těžko říct…
• The probability of 2 people having exactly the
same DNA profile is between
1 in 5 million to
1 in 100 billion
(greater than the population of humans on earth)
• This number becomes even larger if you
consider more regions of DNA
• Thus, the odds that the DNA evidence from a
crime scene will match your DNA profile is
astronomically small (unless you have an evil
identical twin)


Slide 26

mikrosatelitní DNA = STR
• primární jednotka (motiv) dlouhá řádově jednotky bazí (do 10 bp)
• počet opakování motivu v jednom lokusu řádově jednotky až stovky
• nejčastější jsou dinukleotidové (CA)n
• po celém genomu, ve valné většině mimo geny, ale jsou výjimky
onemocnění z expanze trinukleotidových repetic

Huntingtonova chorea
• huntingtin - repetitivní sekvence (CAG)n v exonu
kóduje úsek bílkoviny tvořený zbytky glutaminu
• doména pro interakce s jinými proteiny

• normálně do 20 Glu, nad 30 Glu začíná problém
myotonická dystrofie
• DMPK - repetitivní sekvence (CTG)n v nepřekládané
3´části genu

• při expanzi je mRNA patogenní – sekvestrace
(odlučování) transkripčních faktorů


Slide 27

mají STR nějakou funkci?
• možná ano…!
• mnoho indicií, žádné nezvratné důkazy…
• některé dinukleotidy asi spojeny s regulací genové exprese (jsou před promotorem)
• některé dinukleotidy asi fungují jako rekombinační hot-spoty
• některé ale asi opravdu k ničemu


Slide 28

klasifikace STR
dle délky motivu:
• mono- -AAAAAA• di-

-TATATA-

• tri-

-TACTAC-

• tetra-

-GAGCGAGC-

•…

dle stavby motivu:
• perfect

- CACACACACACACACACACA –

• imperfect

- CACACACACACTCACACACA –

• interrupted

- CACACACAGTTCCACACACA –

• composite

- CACACACACACTCTCTCTCT –


Slide 29

názvosloví STR
lokusy
• triviální FGA (located in the third intron of the human alpha fibrinogen gene)
vWA (von Willebrand Factor, 40th intron)
TH01 (intron 1 of human tyrosine hydroxylase gene)
TPOX (human thyroid peroxidase gene),
CSF1PO (human c-fms proto-oncogene for CSF-1 receptor gene)
SE33 (β-actin related pseudogene)
Penta D (21q22.3)
Penta E (15q26.2)
LPL (intron 6 of the lipoprotein lipase gene)
• polotriviální

Y-GATA-H4

• systematické

D21S11
DYS390


Slide 30

názvosloví STR
alely
• označují se číslem, které vyjadřuje počet opakování základního motivu

alela 7 v lokusu TH01:

[AATG]7

alela 9 v lokusu TH01:

[AATG]9

alela 9.3 v lokusu TH01:

[AATG]6ATG[AATG]3

• tzv. MIKROVARIANTA
• jedno označení může zahrnovat více sekvencí

alela 7

[AATG]6 [AAAG]
[AATG]4 [AAAG] [AATG]2


Slide 31

STR – jak vlastně vznikají nové alely?
• vysoká mutační rychlost: 10-2 to 10-6 nt / lokus / generace
• asi dva základní mechanismy – nerovnoměrný crossing over a chyba při replikaci

• tímto mechanismem vznikají i alely s „tečkou“ = neúplné (9.3)


Slide 32

+n

-n


Slide 33

7
7

8

7
7
7

6.2

8
8

7

8

8

9
9

9

9

9.3
9.3

10

10.3

9.3

10.3


Slide 34

kde najdeme v lidském genomu STR ?


Slide 35

Dědičnost STR – autozomální STR
• klasická mendelovská dědičnost
• homozygozita a heterozygozita

STR lokus, např. TH01

9/9
6 / 9.3


Slide 36

Dědičnost STR – autozomální STR

6

9

8

6/9

6 / 10

8/9

8 / 10

10


Slide 37

Dědičnost STR – X-STR
• nonmendelovská dědičnost
• homozygozita a heterozygozita u žen, hemizygozita u mužů

STR lokus

22 / 22
21 / 24

STR lokus

22


Slide 38

Dědičnost STR – X-STR

22

21

Y

XX

24
XY

22 / 21

22 / 24

Y / 21

Y / 24


Slide 39

Dědičnost STR – Y-STR
• nonmendelovská dědičnost
• jedna kopie lokusu u mužů

STR lokus není

STR lokus

22


Slide 40

Dědičnost STR – Y-STR

X

22

X

XX

XY
X/X

22 / X


Slide 41

SNADNO A RYCHLE


Slide 42

Analýza STR je založena na PCR

POMOCÍ SEKVENČNĚ SPECIFICKÉHO PÁRU PRIMERŮ AMPLIFIKUJI FRAGMENT
OBSAHUJÍCÍ DANOU REPETICI


Slide 43

Analýza STR je založena na PCR
konstantní sekvence

REPETICE

konstantní sekvence

160 – 204 bp

Fragment má délku podle počtu opakování motivu v repetici (např. 160 – 204 bp)
S celkovým rozpětím délek můžu šoupat podle toho kam umístím primery

240 – 284 bp


Slide 44

Při PCR nepoužijeme obyčejné primery, ale jeden v páru
je vždy fluorescenčně značený

Cca polovina vzniklých fragmentů bude mít tudíž
začleněnou fluorescenční barvičku


Slide 45

Barvičky mohou emitovat v různých oblastech spektra

chci od nich, aby:
• byly chemicky stabilní
• velmi dobře emitovaly
• byly fotostabilní (emitovaly bez problémů opakovaně)


Slide 46

Provedu elektroforézu a detekci fluorescenční barvičky
gelová elfo
Hitachi FMBIO II

kapilární elfo
Applied Biosystems 310, 3100


Slide 47

DNA samples are loaded onto
a polyacrylamide gel

Sample Separation
STR alleles separate during
electrophoresis through the
gel

Sample Detection (Post-Electrophoresis)

505 nm scan to detect
fluorescein-labels

585 nm scan to detect
TMR-labels


Slide 48

Argon ion
LASER (488
nm)

Size
Separation

Sample
Separation

ABI Prism
spectrograph

Fluorescence

Capillary

Color
Separation

CCD Panel (with virtual filters)
Sample Detection

Sample
Injection

Processing with GeneScan/Genotyper software

Mixture of dye-labeled
PCR products from
multiplex PCR reaction

Sample Interpretation


Slide 49

Kapilární elfo


Slide 50

Kapilární elfo


Slide 51

Kapilární elfo


Slide 52

Kapilární elfo


Slide 53


Slide 54

ISS = vnitřní standard = „vnitřní žebříček“
35

50

75 100

150
139 160

200

250

300

350
340

400

450

500
490

250bp
200bp
Y bp
160bp
150bp
139bp
X bp
100bp

A

B


Slide 55

různé ISS
GS500 ROX (Applied Biosystems)

ILS600 CXR (Promega)

LTI 50-500 ROX (Life Technologies)


Slide 56


Slide 57

allelic ladder = vnější standard = „vnější žebříček“

160 bp

200 bp

7 8 9 10 11 12 13

160 bp

7
8
9
10
11
12
13

=
=
=
=
=
=
=

170.12
174.23
178.15
182.27
186.24
190.21
194.22

bp
bp
bp
bp
bp
bp
bp

200 bp
A = 174.21 bp = 8
B = 186.19 bp = 11
A

B


Slide 58

alelický ladder konkrétního lokusu

interní ladder celé elektroforézy


Slide 59

off-ladder alely

?

?

13

10

11

10.3


Slide 60

Výsledek analýzy jednoho lokusu

heterozygot 16/17

homozygot 16/16


Slide 61

analýza více lokusů najednou = multiplex PCR
amplifikuji několik STR více páry primerů najednou

(jak prosté, že?)
ale ve skutečnosti je to peklo:
• primery se nesmí lepit = nesmí být komplementární
• primery musí mít stejnou anelační teplotu
• primery musí mít stejné pracovní prostředí
• amplifikace všech lokusů musí být stejně účinná
jak ale pak při elektroforéze poznám, který fragment patří do
kterého lokusu???


Slide 62

rozlišení fragmentů I. = pomocí dye


Slide 63

rozlišení fragmentů II. = pomocí délkových rozsahů

160 – 204 bp

240 – 284 bp

160 – 204 bp

240 – 284 bp


Slide 64

rozlišení fragmentů III. = pomocí modifikátorů mobility

Lokus A

160 – 204 bp

Lokus B
190 – 254 bp
215 – 279 bp

Výhoda – nemusím složitě vylaďovat multiplexy s novými primery


Slide 65

Komerční kity - Identifiler

D8S1179

D7S820

CSF1PO

D21S11
D3S1358

TH01

D13S317

D16S539

D2S1338

D19S433

VWA

TPOX

D18S51
FGA

AMEL

D5S818


Slide 66

Komerční kity - PowerPlex® 16
D3S1358

D5S818

AMEL

VWA

TH01

D21S11

D13S317

D7S820

D8S1179

Penta E

D18S51

D16S539

TPOX

Penta D

CSF1PO

FGA


Slide 67

Některé nemilé jevy I.
stuttering

D8S1179

D21S11

D18S51
Allele
Stutter Product

6.3%

6.2%

5.4%


Slide 68

Některé nemilé jevy I.
stuttering
Sklouznutí polymerázy
1

2

3

5

5’

GATA

GATA

GATA

GATA

3’

CTAT

CTAT

CTAT

CTAT

CTAT

1

2

3

5

6

C

T A

T

4

Lokus je tím náchylnější, čím kratší je motiv
Dinukleotidy mají stuttery a stuttery stutterů

Tetranukleotidy mají stuttery do 15%
Pentanukleotidy prakticky nestutterují

5’


Slide 69

Některé nemilé jevy II.
imbalance heterozygota až alelický drop-out


Slide 70

Některé nemilé jevy III.
Splitting = „upadání adenosinu“ = deadenylace
Forward
Primer

Polymerase extension

5’

3’

3’

5’
Reverse
Primer

Polymerase extension

5’

5’
5’

(-A form)

5’

(+A form)

+A

-A +A

Shoulder peak

Split peak

-A

A

A

-A

+A


Slide 71

Některé nemilé jevy IV.
Interlokusová imbalance
AMEL
D19

D3
TH01
D8

AMEL

D3
D19

D8

VWA

VWA

D21

FGA

D16

D18

D2

D21

TH01

D16
FGA

D18

D2


Slide 72

Některé nemilé jevy V.
mizerná kapilára


Slide 73

Některé nemilé jevy VI.
mutace v místě pro primer
vyvážené heterozygotní
alely

6 8

nevyvážené
heterozygotní alely

6
8

bez mutace

mutace ve středu
vazebného místa
primeru

*
8
mutace na 3’-konci
vazebného místa
primeru
(dropout)

*
alela 6 dropoutuje


Slide 74

tři píky
D21S11

nejčastěji TPOX a D21S11