Mapowanie genów cz owieka i badania asocjacji. podstawy

Transkrypt

1 Mapowanie genów czowieka i badania asocjacji podstawy

2 Sprzężenie Geny leżące na różnych chromosomach spełniają II prawo Mendla Dla 2 genów: 4 równoliczne klasy gamet W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

3 Sprzężenie Allele genów leżących na tym samym chromosomie dziedziczą się razem sprzężenie Dla 2 genów: 2 równoliczne klasy gamet rodzicielskich W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

4 Sprzężenie Crossing-over (rekombinacja chromatyd niesiostrzanych) Dla 2 genów: 2 równoliczne klasy gamet rodzicielskich 2 równoliczne klasy gamet zrekombinowanych Klasy zrekombinowane mniej liczne od rodzicielskich W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

5 Mapowanie genów Aby powstały gamety zrekombinowane, crossing-over musi zajść pomiędzy genami (loci) powstają gamety zrekombinowane W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8th edition, Prentice Hall, 2005

6 Mapowanie genów Prawdopodobieństwo crossing-over pomiędzy genami jest proporcjonalne do odległości między nimi na chromosomie Liczebność klas zrekombinowanych w potomstwie jest miarą odległości genetycznej U Drosophila najlepiej mapować za pomocą heterozygotycznej samicy i samca recesywnego A u człowieka?

7 Asocjacja i sprzężenie Sprzężenie - wspólna segregacja alleli genów leżących blisko siebie na chromosomie dotyczy loci, nie konkretnych alleli proste podłoże biologiczne (chromosomy, rekombinacja) badana w rodowodach i/lub parach krewnych Asocjacja - korelacja występowania konkretnych alleli genów w populacji dotyczy konkretnych alleli często złożone i/lub niejasne podłoże biologiczne - zjawisko statystyczne, niekiedy bez związku przyczynowego dotyczy populacji lub grupy, ale bez wymogu pokrewieństwa może niekiedy być związana ze sprzężeniem (nierównowaga sprzężeń)

8 Metody Sprzężenie - analiza sprzężeń (mapowanie) metody parametryczne metody nieparametryczne Asocjacje - badania korelacji (testy statystyczne)

9 Asocjacja Nieprzypadkowe współwystępowanie czynników (alleli i fenotypów) na poziomie populacji Czy zawsze asocjacja oznacza zależność przyczynową? Czy każda asocjacja ma wartość diagnostyczną? Czy asocjacja odkrywa gen na...?

10 Struktura populacji Lander & Schork, w rejonie San Francisco jest wyraźna asocjacja między allelem HLA-A1 a umiejętnością jedzenia pałeczkami

11 Przykad medyczny Allel 3A4 cytochromu P450 (CYP3A) i rak prostaty (bardziej zaawansowana postać w momencie diagnozy) CYP3A może w pływać na tempo hydroksylowania testosteronu - związek przyczynowy? Nie ma wpływu allelu 3A4 na kinetykę metabolizmu testosteronu# Allel 3A4 częściej występuje u ludzi pochodzenia afrykańskiego (Afroamerykanie), niż europejskiego# Podobne korelacje dla raka prostaty dla innych alleli częstszych w populacji afrykańskiej# Bardziej zaawansowany rak prostaty u Afroamerykanów (przyczyny społeczne)?#

12 Przyczyny asocjacji alleli Paradoks Simpsona: Jeżeli zmieszamy dwie populacje, w których nie występuje asocjacja markera i choroby, ale są różne częstości występowania choroby (oraz markera), w zmieszanej populacji pojawi się asocjacja markera z chorobą (problem ukrytej zmiennej).# Jest to przyczyna artefaktów#

13 Paradoks Simpsona Prosty przykład: uniwersytet powinien faworyzować kobiety przy przyjmowaniu na studia doktoranckie: Mężczyźni# Kobiety# Wydział historii# 1/5 (20%)# 2/8 (25%)# Wydział geografii# 6/8 (75%)# 4/5 (80%)# Razem# 7/13 (54%)# 6/13 (46%)

14 University of California, Berkeley, 1973 Przyjęcia na studia doktoranckie Kierunek "Mężczyźni (przyjęci) "Kobiety (przyjęte)" A "825 "62% "108 "82%" B "560 "63% "25 "68%" C "325 "37% "593 "34%" D "417 "33% "375 "35%" E "191 "28% "393 "24%" F "272 "6% "341 "7%" Razem!8442!44%!4321!35%" Więcej kobiet zgłaszało się na trudniejsze kierunki.

15 Przykad medyczny Porównywano dwie terapie kamieni nerkowych# Terapia A# Terapia B# 78 % (273/350)# 83% (289/350)# Ale: Terapia A# Terapia B# Małe kamienie# 93% (81/87)# 87% (234/270)# Duże kamienie# 73% (192/263)# 69% (55/80)# Razem# 78 % (273/350)# 83% (289/350)# Terapię A częściej stosowano u pacjentów z dużymi kamieniami, które trudniej się leczy.#

16 Paradoks niskiej masy urodzeniowej Niska masa urodzeniowa zwiększa śmiertelność Palenie u matki zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia niskiej masy urodzeniowej oraz śmiertelność, ale: Dzieci matek palących z NMU mają mniejszą śmiertelność, niż dzieci matek niepalących z NMU??? Wyjaśnienie: dzieci matek palących częściej mają NMU, nawet bez innych problemów, dzieci matek niepalących mają NMU rzadziej, wtedy kiedy występuje inny problem

17 Asocjacja Zależności funkcjonalne, nie związane ze sprzężeniem często z allelami MHC (HLA) - związane z funkcjonowaniem układu odpornościowego poszukuje się asocjacji dla bardzo intensywnie poznawanych polimorfizmów SNP w genomie człowieka

18

19 Farmakogenetyka i farmakogenomika Znamy ponad 10 milionów SNP, większość bez znaczenia CRHR1 (receptor kortykotropiny) - skuteczność terapii kortykosteroidami w leczeniu astmy HLA-B27 - nadwrażliwość na skutki uboczne Abcaviru HTR2A (serotonina 2A) - reakcja na środki antydepresyjne itd.

20 Asocjacja - przykład HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy# Zdrowi# HLA-B27 +# 90# 1000# HLA-B27 -# 10# 9000# test statystyczny Fishera (Fisher exact test): p

21 Geny na...?

22 A w rzeczywistości...

23 Dla przypomnienia HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy# Zdrowi# HLA-B27 +# 90# 1000# HLA-B27 -# 10# 9000# OR = = 81 test statystyczny Fishera (Fisher exact test): p

24 Sprzężenie (bliskie) mutacja A 1 d A 1 D

25 Asocjacja a sprzężenie Asocjacja alleli# Sprzężenie# Na poziomie populacji# W rodzinie# Wskazuje konkretne allele# Wskazuje loci#

26 Sprzężenie markera i genu choroby Asocjacja w obrębie rodziny Z reguły brak asocjacji w populacji Niezależne od struktury populacji Asocjacja populacyjna dla rzadkiego allelu i bardzo bliskiego sprzężenia nierównowaga sprzężeń

27 Metody mapowania Parametryczna (oparte na modelach) analiza lod dwupunktowa wielopunktowa Nieparametryczna analiza sprzężeń współwystępowanie alleli klucz: IBD (identity by descent) vs. IBS (identity by state)

28 Analiza nieparametryczna Dwa allele są identyczne przez pochodzenie (IBD) jeżeli są kopiami tego samego allelu rodzicielskiego

29 Analiza nieparametryczna Korelacja względnego podobieństwa u par mapowanej cechy z podobieństwem markera Badania bliźniąt Badania chorego rodzeństwa (affected siblings method) Badania rodzin (2-3 pokoleniowe)

30 Miarą odlegości jest częstość rekombinacji częstość rekombinacji θ=prawdopodobieństwo przekazania zrekombinowanej gamety Loci na różnych chromosomach segregują niezależnie => θ = 0,5 Loci blisko sprzężone segregują razem => θ = 0 Terminologia θ<0,5 sprzężenie θ=0,5 brak sprzężenia

31 Mapowanie Jednostka cm (centymorgan) = 1% rekombinacji W rzeczywistości zależność nie jest liniowa Podwójny crossing-over gamety typu rodzicielskiego Interferencja zajście crossing-over w danym miejscu wpływa na prawdopodobieństwo zajścia kolejnego w pobliżu

32 Podwójny c-o jeszcze bardziej złożony W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8th edition, Prentice Hall, 2005 Powstanie średnio 50% rekombinantów. Podobnie dla potrójnych itp.

33 Funkcja mapowa zależność odlegości genetycznej od częstości rekombinacji Funkcja mapowa Haldane a d = ln(1 2θ) 2 nie uwzględnia interferencji w crossing-over Funkcja mapowa Kosambiego uwzględnia interferencję crossing-over zmniejsza prawdopodobieństwo drugiego w pobliżu szeroko stosowana Dla małych wartości θ: d θ 1+ 2θ ln 1 2θ d = 4

34 Mapy genetyczne a płeć Całkowita mapa mężczyzny = 2851cM Całkowita mapa kobiety = 4296cM (wyłączając X) Dla ~3000Mb genomu autosomalnego 1 cm u mężczyzny 1.05 Mb 1 cm u kobiety 0.88Mb

35 Wiarygodność (likelihood) Wiarygodność=prawdopodobieństwo uzyskania danych przy założeniach modelu i jego określonych parametrach W układzie w pełni informatywnym dane: R=liczba rekombinantów, NR=liczba genotypów rodzicielskich parametr: częstość rekombinacji θ=prawd. rekombinacji Hipoteza zerowa brak sprzężenia (θ=0,5) Stosunek wiarygodności L(θ)/L(θ=0,5) lod score (Z) = logarithm of odds logarytm (dziesiętny) stosunku wiarygodności

36 Jak obliczać lod score Dla każdego rodowodu (i) lod wynosi: Z i ( ˆ θ ) = log 10 L( ped _ data / ˆ θ ) L( ped _ data /θ = 0,5) Dla danej wartości θ, sumuje się wartości lod-score z różnych rodowodów (F): Z( ˆ θ ) = F i=1 Z i ( ˆ θ )

37 Wynik dwupunktowej analizy sprzężeń lod znaczące wykluczone Tabela θ= 0.01, 0.10, 0.20, 0.30, 0.35, 0.40, 0.45, 0.50 lod= -5.0, -2.0, 1.0, 3.3, 4.0, 3.0, 1.0, 0.0

38 1,1 1,2 1,2 2,2 1,2 2,2 2,2 1,2 1,2

39 1,1 1,2 1,2 2,2 * 1,2 2,2 2,2 1,2 1,2 1 rekombinant (R); 4 rodzicielskie (NR) Przy braku sprzężenia (θ=0,5) prawdopodobieństwo uzyskania R i NR jest równe i wynosi ½ L(θ=0,5)= (½) 5

40 1,1 1,2 1,2 2,2 * 1,2 2,2 2,2 1,2 1,2 1 rekombinant (R); 4 rodzicielskie (NR) Dla sprzężenia θ prawdopodobieństwo uzyskania R wynosi θ (z definicji), więc prawdopodobieństwo uzyskania NR wynosi 1- θ L(θ)= θ (1- θ) 4 1R 4NR

41 1,1 1,2 1,2 2,2 * 1,2 2,2 2,2 1,2 1,2 1 rekombinant (R); 4 rodzicielskie (NR) L(θ=0,5)= (½) 5 L(θ)= θ (1- θ) 4 Dla θ=0,1 L(θ=0,1) = 0,1 (0,9) 4 0,1 0,9 4 Z(θ = 0,1) = log 10 0,5 5 0,32

42 0# 0,02# 0,1# 0,2# 0,3# 0,4# 0,5# - -0,23 0,32 0,42 0,36 0,22 0

43 0# 0,02# 0,1# 0,2# 0,3# 0,4# 0,5# - # -0,23# 0,32# 0,42# 0,36# 0,22# 0#

44 1,1 1,2 Nieznana faza u ojca 1,2 2,2 1,2 2,2 2,2 1,2 1,2

45 1,2 2,2 1R 4NR L(θ = 0,2) = ,2 0,84 2 1,2 2,2 2,2 1,2 1,2 albo 1NR 4R L(θ = 0,2) = 0,24 0, ,2 0,8 Z(θ = 0,2) = log , ,24 0,8 2 0,12