Identificador inválido O identificador 613942AAEA201020PaperDFleming. pdf não corresponde a um Bitstream válido na Pesquisa AgEcon. Isso pode ser devido a uma das seguintes razões: O URL da página atual está incorreto - se você seguiu um link de fora do AgEcon Search, ele pode ser incorreto ou danificado. Você inseriu uma ID inválida em um formulário - tente novamente. Se você estiver tendo problemas, ou você esperava que a ID funcionasse, fique à vontade para entrar em contato com os administradores do site. Todos os papéis estão no formato Acrobat (.pdf). Get Adobe ReaderReplicação de deslizamento Mecanismos de mutação causadora de doenças do rearranjo genômico bruto A variação estrutural no genoma humano é caracterizada por vários tipos diferentes de rearranjos brutos, incluindo deleções, duplicações, inserções (chamadas CNV), bem como inversões e translocações. Quatro principais mecanismos mutacionais são responsáveis por esses SV: recombinação homóloga não-aleatória (NAHR), junção final não homóloga (NHEJ), mecanismos baseados em replicação e retrotransposição L1 (53, 54, 130). NAHR. A análise de seqüência dos pontos de interrupção de 1054 SV identificados nos genomas de 17 indivíduos humanos saudáveis revelou que o NAHR representa 22 inserções e deleções, além de 69 de inversões (130). A maioria desses SVs provavelmente representará polimorfismos neutros, mas 1 pode ser associado à doença. No entanto, algumas SV, aparentemente neutras, parecem predispor a rearranjos estruturais adicionais, como deleções e duplicações, que, por sua vez, dão origem a doenças (131 135). Assim, por exemplo, a heterocigosidade para o polimorfismo de inversão de 970kb do locus MAPT em 17q21.3 predispõe-se aos eventos de NAHR que estão subjacentes à síndrome da micro-deleção 17q21.31 (136, 137). Pode ser que a heterocigosidade de inversão perturbe o aparecimento de cromossomos homólogos durante a meiose, que então promove a NAHR intercromossômica entre as repetições de cópia de baixa inversão (flutuantes), dando origem à supressão de 17q21.3. Durante a meiose, NAHR entre sequências que são não-estruturais (ou seja, paralogous) pode resultar em deleções recorrentes e duplicações que causam distúrbios genômicos específicos. Liu et al. (138) estudaram duas coortes de pacientes com transtornos genômicos recíprocos localizados no cromossomo 17p11.2: síndrome de SmithMagenis associada à deleção e síndrome de PotockiLupski associada à duplicação. Eles relataram que os rearranjos complexos (aqueles com mais de um ponto de interrupção) foram mais prevalentes nos ganhos de números de cópias (17,7) do que nas perdas de número de cópias (2.3), uma observação que apóia um papel para mecanismos replicativos na formação de rearranjos complexos. Com relação aos rearranjos recorrentes mediados por NAHR, a freqüência de cruzamento foi associada positivamente ao comprimento de LCR flanqueador e inversamente influenciada pela distância inter-LCR. Parece, portanto, que a probabilidade de sinapsis do cromossomo ectópico aumenta com o aumento do comprimento da LCR, sendo a sinapsis ectópica um pré-requisito para o cruzamento ectópico. Os achados recentes também indicam que a NAHR representa um mecanismo principal subjacente às translocações recorrentes não balanceadas, que são mediadas por LCRs interchromosomais ou duplicações segmentares localizadas em cromossomos não-homólogos (139). NHEJ. A característica definidora do NHEJ é a ligação da ruptura de duas vertentes (DSB) sem o requisito de homologia extensa, em contraste com a situação associada à recombinação homóloga. A presença de microhomologias terminais (tipicamente 13 pb) facilita o NHEJ, mas isso parece não ser um requisito absoluto, apenas 3050 de todos os SVs no genoma humano se originaram através de eventos NHEJ mediados por microhomologia (53, 140). Embora alguns eventos do NHEJ tenham resultado do reparo de DSBs que se originaram quasi-aleatoriamente, também há muitos casos bem documentados em que as localizações dos DSB iniciadores do NHEJ parecem ser altamente dependentes do ambiente local da sequência de DNA. O papel do contexto da sequência de DNA local na geração de mutações da linha germinal mediada por NHEJ é exemplificado pelo constitucional t (1122) (q23q11), o tipo mais comum de translocação não Robertsoniana recorrente em humanos (141, 142). As seqüências de ponto de interrupção de ambos os cromossomos são caracterizadas por várias centenas de pares de bases de repetições ricas em inverter. Seqüências similares também foram identificadas nos pontos de interrupção de outras translocações não-circulantes (143). Parece que o NHEJ de duas extremidades de diferentes DSBs exige que esses fins fiquem fisicamente na proximidade imediata. Na verdade, os DSBs tendem a sofrer translocações com os cromossomos com os quais compartilham o espaço nuclear (144). Isso fornece um forte suporte para a primeira hipótese de contato, que propõe que as interações entre diferentes DSBs só possam ocorrer se forem colocalizadas no momento do dano do DNA (145). Em consonância com esta hipótese, foi observada proximidade espacial próxima entre vários parceiros de translocação frequentes (146, 147). Uma série de motivos predisponentes de recombinação e seqüências de formação de ADN não B foram encontradas sobre representadas nos pontos de interrupção do NHEJ, indicando a natureza direcionada a seqüência de muitos rearranjos mediados por NHEJ (148, 149). Observou-se também que pelo menos um dos pontos de interrupção dos rearranjos mediados por NHEJ é muitas vezes localizado dentro de elementos repetitivos (como LTRs, LINE ou elementos Alu) e os motivos de sequência capazes de causar DSBs foram freqüentemente identificados na proximidade dos pontos de interrupção Desses rearranjos mediados por NHEJ (150). Importante, os pontos de interrupção de muitas CNVs não recorrentes mediadas pelo mapa de NHEJ para LCRs, sugerindo que LCRs podem promover instabilidade genômica induzindo certas estruturas secundárias de cromatina. Mecanismos baseados em replicação. Deslocamento de replicação ou troca de modelo durante a conta de replicação para deleções pequenas e grandes e duplicações com microtomologias de terminal. Recentemente, modelos baseados em replicação relevantes, incluindo deslizamento de replicação em série (SRS) (151 153). Fork stalling e comutação do modelo (FoSTes) (154). E replicação induzida por ruptura mediada por microhomologia (MMBIR) (155). Que foram coletivamente denominados recombinação dependente de replicação mediada por microhomologia por Chen et al. (156). Foram utilizados para explicar a geração de uma gama diversificada de rearranjos genômicos complexos (154, 157). A quebra de cromossomo induzida por replicação de DNA também foi encontrada como um mecanismo importante causando deleções nas extremidades cromossômicas. Foram descritos diferentes tipos de deleções teloméricas (158). As exclusões de terminal de tipo A são formadas por extremidades cromossômicas que são estabilizadas pela captura de um telômero de outra fonte, enquanto que as deleções de tipo B são realmente deleções intersticiais em direção às extremidades cromossômicas. Em contraste, as deleções de tipo C descrevem o processo pelo qual as extremidades cromossômicas são estabilizadas pela cicatrização de telômeros, ou seja, a adição de novo de telômeros de telômeros em locais não teloméricos. As deleções de terminal associadas a duplicações invertidas (159) podem ser classificadas como tipo A ou tipo C. Recentemente, Hannes et al. (160) conseguiu clonar os pontos de interrupção de nove eletrós de terminais do cromossoma 4p. Todos os nove casos apresentaram exclusões de terminais tipo C. A análise de bioinformática das regiões de flanco de ponto de interrupção envolvidas nestes 9 casos, juntamente com 12 deleções de terminais de tipo C previamente caracterizadas completamente, levou à constatação de que existe um enriquecimento em seqüências de formação de estrutura secundária e motivos de local de retalhamento de replicação nessas regiões em comparação com uma Conjunto de dados de seqüência selecionado aleatoriamente (160). Certas características de seqüência, como microsatélites e regiões ricas em transposão, podem servir para induzir o bloqueio da replicação, atuando como fontes potenciais de instabilidade do genoma (161, 162). Nesta base, Koszul et al. (163) propuseram um mecanismo de dois passos para explicar a geração de grandes duplicações segmentares: Primeiro, uma garfo de replica pausa e colapsa gerando uma quebra cromossômica. Em segundo lugar, a ruptura de cadeia dupla pode ser processada em um novo garfo de replicação, intra ou inter-molecularmente, por um mecanismo semelhante à replicação induzido por ruptura que não precisa necessariamente de uma homologia de sequência longa. Foi este modelo de BIR dependente de microhomologia que foi posteriormente implantado para explicar as mutações do número de cópias causadoras de doenças. No MMBIR, a replicação termina com o engajamento de um modelo desalinhado em vez de reanudar o modelo original, a síntese da segunda vertente segue a síntese do primeiro (revisado em (156)). Na prática, as mutações devidas a SRSFoSTes são muitas vezes indistinguíveis daquelas devidas ao MMBIR. Na verdade, os dois termos às vezes foram usados indistintamente (164, 165). Ankala et al. (166) recentemente propuseram outro mecanismo, as origens aberrantes de replicação, para explicar uma série de lesões complexas em uma série de 62 rearranjos não recorrentes intragenicos dentro de vários genes (principalmente no gene DMD). Enquanto os elementos de seqüência repetitiva foram observados em apenas quatro casos individuais, foram observadas microhomologias (210 pb) em junções de ponto de interrupção em 56 dos casos estudados, inserindo-se inserções que variaram de 1 a 48 pb em 16 dos 62 casos. A sequência proximal aos pontos de interrupção em seis casos individuais de distrofia muscular de Duchenne (DMD) foi caracterizada por repetições em tandem de segmentos curtos (520 pb). A replicação repetida de sequências de modelos proximais aos pontos de interrupção de exclusão mapeados foi tomada como evidência de tentativas pela maquinaria de replicação para ignorar um garfo de replicação parado. Este mecanismo mutacional, baseado no modelo de resgate de replicação sugerido originalmente por Doksani et al. (167). Constitui um novo tipo de evento de deslizamento de modelo. De fato, pode-se ver que microhomologias em pontos de interrupção da CNV podem ser atribuídas à junção final mediada por microhomologia (MMEJ), um mecanismo de reparo de replicação, em vez de um mecanismo baseado em recombinação. Inversões A inversão mais comum encontrada até à data é a associada ao gene do fator VIII (F8), que ocorre através da recombinação intracromossômica mediada por uma sequência de 9,5 kg que é repetida três vezes na última megabase de Xqter uma vez no intrão 22 do gene F8 E duas vezes cerca de 400kb telomérico para o primeiro (239, 240) (Figura 7-10 FIGURA 7-10 Inversão comum do gene do factor VIII (F8) na hemofilia A. (A) Representação esquemática do 1Mb mais distal de Xq. As regiões 1, 2 e 3 representam elementos de DNA altamente homólogos de 9,5kb. As orientações dessas seqüências são mostradas por setas. (B) Recombinação intracromossômica entre os elementos 1 e 3. (C) O cruzamento resulta na inversão dos exões 122 do Gene F8). A maioria das inversões, que são eventos recorrentes independentes de alta freqüência, envolvem a seqüência distal. A grande maioria das inversões ocorre em células germinais masculinas (241). Talvez porque a recombinação intracromossômica é inibida pela presença de cromossomos X homólogos (estima-se que o sexo feminino seja de aproximadamente 300: 1). Quase todas as mães de inversão dos casos de hemofilia A são portadores da anormalidade. O diagnóstico de DNA da lesão molecular na hemofilia grave A foi grandemente facilitado pela ocorrência freqüente dessa inversão comum do gene F8 (45 dos indivíduos com hemofilia A grave). A freqüência de inversão de genes F8 de novo foi estimada em 7,210 6 por jogo por geração. Outro exemplo de inversão foi descrito no gene IDS (também em Xq) em cerca de 13 dos casos de síndrome de Hunter (242). As inversões de seqüências de DNA também foram relatadas no agrupamento de genes - globina em 11p e no agrupamento de genes APOA1-APOC3-APOA4 em 11q (243, 244). Uma meta-análise de inversões de 5 pb, mas lt1kb foi realizada por Chen et al. (152). Das 21 mutações estudadas, 19 foram consideradas compatíveis com um modelo de deslizamento de replicação serial intracromossômica em trans (SRStrans) mediado por repetições invertidas curtas. Dezoito (uma inversão simples, seis inversões que envolvem a substituição da seqüência por seqüência a montante ou a jusante (DSS), cinco inversões envolvendo a reinserção parcial da seqüência removida e seis inversões que ocorreram em um contexto mais complicado) foram encontradas consistentes com Dois passos de SRStrans intracromossômicos ou uma combinação de deslizamento de replicação em SRStrans cis mais intracromossômicos. A lesão remanescente, uma duplicação segmentar de 31 kb associada a uma pequena inversão no gene SLC3A1, foi explicável em termos de um modelo SRS modificado incorporando o conceito de replicação induzida por ruptura. Este estudo, portanto, deu um amplo apoio à idéia de que os SRStrans intracromossômicos podem explicar uma variedade de rearranjos de genes complexos envolvendo inversões. Outros tipos de reorganização complexa Os eventos mutacionais complexos que envolvem duplicações grossas combinadas, deleções e ou inserções de seqüência de DNA não foram observados raramente e, em conjunto, constituem 1 das entradas na HGMD. Um exemplo desse tipo de defeito de gene é uma deleção de 10,9 kb associada a uma inversão de 95 pb no gene do factor IX (F9) que causa a hemofilia B (293). A caracterização molecular deste tipo de lesão geralmente é extremamente complicada e, na maioria dos casos, os mecanismos mutacionais subjacentes não podem ser facilmente inferidos. Recentemente, no entanto, uma meta-análise de 21 rearranjos de genes complexos derivados da HGMD revelou que todos, exceto um, poderiam ser explicados por um modelo de SRS, envolvendo rodadas gêmeas ou múltiplas de replicação (151). Assim, dos 20 rearranjos de genes complexos, 19 (7 deleções duplas simples, 1 deleção tripla, 2 eventos mutacionais duplos que compreendem uma deleção simples e uma inserção simples, 6 indels simples que podem constituir uma classe de conversão de genes não catalítica e não-canônica e 3 Indels complexos) eram compatíveis com o modelo de SRS em cis em contraste, o indel restante no gene MECP2 parece ter surgido através de deslizamento de replicação intercromossômica em trans. Um novo tipo de rearranjo genômico complexo, que inclui duplicações misturadas e triplicações de segmentos genômicos, foi descrito recentemente nos dois locais MECP2 e PLP1 (294). Esses rearranjos complexos compartilham uma organização genômica comum, a saber. Uma duplicação de duplicação de duplicação de duplicação (DUP-TRPINV-DUP), em que o segmento triplicado é invertido e localizado entre segmentos genômicos duplicados orientados diretamente. As estruturas DUP-TRPINV-DUP parecem ser mediadas por repetições invertidas, até gt300kb. Leia o capítulo completo DNA Diversidade As tecnologias de DNA revolucionaram a genética populacional, fornecendo uma quantidade sem precedentes de diversidade genética para análises críticas e testes de hipóteses. Eu reviso brevemente esses desenvolvimentos dramáticos, desde marcadores de DNA moleculares (extra-nucleares, mitocondriais, cloroplastos e nucleares) até o polimorfismo de seqüência. Diversidade do MtDNA O MtDNA é largamente herdado maternalmente não-re-combinado e demonstra um rápido ritmo de evolução e um extenso e alto nível de restrição intraespecífica. O PCR e o polimorfismo de sequência derivam principalmente da substituição de bases com uma preponderância de transições, variação de comprimento, rearranjos de seqüências e duplicações de seqüências de codificação (Avise, 1994). Por isso, a relevância não é apenas para as filogenias em larga escala, mas também para a divergência micro-geográfica, ou seja, para a filogeografia intraespecífica, a ponte recentemente estabelecida entre genética populacional e sistemática. A quantidade de polimorfismo de mtDNA dentro da espécie e a heterogeneidade da sequência é impressionante. Notavelmente, surgiu um cenário diferente para o mtDNA da planta em animais. Enquanto o mtDNA animal varia em tamanho de 14 a 26kb de comprimento, o de plantas (por exemplo, milho) é aproximadamente 30 vezes maior. A maioria dos polimorfismos no mtDNA da planta é atribuível a grandes reorganizações da sequência. O nível de polimorfismo de mtDNA em animais superiores é várias vezes maior que o de DNA nuclear de cópia única. A herança materna e o alto polimorfismo do mtDNA e o ensaio do mtDNA inteiro por PCR longa fornecem oportunidades únicas para estudos evolutivos da população de animais e plantas em ambas as escalas micro e macrogeográficas. Contribuem para a história natural, estrutura populacional e assinatura, fluxo de genes, hibridação, biogeografia. Filogenia e conservação biológica. Os genomas mitocondriais são cada vez mais utilizados para estudar divergências antigas entre os grupos de animais. Estudos recentes de Curde e Koder (1999) de sequências completas de DNA mitocondrial atingiram conclusões um tanto heréticas, levantando questões sobre o uso de seqüências de genes mitocondriais para estudar as relações entre linhagens altamente divergentes. Outros estudos documentaram a evolução convergente da ordem dos genes mitocondriais, duvidando a utilização desses caracteres para análise filogenética. O uso de genomas mitocondriais para estudar tais divergências profundas está sendo submetido a um escrutínio aumentado, e esses novos resultados precisam ser confirmados com dados de genes nucleares. Resumo Comparativo das Distâncias Genéticas nos Vertebrados do Citocromo Mitocondrial b Gene O citocromo mitocondrial b está entre os genes mais extensamente sequenciados até à data nos vertebrados. Johns e Avise (1998) empregaram aproximadamente 2000 sequências de genes do citocromo b de GenBank para calcular e comparar os níveis de distância genética entre espécies irmãs, espécies congéneres e gêneros confamiliais dentro e entre as principais classes taxonômicas de vertebrados. Os resultados dessas análises paralelamente e reforçam algumas das tendências principais nas estimativas de distância genética derivadas de aloimas de multilocus. Em particular, os táxons aviários pesquisados, em média, mostram significativamente menos divergência genética do que os taxa do mesmo ranking pesquisados em outros grupos de vertebrados, notadamente anfíbios e répteis. Comparações do genoma de cloroplastites A evolução do genoma de cloroplasto (cpDNA) também é muito dinâmica, indicando a transferência de genes para o núcleo. Entre os 210 genes de codificação de proteínas diferentes contidos nos genomas de cloroplasto completamente sequenciados de um glaucocistofito, um Rhodophyte, um diatomáceo, um euglenophyte e cinco plantas terrestres, Martin e colegas identificaram em 1998 o conjunto de 45 genes comuns a cada um e a um Genoma do outgroup de cianobactérias. Influência filogenética, com um alinhamento de 11.039 posições de aminoácidos por genoma, indica surpreendentemente que as perdas independentes de genes paralelos em linhagens múltiplas superam as perdas phylogenetically únicas em mais de quatro para um. Eles identificaram homólogos de 44 proteínas codificadas por plastidios diferentes como genes nucleares funcionais da origem do cloroplasto, fornecendo evidências de transferência de genes endosimbióticos para o núcleo nas plantas. A diversidade de cpDNA no pinheiro lodgepole foi alta dentro das populações, com pequena (gt5) diferenciação entre as populações, em contraste com o padrão mtDNA como mostrado por Hamrick e Godt em 1990 (como citado em Mitton, 1997. p. 71). A extensa diversidade inespecífica de cpDNA pode, em algum momento, exceder a diversidade interespecífica, refletindo ecologias dinâmicas e afetando gravemente as conclusões filogenéticas, como nas espécies de pântanos Draba. SSRs de Repetição de Seqüência Simples (SSRs) consistem em repetições em tandem de motivos de nucleótidos relativamente curtos, como o TCCTCCTCCTCC. O número de repetição de microssatélites pode variar de dois (TA) ou três (GA) a algumas dúzias (GCAA), enquanto os minisatellites geralmente consistem em muitas dúzias ou mesmo em centenas de motivos repetidos. Significativamente, os SSR experimentam mutação em taxas notavelmente mais altas do que as seqüências não-competitivas: 10 2 a 10 3 por locus, por jogo, por geração, o que leva ao seu alto polimorfismo. O deslizamento da replicação, a troca de cromátides da irmã, o cruzamento desigual e a conversão de genes podem causar diversidade de microsatélites. O deslizamento da replicação parece desempenhar um papel importante na produção de novos alelos em loci de microsatélites (Goldstein e Schlotterer, 1999). Os SSRs são caracterizados por altas taxas de perda ou perda específicas do site e reversíveis no número de repetições em tandem de um motivo de DNA curto. Importante, a recente geração crítica de genética populacional e dados cromossômicos específicos derivados de Li e colegas em 1999 em nosso laboratório indicam distribuições cromossômicas e ambientais genômicas maciças de microsatélites. Sugerindo que eles são submetidos à seleção natural, gerando complexos adaptativos em contraste com as expectativas da teoria neutra. As propriedades funcionais dos SSRs sugerem um efeito evolutivo sobre a mutabilidade, como recentemente concluiu King e Soller (como citado em Wasser, 1999). Muitos SSRs são integrados funcionalmente no genoma e exercem um efeito regulatório quantitativo sobre a atividade de transcrição de genes que afetam fenótipo e aptidão física. Os genes associados a SSRs podem ser favorecidos por seleção indireta sempre que a variação quantitativa nos traços afetados pode fornecer uma população com resiliência genética para adaptação, especialmente em ambientes estressantes, flutuantes ou heterogêneos. Tais genes ajustáveis podem fornecer uma fonte prolífica e evolutivamente significativa de variação genética quantitativa. A diversidade de nucleotídeos do genoma nuclear humano foi estimada em aproximadamente 0,1. Para duas sequências selecionadas aleatoriamente, este número se traduz em um site polimórfico para 1000 nucleótidos (ou, em uma amostra de grande seqüência, um site polimórfico é esperado para cada 2005). Uma vez que o genoma nuclear humano contém aproximadamente 3 bilhões de nucleótidos, espera-se que vários milhões de sites polimórficos existam. Polimorfismo de nucleotídeo único Os SNPs são as variações de sequência de DNA mais freqüentemente encontradas em genomas de animais e plantas. Geralmente seguido por SSRs, RAPDs e allozimas. Pesquisas SNP recentes em seres humanos relataram diferentes taxas de polimorfismo entre as classes de sites dentro de genes (não codificados, degenerados e não germinados), bem como entre genes. De todos os SNPs de codificação, 54 conduzem à alteração prevista na sequência da proteína. Como esperado, os SNP de codificação que alteram a sequência de aminoácidos da proteína codificada são encontrados a uma taxa menor e com frequências de alelos inferiores às substituições silenciosas. Isto foi interpretado como um reflexo da seleção contra alelos deletérios durante a evolução humana. A determinação de alelos ancestrales a partir de polimorfismos SNP humanos tornou-se disponível utilizando arrays de oligonucleótidos de alta densidade. Um mapa densamente empacotado de sites SNP humanos poderia identificar eficientemente genes associados a doenças por desequilíbrio de ligação entre conjuntos de marcadores adjacentes e destacar a história humana. Nas plantas, o polimorfismo do SNP tem sido associado à eficiência da transcrição, sites de amassar não consenso e expressão gênica. As seções a seguir abordam os resultados da diversidade e divergência genética em escalas globais, regionais e locais baseadas principalmente em resultados obtidos no Instituto de Evolução desde 1979. Leia o capítulo completo Charles Thornton. Em Muscle. 2012. Genética e Mecanismo de Expansão de Repetição O genoma humano contém 1,1 milhão de repetições em tandem simples (STRs) nas quais as sequências de repetição de di, tri ou tetra-nucleótido são organizadas em matrizes de cabeça para cauda (9). O número de STRs é muito maior do que o esperado por acaso, sugerindo que eles oferecem uma vantagem seletiva ou que existe um mecanismo para propagá-los no genoma. Devido à sua natureza repetitiva, os STRs são intrinsecamente propensos ao deslizamento da replicação durante a síntese do DNA (10,11). A maioria dos erros de deslizamento são reconhecidos e reparados corretamente por proteínas na via de reparo de incompatibilidade. No entanto, erros que não são reparados resultam em extensão ou contração de um intervalo de repetição por uma ou mais unidades (12). Por este mecanismo, os STRs têm frequências de mutação elevadas de 10 a 10 a 5 vezes acima do fundo genômico, com repetições mais longas com freqüências mais altas (13,14). Na ausência de pressão seletiva, a mutabilidade do STR conduzirá inevitavelmente à geração de séries alélicas, em que um espectro de diferentes comprimentos de repetição é observado em um locus particular na população em geral. Para STRs que se enquadram em genes ou regiões reguladoras, essas diferenças podem ter efeitos sutis na função gênica (15). Um papel potencial dos STRs, portanto, é criar flexibilidade no genoma em sites específicos, consistindo em mudanças no comprimento repetido, com conseqüências funcionais que são moduladoras e não catastróficas. A flexibilidade deste tipo pode conferir os benefícios da rápida adaptação e maior evolução (15,16). As vantagens putativas dos STRs, no entanto, podem ocorrer à custa de doenças associadas a expansões de repetição instáveis (UREs). DM1, DM2 e mais de 15 outros distúrbios genéticos são causados por STRs que se tornam altamente expandidos e extremamente instáveis. Esse comportamento só é exibido por uma pequena fração de STRs, sugerindo que a transição de STR para URE é condicionada por características locais da paisagem do genoma. Estudos de genética populacional sugerem que UREs resultam de eventos mutacionais incomuns em que grandes STRs normais, com mais de 20 repetições, expandem para um intervalo anormal, com mais de 40 ou 50 repetições (17). Tendo atingido esse tamanho e, dependendo das propriedades biofísicas específicas da sequência de repetição, o URE nascente pode então tornar-se altamente instável. A maioria dos UREs envolve CTG: CAG ou CCG: repetições CGG, que são sequências ricas em GC que apresentam propensão para formar grampos de DNA de cadeia simples. Estabilizado por CG e CG basepairs na haste do hairpin (11). Formação de grampos de cabelo, como loopback extra-helicoidal de DNA repetitivo. É estimulado por processos que envolvem a separação de strand, como o reparo de DNA. Replicação do DNA. Ou transcrição. Os dados atuais sugerem que o mecanismo básico que impulsiona a instabilidade das repetições expandidas é o reparo incorreto, por proteínas normais na via de reparo incompatível, dessas estruturas fechadas. Este conceito contra-intuitivo é sugerido por estudos em que os componentes da via de reparo de incompatibilidade foram eliminados. Por exemplo, a ablação de proteínas de reparo de incompatibilidade MSH2 ou MSH3 teve o efeito esperado de aumentar a freqüência de mutações STR em todo o genoma, porque os erros de deslizamento de replicação não foram compensados. No entanto, em UREs, observou-se o efeito oposto, as repetições expandidas foram estabilizadas (18,19). A instabilidade dos URE também foi afetada pela transcrição. A instabilidade das repetições de CTGCAG foi aumentada pela transcrição através do trato de repetição em uma direção (20). E ainda agravada pela transcrição em ambas as direções (21,22). Um processo conhecido por ocorrer no locus DM1 nas células musculares (23). O acoplamento da transcrição com reparo de DNA incorreto pode produzir instabilidade CTGCAG mesmo em células não divisórias (20). Que presumivelmente explica a notável instabilidade da expansão do DM1 no músculo esquelético e cardíaco. Indivíduos com DM1 clássico geralmente herdam um alelo com várias centenas de repetições de CTG, mas continuam a desenvolver expansões de 20005000 repetições no músculo esquelético e coração, os tecidos que expressam DMPK mais altamente (2427). Em DM1, como em outros distúrbios de expansão repetidos, a idade de início e a gravidade da doença dependem do tamanho da repetição expandida (28,29). Os indivíduos não afetados têm 537 repetições CTG no DMPK. Expansões de 50100 CTG repetições estão associadas com doença leve e sintomas de início tardio. Expansões de mais de 1000 repetições estão associadas a doença grave que geralmente começa no útero (DM1 congênita). A maioria das mutações DM1, no entanto, situa-se entre estes extremos. Para indivíduos com expansões de 100 a 600 repetições, há uma correlação aproximada do comprimento da repetição com a gravidade da doença, mas o poder preditivo do tamanho da repetição é relativamente fraco. Após a transmissão intergeracional, o tamanho da expansão normalmente aumentará em mais de 100 CTG repete em uma única geração o evento genético subjacente à antecipação (29). É importante notar, no entanto, que as correlações do comprimento da repetição com a gravidade da doença foram estabelecidas utilizando DNA a partir de leucócitos circulantes. Um tecido que não é representativo do músculo esquelético ou cardíaco. Estudos de músculo esquelético ou cardíaco mostraram que as expansões são de 2 a 13 vezes maior do que as encontradas em amostras de sangue (24,25). Atualmente, não há estudos que abordem a relação entre a gravidade da doença e o comprimento da expansão no DNA do tecido muscular. O limite de comprimento para repetições de CCTG causando DM2 está menos bem definido. Quase todos os indivíduos afetados têm mais de 1000 repetições CCTG em ZNF9. O comprimento médio de repetição é de cerca de 5000 repetições e alguns indivíduos têm expansões de mais de 10.000 repetições (30). Como no DM1, a repetição de CCTG expandida é instável em células somáticas, tornando-se maior no músculo do que no sangue periférico (26). Em resumo, a instabilidade da expansão de repetição de CTG resulta em extrema variabilidade do fenótipo DM1. As circunstâncias genéticas que levaram à expansão inicial, que provavelmente incluem a transcrição bidirecional e outras características ainda não descobertas no locus DM1, causam instabilidade repetida de CTG em células somáticas ao longo da vida de um indivíduo afetado. O crescimento da expansão pode ocorrer em células não divisórias e é particularmente dramático no músculo esquelético e no coração, o que pode revelar-se um determinante chave do início dos sintomas e da progressão da doença. Leia o capítulo completo Capítulo: Protein Homorepeats Dinâmica evolutiva dos Homorepeats As regiões de proteínas Homorepeat são codificadas por extensões repetidas em tandem de DNA conhecidas como microsatélites (Charlesworth et al., 1994). Os microsatélites diferem da maioria dos outros tipos de seqüências de DNA em seu polimorfismo excepcionalmente elevado (Goldstein e Schltterer, 1999). Dependendo do organismo, a taxa de mutação dos microsatélites é várias ordens de grandeza maior (10 3 10 6 por locus por geração) do que a taxa da sequência de DNA única (Weber e Wong, 1993 Ellegren, 2000). A taxa também depende do comprimento total dos loci longos microssatélites individuais mutate mais frequentemente do que os curtos (Wierdl et al., 1997 Brinkmann et al., 1998). Uma série de estudos sugere que a instabilidade homorepeat pode ser tanto intergeracional como somática (Brouwer et al., 2009). Os mecanismos de mutação que contribuem para o polimorfismo de comprimento em loci microsatélites ainda são uma questão de debate. No entanto, uma quantidade crescente de evidências sugere um modelo baseado em deslizamento de replicação (Levinson e Gutman, 1987 Ellegren, 2000). De acordo com este modelo, quando o deslocamento incorreto da cadeia ocorre dentro de uma região de microssatélites durante a síntese de DNA, isso pode resultar no ganho ou perda de uma ou mais unidades repetidas, dependendo se a cadeia de DNA recentemente sintetizada ou a cadeia do modelo respectivamente se deslocam 6 Fig. 6 Modelo de mecanismo molecular de mutação de microsatélites com base no deslizamento de replicação. As unidades de repetição de DNA são mostradas por setas e numeradas dentro de cada cordão.). Alguns dados sugerem que os loops de repetições altamente expansíveis podem formar estruturas em forma de hairpin tanto com WatsonCrick quanto com pares de bases incompatíveis (Mirkin, 2006). The homorepeat regions of proteins consist predominantly of homocodons (the same type of codons) and they do not have an apparent GC or AT nucleotide base bias relative to the organisms transcriptome (Faux et al. 2007 ). In general, transition substitutions within the codons are more common than transversions (Collins and Jukes, 1994 Morton, 1995 ) however, most of the homorepeats comprise a homocodon interrupted by a single base transversion (Faux et al. 2007 ). Disruptions of homocodons are likely to reduce the rate of slippage mutation as shown in S. cerevisiae (Rolfsmeier and Lahue, 2000 ), probably by reduction of DNA loop formation during tandem repeat replication. Thus, on one hand, the homorepeat regions evolve more rapidly than the rest of the gene but, on the other hand (see Section III. C), their expansion may be toxic to the cells. This suggests that the homorepeat expansion and contraction is under a strong control by a number of factors including DNA replication, repair, and modification machineries (Karlin et al. 2002 Cleary and Pearson, 2003 Feschenko et al. 2003 ). Given the fact that the homorepeat regions are harmful to the organisms, it is unclear as to why the instability of homorepeat regions be maintained throughout evolution Recently, it was shown that homorepeat instability can have positive phenotypic effects. For example, homorepeat expansion and contraction within cis - regulatory elements of developmental genes is linked to morphological changes in dog breeds (Fondon and Garner, 2004 ). This observation offers the hypothesis that the repeat length instability is a major source of phenotypic variation in evolution (Fondon and Garner, 2004 ). Read full chapter Chapter: Chapter 28 Forensic DNA typing technologies: a review Angel Carracedo, Beatriz Sobrino, Mara Victoria Lareu. in Handbook of Analytical Separations. 2008. DNA polymorphisms Hidden in the 3 billion base pairs of DNA of the haploid human genome are an estimated number of 30,000 genes 3. All human genes are encoded in 5 of the human genome. Thus, the great majority (more than 90) of the human genome represents non-coding parts of the genome as they do not contain genetic information directly relevant for protein synthesis. Genetic variation is rather limited in coding DNA with the exception of the HLA region. This is due to the fact that expressed genes are subjected to selection pressure during evolution to maintain their specific function. In contrast, the non-coding part of the genome is not mainly controlled by selection pressure, and thus mutations in these regions are usually kept and transmitted to the offspring leading to a tremendous increase in genetic variability. Therefore, these regions are very appropriate for forensic genetics because they are very informative, and at the same time not useful for drawing conclusions about the individual other than for identification purposes. An important percentage of the non-coding DNA (50) consists of repetitive sequences that can be divided into two classes: tandemly repetitive sequences and interspersed elements. The majority of forensic typing systems in current use are based on genetic loci with tandem repetitive DNA sequences. Tandemly repeated sequences can be found in satellite DNA. but from the forensic point of view regions of repetitive DNA much shorter than satellite DNA are much more interesting. These regions can be classified into minisatellites 1 and microsatellites or STRs 4,5. Minisatellites, otherwise known as variable number of tandem repeats (VNTRs) loci 6 are composed of sequence motifs ranging from around 15 to 50bp in length, reiterated tandemly for a total length of 500bp20kb. STRs are much shorter. The repeat unit ranges from 2 to 6bp for a total length between 50bp and 500bp. In addition, minisatellites and STRs have differences in their distribution in the human genome and probably in their biological function. Thus, minisatellites are more common in subtelomeric regions, whilst STRs are widely distributed throughout the human genome, occurring with a frequency of 1 locus every 610kb 7. The origin of the variability seems to be different as well. Whilst unequal crossing over and even gene conversion are involved in the variability of minisatellites, replication slippage is mainly involved in the origin of the variability in microsatellites 8. The genetic variation between individuals in these minisatellites and STR systems is mainly based on the number of tandemly arranged core repeat elements however, it is also based on differences in the DNA sequence itself, since the repeats can have slight differences in the sequence. After the efforts of the human genome project, another source of variation has attracted the interest of forensic geneticists: the single nucleotide polymorphisms or SNPs. These represent the most simple type of polymorphisms (a simple variation in a single base) and they are usually biallelic markers. More than 11 million SNPs have been identified so far and the HapMap project 9 has provided information about the distribution of these SNPs in haplotype blocks in the human genome. Read full chapter Chapter: Large Tandem Repeats Make up the Chromosome Bar Code Olga Podgornaya, Ekaterina Gavrilova, Vera Stephanova, Sergey Demin, Aleksey Komissarov. in Advances in Protein Chemistry and Structural Biology. 2013. Satellite DNA in the Mouse Genome TEs-related tandem repeats Two families have structural similarity to TEs (Table 1.3 ). In both cases, an array is formed by a large monomer with a low degree of diversity and a similar GC content. The second family, L1-related TRs, included part of the ORF2 and 3LTR (Fig. 1.3 A). In order to map TE-related arrays to the reference genome. two rules were applied. First, a TR hit at a chromosome locus counts as positive only when the alignment length is more than 2850bp (95 from the original TR array limit of 3kb). Second, a hit is counted as a single when the distance between two hits is less than 150bp (5). These rules allowed us to reduce the redundancy for some of the TE-related TR that came to the same locus with certain displacement discarded. After applying these rules, 284 hits with precise positions remained. Most of the loci found for TR-L1 family do not exceed 5kb. For TR-MTA family, we found two loci with array length of about 10kb. All loci were displayed on the banded chromosomes. There is no obvious regularity in TR-MTA family distribution, probably due to the limited amount of the arrays found (Fig. 1.3 B, gray). The TR-L1 family definitely is enriched in heterochromatic bands, and the concentration on the chromosome X is visible (Fig. 1.3 B, black). At the same time, no TE-related TR is found on the Y chromosome. Validation of these findings by FISH is technically challenging because the LTRs of other retroelements may obscure the results. Heterochromatic regions are known to be enriched with LINE elements (Waterston et al. 2002 ). Although mammalian TEs represent almost half the DNA sequences in mammalian genomes, they are disproportionately understudied. Still, some intimate connection exists between TE and TRs. The genome contains many types of TRs that have been generated from TE fragments that have spread by processes such as replication slippage or unequal crossing-over, and appear as spurious clusters or interruptions. Clusters that contained many interruptions of the same TE were screened in the human genome for possible TR. A total of 40 clusters were found that contained tandemly repeated TE fragments (Giordano et al. 2007 ). So, the existence of the TE-related superfamily in the mouse genome is not surprising. But we did not find prolonged TR clusters based on TE-related TRs though the amount of such TRs is sufficient to form a distinct group (Table 1.3 Fig. 1.2 Figure 1.2 Tandem repeat array distribution. The graph of tandem repeat array distribution was done in Mathematica 7.0. Each circle represents one array found in WGS assemblies. Each family was colored according to Table 1.2 in different degrees of gray. X axismonomer length (bp) up to 2kb Y axisGC content is normalized to 1 Z axispercentage of similarity between monomers inside array. (A) The graph of tandem repeat array distribution in the mouse WGS assemblies. Each circle represents one array. Main families positions are indicated by circles. (B) The graph of tandem repeat arrays distribution in the reference genome. Main families positions are indicated by circles. The MaSat and TRPC-21A-MM are marked by arrows. ). We suppose that different parameters of TRs search will allow finding of such clusters. Read full chapter
No comments:
Post a Comment