3.5 Genų ekspresijos analizė

Download Report

Transcript 3.5 Genų ekspresijos analizė

Slide 1

3.5 Genų ekspresijos analizė

DNR mikrogardelės:
-principas
-galimybės
-taikymas

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 2

1. Struktūrinė genomika:
Genomo sekvenavimas ir išreikštų
sekų žymenys (EST)
2. Funkcinė genomika:
• Genų pasireiškimo nustatymo būdai:
Mikro-gardelės ir DNR sekų
nuskaitymo profiliavimas
• Įterpimo mutagenezė
• Atskiro nukleotido polimorfizmo
(SNP) žymėjimas genolapyje
• Genolapiu paremtas sugretinimas
(angl. map-based cloning)

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

http://www.genetik.uni-bielefeld.de/MolMyk/treffen/work2/bioinformatikworkshop/


Slide 3

BIO technologijos
(genomika)

NANO technologijos
(mikrogardelių lustai)

INFORMACINĖS
technologijos

Tyrimai mikrogardelių pagalba
V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 4

Centrinė molekulinės biologijos dogma

DNR
replikacija

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

RNR

Baltymai

transkripcija

transliacija

(RNR sintezė)

(baltymo sintezė)


Slide 5

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 6

Tradicinė biologija:
Ieško genų, kurie skirtingai pasireiškia
Tiria šių genų funkcijas
Nustato tiriamo geno sąveiką su kitais genais

Tyrimai paremti mikrogardelių principu:
Galima masinė paralelinė genų ekspresijos analizė
Nedidelį genomą galima tirti visą iškart
Nustato ne tik atskirus besiskiriančius genus, bet ir besiskiriančias genų grupes
Analizė parodo santykinio ekspresijos lygio skirtumus
Analizuoti galima ne tik atskirą molekulę, bet ir jų kompleksus
Efektyvi funkcinė genų analizė
Galima identifikuoti reguliacinius ir ląstelių procesus

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 7

DNR mikrogardelės, taip pat vadinama genų lustais (angl. DNA
chips, DNA arrays, DNA microarrays), yra funkcinės genomikos
metodas, skirtas diagnostikai, mutacijų ir polimorfizmo suradimui,
genų paieškai, genų ekspresijai tirti bei genolapių kūrimui. (detalesnė
informacija Gibson 2002)

Jau daugiau nei dešimtmetį (nuo 1995 m.)
gyvuoja DNR mikrogardelių technologija,
kurią naudojant galima vienu metu tirti visų
organizmo koduojamų genų ekspresiją. Tai
vienas iš efektyviausių genomo tyrimo
metodų ir jo atsiradimas buvo sąlygotas
didėjančio sekvenuotų genomų skaičiaus bei
poreikio tirti įvairių organizmų genų
funkcionavimą.
DNR gardelių metodas panaudotas žmogaus
genų ekspresijos sveikuose audiniuose
įvertinimui. Gauti transkripcijos lygio
standartai naudojami patologinių procesų
nustatymui.
V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 8

DNR mikrogardelių principas

GACTGAACGT
Nežinoma

||||||||||
CTGACTTGCA

T

C

A

G

TAGGC T G

T

Žinoma

T
GC
T
C
TA

ATCCGACAATGACGCC
V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

• Vertinimas nežinomos DNR (susintetinta
atvirkštinės transkriptazės pagalba nuo iš
ląstelės išskirtų mRNR) panaudojant
hibridizaciją.
• Žinoma DNR yra taškuojama ant
plokštelės.
• Pažymėta nežinoma DNR suliejama su
žinoma DNR ir vyksta hibridizacija.
• Plokštelė yra nuplaunama ir skenuojama.
http://www.biology.washington.edu/fingerprint/


Slide 9

Suformuotos mikrogardelės talpina
tūkstančius skirtingų DNR
pavyzdžių.
Gardelės gali būti formuojamos ir
tiesiai ant aktyvuoto stiklo paviršiaus
sintetinant oligonukleotidus. Tai
dažniau naudojamas būdas.
Oligonukleotidai (tai paprastai tai 2030 nukleotidų vienguba grandinė)
naudojami komplementarios DNR
segmentų suradimui.

Genų ekspresijos lygis (t.y. žymėtos mRNR kiekis prisijungęs prie
mikrogardelėse esančios DNR) įvertinamas kompiuterinių programų
pagalba, lyginant fluorescencijos signalų raiškumą. Tai kiekybinė
analizė.
V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

www.bioalgorithms.info


Slide 10

DNR mikrogardelės (taškinės gardelės)
1) Gardelės suformuojamos iš
reikiamų cDNR fragmentų

2) Panaudojamas didelio
tikslumo automatinis
taškavimas

3) cDNR taškuojama ant
mikroskopo stiklo plokštelių

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 11

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 12

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 13

DNR gardelių technologijos
Gardelės
tipas

Taškų tankis
(1 cm2)

Zondas

Mėginys

Žymėjimas

Nailono
makrogardelės

<100

cDNR

RNR

Radioaktyvus

Nailono
mikrogardelės

<5000

cDNR

mRNR

Radioaktyvus/
Fluorescencinis

Stiklo
mikrogardelės

<10000

cDNR

mRNR

Fluorescencinis

Oligonukleotidų
Gardelės

<250000

oligonukleotidai

mRNR

Fluorescencinis

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

www.eng.uiowa.edu/~tscheetz/doc/CLCG/PPT


Slide 14

Kiekvienoje mikrogardelėje
(dydis maždaug 100um) yra
PCR sekvenuotos DNR sekos

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

http://www.bioinfbook.org


Slide 15

ACTGC
ACTGC
ATCCGACAATGACGCC

Visiškas atitikimas

ACTGC
ATCCGACAATGACGCC

Mažesnis atitikimas

ATTCC
ATCCGACAATGACGCC
ACCCC
ATCCGACAATGACGCC

Mažas atitikimas

Hibridizacijos principas yra
panaudojamas genų ir jų ekspresijos
nustatymui, o taip pat DNR sekų
atitikimo palyginimui.
V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

Fluorescenciškai pažymėti mėginiai
hibridizacijos proceso metu jungiasi prie
mikrogardelių DNR
www.bioalgorithms.info


Slide 16

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 17

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

http://www.fao.org/DOCREP/003/X6884E/


Slide 18

Taškinės mikrogardelės metodu (angl. spotted or two-channel microarrays)
negalima nustatyti absoliučios geno veiklos išraiškos

Genas 1

Genas N
V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 19

Oligonukleotidų mikrogardelės (angl. oligonucleotide or single-channel
microarrays) metodu (iš dešinės) galima nustatyti absoliučią geno veiklos išraišką
V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 20

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 21

Duomenų analizė
1) Atskirų genų analizė
Absoliučios reikšmės gali būti klaidinančios.
Reikalingas atskaitos taškas (kontrolė) tam, kad būtų galima statistiškai
įvertinti atskiro geno ekspresijos patikimumą. Naudojamas
vidurkis/nukrypimas patikimumo įvertinime.

2) Ko-ekspresijos analizė
Panašiai išreikštų (ekspresuotų) genų paieška
eksperimentas 1

Genas i:

eksperimentas 2

eksperimentas 3

(x1,x2,x3,…) Tai šio geno ekspresijos profilis

x1,x2,x3,.. paprastai yra logaritminėje skalėje
V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 22

Genų p ekspresijos duomenys mėginiuose n
iRNR mėginiai
mėginys1 mėginys2 mėginys3 mėginys4 mėginys5 …

Genai

1
2
3
4
5

0.46
-0.10
0.15
-0.45
-0.06

0.30
0.49
0.74
-1.03
1.06

0.80
0.24
0.04
-0.79
1.35

1.51
0.06
0.10
-0.56
1.09

0.90
0.46
0.20
-0.32
-1.09

...
...
...
...
...

Geno i ekspresijos lygis iRNR mėginyje j
=

V.Baliuckas

Log( Raudonos sp. intensyvumas / Žalios sp. intensyvumas)
Log(Vidurkis PM - Vidurkis MM)

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 23

Mikrogardelių panaudojimas
Genų ekspresijos analizė:
Ieško genų skirtumų
Tiria atsaką į aplinkos faktorių įtaką
Ligų eigą ir vykstančius procesus
Vaistų poveikį

DNR sekų variacijos nustatymas:
Genetinis charakterizavimas
Somatinių mutacijų aptikimas
Tiesioginis sekvenavimas

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 24

DNR mikrogardelės gali būti naudojamos konkrečiose chromosomų vietose esančių
genomo sekų nuskaitymui ir vertinimui. Atskiro nukleotido polimorfizmo (SNP)
mikrogardelės naudojamos individų ar tarppopuliacinės genetinės variacijos nustatymui.
Trumpų oligonukleotidų gardelės gali būti naudojamos atskiro nukleotido polimorfizmo
identifikavimui, tam kad patikrinti jo įtaką genetinei įvairovei ar genetiškai užkoduotą
polinkį įvairioms ligoms.
Palyginti neseniai pradėtas naudoti DArT (angl. Diversity Array Technology) metodas
genetinio polimorfizmo nustatymui (žr. Jaccoud et al. 2001). Gali būti taikomas grupės ar
pavienių individų tyrimams, atitinkamai formuojant tiriamuosius mėginius.

DArT taikymo procesas susideda iš 4 pagrindinių dalių:
polimorfinės gardelės (angl. diversity panel) formavimas iš genetiškai įvairios grupės
individų genominės DNR
tiriamųjų mėginių formavimas ir jų fluorescencinis ženklinimas (Cy3 ir Cy5)
hibridizacija tiriamųjų mėginių su polimorfine gardele
plokštelių skenavimas ir analizavimas

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 25

Preliminarus žymenų sistemų lyginimas analizuojant manijoko genetinės
įvairovės struktūrą
SSR: 36 SSR žymenys

DArT: gardelė iš ~1000 klonų

•Kodominantiniai žymenys

•Dominantiniai žymenys

•Labai polimorfiniai

• Vidutiniškai polimorfiniai

•Paruošimo kaina

• Paruošimo kaina

~36000 US$ (36 žymenims)

~20000 US$ gardelei (1000
polimorfinių genų klonų)

•Žemas našumas

•Didelis našumas

•Genetinės informacijos kaina
/lokusas /genotipas: 0.5 US$

• Genetinės informacijos kaina
/lokusas /genotipas: 0.025 US$

DArT metodas yra nepriklausomas ar nesiremia informacija apie DNR sekas. Gali
būti taikomas genų bankų kolekcijoms vertinti, nes padengia didelę genomo dalį
(mikrogardelių metodo naudojimas SNP tarp genotipų vertinimui, yra kol kas per
brangus platesniam taikymui).
V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

http://www.generationcp.org/vw/Download/ARM_2004/


Slide 26

EST duomenų bazės

Eksperimento
dizainas

Tiriamos medžiagos parinkimas

Mėginių paruošimas

Žiurkė
Mikrogardelės
dizainas

Pelė

Klonų pergrupavimas

Plokštelės
paruošimas

Žmogus
Mikrogardelių
duomenų bazė

Pušis

Hibridizacija

Kompiuterinė analizė

Kitos duomenų bazės
Duomenų
bazė 1

Koordinuota
genų
ekspresija
Duomenų
bazė n

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

Ekspresijos
skirtumų
analizė

Statistinė
analizė

Gauto vaizdo
pavertimas
kiekybiniais
duomenimis


Slide 27

Duomenų gavimas eksperimentuose naudojant
mikrogardelių metodus

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 28

MIAME duomenų bazė (minimumas informacijos apie
mikrogardelių eksperimentą)

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 29

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

Eichinger 2005


Slide 30

Duomenų normalizavimas
(išsibarstymo sumažinimas ir variacijos
suvienodinimas tarp pakartojimų)

Klasteriavimas

T-testai

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 31

• Kiekvienam genui apskaičiuojama vidutinė išraiška (kontrolinio ir bandomo varianto)
• Nulinė hipotezė: abu variantai nesiskiria
• Slenkstinė t-testo reikšmė paprastai imama p<0.05
• Tinkamą p reikšmę reikia koreguoti, priklausomai nuo tiriamų genų skaičiaus (kuo
didesnis genų skaičius, tuo mažesnė p reikšmė parodo esminius skirtumus)

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 32

Sample 1

Sample 2

Gene 1

1.04

2.08

Gene 2

3.2

10.5

Gene 3

3.34

1.05

Gene 4

1.85

0.09

Kiekybinė analizė

Klasterių sudarymas
(hierarchinis, k-vidurkių)

Prižiūrima, neprižiūrima analizė
(angl. supervised, unsupervised)

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

Principinių komponenčių
analizė
Automatinis grupavimas
(angl. self-organising maps)


Slide 33

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

Clarke and Zhu (2006)


Slide 34

SAS programa tipinei DNR mikrogardelių analizei:

y ijk    a j  d i  a  d ij  e ijk
proc mixed data=duomenys;
class dye array;
model signal = dye / outp=rrr;
random array array*dye;
lsmeans dye/ pdiff;
run;

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 35

Mikrogardelių eksperimentų privalumai
Našumas

>20 000 genų per 1-4 savaites

Apimtis

Mielių ar pelės genomas telpa į vieną gardelę

Pritaikomumas

Kuo daugiau genomų sekvenuota, tuo daugiau gardelių gali būti
pagaminta. Atskiram atvejui galima kurti unikalias gardeles.

Praktiškumas

Neribojamas RNR pavyzdžių technologinei įrangai pateikimas

Ekonomiškumas Gardelės suformavimas 20 000 genų kainuoja apie 350$
Mikrogardelių eksperimentų trūkumai
Kaina

Kai kuriais atvejais mokslininkams yra per brangu naudoti reikiamus
kontrolinius variantus ar pakartojimus.

RNR
reikšmingumas

Genų ekspresijos galutinis produktas yra baltymas.

Kokybės kontrolė Neįmanoma atskirus elementus įvertinti ant gardelės paviršiaus.
Įvairūs iškraipymai skenuojant gardelę ar analizuojant duomenis (angl.
artifacts).
V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 36

Genomika/proteomika yra labiausiai besivystančios sritys miško biotechnologijoje.
Tikėtina, kad visas genomas ar didžioji dalis išreikštų genų sekų bus artimiausiu metu
gauta, be Populus trichocarpa, dar bent 2 miško medžių rūšims – tai Pinus taeda ir
Eucalyptus globulus. Tada dar labiau suintensyvės funkcinės genomikos vaidmuo
(mikrogardelių taikymas, modelinių medžių rūšių lyginimas su tiriamomis, genetinių
modifikacijų tyrimai). Didelės EST bibliotekos bus naudojamos kandidatinių genų
tyrimuose, ypač padaugėjus modelinių medžių rūšių su pilnais fiziniais ir genetiniais
genolapiais. Lyginamoji genomika ir jos taikymas gali pasiekti ne tik rūšies, genties, bet
net ir šeimos lygį. Kartu su fundamentaliaisiais tyrimais išaugs ir taikomųjų tyrimų
apimtys. Kartu su tradicine medžių selekcija bus taikomi siejamosios (angl. association)
genetikos metodai, identifikuojant norimus genų alelius. Vis daugiau genų bus
identifikuojama genetinių modifikacijų tyrimuose.

Ateityje oligonukleotidų pagrindu sudaromos mikrogardelės, kaip duodančios
patikimesnius rezultatus, matomai keis klonų pagrindu sudaromas, nežiūrint to, kad
pastarosios yra mažiau kainuojančios. Taip pat galima laukti didesnio mikrogardelių
panaudojimo miško medžių selekcijoje.

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius

www.fao.org/biotech/


Slide 37

Literatūros sąrašas
Baldi P. and Hatfield G.W. 2002. DNA Microarrays and Gene Expression, Cambridge.
Bretz F., Landgrebe J. and Brunner E. 2003. Efficient design and analysis of two color
factorial microarray experiments. Biostatistics.
Clarke J.D. and Zhu T. 2006. Microarray analysis of the transcriptome as a stepping
stone towards understanding biological systems: practical considerations and
perspectives. The Plant Journal 45: 630–650.
Mount D.W. 2004. Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis. 2nd Edition, Cold
Spring Harbor, p. 692.
Gibson G. 2002. Microarrays in ecology and evolution: a preview. Molecular Ecology
11:17–24.
Jaccoud D., Peng K., Feinstein D. and Kilian A. 2001. Diversity arrays: a solid state
technology for sequence information independent genotyping. Nucleic Acids Research
29.

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius


Slide 38

FAO. 2004. Preliminary review of biotechnology in forestry, including genetic
modification. Forest Genetic Resources Working Paper FGR/59E. Forest Resources
Development Service, Forest Resources Division. Rome, Italy.
Kohane I.S. et al. 2002. Microarrays for an Integrative Genomics. MIT Press,
Cambridge, MA.
McLachlan G.J., Do K-A., Ambroise C. 2004. Analyzing Microarray Gene Expression
Data. Hoboken, NJ: Wiley.
Spooner D., van Treuren R. and de Vicente M.C. 2005. Molecular markers for genebank
management. IPGRI Technical Bulletin No. 10. International Plant Genetic Resources
Institute, Rome, Italy.
Speed T. 2003. Statistical Analysis of Gene Expression Microarray Data. Chapman &
Hall/CRC, p. 240.

V.Baliuckas

Genetikos ir selekcijos skyrius