Mikrosatelliit

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search

Mikrosatelliidid on lühikesed tandeemselt korduvad nukleotiidsed järjestused, 2–5 aluspaari pikad ning korduste arv jääb enamasti 5–50 vahele.[1] Mikrosatelliidid asuvad inimese genoomis paljudes kohtades, tüüpiliselt mittekodeerivatel aladel, geenidel vahel või intronites. Nad on kõrge mutatsioonisagedusega ning populatsioonis suure varieeruvusega.

Struktuur[muuda | muuda lähteteksti]

Mikrosatelliidid on tandeemsed kordused, mis koosnevad kahest kuni viiest nukleotiidist. Kahest nukleotiidist koosnevat järjestust nimetatakse dinukleotiidseks mikrosatelliidiks (näiteks ACACACACA). Kolme nukleotiidi sisaldavat korduvat järjestust nimetatakse trinukleotiidseks kordusjärjestuseks (näiteks AGCAGCAGCAGC). Neljast ja viiest nukleotiidist koosnevad tandeemset kordust nimetatakse vastavalt tetra- ja pentanukleotiidseks mikrosatelliidiks. Lühikesed tandeemsed kordused on laialt levinud üle genoomi, kõikides kromosoomides.[2] Kuna mikrosatelliidid asuvad enamasti mittekodeerivatel aladel, on seal võimalik mutatsioonide kuhjumine ning suur varieeruvus erinevate indiviidide vahel. See võimaldab uuritavaid järjestusi kasutada edukalt isikute tuvastamiseks ning genoomi kaardistamiseks. Mikrosatelliite võib leiduda ka intronites ja geenide koodonites. Mutatsioonid korduvates segmentides võivad mõjutada valkude funktsiooni. Mikrosatelliitide mutatsioonid võivad sellistel juhtudel esile kutsuda fenotüübilisi muutusi ja haigusi.

Mutatsiooni mehhanism[muuda | muuda lähteteksti]

DNA-ahelate libisemine replikatsiooni ajal STR lookuses. Kastikesed sümboliseerivad mikrosatelliite, nooled märgivad replikatsiooni suunda. Joonisel on kujutatud kolme erinevat DNA replikatsiooni. Esimesel juhul toimub protsess ilma mutatsioonideta. Teisel replikatsioonil tekib juurde korduv üksus. Kolmandas situatsioonis eemaldatakse replikatsiooni käigus üks kordus.(Forster et al. 2015)

Erinevalt punktmutatsioonidest, mis mõjutavad ainult üksikut nukleotiidi, kaotavad või loovad mikrosatelliitide mutatsioonid terve korduva üksuse. Selliste mutatsioonide põhjuseks on replikatsiooni libisemine, mis on omakorda põhjustatud DNA-ahelate omavahelisest ebakõlast meioosi ajal.[3] Igas mikrosatelliidis toimub enamasti libisemine umbes korra 1000 pooldumise järel.[4] Libisemise tagajärjel tekkinud muutused korduvas DNAs on tuhat korda tõenäolisemad kui punktmutatsioonid teistes genoomi osades.[5] Mutatsioonid liidavad või eemaldavad tavaliselt ainult ühe korduse. Mutatsioonisagedus sõltub liikidest ning järjestuste suurusest.[4]

Mikrosatelliitide mutatsioonide bioloogiline mõju[muuda | muuda lähteteksti]

Suurem osa mikrosatelliite asuvad mittekodeerivatel aladel ning neid ei ekspresseerita. Ülejäänud asuvad aga regulatoorses või isegi kodeerivas piirkonnas – mikrosatelliitide mutatsioonid sellistel juhtudel võivad esile kutsuda fenotüübilised muutused ja haigused.

Mõju valkudele[muuda | muuda lähteteksti]

20–40% imetajate valkudest sisaldavad korduvaid aminohappelisi järjestusi, mida kodeerivad lühikesed korduvad järjestused.[6] Enamik valke kodeerivaid mikrosatelliite koosnevb kolmest nukleotiidist, sel juhul ei toimu raaminihke mutatsioone.[7] Igalt kolmest nukleotiidist koosnevalt korduvalt järjestuselt transkribeeritakse sama aminohapet. Mutatsioonid korduvates segmentides võivad mõjutada valkude keemilisi ning füüsikalisi omadusi ning seeläbi muuta ka valkude käitumist.[8] On teada, et geeni Runx2 tandmeeselt korduvate regioonide korduste muutus kutsub esile kodustatud koerte nägude pikenemise, seejuures on järjestuste pikkus ning näo pikkus omavahel korrelatsioonis.[9] Samuti on täheldatud, et pikkuse muutus polüalaniini segmendis, mis asub HoA13 geenis, viib HFG-sündroomini..[10] Evolutsioonilised muutused, mis on tingitud replikatsiooni libisemisest, leiavad aset ka lihtsates organismides. Näiteks pärmirakkudes toimuvad lühikeste korduste muutused viivad rakumembraani proteiinide muutusteni.[11] Samuti mõjutavad mikrosatelliidid patogeensete bakterite pinnal asuvaid proteiine, mis aitab neil peremehe immuunsüsteemiga toime tulla ning isegi evolutsioneeruda.[12]

Mõju geeniregulatsioonile[muuda | muuda lähteteksti]

Mikrosatelliitide pikkuste muutus promootorites ning teistel cis-regulatoorsetel aladel võib muuta geeniekspressiooni kiirelt, põlvkondade vahel. Inimese genoom sisaldab palju lühikesi tandeemseid kordusi regulatoorsetes piirkondades.[13]

Mõju intronitele[muuda | muuda lähteteksti]

Mikrosatelliidid, mis asuvad intronites, mõjutavad samuti fenotüüpi. Tandeemsed kordused Asparagiini süntetaasi esimeses intronis võivad tekitada lümfoplastilist leukeemiat.[14] On täheldatud, et vähenenud korduste arv EGFR geenis põhjustab osterosarkoomat.[15]

Mõju transposoonidele[muuda | muuda lähteteksti]

Peaaegu 50% inimese genoomist on pakitud erinevatesse transposonaalsetesse elementidesse ja mitmeid neist sisaldavad tandeemselt korduvat DNA-d.[16] On tõenäoline, et mikrosatelliidid nendes kohtades on samuti seotud geeni ekspressiooni regulatsiooniga.[17]

Mikrosatelliitide analüüs[muuda | muuda lähteteksti]

Mikrosatelliidid on laialt kasutuses DNA testides, enamasti põlvnemise testimiseks ning kohtuekspertiisis. Lühikesi tandeemseid korduseid kasutatakse ka veel genoomi kaardistamiseks. Geenide aheldatust ning geneetilisi markereid, mis põhinevad korduvatel järjestustel, saab uurida, et määrata uuritava geeni asukohta. Lisaks saab neid kasutada geeni duplikatsiooni ning deletsiooni tundmaõppimiseks.

Amplifikatsioon[muuda | muuda lähteteksti]

Mikrosatelliite saab amplifitseerida polümeraasi ahelreaktsiooni kaudu, kasutades unikaalseid külgnevate alade järjestusi praimeriteks. DNA denatureeritakse korduvalt kõrgel temperatuuril, et eraldada kaksikahel, seejärel jahutatakse, et praimerid saaksid seonduda nukleotiidse järjestusega. Selle protsessi tagajärjel toodetakse piisavalt DNA-d, et seda oleks võimalik vaadelda agaroosi või polüürakrüülamiid geelil. Amplifikatsiooniks on vaja ainult vähest hulka DNA-d, sest termostabiilne Taq polümeraas moodustab suurel hulgal replitseeritud segmenti.[18] Praimereid, mis külgnevad mikrosatelliitide lookustega on lihtne kasutada, aga korralikult funktsioneerivate praimerite väljatöötamine on tihtipeale pikk ja kulukas protsess.

Praimerite disain[muuda | muuda lähteteksti]

Kui otsida mikrosatelliitide markereid spetsiifilistest genoomi regioonidest, näiteks mõnest kindlast geeni eksonist, võib praimerid disainida manuaalselt. Tuleb otsida genoomsest DNA-st lühikesi korduvaid järjestusi. Seda saab otsida visuaalselt või kasutada automatiseeritud tööriistu nagu näiteks RepeatMasker. Kui potentsiaalselt sobivad mikrosatelliidid on tuvastatud, kasutatakse külgnevaid järjestusi, et disainida oligonukleotiidsed praimerid, mis amplifitseerivad kindlat korduvat järjestust ahelreaktsioonis. Juhuslikke mikrosatelliidiseid praimereid võib toota, kui kloonida suvalisi DNA segmente uuritavates liikides. Suvalised segmendid sisestatakse plasmiidsesse – või bakteriofaagi vektorisse. Seejärel viiakse vektor bakterisse. Tekkinud kolooniatest on võimalik vaadata fluoresseeruvaid oligonukleotiide sisaldavaid järjestusi, mis hübridiseeruvad korduvatele järjestustele.[19]

Piirangud[muuda | muuda lähteteksti]

Mikrosatelliidid on mitmekülgsed molekulaarsed markerid, eriti sobilikud populatsioonide analüüsiks. Korduvate järjestustega tuleb aga arvestada ka piirangutega. Praimereid, mis on toodetud kindlale liigile, saab tihtipeale kasutada ka temale lähedal asuvate liikidega töötamisel, kuid sama lookuse amplifitseerimine kahaneb geneetilise distantsi suurenemisega. Punktmutatsioonid praimeri seondumissaitides lähedastes liikides võib viia "null alleelideni", kus lühikesi korduvaid järjestusi ei kordistata.[20] Järjestuste erinevus külgnevates alades viib kehvade praimerite seondumiseni. Suuremad alleelid, mis sisaldavad rohkem aluspaare, on mutatsioonidele vastuvõtlikumad. Väiksemad alleelid enamasti suurenevad ning suuremad alleelid vähenevad.

Kasutus kriminalistikas[muuda | muuda lähteteksti]

Mikrosatelliitide analüüs sai populaarseks 1990. aastatel. Seda kasutatakse laialt isikute tuvastamiseks. Mikrosatelliidid, mida tänapäeval kasutatakse kohtuekspertiisis, on tetra- või pentanukleotiidsed kordused. Need annavad kõrge kvaliteediga veatu tulemuse, olles samaaegselt piisavalt vastupidavad, et üle elada lagunemise. Lühemad korduvad järjestused võivad paarduda valesti ning anda valesid tulemusi. Pikemad järjestused seevastu on haavatavamad keskkonna lagunemisele ja ei amplifitseeru nii hästi PCR programmis.[21] Eemaldades tuumast DNA, viiakse läbi analüüs ning seeläbi amplifitseeritakse spetsiifilist polümorfset DNA regiooni. Kui polümeraasi ahelreaktsioon on valmis, siis tulemused määratakse geelelektroforeesi või kapillaarse elektroforeesi meetodiga. Reaktsiooni lõppedes visualiseeritakse ja analüüsitakse tulemusi.[22]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. Turnpenny P, Ellard S (2005). Emery's Elements of Medical Genetics, 12th. ed. London: Elsevier. 
  2. King D. G.; Soller, Morris; Kashi, Yechezkel (1997). "Evolutionary tuning knobs". Endeavor 21: 36–40. doi:10.1016/S0160-9327(97)01005-3. 
  3. Tautz D., Schlötterer C. (1994). "Simple sequences". Current Opinion in Genetics & Development 4 (6): 832–837. PMID 7888752. doi:10.1016/0959-437X(94)90067-1. 
  4. 4,0 4,1 Kruglyak S, etal (1998). "Equilibrium distributions of microstellite repeat length resulting from a balance between slippage events and point mutations". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 95 (18): 10774–10778. Bibcode:1998PNAS...9510774K. PMC 27971. PMID 9724780. doi:10.1073/pnas.95.18.10774. 
  5. Jarne P., Lagoda P. J. L. (1996). "Microsatellites, from molecules to populations and back". Trends Ecol. Evol 11 (10): 424–429. doi:10.1016/0169-5347(96)10049-5. PMID 21237902.
  6. Marcotte E. M. (1998). "A census of protein repeats". J. Mol. Biol. 293 (1): 151–160. PMID 10512723. doi:10.1006/jmbi.1999.3136. 
  7. Sutherland G. R., Richards R. I.; Richards (1995). "Simple tandem DNA repeats and human genetic disease". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 92 (9): 3636–3641. Bibcode:1995PNAS...92.3636S. PMC 42017. PMID 7731957. doi:10.1073/pnas.92.9.3636. 
  8. Hancock J. M., Simon M. (2005). "Simple sequence repeats in proteins and their significance for network evolution". Gene 345 (1): 113–118. PMID 15716087. doi:10.1016/j.gene.2004.11.023. 
  9. Fondon J. W. III, Garner H. R.; Garner (2004). "Molecular origins of rapid and continuous morphological evolution". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1010 (52): 18058–18063. Bibcode:2004PNAS..10118058F. doi:10.1073/pnas.0408118101. 
  10. Utsch B, etal (2002). "A novel stable polyalanine [poly(A)] expansion in the HoxA13 gene associated with hand-foot-genital syndrome: proper function of poly(A)-harbouring transcription factors depends on a critical repeat length?". Hum. Gen 110 (5): 488–494. PMID 12073020. doi:10.1007/s00439-002-0712-8. 
  11. Bowen S., Wheals A. E. (2006). "Ser//Thr-rich domains are associated with genetic variation and morphogenesis in Saccharomyces cerevisiae". Yeast 23 (8): 633–640. PMID 16823884. doi:10.1002/yea.1381. 
  12. Moxon E. R. (1994). "Adaptive evolution of highly mutable loci in pathogenic bacteria". Curr. Bio 4: 24–32. doi:10.1016/S0960-9822(00)00005-1. 
  13. Rockman M. V., Wray G. A. (2002). "Abundant raw material for cis-regulatory evolution in humans". Mol. Biol. Evol. 19 (11): 1991–2004. PMID 12411608. doi:10.1093/oxfordjournals.molbev.a004023. 
  14. Akagi T, etal (2008). "Functional analysis of a novel DNA polymorphism of a tandem repeated sequence in the asparagine synthetase gene in acute lymphoblastic leukemia cells". Leuk. Res. 33 (7): 991–996. PMC 2731768. PMID 19054556. doi:10.1016/j.leukres.2008.10.022. 
  15. Kersting C, etal (2008). "Biological importance of a polymorphic CA sequence within intron I of the epidermal growth factor receptor gene (EGFR) in high grade central osteosarcomas". Gene Chrom. & Cancer 47 (8): 657–664. doi:10.1002/gcc.20571. 
  16. Scherer S. (2008). A short guide to the human genome. New York: Cold Spring Harbor University Press. 
  17. Tomilin N. V. (2008). "Regulation of mammalian gene expression by retroelements and non-coding tandem repeats". BioEssays 30 (4): 338–348. PMID 18348251. doi:10.1002/bies.20741. 
  18. Griffiths, A.J.F., Miller, J.F., Suzuki, D.T., Lewontin, R.C. & Gelbart, W.M. (1996). Introduction to Genetic Analysis, 5th Edition. W.H. Freeman, New York. 
  19. Queller, D.C., Strassman,,J.E. & Hughes, C.R. (1993). "Microsatellites and Kinship". Trends in Ecology and Evolution 8 (8): 285–288. PMID 21236170. doi:10.1016/0169-5347(93)90256-O. 
  20. Dakin, EE; Avise, JC (2004). "Microsatellite null alleles in parentage analysis". Heredity 93 (5): 504–509. PMID 15292911. doi:10.1038/sj.hdy.6800545. 
  21. Angel Carracedo. "DNA Profiling". Vaadatud 20.09.2010. 
  22. John M.Butler. "Technology for Resolving STR Alleles". Vaadatud 20.09.2010.