Генотипирование SNP

Генетическая изменчивость происходит как внутри, так и между различными популяциями, и она способствует вариации признаков, включая восприимчивость к заболеваниям, среди людей. Наиболее распространенными вариациями являются однонуклеотидные полиморфизмы, или SNP. Генотипирование SNP включает в себя определение конкретных наборов вариантов, в данном случае SNP, присутствующих у человека.

В этом видео будут обсуждаться некоторые принципы генотипирования SNP, дано представление о нескольких распространенных методах идентификации SNP и, наконец, о некоторых применениях этих методов.

Для начала давайте обсудим, что такое SNP и как его можно использовать в генотипировании.

"Полиморфизмы" - это аллели, или различные версии генетического локуса, встречающиеся с заметной частотой в популяции и включающие в себя как замены оснований, так и вставки или делеции. Однонуклеотидные полиморфизмы — это вариации на одном основании ДНК. SNP могут встречаться по всему геному, и большинство из них не изменяют структуру белка или экспрессию генов. Тем не менее, они все еще могут быть связаны с заболеваниями из-за их физической близости или «связи» с генетическим вариантом, вызывающим заболевание. С другой стороны, существует несколько известных SNP, которые, как известно, непосредственно вызывают такие заболевания, как муковисцидоз, серповидноклеточная анемия и β-талассемия.

Одним из практических применений генотипирования SNP является персонализированная медицина, где идентификация SNP, связанных с заболеваниями или с дифференциальной реакцией на лекарство или терапию, может помочь врачам лучше диагностировать и лечить пациентов.

SNP также полезны для полногеномных ассоциативных исследований, в ходе которых изучаются сотни тысяч SNP по всему геному, чтобы выявить те, которые связаны с признаками или заболеваниями. GWAS использует группы SNP, известные как «гаплотипы». SNP внутри гаплотипа находятся в «неравновесии сцепления», что означает, что конкретная комбинация вариантов с большей вероятностью, чем ожидалось, случайно, часто в результате их физической близости на хромосоме. Это означает, что гаплотипы могут быть дифференцированы путем генотипирования только небольшого числа отдельных SNP, что делает изучение генетических ассоциаций менее дорогостоящим или трудоемким.

Рассмотрев, что такое SNP и как их можно использовать, давайте рассмотрим несколько из многочисленных методологий, которые были разработаны для генотипирования SNP. К ним относятся прямая гибридизация, методы на основе ПЦР, анализ фрагментов и секвенирование.

Методы прямой гибридизации, такие как массивы SNP, используют короткие олигонуклеотидные зонды для непосредственной идентификации отдельных SNP. Сотни тысяч SNP могут быть протестированы на одном биочипе. Щупы химически закреплены на матрице чипа, обычно в виде предметного стекла. Для обнаружения SNP в образце изолированная геномная ДНК амплифицируется с помощью ПЦР и фрагментируется для повышения эффективности связывания зонда. Затем ДНК помечают, как правило, флуоресцентным маркером, с последующей гибридизацией с чипом. После того, как образец ДНК связывается с зондами, вся несвязанная или неспецифически связанная ДНК смывается. Измеряя сигнал в каждой точке зонда, можно определить наличие целевого аллеля в образце.

Другим методом SNP-типирования является аллель-специфическая ПЦР, в которой праймеры разрабатываются против SNP-содержащих последовательностей таким образом, что они гибридизуются только с идеально комплементарным аллелем. Продукты ПЦР могут быть обнаружены с помощью таких методов, как флуоресцентные метки. В качестве альтернативы, праймеры для ПЦР, расположенные по бокам от представляющего интерес участка SNP, могут быть сконструированы в сочетании с зондом, специфичным для SNP, как в ПЦР-анализе TaqMan. Здесь зонд содержит флуоресцентный маркер, а также молекулу гасителя, которая подавляет флуоресценцию от соседнего маркера. Во время ПЦР только специфически связанная последовательность зонда будет деградировать под действием 5'-экзонуклеазной активности полимеразы, отделяя флуоресцентную метку от гасителя и получая флуоресцентный сигнал, указывающий на наличие конкретного варианта.

Третья категория методов, называемая фрагментарным анализом, включает в себя создание фрагментов ДНК различных размеров или меток на основе наличия или отсутствия определенного SNP. Анализ полиморфизма длины рестрикционного фрагмента использует преимущества строгой специфичности эндонуклеаз рестрикции для их целевых последовательностей, где один аллель расщеплен, а другой нет. В анализе лигирования используются два зонда, расположенных непосредственно рядом друг с другом, один из которых заканчивается на целевой паре оснований SNP. Если SNP-содержащий зонд идеально связывается, может произойти лигирование. Анализ удлинения праймеров включает в себя праймеры, которые связываются на один нуклеотид ниже целевого SNP. Затем этот праймер вариабельно удлиняется в зависимости от присутствующего отдельного аллеля. Фрагменты, полученные с помощью этих методов, затем могут быть дифференцированы с помощью гелевого или капиллярного электрофореза или масс-спектрометрии.

Наконец, секвенирование может очень специфично обнаруживать SNP, а также идентифицировать новые SNP с неизвестными последовательностями. Тем не менее, необходимо проявлять особую осторожность и проводить дополнительные экспериментальные репликации, чтобы отличить фактические SNP от ошибок секвенирования чтения. По мере того, как технологии секвенирования становятся все дешевле и доступнее, исследователи все чаще используют секвенирование для генотипирования.

Рассмотрев, как можно генотипировать SNP, давайте рассмотрим некоторые конкретные применения этих методов.

Генотипирование может быть использовано для различения разновидностей вида с почти идентичным внешним видом. Это достигается путем выделения сначала геномной ДНК, а затем ПЦР с использованием праймеров, предназначенных для связывания последовательностей с известными SNP или другими генетическими вариантами. Эти праймеры будут только амплифицировать ДНК разновидности, содержащей специфический полиморфизм, и, таким образом, могут быть использованы для различения этих двойников.

Исследователи также используют генотипирование для идентификации патогенных бактерий, несущих специфические мутации устойчивости к лекарствам. Оптимизированный протокол SNP-матрицы для условий с ограниченными ресурсами создается путем добавления геномной ДНК и мастер-микса ПЦР непосредственно в чип. Амплификация и гибридизация образца происходят в один этап. Затем матрицы промываются, визуализируются, а результаты анализируются для определения наличия или отсутствия бактерий туберкулеза, а также любых мутаций, устойчивых к лекарствам.

Наконец, SNP могут быть использованы для оценки функции генетических вариантов, которые, как было установлено в ассоциативных исследованиях, увеличивают риск заболевания. Здесь ученые экспериментировали с клеточной линией, которая является гетерозиготной по нейтральному «маркеру» SNP, расположенному в транскрибируемой части интересующего гена, а также с нетранскрибируемым тестовым SNP, который связан с заболеванием. Выбирается отрицательная контрольная клеточная линия, которая является гетерозиготной по маркеру SNP, но гомозиготной по варианту тестируемого SNP, не ассоциированному с заболеванием. Аллель-специфическое удлинение праймера проводили на геномной ДНК, а также на кДНК с обратной транскрибацией из экспрессированной мРНК. Затем продукты удлинения праймера количественно оценивали с помощью масс-спектрометрии MALDI-TOF. Сравнивая относительную распространенность фрагментов, связанных с двумя маркерными аллелями SNP, исследователи могут определить, приводит ли ассоциированный с заболеванием SNP к снижению экспрессии генов.

Вы только что посмотрели видео JoVE о генотипировании SNP. В этом видео была представлена концепция и способы использования SNP, несколько основных методов, используемых для идентификации и характеристики SNP, а также выделены три области применения генотипирования SNP. Как всегда, спасибо за просмотр!