رابطه بین میزان جهش لغزنده میکرو ماهواره و تعداد واحدهای مکرر

Yinglei Lai ، Fengzhu Sun ، رابطه بین میزان جهش لغزش میکرو ماهواره و تعداد واحدهای مکرر ، زیست شناسی مولکولی و تکامل ، جلد 20 ، شماره 12 ، دسامبر 2003 ، صفحات 2123 2131 ، https://doi. org/10. 1093/molbevev/msg228

اشتراک گذاری فیلتر جستجوی NAVBAR موبایل جستجو اصطلاح جستجو را وارد کنید فیلتر جستجوی NAVBAR وارد جستجوی اصطلاح جستجو شوید

خلاصه

نشانگرهای میکرو ماهواره ای به طور گسترده ای برای مطالعات ژنتیکی مورد استفاده قرار می گیرند ، اما رابطه بین میزان جهش لغزنده میکرو ماهواره و تعداد واحدهای مکرر نامشخص است. در این مطالعه ، توزیع میکرو ماهواره در ژنوم انسان از پایگاه داده های توالی عمومی جمع آوری می شود. ما مشاهده می کنیم که اندازه آستانه برای جهش های لغزش وجود دارد. ما یک مدل از جهش میکرو ماهواره ای متشکل از جهش های نقطه و جهش های لغزش تک گام به گام را در نظر می گیریم. از دو مجموعه معادلات بر اساس دو فرآیند تصادفی و فرضیات تعادل ، ما نرخ جهش لغزش میکرو ماهواره را بدون فرض هرگونه رابطه بین میزان جهش لغزنده میکرو ماهواره و تعداد واحدهای تکراری تخمین می زنیم. ما از کمترین روش مربع با محدودیت ها برای برآورد میزان گسترش و جهش انقباض استفاده می کنیم. با افزایش تعداد واحدهای تکراری ، میزان جهش لغزش تخمین زده می شود. هنگامی که جهش های لغزش اتفاق می افتد ، انبساط بیشتر برای ریزگردها کوتاه اتفاق می افتد و انقباض بیشتر برای میکروساستلیت های طولانی اتفاق می افتد. نتایج ما با الگوی جهش وابسته به طول مشاهده شده از داده های تجربی موافق است ، و آنها کمبود میکروستلیت های طولانی را توضیح می دهند.

معرفی

ریزماهواره ها تکرارهای پشت سر هم از واحدهای DNA هستند. معمولاً 1-6 جفت باز (جفت پایه) برای یک واحد تکرار (موتیف) وجود دارد. ریزماهواره ها در ژنوم های یوکاریوتی بسیار فراوان هستند و می توان آنها را با استفاده از واکنش زنجیره ای پلیمراز ژنوتیپ کرد (Weber and May 1989; Weber and Wong 1993). ریزماهواره ها بسیار چندشکلی هستند و به طور گسترده به عنوان نشانگرهای ژنتیکی در مطالعات جهش های بیماری (اشلی و وارن 1995؛ لیفلانگ و همکاران 1999)، تحقیقات تومور و سرطان (استورزنکر و همکاران 2000)، نقشه برداری ژنتیکی (کنگ و همکاران، 2002) استفاده می شوند.، ژنتیک جمعیت (روزنبرگ و همکاران 2002) و مطالعات پیوند و ارتباط (Ott 1999). ریزماهواره ها در طول تکامل در معرض جهش هستند. علاوه بر جهش های نقطه ای، جهش های لغزش قالب پلیمراز ممکن است برای تغییر تعداد واحدهای تکراری در یک مکان ریزماهواره رخ دهد (شلوترر و تاوتز 1992؛ ویگوئرا، کنسل و ارلیچ 2001). یک مشکل مهم درک مکانیسم های جهش لغزش ریزماهواره ها است.

بر اساس تجزیه و تحلیل فیلوژنتیک، مسیه، لی و استوارت (1996) حداقل تعداد واحدهای تکراری را برای جهش های لغزشی پیشنهاد کردند. رز و فالوش (1998) با استفاده از یک مدل ریاضی ساده، با مطالعه نسبت بین فرکانس مشاهده شده و فرکانس مورد انتظار ریزماهواره ها، وجود حداقل اندازه آستانه برای جهش های لغزش را نشان دادند. اندازه آستانه تخمین زده شده حدود هشت نوکلئوتید طولانی بدون توجه به موتیف های مختلف برای مونونوکلئوتیدها، دینوکلئوتیدها و تترانوکلئوتیدها بود. این مطالعه مکانیسم های پیچیده تری را برای جهش های لغزش ریزماهواره پیشنهاد کرد (رز و فالوش 1998). با این حال، Pupko و Graur (1999) وجود اندازه آستانه برای جهش لغزش را مورد بحث قرار دادند.

در مطالعات تجربی برای جهش های میکرو ماهواره انسانی در داخل بدن ، میزان جهش بالا از حدود 10 - 4 تا 10 - 2 در هر مکان در هر نسل مشاهده شد. علاوه بر وقایع جهش یافته تک مرحله ای ، برخی از مراحل مختلف وقایع جهش نیز مشاهده شد. ژانگ و همکاران.(1994) مشاهده كرد كه تکرار ترینكلوئوتید طولانی تر از جهش بسیار بالاتر از موارد كوتاه است و انقباضات بیشتر از انبساط ها رخ می دهد. Xu و همکاران.(2000) جهش ها و انقباضات بیشتری را برای تکرارهای تترانوکلئوتید طولانی تر مشاهده کرد. بیکن ، دانلوپ و فارینگتون (2001) میزان جهش بالایی را برای مونونوکلئوتیدها مشاهده کردند. هوانگ و همکاران.(2002) مشاهده کرد که میزان جهش افزایش یافته و احتمال انبساط با توجه به وقوع جهش کاهش یافته است زیرا تعداد واحدهای تکراری برای دینوکلئوتیدها افزایش می یابد. الگوهای جهش وابسته به طول میکرو ماهواره ها نیز از ارگانیسم های مختلف مانند مگس ها (هار و شولترر 2000) و مخمر مشاهده شد (Wierdl ، Dominska و Petes 1997). در تمام این آزمایشات ، تعداد جهش های مشاهده شده به اندازه کافی بزرگ نبودند تا الگوهای روشنی برای رابطه بین میزان جهش لغزش میکرو ماهواره و تعداد واحدهای تکراری ارائه دهند.

با وجود کل توالی ژنوم ، می توان حجم زیادی از داده ها را برای توزیع میکرو ماهواره جمع آوری کرد. فرض تعادل فرض می کند که توزیع مشاهده شده این نسل همانند نسل بعدی است. همراه با فرض تعادل ، می توان نرخ جهش میکرو ماهواره را تخمین زد. بل و جورکا (1997) برای اولین بار چنین رویکردی را پیشنهاد کردند و آن را در برخی از توالی های ژنوم به کار بردند. Kruglyak و همکاران.(1998 ، 2000) چنین ایده ای را گسترش داد و یک روش تخمین جدید را ارائه داد. Sbely ، Whittaker و Talbort (2001) آن را با یک روش تخمین حداکثر احتمال تعمیم دادند. این مطالعات بر اساس مدل تک مرحله ای متقارن انجام شده است که فرض می کند میزان انبساط همان میزان انقباض است. یک مطالعه اخیر توسط Sely و همکاران.(2003) دریافت که مدل تک گام به گام متقارن برای جهش های لغزنده میکرو ماهواره نمی تواند داده های توالی انسانی مشاهده شده را توضیح دهد. در یک مطالعه جدید توسط Calabrese و Durrett (2003) ، آنها دریافتند که مدل سازی جهش های لغزنده میکرو ماهواره با استفاده از توابع ساده دشوار است. آنها با فرض یک مدل درجه دوم یا مدل خطی پراکنده برای میزان جهش لغزش ، تعصب نسبت به انقباض برای میکروسیلیت های طولانی را مشاهده کردند. بیشتر رویکردهای قبلی بر اساس مدل جهش تک گام به گام انجام شده است. این مدل ساده می تواند مکانیسم های جهش میکرو ماهواره ای را منعکس کند زیرا حوادث جهش تک مرحله ای حوادث اصلی جهش بود که در آزمایشات مشاهده شد. در مطالعات قبلی (Bell and Jurka 1997 ؛ Kruglyak et al. 1998 ، 2000 ؛ Sbely ، Whittaker ، and Talbort 2001 ؛ Calabrese and Durrett 2003 ؛ Sely et al. 2003) ، یک رابطه ثابت ، خطی یا درجه دوم بین میزان جهش لغزش میکرواستولیتو تعداد واحدهای تکراری فرض شد. چنین فرضیاتی با نتایج تجربی به شدت پشتیبانی نمی شوند (ژانگ و همکاران 1994 ؛ Xu و همکاران 2000 ؛ بیکن ، دانلوپ و فارینگتون 2001 ؛ هوانگ و همکاران 2002).

در این مطالعه، ما یک روش جدید با استفاده از دو مجموعه معادله بر اساس دو فرآیند تصادفی برای تخمین نرخ های جهش لغزش ریزماهواره پیشنهاد می کنیم. این مطالعه با معرفی یک فرآیند انشعاب چند نوع جدید علاوه بر فرآیند ثابت مارکوف که قبلاً پیشنهاد شده بود، با مطالعات قبلی متفاوت است (بل و ژورکا 1997؛ کروگلیاک و همکاران 1998، 2000؛ سیبلی، ویتاکر و تالبرت 2001؛ کالابرز و دورت 2000).؛ سیبلی و همکاران 2003). توزیع های حاصل از دو فرآیند تخمین نرخ جهش لغزش ریزماهواره را بدون فرض ارتباط بین نرخ جهش لغزش ریزماهواره و تعداد واحدهای تکرار ممکن می سازد. ما روش خود را بر روی داده های توالی ژنوم انسان اعمال می کنیم. ما همچنین یک روش جدید برای تخمین اندازه آستانه برای جهش های لغزش ایجاد می کنیم. در پاراگراف های بعدی ابتدا روش جمع آوری داده ها و مدل ریاضی را توضیح می دهیم. سپس نتایج تخمین را ارائه می کنیم.

مواد و روش ها

در این بخش ابتدا نحوه جمع آوری داده ها از پایگاه داده توالی عمومی را شرح می دهیم. سپس، دو فرآیند تصادفی را برای مدل سازی داده های جمع آوری شده معرفی می کنیم. بر اساس این فرض تعادل که توزیع های مشاهده شده این نسل با توزیع های نسل بعدی یکسان است، دو مجموعه معادله برای اهداف تخمین استخراج می شود. در مرحله بعد، یک روش جدید برای تخمین اندازه آستانه برای جهش لغزش ریزماهواره معرفی می کنیم. در نهایت، جزئیات روش تخمین خود را ارائه می دهیم.

جمع آوری داده ها

ما دنباله ژنوم انسانی را از پایگاه داده اطلاعات بیوتکنولوژی Ftp://ftp. ncbi. nih. gov/genomes/h_sapiens/old/ بارگیری کردیم (در تاریخ 06 سپتامبر 2001). ما در دو طرح مختلف ، تک ، دی- ، تری- ، تترا- ، پنتا- و هگزا- نوکلئوتیدها را جمع آوری کردیم. طرح اول صرفاً جمع آوری تمام تکرارها که میکروسیلیت ها هستند بدون وقفه در بین تکرارها. طرح دوم جمع آوری تکرارهای کامل (Sbely ، Whittaker و Talbort 2001) است ، به گونه ای که هیچ گونه وقفه ای در بین تکرارها وجود ندارد و ناحیه سمت چپ (حداکثر 2 لیتر نوکلئوتید) حاوی همان نقوش نیست که میکروساستلیت ها (از نقوش (نقوش)با پایه های نوکلئوتیدی L) جمع آوری می شود. مونونوکلئوتیدها هنگامی که di- ، tre- ، tetra- ، penta- و hexa- نوکلئوتیدها جمع آوری شدند ، حذف شدند. دینوکلئوتیدها هنگام جمع آوری تترا- و هگزا- نوکلئوتیدها حذف شدند. هنگامی که هگزانوکلئوتیدها جمع آوری شدند ، ترینوکلئوتیدها حذف شدند. برای یک نقوش ثابت از پایه های نوکلئوتیدی L ، میکرو ماهواره ها با تعداد واحدهای تکراری بیشتر از 1 به روش فوق جمع آوری شدند. تعداد میکرو ماهواره ها با یک واحد تکرار تقریباً توسط [(تعداد کل نوکلئوتیدهای شمارش شده) محاسبه شد - _i>1L × I × (تعداد میکروستلیت ها با واحدهای تکرار I)]/ l. تمام کروموزوم های انسانی به گونه ای پردازش شدند. در جدول 1 نمونه ای از دو طرح ارائه شده است.

مدل ها و معادلات ریاضی

We study two models for microsatellite mutations. For all repeats , we use a multi-type branching process. For perfect repeats , we use a Markov process as proposed in previous studies ( Bell and Jurka 1997; Kruglyak et al. 1998, 2000; Sibly, Whittaker, and Talbort 2001; Calabrese and Durrett 2003; Sibly et al. 2003). Both processes are discrete time stochastic processes with finite integer states N>مربوط به تعداد واحدهای مکرر میکرو ماهواره ها. برای تضمین وجود توزیع تعادل ، فرض می کنیم که تعداد ایالات N محدود است. در عمل ، n می تواند یک عدد صحیح بزرگتر از یا مساوی با طول طولانی ترین میکرو ماهواره مشاهده شده باشد. در هر دو مدل ، ما دو نوع جهش را در نظر می گیریم: جهش نقطه و جهش های لغزش. از آنجا که جایگزینی های تک نوکلئوتیدی رایج ترین نوع جهش نقطه است ، ما فقط تعویض تک نوکلئوتیدی را برای جهش های نقطه در مدل های خود در نظر می گیریم. از آنجا که تعداد نوکلئوتیدها در یک مکان میکرو ماهواره اندک است ، فرض می کنیم که حداکثر یک نقطه جهش برای یک نسل اتفاق می افتد. بگذارید نرخ جهش نقطه در هر واحد تکرار در هر نسل باشد و اجازه دهید E_kو سی_k be the expansion slippage mutation rate and contraction slippage mutation rate, respectively. In the following models, we assume that a>0 ؛اشمیه_k>0 ، 1 ≤ k ≤ n - 1 و c_k≥ 0 ، 2 ≤ k ≤ n.

مدل سازی همه تکرارها

برای همه تکرارها ، ما روند تصادفی زیر را در نظر می گیریم:

1. پس از یک نسل ، توسط جهش های لغزنده میکرو ماهواره ، هر ایالت k می تواند با احتمال e به حالت K + 1 تغییر کند_kبرای 1 ≤ k ≤ n - 1 و حالت k - 1 با احتمال c_kبرای 2 ≤ k ≤ n.
2. پس از یک نسل ، بر اساس جهش های نقطه ، یک میکرو ماهواره شکسته می شود و نقطه شکست دیگر نقوش میکرو ماهواره ای خواهد بود. بنابراین با احتمال وجود در هر واحد تکرار ، میکرو ماهواره ای از حالت K ، 2 ≤ k ≤ n می تواند یکی از حالت 1 ، یکی از حالت H و یکی از حالت K - H - 1 را ایجاد کند که در آن 1 ≤ H ≤ K - 1 ، اگر اگرجهش نقطه در مرز اتفاق نمی افتد. در غیر این صورت ، ما یکی از ایالت های 1 و یکی از ایالت های K - 1 را خواهیم داشت.

اجازه دهید z_حرف= (Z_{n 1}، Z_{n 2}،… ، z) ، n = 0 ، 1 ، 2 ،… فرآیند تصادفی مربوطه ، جایی که z_NKتعداد میکرو ماهواره ها با واحدهای تکرار K پس از نسل N است. Z_حرف>یک فرآیند انشعاب چند نوع را تشکیل می دهد. اولین ماتریس لحظات (هریس 1963) توسط

ورود j در ردیف I در ماتریس M تعداد مورد انتظار میکرواستلیت ها با واحدهای تکرار J را در نسل بعدی نشان می دهد که تنها یک میکرو ماهواره وجود دارد که من در این نسل واحدهای تکرار می کنم. ما با جزئیات بیشتر در مورد تعداد مورد انتظار ایجاد شده توسط جهش های نقطه توضیح می دهیم. برای یک میکرو ماهواره با واحدهای تکرار K ، واحدهای تکرار کننده k وجود دارد که در آن ممکن است یک جهش نقطه رخ دهد. نقطه شکستن یک نقوش میکرو ماهواره ای دیگر ایجاد می کند ، که از حالت 1 است. اگر جهش نقطه در موقعیت دوم یا موقعیت پیش فرض اتفاق بیفتد ، ما یک میکرو ماهواره از حالت 1 در مرز خواهیم داشت. بنابراین ، تعداد مورد انتظار میکروسالاتیت های حالت 1 (K + 2) a است.

از قضیه Perro n-Frobenius (هریس 1963) ، مقادیر ویژه Perron - Frobenius از M بیشتر از 1 است ، و ما آن را به عنوان 1 + λ بیان می کنیم. ما پرون سمت چپ را بیان می کنیم - eigenveector frobenius m به عنوان p = (p₁، پ₂، … ، پ_حرف). از تئوری فرآیندهای انشعاب چند نوع (هریس 1963 ؛ آترایا و نای 1972 ؛ آتریا و ویدیااشانکار 1995) ، ما LIM داریم_{n →}Z_حرف/|Z_حرف|= ص. اینجا | · |به معنای جمع بندی بیش از همه ورودی های یک بردار است. بنابراین ، توزیع همه تکرارها به P همگرا خواهد شد. از معادله p m = (1 + λ) p ، ما داریم