02 marker phân tử sinh thai hoc phan tu - ts tran hoang dung

1. SINH THÁI HỌC
PHÂN TỬ
Phần 2:
Marker phân tử
TS Trần Hoàng Dũng
tranhoangdung1975@yahoo.com
ĐT: 01222999537

2. Marker phân tử là gì và
ứng dụng
– Là các đặc điểm di truyền và biến đổi được của RNA, DNA,
protein được dùng để nhận dạng:
– Vị trí trong bộ gene (bản đồ gene)
– Tế bào và mô (ung thư...)
– Cá thể (phân tích huyết thống, pháp y...)
– Quần thể
– Loài
– Nhóm trên loài
– Yếu tố chỉ thị giúp suy luận ra các quá trình tiến hóa và sinh
thái

3. Marker phân tử là gì và ứng
dụng
– Marker phân tử cung cấp thông tin sinh học đa dạng về:
– Hệ thống giao phối
– Cách thức và con đường di cư
– Trung tâm đa dạng di truyền trong mỗi loài
– Đa dạng sinh học vi sinh vật
– Có nhiều loại marker phân tử khác nhau

4. Cách chọn marker phân tử
Cách thức di truyền
– Hai cha mẹ
– Nhiễm sắc thể (NST) thường
– Một cha/mẹ
– Trên NST giới tính
– NST W của chim chỉ truyền từ mẹ sang con
– NST Y của thú chỉ truyền từ cha
– Trên bào quan
– Ti thể thú chỉ truyền từ mẹ
– Ti thể một số loài cây truyền từ cha
– Lục lạp thường chỉ truyền từ mẹ

5. Cách chọn marker phân tử
Tốc độ tiến hóa
– Tùy vào vấn đề nghiên cứu, marker hữu dụng nhất có thể là loại tiến
hóa rất nhanh, khi:
– Nhận dạng cá thể
– Khảo sát quan hệ huyết thống trong nhóm huyết thống và quần thể
– Di cư (dòng chảy gene) giữa các quần thể
– Hoặc nhanh vừa:
– Lịch sử hình thành một loài
– Nhận dạng một đơn vị bảo tồn
– Đánh giá sơ bộ đa dạng di truyền (mã vạch DNA)
– Hoặc chậm:
– Phân tích phát sinh loài mức độ sâu
– Quá trình tiến hóa các đặc điểm và bộ gene

6. Cách chọn marker phân tử
Trội so với đồng trội
– Marker trội: một allele trội sẽ che phủ các allele khác,
không thể quan sát thấy toàn bộ kiểu gene của cá thể
– Dễ nhận diện, có thể cho điểm hàng chục hàng trăm cái cùng
lúc
– Cung cấp ít thông tin, cần thêm các giả định, khó phân tích
– Trong quá khứ từng rất thông dụng, nhưng nay thì có nhiều lựa
chọn tốt hơn
– Marker đồng trội: có thể quan sát thấy toàn bộ kiểu gene,
phân biệt ngay đồng hợp tử và dị hợp tử
– Rất hữu dụng nhưng khó nhận diện hơn marker trội

7. Cách chọn marker phân tử
Hạn chế về kỹ thuật, chi phí

8. Cách chọn marker phân tử
Hạn chế về kỹ thuật, chi phí

9. “Dòng lũ” thông tin
– Có thể dễ dàng thu nhận rất nhiều dữ liệu trình tự
với chi phí thấp
– Khó khăn chủ chốt đó là chi phí phân tích và lưu trữ
– Hiện vẫn còn nhiều dữ liệu trình tự chưa được
khám phá
– Cần những nhà “tin – sinh học”

10. Phân tích dữ liệu –
tin sinh học NGS
– Giải trình tự ngay từ đầu – dùng khi xác định trình tự bộ gene
của một loài mà không có sẵn một bộ gene tham khảo khác –
“lắp ráp”
– Tái giải trình tự – có sẵn các bộ gene khác để tham khảo – “lập
bản đồ”, tái giải trình tự:
– Bộ gene của nhiều cá thể
– So sánh tế bào khối u với tế bào bình thường
– Một bộ phận của bộ gene: vùng mã hóa protein, vùng bám nhân tố
phiên mã, vùng bám histone, vùng bị methylat hóa,…
– Một số gene nào đó, vd gene BRAC1 (gene liên quan đến nguy cơ
ung thư vú)

11. Không thể đơn thuần đánh
giá giữ liệu bằng mắt – QC
– Có các phương pháp tự động để đánh giá chất lượng dữ liệu
– Công cụ “gọi base” (basecaller) – xác định các basevà gán các giá trị
chất lượng
– Phred – scored QV = -10log10P
– P – xác suất của một lần gọi base sai
– 10 – 1/10 xác suất sai; 20 – 1/100 xác suất sai; 40 – 1/10000 xác suất sai
– Cắt bỏ đi các base chất lượng kém

12. Lắp ráp cả bộ gene
– Sẽ khá đơn giản nếu
– Đoạn đọc dài – sự thật là đoạn đọc thường ngắn (100 – 1000 bp)
– Không có sai hỏng trong giải trình tự – sự thật là THƯỜNG XUYÊN
sai (0,1 – 10%)
– Bộ gene không có các đoạn lặp – sự thật là bộ gene sinh vật nhân
chuẩn có RẤT NHIỀU đoạn lặp
– Kết luận là giải trình tự bộ gene ngay từ đầu rất khó khăn, và
cần phải có các thông tin thêm
– Dòng hóa các thể truyền (vector) chèn đoạn lớn
– Thư viện bắt cặp (mate-pair)

13. Các đoạn lặp trong bộ gene
– Bắt nguồn từ quá trình nhân đôi
– Quá trình nhân đôi có thể liên quan đến
hiện tượng tái tổ hợp trong giảm phân
hay hoạt động của các thành tố linh
động
– Kết quả là hình thành các đoạn y hệt
hoặc gần giống trong nhiều phần của bộ
gene – paralog
2 kb Các đoạn trình tự y hệt hoặc gần giống
Các đoạn trình tự khác nhau

14. Lắp ráp từ đầu
– Nếu các đoạn đọc quá ngắn (100, 200,… bp), không thể gán vào một đoạn lặp
xác định, thì không thể lắp ráp được vùng gene
– Cách giải quyết là neo đoạn đọc vào một đoạn trình tự đặc thù – bắt cặp (mate-
pair)
– DNA bộ gene được cắt thành từng đoạn lớn có kích thước cho trước (3 kb, 5
kb, 10 kb) – mỗi đoạn được giải trình tự 2 đầu bằng các đoạn đọc ngắn – ở đây
đã biết trước khoảng cách giữa các đầu đoạn
2 kb Các đoạn trình tự y hệt hoặc gần giống
Các đoạn trình tự khác nhau
???

15. Thư viện đoạn đọc
2 kb
Các đoạn trình tự y hệt hoặc gần giống
Các đoạn trình tự khác nhau

16. Tái giải trình tự – lập bản đồ
– Lập bản đồ các vùng, bắt cặp đến một trình tự tham chiếu –
hiện có các thuật toán giúp tính toán hiệu quả và đơn giản
hơn
– Kết quả được trình bày ở định dạng SAM hoặc BAM (SAM
nhị phân)

17. Tái giải trình tự – lập bản đồ

18. Tái giải trình tự – đa dạng
– Sai biệt so với trình tự tham chiếu – tính đến độ bao phủ,
chất lượng lập bản đồ, sai sót trong giải trình tự –
mô hình xác suất – kết quả lưu vào tập tin định dạng VCF

19. Trình duyệt bộ gene
– UCSC
– ENSEMBL
– NCBI MapViewer
– Đính kèm chú dẫn
– Hiển thị bộ gene
– Bổ sung thông tin tùy
chọn

20. Đa hình nucleotide đơn
(SNP)

21. Đa hình nucleotide đơn
(SNP)
– Bộ gene người có ~ 10 – 30 triệu SNP với tần số allele lớn hơn
1%
– Nằm trong cả vùng mã hóa lẫn không mã hóa
– Phần nhiều không ảnh hưởng đến sức khỏe
– … nhưng vài cái có liên quan đến bệnh di truyền và các đặc
điểm của cơ thể
– Nhiều kỹ thuật di truyền (bao gồm vi dàn) giúp xác định đồng
thời kiểu gene của hàng triệu SNP
– Để xác định kiểu gene hiệu quả, cần có hiểu biết về nội dung
bối cảnh của bộ gene

22. Đa hình nucleotide đơn
(SNP)
– Tất cả các nucleotide thêm vào
phản ứng đều là phần tử ngắt
chuỗi
– Kéo dài đơn base
– Điện di sản phẩm kéo dài có
đánh dấu huỳnh quang
Đa thành phần Kiểu gene GG đồng hợp
Vi giải trình tự (vd SNaPshot)

23. Đa hình nucleotide đơn
(SNP)
– Chỉ bao gồm phần tử ngắt mạch
– Kéo dài 1 bp
– Đồng thời khuếch đại và vi giải
trình tự đến 36 SNP
– Lượng sản phẩm vi giải trình tự
được xác định bằng đo phổ
– Biết trước lượng sản phẩm khả thi
của mỗi SNP
– Xác định lượng tất cả sản phẩm – >
xác định kiểu gene
Vi giải trình tự (vd MassArray)

24. Đa hình nucleotide đơn
(SNP)
Golden Gate – Một phản ứng có thể giải trình tự hàng trăm SNP

25. Đa hình nucleotide đơn
(SNP) Golden Gate – Một phản ứng có thể
giải trình tự hàng trăm SNP

26. Đa hình nucleotide đơn
(SNP)
– Các vi dàn có bán sẵn trên
thị trường (Affymetrix,
Illumina), giúp đồng thời
xác định kiểu gene của
hàng triệu SNP trong người
và các loài mô hình

27. Đa hình nucleotide đơn
(SNP)
– Tất cả các kỹ thuật kể trên đòi hỏi phải biết trước SNP – tức
là chỉ có thể xác định kiểu gene của các SNP đã biết
– SNP chưa biết được khám phá bằng tái giải trình tự các
vùng gene hay cả bộ gene của một số nhỏ cá thể – bảng
khám phá
– Thiên lệch biết trước – SNP tìm ra phụ thuộc vào bảng
khám phá
– Thiên lệch biết trước có thể là vấn đề nghiêm trọng đối với
các nghiên cứu có liên quan – khó khăn trong việc sửa sai
– Tái giải trình tự cả bộ gene, tái giải trình tự phần mục tiêu

28. Thẻ RAD
– Có những phần bộ gene nằm kế cạnh vị trí cắt giới hạn được giải trình
tự cho mọi cá thể
– SNP được tìm thấy ở các phần được giải trình tự đó
– Có thể đánh dấu mã vạch các cá thể bằng các thẻ đoạn trình tự ngắn
và trữ dùng để giải trình tự
– Kích thước bộ gene và enzyme cắt giới hạn quyết định số lượng SNP
được thử
– NsiI có 342 vị trí cắt / Mbp
– NotI có 1 vị trí cắt / Mbp
– Không mắc phải thiên lệch biết trước
– Hiệu quả cao hơn nếu có sẵn bộ gene tham chiếu

29. Thẻ RAD
Giải trình tự Illumina

30. Thẻ RAD

31. Thẻ RAD
– Có những phần bộ gene nằm kế cạnh vị trí cắt giới hạn được giải trình
tự cho mọi cá thể
– SNP được tìm thấy ở các phần được giải trình tự đó
– Có thể đánh dấu mã vạch các cá thể bằng các thẻ đoạn trình tự ngắn
và trữ dùng để giải trình tự
– Kích thước bộ gene và enzyme cắt giới hạn quyết định số lượng SNP
được thử
– NsiI 342 vị trí cắt / Mbp
– NotI 1 vị trí cắt / Mbp
– Không mắc phải thiên lệch biết trước
– Hiệu quả cao hơn nếu có sẵn bộ gene tham chiếu

32. Đa hình hình thể mạch đơn
(SSCP)
– SSCP được dùng để phát hiện đột biến và xác định kiểu hình của các phần
xác định (được khuếch đại PCR) của bộ gene vốn có trình tự khác nhau
nhưng độ dài như nhau
• Các đoạn DNA dài 100 – 400
bp có hình thể phụ thuộc vào
trình tự, và tốc độ di chuyển
trong điện di gel lại phụ
thuộc vào hình thể – > như
vậy có thể phát hiện được
đột biến thay thế nucleotide
cá thể

33. “Bắt” các trình tự đích
– Giải trình tự cả bộ gene nhân chuẩn vẫn rất tốn kém
– Phân tích và lưu trữ dữ liệu lại càng tốn kém
– Thông thường, đoạn DNA cần tìm chỉ chiếm một phần rất nhỏ bộ gene (vd toàn bộ
các đoạn exon của người chỉ chiếm 1,2 %)
– Có thể lấy riêng các đoạn DNA
cần tìm bằng các vi dàn có gắn
các mẫu dò phù hợp
– Điều này đòi hỏi hiểu biết về
bộ gene hoặc ít nhất là về trình
tự phần DNA cần tìm
– Sau khi “bắt” đoạn cần tìm có
thể đem ra giải trình tự
– Hàng chục kbp hoặc hàng chục
Mbp

34. Công nghệ sinh học phân tử
có thể tự động hóa hoàn toàn
– Có thể xác định kiểu gene của hàng chục, hàng trăm, hàng
nghìn marker trong hàng nghìn cá thể

35. Tính năng của các marker phân tử
trong các vấn đề nghiên cứu khác
nhau
Allozyme AFLP Vi vệ tinh SNP Trình tự
gene trong
nhân
Trình tự
DNA ti thể
và lục lạp
Nhận diện
cá thể
+ ++ +++ + - ++
Đa dạng di
truyền
++ + +++ ++ + -
Phân hóa di
truyền
++ + +++ +++ ++ ++
Dòng chảy
gene (di cư)
+ + +++ ++ + +
Địa lý phát
sinh loài
+ + + ++ +++ +++
Lai giống ++ ++ ++ +++ +++ +++

36. Sinh vật nhân chuẩn sở hữu vài
bộ gene
DNA
nhân
DNA lục
lạp
DNA ti
thể (A)
DNA ti
thể (P)
Di truyền ♀ ♀ (A),
♂(G)
♀ ♀
Cấu trúc Mạch
thẳng
Mạch
vòng
Mạch
vòng
Mạch
vòng
Tốc độ
tiến hóa
Trung
bình
Thấp Cao Thấp
Marker phân tử trong mỗi bộ gene khá hữu dụng để
xử lý nhiều loại vấn đề khác nhau