HAPLOTYP: METODY BADAŃ, DIAGNOZY, CHOROBY, PRZYKŁADY - BIOLOGIA - 2025

Haplotypów jest regionem genomu, który z reguły jest dziedziczony razem przez wiele pokoleń; zazwyczaj wszystko to znajduje się na tym samym chromosomie. Haplotypy są produktem powiązania genetycznego i pozostają nienaruszone podczas rekombinacji genetycznej.

Słowo „haplotyp” pochodzi z połączenia słowa „haploid” i słowa „genotyp”. „Haploid” odnosi się do komórek z pojedynczym zestawem chromosomów, a „genotyp” odnosi się do budowy genetycznej organizmu.

Schemat rozmieszczenia haplotypów chromosomu Y w populacjach azjatyckich (Źródło: Moogalord za pośrednictwem Wikimedia Commons) Zgodnie z definicją haplotyp może opisywać parę lub więcej genów, które są razem dziedziczone na chromosomie od rodzica, lub może opisywać chromosom, który jest w całości odziedziczony po rodzicu, taki jak chromosom Y u mężczyzn.

Na przykład, gdy haplotypy mają wspólne geny odpowiadające dwóm różnym cechom fenotypowym, takim jak kolor włosów i kolor oczu, osoby posiadające gen odpowiadający za kolor włosów będą również posiadać drugi gen odpowiadający za kolor oczu.

Haplotypy są obecnie jednym z narzędzi najczęściej stosowanych w badaniach genealogicznych, śledzeniu pochodzenia chorób, charakteryzowaniu zmienności genetycznej i filogeografii populacji różnych typów istot żywych.

Istnieje wiele narzędzi do badania haplotypów, jednym z najczęściej używanych obecnie jest „mapa haplotypów” (HapMap), czyli strona internetowa, która pozwala określić, które segmenty genomu są haplotypami.

Metody badań

Haplotypy stanowią okazję do zrozumienia dziedziczenia genów i ich polimorfizmu. Wraz z odkryciem techniki „reakcji łańcuchowej polimerazy” (PCR) poczyniono duży postęp w badaniach nad haplotypami.

Obecnie istnieje wiele metodologii badania haplotypów, niektóre z najwybitniejszych to:

Sekwencjonowanie DNA i wykrywanie polimorfizmów pojedynczych nukleotydów (SNP)

Rozwój technologii sekwencjonowania nowej generacji był wielkim krokiem naprzód w badaniach haplotypów. Nowe technologie umożliwiają wykrycie wariacji nawet jednej zasady nukleotydowej w określonych regionach haplotypu.

W bioinformatyce termin haplotyp jest również używany w odniesieniu do dziedziczenia grupy polimorfizmów pojedynczego nukleotydu (SNP) w sekwencjach DNA.

Łącząc programy bioinformatyczne z wykrywaniem haplotypów za pomocą sekwencjonowania nowej generacji, można dokładnie określić pozycję, substytucję i wpływ każdej zmiany zasad w genomie populacji.

Mikrosatelity (SSRS)

Mikrosatelity lub SSRS wywodzą swoją nazwę od angielskiego „S imple Sequence Repeat i Short Tandem Repeat”. Są to krótkie sekwencje nukleotydowe, które powtarzają się kolejno w regionie genomu.

Powszechne jest znajdowanie mikrosatelitów wewnątrz niekodujących haplotypów, dlatego też poprzez wykrycie zmian w liczbie powtórzeń mikrosatelity można zaobserwować różne allele w haplotypach osobników.

Markery mikrosatelitarne molekularne zostały opracowane do wykrywania niezliczonych haplotypów, od określania płci roślin, takich jak papaja (Carica papaya), po wykrywanie chorób u ludzi, takich jak anemia sierpowata.

Polimorfizmy długości amplifikowanych fragmentów (AFLP)

Technika ta łączy amplifikację z reakcjami PCR z trawieniem DNA dwoma różnymi enzymami restrykcyjnymi. Technika ta wykrywa polimorficzne loci w haplotypach zgodnie z różnymi miejscami cięcia w sekwencji DNA.

Aby lepiej zilustrować tę technikę, wyobraźmy sobie trzy fragmenty tkaniny o tej samej długości, ale pocięte w różnych miejscach (te fragmenty reprezentują trzy fragmenty haplotypów wzmocnione metodą PCR).

Do czasu wycięcia tkaniny zostanie uzyskanych wiele kawałków o różnych rozmiarach, ponieważ każdy materiał jest cięty w różnych miejscach. Porządkując fragmenty według rodzaju tkaniny, z której pochodzą, możemy zobaczyć, gdzie występują różnice między tkaninami lub w haplotypach.

Diagnozy i choroby

Ważną zaletą badań genetycznych haplotypów jest to, że pozostają one prawie nienaruszone lub niezmienione przez tysiące pokoleń, co pozwala na identyfikację odległych przodków i każdej z mutacji, które jednostki przyczyniają się do rozwoju chorób.

Haplotypy występujące u ludzkości różnią się w zależności od rasy i na podstawie tego pierwszego wykryto geny w haplotypach, które powodują ciężkie choroby u każdej z ras ludzkich.

Projekt HapMap obejmuje cztery grupy rasowe: Europejczyków, Nigeryjczyków, Joruba, Chińczyków Han i Japończyków.

W ten sposób projekt HapMap może objąć różne grupy ludności i prześledzić pochodzenie i ewolucję wielu dziedzicznych chorób, które dotykają każdą z czterech ras.

Jedną z chorób najczęściej diagnozowanych za pomocą analizy haplotypów jest anemia sierpowata u ludzi. Ta choroba jest diagnozowana poprzez śledzenie częstotliwości występowania afrykańskich haplotypów w populacji.

Będąc chorobą pochodzącą z Afryki, identyfikacja afrykańskich haplotypów w populacjach ułatwia wyśledzenie ludzi, u których występuje mutacja w sekwencji genetycznej beta-globin w erytrocytach sierpowatych (charakterystyczna dla tej choroby).

Przykłady

W przypadku haplotypów konstruowane są drzewa filogenetyczne, które reprezentują ewolucyjne relacje między każdym z haplotypów znalezionych w próbce homologicznych cząsteczek DNA lub z tego samego gatunku, w regionie, który ma niewielką lub żadną rekombinację.

Jedną z najlepiej zbadanych gałęzi poprzez haplotypy jest ewolucja ludzkiego układu odpornościowego. W genomach neandertalczyków i denisovanów zidentyfikowano haplotypy kodujące receptor podobny do Tll (kluczowy składnik wrodzonego układu odpornościowego).

To pozwala im śledzić, jak sekwencje genetyczne we „współczesnych” populacjach ludzkich zmieniły się z sekwencji haplotypów odpowiadających „starożytnym” ludziom.

Budowanie sieci powiązań genetycznych z mitochondrialnych haplotypów bada, w jaki sposób efekt założycielski występuje u gatunków, ponieważ pozwala to naukowcom zidentyfikować, kiedy populacje przestały rozmnażać się między sobą i ustaliły jako oddzielne gatunki.

Rozmieszczenie haplotypów R (Y-DNA) w populacjach rodzimych (źródło: Maulucioni, za pośrednictwem Wikimedia Commons) Różnorodność haplotypów jest wykorzystywana do śledzenia i badania różnorodności genetycznej zwierząt hodowanych w niewoli. Techniki te są stosowane zwłaszcza w przypadku gatunków, które są trudne do monitorowania na wolności.

Gatunki zwierząt, takie jak rekiny, ptaki i duże ssaki, takie jak między innymi jaguary, słonie, są stale poddawane ocenie genetycznej za pomocą mitochondrialnych haplotypów w celu monitorowania stanu genetycznego populacji w niewoli.

Bibliografia

1. Bahlo, M., Stankovich, J., Speed, TP, Rubio, JP, Burfoot, RK i Foote, SJ (2006). Wykrywanie udostępniania haplotypów w całym genomie przy użyciu SNP lub danych haplotypów mikrosatelitarnych. Genetyka człowieka, 119 (1-2), 38-50.
2. Dannemann, M., Andrés, AM i Kelso, J. (2016). Introgresja haplotypów podobnych do neandertalczyków i denisowanów przyczynia się do adaptacyjnej zmienności ludzkich receptorów Toll-podobnych. The American Journal of Human Genetics, 98 (1), 22–33.
3. De Vries, HG, van der Meulen, MA, Rozen, R., Halley, DJ, Scheffer, H., Leo, P., … & te Meerman, GJ (1996). Tożsamość haplotypów między osobami, które mają wspólny allel mutacji CFTR „identyczny ze względu na pochodzenie”: wykazanie przydatności koncepcji współdzielenia haplotypów do mapowania genów w rzeczywistych populacjach. Genetyka człowieka, 98 (3), 304-309
4. Degli-Esposti, MA, Leaver, AL, Christiansen, FT, Witt, CS, Abraham, LJ i Dawkins, RL (1992). Haplotypy przodków: haplotypy MHC populacji konserwatywnej. Human immunology, 34 (4), 242-252.
5. Fellows, MR, Hartman, T., Hermelin, D., Landau, GM, Rosamond, F., & Rozenberg, L. (2009, czerwiec). Wnioskowanie o haplotypie ograniczone przez wiarygodne dane haplotypów. W Annual Symposium on Combinatorial Pattern Matching (s. 339–352). Springer, Berlin, Heidelberg.
6. Gabriel, SB, Schaffner, SF, Nguyen, H., Moore, JM, Roy, J., Blumenstiel, B., … & Liu-Cordero, SN (2002). Struktura bloków haplotypów w genomie człowieka. Science, 296 (5576), 2225-2229.
7. Międzynarodowe Konsorcjum HapMap. (2005). Mapa haplotypów ludzkiego genomu. Naturę, 437 (7063), 1299.
8. Wynne, R. i Wilding, C. (2018). Różnorodność haplotypów mitochondrialnego DNA i pochodzenie rekinów piaskowych (Carcharias taurus) w niewoli. Journal of Zoo and Aquarium Research, 6 (3), 74–78.
9. Yoo, YJ, Tang, J., Kaslow, RA i Zhang, K. (2007). Wnioskowanie o haplotypach dla danych o obecnym - nieobecnym genotypie przy użyciu wcześniej zidentyfikowanych haplotypów i wzorców haplotypów. Bioinformatics, 23 (18), 2399-2406.
10. Young, NS (2018). Anemia aplastyczna. The New England Journal of Medicine, 379 (17), 1643-1656.