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Identificación de genes de enfermedades

La identificación de genes de enfermedades es un proceso mediante el cual los científicos identifican los genotipos mutantes responsables de un trastorno genético hereditario . Las mutaciones en estos genes pueden incluir sustituciones de un solo nucleótido, adiciones o eliminaciones de un solo nucleótido, eliminación de todo el gen y otras anomalías genéticas.

Significado

El conocimiento de qué genes (cuando no funcionan) causan determinados trastornos simplificará el diagnóstico de los pacientes y proporcionará información sobre las características funcionales de la mutación. La aparición de las modernas tecnologías de secuenciación de alto rendimiento combinadas con los conocimientos aportados por el creciente campo de la genómica está dando lugar a una identificación más rápida de los genes de las enfermedades, lo que permite a los científicos identificar mutaciones más complejas.

Los cromosomas de la izquierda muestran las posibles ubicaciones de los genes de la enfermedad (identificadas mediante cualquiera de los métodos que se indican a continuación) en los individuos afectados. El área roja en el "cromosoma compuesto" de la derecha indica la superposición de estas regiones y, por lo tanto, la ubicación más probable del gen de la enfermedad.

Procedimiento genérico de identificación de genes

Las técnicas de identificación de genes de enfermedades suelen seguir el mismo procedimiento general. Primero se recoge el ADN de varios pacientes que se cree que tienen la misma enfermedad genética. Luego, se analizan y examinan sus muestras de ADN para determinar las regiones probables en las que podría residir potencialmente la mutación. Estas técnicas se mencionan a continuación. Luego, estas regiones probables se alinean entre sí y la región superpuesta debe contener el gen mutante. Si se conoce una parte suficiente de la secuencia del genoma, se busca en esa región genes candidatos . Luego, se secuencian las regiones codificantes de estos genes hasta que se descubre una mutación o se descubre otro paciente, en cuyo caso se puede repetir el análisis, lo que potencialmente reduce la región de interés.

Las diferencias entre la mayoría de los procedimientos de identificación de genes de enfermedades están en el segundo paso (donde se analizan y examinan muestras de ADN para determinar regiones en las que podría residir la mutación).

Técnicas pregenómicas

Sin la ayuda de las secuencias del genoma completo, las investigaciones pregenómicas se centraron en regiones seleccionadas del genoma, a menudo con un conocimiento mínimo de las secuencias genéticas que estaban analizando. Las técnicas genéticas capaces de proporcionar este tipo de información incluyen el análisis de polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción (RFLP) y el análisis de microsatélites .

Pérdida de heterocigosidad (LOH)

La pérdida de heterocigosidad (LOH) es una técnica que solo se puede utilizar para comparar dos muestras del mismo individuo. El análisis de LOH se utiliza a menudo para identificar oncogenes que causan cáncer , ya que una muestra consta de ADN tumoral (mutante) y la otra muestra (de control) consta de ADN genómico de células no cancerosas del mismo individuo. Los RFLP y los marcadores microsatélites proporcionan patrones de polimorfismos de ADN, que pueden interpretarse como residentes en una región heterocigótica o en una región homocigótica del genoma. Siempre que todos los individuos estén afectados por la misma enfermedad resultante de una manifestación de una deleción de una única copia del mismo gen, todos los individuos contendrán una región donde su muestra de control es heterocigótica pero la muestra mutante es homocigótica: esta región contendrá el gen de la enfermedad. [1] [2]

Técnicas post-genómicas

Con el advenimiento de técnicas de laboratorio modernas, como la secuenciación de alto rendimiento y el software capaz de realizar análisis de todo el genoma, la adquisición de secuencias se ha vuelto cada vez menos costosa y requiere menos tiempo, lo que proporciona importantes beneficios a la ciencia en forma de técnicas de identificación de genes de enfermedades más eficientes.

Mapeo de identidad por descendencia

El mapeo de identidad por descendencia (IBD) generalmente utiliza matrices de polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) para examinar los sitios polimórficos conocidos en todo el genoma de los individuos afectados y sus padres y/o hermanos, tanto afectados como no afectados. Si bien estos SNP probablemente no causan la enfermedad, brindan información valiosa sobre la composición de los genomas en cuestión. Una región del genoma se considera idéntica por descendencia si los SNP contiguos comparten el mismo genotipo. Al comparar un individuo afectado con su hermano afectado, se registran todas las regiones idénticas (p. ej., sombreadas en rojo en la figura anterior). Dado que un hermano afectado y un hermano no afectado no tienen el mismo fenotipo de la enfermedad, su ADN debe ser diferente por definición (salvo la presencia de un modificador genético o ambiental ). Por lo tanto, los resultados del mapeo de IBD se pueden complementar aún más eliminando cualquier región que sea idéntica tanto en los individuos afectados como en los hermanos no afectados. [3] Luego, esto se repite para múltiples familias, lo que genera un pequeño fragmento superpuesto, que teóricamente contiene el gen de la enfermedad.

Mapeo de homocigosidad/autocigosidad

El mapeo de homocigosidad/autocigosidad es una técnica poderosa, pero solo es válida cuando se busca una mutación que se segrega dentro de una población pequeña y cerrada. Una población tan pequeña, posiblemente creada por el efecto fundador , tendrá un acervo genético limitado y, por lo tanto, cualquier enfermedad hereditaria probablemente será el resultado de dos copias de la misma mutación que se segregan en el mismo haplotipo . Dado que los individuos afectados probablemente serán homocigotos en las regiones, observar los SNP en una región es un marcador adecuado de las regiones de homocigosidad y heterocigosidad. Los arreglos de SNP de hoy en día se utilizan para examinar el genoma e identificar grandes regiones de homocigosidad. Los bloques homocigotos en los genomas de los individuos afectados pueden luego colocarse uno sobre otro, y la región superpuesta debería contener el gen de la enfermedad. [4]

Este análisis se suele ampliar analizando la autocigosidad , una extensión de la homocigosidad, en los genomas de los individuos afectados. [5] Esto se puede lograr trazando una puntuación LOD acumulativa junto con los bloques superpuestos de homocigosidad. Al tomar en consideración las frecuencias de alelos de la población para todos los SNP a través del mapeo de autocigosidad, se pueden confirmar los resultados de la homocigosidad. [5] Además, si aparecen dos regiones sospechosas como resultado del mapeo de homocigosidad, el mapeo de autocigosidad puede ser capaz de distinguir entre las dos (p. ej., si un bloque de homocigosidad es el resultado de una región muy no diversa del genoma, la puntuación LOD será muy baja).

Herramientas para el mapeo de homocigosidad

  1. HomSI: un identificador de tramos homocigotos a partir de datos de secuenciación de próxima generación [6] Una herramienta que identifica regiones homocigotas utilizando datos de secuencias profundas.

Estudios de eliminación de genes en todo el genoma

Los estudios de knockdown de todo el genoma son un ejemplo de la genética inversa que se hizo posible gracias a la adquisición de secuencias del genoma completo y al advenimiento de la genómica y las tecnologías de silenciamiento de genes, principalmente el siRNA y el mapeo de deleción . Los estudios de knockdown de todo el genoma implican el knockdown sistemático o la eliminación de genes o segmentos del genoma. [7] Esto se hace generalmente en procariotas o en un entorno de cultivo de tejidos debido a la enorme cantidad de knockdowns que se deben realizar. [8] Una vez que se completa el knockout sistemático (y posiblemente se confirma mediante el análisis de expresión de ARNm), se pueden observar los resultados fenotípicos del knockdown/knockout. Se pueden seleccionar parámetros de observación para apuntar a un fenotipo altamente específico. [8] Luego, el conjunto de datos resultante se consulta para obtener muestras que exhiban fenotipos que coincidan con la enfermedad en cuestión; el gen o los genes knockdown/eliminados en dichas muestras pueden considerarse genes candidatos de la enfermedad para el individuo en cuestión.

Secuenciación del exoma completo

La secuenciación completa del exoma es un método de fuerza bruta que implica el uso de tecnología de secuenciación moderna y herramientas de ensamblaje de secuencias de ADN para unir todas las porciones codificantes del genoma. Luego, la secuencia se compara con un genoma de referencia y se anotan las diferencias. Después de filtrar todos los polimorfismos benignos conocidos, los cambios sinónimos y los cambios intrónicos (que no afectan los sitios de empalme), solo quedarán las variantes potencialmente patógenas. Esta técnica se puede combinar con otras técnicas para excluir aún más variantes potencialmente patógenas en caso de que se identifique más de una. [9]

Véase también

Referencias

  1. ^ Baker SJ, Fearon ER, Nigro JM, Hamilton SR, Preisinger AC, Jessup JM, vanTuinen P, Ledbetter DH, Barker DF, Nakamura Y, White R, Vogelstein B (abril de 1989). "Deleciones del cromosoma 17 y mutaciones del gen p53 en carcinomas colorrectales". Ciencia . 244 (4901): 217–21. Código Bib : 1989 Ciencia... 244.. 217B. doi : 10.1126/ciencia.2649981. PMID  2649981.
  2. ^ Lee AS, Seo YC, Chang A, Tohari S, Eu KW, Seow-Choen F, McGee JO (septiembre de 2000). "Mapeo detallado de deleciones en el cromosoma 11q23 en carcinoma colorrectal". Br. J. Cancer . 83 (6): 750–5. doi :10.1054/bjoc.2000.1366. PMC 2363538 . PMID  10952779. 
  3. ^ Bell R, Herring SM, Gokul N, Monita M, Grove ML, Boerwinkle E, Doris PA (junio de 2011). "Identidad de alta resolución mediante mapeo de descendencia descubre la base genética de las diferencias de presión arterial entre líneas de ratas espontáneamente hipertensas". Circ Cardiovasc Genet . 4 (3): 223–31. doi :10.1161/CIRCGENETICS.110.958934. PMC 3116070 . PMID  21406686. 
  4. ^ Sherman EA, Strauss KA, Tortorelli S, Bennett MJ, Knerr I, Morton DH, Puffenberger EG (noviembre de 2008). "Mapeo genético de aciduria glutárica, tipo 3, al cromosoma 7 e identificación de mutaciones en c7orf10". Soy. J. hum. Genet . 83 (5): 604–9. doi :10.1016/j.ajhg.2008.09.018. PMC 2668038 . PMID  18926513. 
  5. ^ ab Broman KW, Weber JL (diciembre de 1999). "Largos segmentos cromosómicos homocigotos en familias de referencia del centre d'Etude du polymorphisme humain". Soy. J. hum. Genet . 65 (6): 1493–500. doi :10.1086/302661. PMC 1288359 . PMID  10577902. 
  6. ^ Zeliha Görmez; Burcu Bakir-Gungor; Mahmut Şamil Sağıroğlu (febrero de 2014). "HomSI: un identificador de estiramiento homocigótico a partir de datos de secuenciación de próxima generación". Bioinformática . 30 (3): 445–447. doi : 10.1093/bioinformática/btt686 . PMID  24307702.
  7. ^ Luo J, Emanuele MJ, Li D, Creighton CJ, Schlabach MR, Westbrook TF, Wong KK, Elledge SJ (mayo de 2009). "Un análisis de ARNi en todo el genoma identifica múltiples interacciones letales sintéticas con el oncogén Ras". Cell . 137 (5): 835–48. doi :10.1016/j.cell.2009.05.006. PMC 2768667 . PMID  19490893. 
  8. ^ ab Fortier S, Bilodeau M, Macrae T, Laverdure JP, Azcoitia V, Girard S, Chagraoui J, Ringuette N, Hébert J, Krosl J, Mayotte N, Sauvageau G (2010). "Interrogación de todo el genoma de los determinantes del destino de las células madre de mamíferos mediante deleciones cromosómicas anidadas". PLOS Genet . 6 (12): e1001241. doi : 10.1371/journal.pgen.1001241 . PMC 3000362 . PMID  21170304. 
  9. ^ Chen WJ, Lin Y, Xiong ZQ, Wei W, Ni W, Tan GH, Guo SL, He J, Chen YF, Zhang QJ, Li HF, Lin Y, Murong SX, Xu J, Wang N, Wu ZY (diciembre de 2011). "La secuenciación del exoma identifica mutaciones truncantes en PRRT2 que causan discinesia kinesigénica paroxística". Nat. Genet . 43 (12): 1252–5. doi :10.1038/ng.1008. PMID  22101681. S2CID  16129198.
  10. ^ Johnson GC, Esposito L, Barratt BJ, Smith AN, Heward J, Di Genova G, Ueda H, Cordell HJ, Eaves IA, Dudbridge F, Twells RC, Payne F, Hughes W, Nutland S, Stevens H, Carr P, Tuomilehto-Wolf E, Tuomilehto J, Gough SC, Clayton DG, Todd JA (2001). "Etiquetado de haplotipos para la identificación de genes de enfermedades comunes". Nat Genet . 29 (2): 233–7. doi :10.1038/ng1001-233. PMID  11586306. S2CID  3388593.