Di truyền là gì? Các công bố khoa học về Di truyền

Chúng tôi giới thiệu phiên bản mới nhất của phần mềm Phân Tích Di Truyền Phân Tử (MEGA), bao gồm nhiều phương pháp và công cụ tinh vi cho phân loại gen và y học phân loại. Trong lần nâng cấp lớn này, MEGA đã được tối ưu hóa để sử dụng trên các hệ thống máy tính 64-bit nhằm phân tích các tập dữ liệu lớn hơn. Các nhà nghiên cứu giờ đây có thể khám phá và phân tích hàng chục nghìn chuỗi trong MEGA. Phiên bản mới cũng cung cấp một trình hướng dẫn nâng cao để xây dựng cây thời gian và bao gồm chức năng mới để tự động dự đoán các sự kiện sao chép gen trong các cây họ gen. MEGA 64-bit được cung cấp qua hai giao diện: đồ họa và dòng lệnh. Giao diện người dùng đồ họa (GUI) là một ứng dụng dành cho Microsoft Windows có thể sử dụng cả trên Mac OS X. Dòng lệnh MEGA có sẵn dưới dạng ứng dụng gốc cho Windows, Linux và Mac OS X. Chúng được thiết kế để sử dụng trong phân tích quy mô lớn và phân tích kịch bản. Cả hai phiên bản đều được cung cấp miễn phí từ www.megasoftware.net.

Các dự án giải trình tự DNA thế hệ tiếp theo (NGS), chẳng hạn như Dự án Bộ Gen 1000, đã và đang cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về sự biến dị di truyền giữa các cá nhân. Tuy nhiên, các tập dữ liệu khổng lồ được tạo ra bởi NGS—chỉ riêng dự án thí điểm Bộ Gen 1000 đã bao gồm gần năm terabase—làm cho việc viết các công cụ phân tích giàu tính năng, hiệu quả và đáng tin cậy trở nên khó khăn ngay cả đối với những cá nhân có kiến thức tính toán phức tạp. Thực tế, nhiều chuyên gia gặp phải giới hạn về quy mô và sự dễ dàng trong việc trả lời các câu hỏi khoa học bởi sự phức tạp trong việc truy cập và xử lý dữ liệu do những máy này tạo ra. Trong bài báo này, chúng tôi thảo luận về Bộ công cụ Phân tích Bộ Gen (GATK) của chúng tôi, một khung lập trình có cấu trúc được thiết kế để tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các công cụ phân tích hiệu quả và đáng tin cậy dành cho các máy giải trình tự DNA thế hệ tiếp theo sử dụng triết lý lập trình hàm MapReduce. GATK cung cấp một bộ mẫu truy cập dữ liệu nhỏ nhưng phong phú, bao trùm hầu hết các nhu cầu của công cụ phân tích. Việc tách biệt các tính toán phân tích cụ thể khỏi hạ tầng quản lý dữ liệu chung cho phép chúng tôi tối ưu hóa khung GATK về độ chính xác, độ ổn định, và hiệu quả CPU và bộ nhớ, cũng như cho phép phân giải song song bộ nhớ chia sẻ và phân tán. Chúng tôi nhấn mạnh các khả năng của GATK bằng cách mô tả việc triển khai và ứng dụng các công cụ đáng tin cậy và dung nạp quy mô như máy tính phủ và gọi đa hình đơn nucleotide (SNP). Chúng tôi kết luận rằng khung lập trình GATK cho phép các nhà phát triển và nhà phân tích nhanh chóng và dễ dàng viết các công cụ NGS hiệu quả và đáng tin cậy, nhiều công cụ trong số đó đã được tích hợp vào các dự án giải trình tự quy mô lớn như Dự án Bộ Gen 1000 và Atlas Bộ Gen Ung thư.

Các phương pháp được mô tả để tách biệt, bổ sung và lập bản đồ các đột biến của Caenorhabditis elegans, một loài giun tròn sống tự do nhỏ. Khoảng 300 đột biến được kích thích bởi EMS ảnh hưởng đến hành vi và hình thái đã được xác định và khoảng một trăm gen đã được phân định. Các đột biến trong 77 trong số này làm thay đổi chuyển động của động vật. Các ước tính về tần suất đột biến do kích thích cả đột biến có thể quan sát được và đột biến gây chết trên nhiễm sắc thể X gợi ý rằng, giống như ở Drosophila, các đơn vị di truyền trong C.elegans là lớn.

Chúng tôi trình bày một khung nghiên cứu về sự biến đổi phân tử trong một loài. Dữ liệu về sự khác biệt giữa các haplotype DNA đã được tích hợp vào một định dạng phân tích phương sai, xuất phát từ ma trận khoảng cách bình phương giữa tất cả các cặp haplotype. Phân tích phương sai phân tử (AMOVA) này cung cấp các ước tính về thành phần phương sai và các đồng vị thống kê F, được gọi là phi-statistics, phản ánh sự tương quan của độ đa dạng haplotype ở các cấp độ phân chia thứ bậc khác nhau. Phương pháp này khá linh hoạt để thích ứng với các ma trận đầu vào thay thế, tương ứng với các loại dữ liệu phân tử khác nhau, cũng như các giả định tiến hóa khác nhau, mà không làm thay đổi cấu trúc cơ bản của phân tích. Ý nghĩa của các thành phần phương sai và phi-statistics được kiểm định bằng cách tiếp cận hoán vị, loại bỏ giả định về chuẩn tính thông thường trong phân tích phương sai nhưng không phù hợp cho dữ liệu phân tử. Áp dụng AMOVA cho dữ liệu haplotype DNA ty thể của con người cho thấy, sự phân chia dân số được giải quyết tốt hơn khi một số biện pháp khác biệt phân tử giữa các haplotype được đưa vào phân tích. Tuy nhiên, ở cấp độ nội bộ loài, thông tin bổ sung từ việc biết quan hệ phân loại chính xác giữa các haplotype hoặc thông qua việc dịch phi tuyến thay đổi vị trí hạn chế thành độ đa dạng nucleotide không làm thay đổi đáng kể cấu trúc di truyền dân số suy luận. Các nghiên cứu Monte Carlo cho thấy việc lấy mẫu vị trí không ảnh hưởng căn bản tới ý nghĩa của các thành phần phương sai phân tử. Việc xử lý AMOVA dễ dàng mở rộng theo nhiều hướng khác nhau và cấu thành một khung hợp lý và linh hoạt cho việc phân tích thống kê dữ liệu phân tử.

Tóm tắt: GenAlEx: Phân tích di truyền trong Excel là một gói phần mềm đa nền tảng cho các phân tích di truyền quần thể chạy trong Microsoft Excel. GenAlEx cung cấp phân tích các loci gen diploid đồng trội, haploid và nhị phân cùng với các chuỗi DNA. Cả phân tích dựa trên tần suất (F-statistics, độ đa dạng dị hợp tử, HWE, phân loại quần thể, mối quan hệ) và phân tích dựa trên khoảng cách (AMOVA, PCoA, kiểm định Mantel, phân tích tự tương quan không gian đa biến) đều được cung cấp. Các tính năng mới bao gồm tính toán các ước lượng mới về cấu trúc quần thể: G′ST, G′′ST, Jost’s Dest và F′ST qua AMOVA, phân tích thông tin Shannon, phân tích sự cân bằng liên kết cho dữ liệu biallelic và các kiểm định không đồng nhất mới cho phân tích tự tương quan không gian. Hỗ trợ xuất ra hơn 30 định dạng dữ liệu khác nhau. Các bài giảng giảng dạy và tùy chọn xuất kết quả mở rộng từng bước cũng được bao gồm. Hướng dẫn toàn diện đã được sửa đổi hoàn toàn.

Sự sẵn có và triển khai: GenAlEx được viết bằng VBA và được cung cấp dưới dạng tiện ích bổ sung cho Microsoft Excel (tương thích với Excel 2003, 2007, 2010 trên PC; Excel 2004, 2011 trên Macintosh). GenAlEx, tài liệu hỗ trợ và các bài giảng giảng dạy có sẵn miễn phí tại: http://biology.anu.edu.au/GenAlEx.

Liên hệ: [email protected]

Độ lớn của các sai lệch hệ thống liên quan đến độ đa hình di truyền của mẫu và khoảng cách di truyền của mẫu được đánh giá, và các công thức để thu được các ước lượng không thiên lệch về độ đa hình di truyền trung bình và khoảng cách di truyền được phát triển. Nó cũng được chỉ ra rằng số lượng cá thể được sử dụng để ước tính độ đa hình di truyền trung bình có thể rất nhỏ nếu một số lượng lớn loci được nghiên cứu và độ đa hình di truyền trung bình là thấp. Số lượng cá thể được sử dụng để ước tính khoảng cách di truyền cũng có thể rất nhỏ nếu khoảng cách di truyền lớn và độ đa hình di truyền trung bình của hai loài so sánh là thấp.

Bệnh Parkinson (PD) là một rối loạn thần kinh thoái hóa phổ biến với tỷ lệ mắc cả đời khoảng 2 phần trăm. Một mẫu gia tăng phát tích trong gia đình đã được ghi nhận đối với rối loạn và gần đây đã có báo cáo rằng một gen gây nhạy cảm với PD trong một gia đình lớn ở Ý được định vị trên cánh dài của nhiễm sắc thể số 4 của người. Một đột biến đã được xác định trong gen α-synuclein, mã hóa cho một protein tiền synapse được cho là có liên quan đến tính dẻo thần kinh, trong gia đình Ý và ba gia đình không có quan hệ quen biết có nguồn gốc Hy Lạp với di truyền trội trên nhiễm sắc thể thường đối với kiểu hình PD. Phát hiện này về một thay đổi phân tử cụ thể liên quan đến PD sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc hiểu chi tiết cơ chế bệnh sinh của rối loạn này.

Một thư viện DNA bổ sung được khởi tạo ngẫu nhiên từ huyết tương chứa tác nhân viêm gan không A, không B chưa được xác định (NANBH) và được sàng lọc bằng huyết thanh từ một bệnh nhân được chẩn đoán mắc NANBH. Một clone DNA bổ sung đã được tách ra và cho thấy mã hóa một kháng nguyên liên quan đặc hiệu đến các nhiễm trùng NANBH. Clone này không xuất phát từ DNA của chủ thể mà từ một phân tử RNA có mặt trong các nhiễm trùng NANBH, có chiều dài ít nhất 10.000 nucleotide và có chuỗi dương liên quan đến kháng nguyên NANBH đã mã hóa. Dữ liệu này cho thấy clone này xuất phát từ bộ gen của tác nhân NANBH và nhất quán với việc tác nhân này có thể tương tự như togaviridae hoặc flaviviridae. Phương pháp phân tử này được cho là có giá trị lớn trong việc tách rời và xác định các tác nhân gây bệnh truyền nhiễm chưa được biết đến khác.

Các tiến bộ gần đây trong các kỹ thuật di truyền phân tử sẽ cung cấp bản đồ dấu hiệu dày và việc định kiểu nhiều cá thể cho các dấu hiệu này trở nên khả thi. Tại đây, chúng tôi đã cố gắng ước lượng hiệu ứng của khoảng 50.000 haplotype dấu hiệu đồng thời từ một số lượng hồ sơ phenotypic hạn chế. Một bộ gen dài 1000 cM đã được mô phỏng với khoảng cách dấu hiệu là 1 cM. Các dấu hiệu xung quanh mỗi vùng 1-cM được kết hợp thành haplotype dấu hiệu. Do kích thước quần thể hữu hạn (Ne = 100), các haplotype dấu hiệu ở trạng thái không cân bằng liên kết với QTL nằm giữa các dấu hiệu. Sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu, tất cả các hiệu ứng haplotype không thể được ước lượng đồng thời. Khi chỉ bao gồm các hiệu ứng lớn nhất, chúng được ước lượng cao hơn và độ chính xác trong việc dự đoán giá trị di truyền của con cái từ các động vật đã ghi nhận chỉ đạt 0.32. Dự đoán tốt nhất không thiên lệch về hiệu ứng haplotype giả định sự đồng nhất về phương sai liên quan đến mỗi đoạn nhiễm sắc thể 1-cM, điều này mang lại độ chính xác 0.73, mặc dù giả định này không gần đúng. Các phương pháp Bayes giả định một phân phối trước của phương sai liên quan đến mỗi đoạn nhiễm sắc thể đã tăng độ chính xác này lên 0.85, ngay cả khi phân phối trước không đúng. Kết luận rằng việc chọn lọc dựa trên giá trị di truyền được dự đoán từ các dấu hiệu có thể làm tăng đáng kể tỷ lệ thu được di truyền ở động vật và cây trồng, đặc biệt nếu kết hợp với các kỹ thuật sinh sản để rút ngắn khoảng thời gian sinh sản.

Hội nghị trọng điểm lần thứ nhất đã được tổ chức tại Stockholm, Thụy Điển, từ ngày 2–5 tháng 9 năm 2003. Mục tiêu của hội nghị là tích hợp các quan điểm lâm sàng và dịch tễ học về chủ đề Rối loạn Nhận thức Nhẹ (MCI). Một nhóm chuyên gia quốc tế, đa ngành đã thảo luận về tình trạng hiện tại và các hướng đi trong tương lai của MCI, liên quan đến biểu hiện lâm sàng, đánh giá nhận thức và chức năng, cũng như vai trò của chẩn đoán hình ảnh thần kinh, sinh dấu và di truyền học. Nhóm làm việc quốc tế đã tiến hành thảo luận về những đồng thuận mới, cũng như đưa ra các khuyến nghị cho việc quản lý và nghiên cứu trong tương lai. Các khuyến nghị cụ thể cho các tiêu chí MCI chung bao gồm: (i) người bệnh không phải là người bình thường cũng không phải là người mất trí; (ii) có bằng chứng về sự suy giảm nhận thức được thể hiện bởi sự suy giảm được đo lường khách quan theo thời gian và/hoặc báo cáo chủ quan về sự suy giảm của chính bản thân và/hoặc người cung cấp thông tin, cùng với các thiếu hụt nhận thức khách quan; và (iii) các hoạt động sinh hoạt hàng ngày được bảo tồn và các chức năng công cụ phức tạp vẫn intact hoặc chỉ suy giảm ở mức tối thiểu.