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底充
5 years ago
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1 機率與基因定位范盛娟博士研究員 / 教授生物醫學研究所中央研究院 4/16/2014

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3 Palmer LJ. Webcast 3

4 孟德爾 JOHANN GREGOR MENDEL ( ) 孟德爾花了八年 (1856~83) 時間進行他的豌豆實驗他於 1865 年發表研究結果, 他所提出的遺傳定律, 幫他贏得了遺傳學之父的歷史地位 4

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6 分離定律 NN: 正常人顯性隱性 DN: 帶原人 6

7 Modes of inheritance 7

8 Law of independence 8

9 孟德爾弟兄, 我們吃膩豆子湯了! 9

10 從孟德爾的碗豆雜交實驗可以得出以下結論 : 1. 親代父本與母本體內各有一成對因子 ( 基因 ) 可決定遺傳特徵 2. 此一成對因子在雜交的過程中會分開, 重新進行組合 ( 第一定律 : 分離定律 ) 3. 不同遺傳特徵的基因獨立而不互相干擾 ( 第二定律 : 獨立定律 ) 10

11 染色體是由雙螺旋狀的 DNA 分子結構組合而成, 有四種基本化學物質 ( 四個基本字 ) 所排列而成,A: 腺嘌呤 (adenine) T: 胸腺嘧啶 (thymine) G: 鳥嘌呤 (guanine),c: 胞嘧啶 (cytosine) 11

13 等位基因 (allele) 等位基因 (allele) 是位於一對同源染色體的相同位置上控制某一性狀的不同形態的基因金髮的等位基因決定髮色的基因位置同源染色體 13 黑髮的等位基因

14 A B 1 2 孟德爾獨立定律和連鎖分析連鎖分析是利用連鎖的原理研究兩個基因標記的關係根據孟德爾定律, 如果同一染色體上的位點不連鎖, 那麼兩個基因標記標將獨立而分離, 否則表明連鎖的存在如果連鎖不存在, 觀察到每一個配子的機率為各 1/4 A 1 B 2 A 2 B 1 如果連鎖存在, 大多會觀察到這兩種 A 1 B 2 14

15 複製互換重組同源染色體配子減數分裂的過程 : 1. 染色體複製 2. 同源染色體互換 3. 第一次分裂 ( 同源染色體分離 ) 4. 第二次分裂 ( 著絲點分裂二分體分離 ), 形成四個配子 15

16 連鎖分析可以用來推斷兩個基因標記之間的距離兩個基因標記離的越遠, 重組發生的機率為 1/2 兩個基因標記離的越近, 重組發生的機率小於 1/2 16

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18 基因標記 A 和 B 之間的重組狀況, 及重組機率 18

19 基因標記 A 和 C 之間的重組狀況及重組機率 19

20 根據孟德爾定律 ( 不連鎖 ), 發生重組的機率為 1/2 違反孟德爾定律 ( 有連鎖 ), 發生重組的機率為, 不發生重組的機率為 1-1) 兩個基因標記不連鎖, 十一個小孩全都有發生重組的可能性 =(1/2) 11 2) 兩個基因標記 (A, B) 不連鎖十一個小孩中有 1 個發生重組, 10 個沒有發生重組的可能性 = (1- ) 10 20

21 根據孟德爾定律 ( 不連鎖 ), 發生重組的機率為 1/2 違反孟德爾定律 ( 有連鎖 ), 發生重組的機率為, 不發生重組的機率為 1-1) 兩個遺傳標記不連鎖, 十一個小孩全都有發生重組的可能性 =(1/2) 11 2) 兩個遺傳標記有連鎖, 十一個小孩中有 3 個發生重組, 8 個沒有發生重組的可能性 = 3 (1- ) 8 21

22 利用 LOD Score 來推估是否連鎖 LOD = log of Odds Odds = 勝算比 = p 1 p = 有發生重組的可能性沒有發生重組的可能性 = 違反孟德爾獨立定律孟德爾獨立定律柯騰我跟你保證, 十年後我不知道 log 是什麼, 我也可以活得好好的沈佳宜人生本來就有很多事, 是徒勞無功的啊 22

23 LOD log of Odds 勝算比 Odds P 1- P 有發生重組的可能性沒有發生重組的可能性有發生連鎖的可能性沒有發生連鎖的可能性 LOD score (A, B) AB = 1 11 (1- ) log LOD Score (A, B) = 1.85 LOD score (A, C) = log AC = 3 11 LOD Score (A, C) =

24 A 和 B 比較近,A 和 C 比較遠! 24

25 ( 重組率 ) = 0.01 = 在 100 次減數分裂中觀察到一次重組 = 1cM (centi-morgan, 分莫甘 ) = 1,000 Morgan, ( 莫甘 ) = 1,000,000 Base Pair ( 鹼基 ) 利用 CEPH 家族以建立人類基因圖譜家族特性 : 多世代, 多子孫 CEPH: The Foundation Jean Dausset-CEPH or CEPH (in french, Centre d'etude du Polymorphisme Humain, Center for the Study of Human Polymorphisms), The National Center for Biotechnology Information, NCBI. 25

26 人類基因圖譜基因組圖譜主要可以分成兩種, 一種是遺傳圖譜 (genetic map), 另一種則是物理圖譜 (physical map) 遺傳圖譜是利用基因的重組率來做分析, 單位是分莫甘 (centimorgan) 遺傳圖譜表現出來的是基因或特定 DNA 片段之間的相對位置, 而不是它們各自的絕對位置遺傳圖譜顯示基因標記鄰近之間的距離, 同時也顯示此距離之可信度 26

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28 第一條染色體 28 Science 25 October 1996: Vol. 274 no pp

29 Linkage Map 29

30 人類基因圖譜之用途找尋致病基因的相關位置孟德爾式之單一基因疾病 ( 大部分的罕見疾病 ) 複雜性疾病 ( 糖尿病, 心臟病, 精神分裂症等 ) 全基因體掃瞄 ( 低解析度 ) 細部基因分析 ( 高解析度 ) 確認基因的位置, 瞭解基因之功能 30

31 Genetic Maps Sources CEPH( NCBI( 31

32 致病基因之定位 D d A a D d A a d d a a d d A a 假設 Phase 已知即 D 和 A 排在同一邊 D d A a d d a a D d A a d d a a D d a a NR NR NR NR R = 1/5 = 0.2 LOD Score = n*log2+r*log +(n-r)*log(1- ) =

33 D d A a D d A a d d a a d d A a 如果 Phase 未知 : D 和 A 可能排在同一邊 D 和 a 也可能排在同一邊 D d A a or D d a A 各 1/2 機會 D d A a d d a a D d A a d d a a D d a a D d A a NR NR NR NR R LOD Score = log( r (1- ) n-r / 0.5 n ) = log{[0.5 (0.2)(0.8) (0.8)(0.2) 4 ] /0.5 5 } = = 1/5 = 0.2 D d R R R R NR = 4/5 = 0.8 a A

34 這種家庭結構使得計算重組率變得非常困難, 同時也看不出是顯性還是隱性遺傳! 34

35 亨丁頓舞蹈症之一個家族亨丁頓舞蹈症 : 是腦細胞的神經原持續退化, 這種退化會造成不能控制的運動, 失去智能, 及情緒上的困擾, 特別是影響到控制協調動作神經節時在神經節內, 亨丁頓舞蹈症會針對腦皮層神經原, 特別是尾狀核特定攻擊也會影響到控制思想, 領悟力及記憶的腦部外層表面 35

36 L = m p(x i g i ) p(g..) g i=1 x i = 第 i 個人所帶基因的表現型 g i = 第 i 個人所帶基因的基因型 p(x i g i ) = 第 i 個人所帶基因的外顯率 p(g..) = 第 i 個人所帶基因的基因型當中來自父母基因型的機率或是族群當中此基因型的頻率 Elston RC & Steward J, Hum. Hered. 21:534,

37 37

38 孟德爾的獨立定律之另一種致病基因的應用 : 有病同胞手足 (SIB) 之資料分析法比較有病同胞手足 (sibling) 之對偶基因相同程度只需要收集小家庭, 大家庭越來越少 38

39 相同來至父母 (IBD) 與相同只是巧合 (IBS) IBD identical by descent 相同來至父母 IBS identical by state 相同可能只是巧合無父母資料, 利用族群資料來推估如 (1) 非常少見, 推論 IBD 可能性大於 IBS 39

40 A B C A 和 B 等位基因相同數目 = 1 A 和 C 等位基因相同數目 = 2 B 和 C 等位基因相同數目 = 1 A,B,C 皆有病 40

41 等位基因相同數目 (IBD) A B A,B 皆生病 (A, B) = (1 3, 2 4) 0 = (1 4, 2 3) 0 = (1 3, 1 4) 1 = (2 3, 2 4) 1 = (1 3, 2 3) 1 = (1 4, 2 4) 1 = (1 4, 1 4) 2 = (2 3, 2 3) 2 根據孟德爾的獨立定律 ( 不連鎖 ): P (2 sibs 等位基因相同數目 =0) = 2/8 = 0.25 P (2 sibs 等位基因相同數目 =1) = 4/8 = 0.5 P (2 sibs 等位基因相同數目 =2) = 2/8 = 0.25 相同等位基因之數目期望值 = 0*0.25+1*0.5+2*0.25 = 1 41

42 根據孟德爾定律 ( 不連鎖 ) 任一個等位基因相同的機率 = P (2 sibs share 2 allele IBD) +1/2 *P (2 sibs share 1 allele IBD) = *0.5 =

43 A B A,B 皆有病如果致病基因和遺傳標記違反孟德爾定律 ( 有連鎖 ), 同樣有病的 A 和 B 其遺傳等位基因相同的機率 > ½ A B A 有病,B 沒有病如果致病基因和遺傳標記違反孟德爾定律 ( 有連鎖 ), 有病的 A 和沒病的 B 其遺傳等位基因相同的機率 < ½. 43

44 連鎖分析之統計顯著性 1) 一個致病基因 v.s. 一個基因標記 ( 早期之研究連鎖分析推估確實有統計顯著 ): LOD Score > 3 2) 基因體掃瞄 : ( 一個致病基因 v.s. 數千個基因標記 ) 連鎖分析推估確實有統計顯著 ( 多基因遺傳 ): LOD Score > 3.3 連鎖分析推估建議有統計顯著性 ( 多基因遺傳 ): LOD Score > 1.9 Landers & Kruglyak Nat Genet 11: ,

45 他們真的是同父母的兄弟姊妹嗎? 收完家族資料後必須檢測親屬關係有些族裔是母系社會, 兄弟姊妹其實是同母異父只要收集大約 50 個遺傳標記即可推論彼此的關係 45

46 遺傳疾病的特性 : 單一基因遺傳 v.s. 多基因遺傳單一基因遺傳疾病 - 可以建立遺傳模式 - 外顯率高 ( 有基因就容易發病 ) - 環境因素影響較少 - 單一基因缺陷造成疾病多基因遺傳疾病 ( 複雜性疾病 ) - 難以建立遺傳模式 - 外顯率低 ( 有基因不一定發病 ) - 環境因素影響較大 - 多個基因共同作用造成疾病, 單一基因的作用不大 46

47 家庭危險因子比率 (L) L = 家人得病的機率一般人得病的機率家庭危險因子愈高, 表示遺傳性愈高遺傳流行病學最常用的家庭關係是兄弟姊妹例如 : 艾茲罕默症病人的兄弟姊妹得病的機率是 30% 40% 一般人得病的機率是 10% L = = 3, or = 4, 0.1 Genetics in Clinical Research 47

48 兄弟姊妹危險因子比率亨丁頓舞蹈症 : L = 5000 囊腫性纖維化 : L = 500 自閉症 : L = 75 精神分裂症 : L = 8-10 艾茲罕默症 : L = 3-4 高血壓 : L = 2-3 L > 2 顯示有遺傳因素 48

49 病人的兄弟姊妹得病的機率 vs. 一般人得病的機率血友病單一基因隱性遺傳週期性癱瘓多基因型遺傳 ( 複雜性疾病 ) 單一基因顯性遺傳糖尿病癲癇 49 Curnow & Smith: J Roy Stat Soc 1975;138:

50 精神分裂症發生率在一般族群當中雙親中患有精神分裂症時兄弟姊妹中患有精神分裂症時子女中患有精神分裂症時 * 對沒有小孩的精神分裂症患者進行校正之後的值為 14.1% ROCHE Genetic Education 50

51 二十一世紀的致病基因定位 51

52 名詞解釋 52

在人類遺傳基因的各種差異, 有 90% 都可歸因於 SNP 的變異共有 30 億個鹼基對, 每隔 100 至 300 個鹼基就會存在一處 SNP,

53 基因標記 : 單一核苷酸多型性 (Single Nucleotide Polymorphism, SNP) 單一核苷酸多型性 (Single Nucleotide Polymorphism, SNP) 是 DNA 序列中的單一鹼基對 ( base pair) 發生變異, 就是 DNA 序列中 A, T, C, G 的改變在人類遺傳基因的各種差異, 有 90% 都可歸因於 SNP 的變異共有 30 億個鹼基對, 每隔 100 至 300 個鹼基就會存在一處 SNP, 頻率大約是千分之一根據 2012 年 NCBI( 美國國立生物技術訊息中心 ) 的資料, 已標記出人類有一億多個 SNPs, 故 SNP 被視作一種基因標記 (genetic marker) 53

54 等位基因頻率 (allele frequency) 等位基因頻率 (allele frequency) 指一個群體在特定的基因位置上某種等位基因個數佔此基因位置上總等位基因個數的比例 54

55 相關性研究 (association study) 相關性研究 (association study) 主要是在無親屬關係族群中找尋會影響疾病發生的基因 5 圖中發現, 在第一型糖尿病患者當中帶有 HLA-DR4 基因的比例較高, 可推論帶有 HLA-DR4 基因可能會影響罹患第一型糖尿病的風險

56 卡方檢定卡方檢定是各類別資料抽樣所得到的觀察次數 (observed frequency) 與無假設條件下的期望次數 (expected frequency) 的差異, 檢定統計量為 obs exp 2 2 = exp Example exp ij = 第 i 列樣本總數第 j 行樣本總數 Genotype Type 1 Controls Total HLA DR NON-HLA DR 樣本總數 56 2 = (17 12) (20 25) (7 12) (30 25)2 25 = 6.17 p = 0.013

57 找尋各種人類疾病的致病基因 SNP 可能會造成 DNA 序列的差異, 進而影響蛋白質的功能, 所以 SNP 也是影響體質的關鍵, 可能使人對於罹患疾病, 或對藥物的反應有所差異目前已有系統性地檢測 SNP, 並建立 SNP 與疾病之間的相關資料庫, 此類訊息將對疾病的診療變得可以個別化近年來,SNP 篩檢已應用在遺傳疾病藥學與腫瘤醫學的研究 57

58 用 SNP 做出之晶片 58

59 SNP 晶片成功的原因科學家對於基因體上較常見的 SNP 及其排列方式已經有足夠的知識鑑定 SNP 基因型的技術已非常成熟, 正確率及成功率皆很高. 常用的晶片上的 SNP 數量大約一百萬個, 已足夠代表人類的基因體價格不貴 ( 大約六千台幣, 還有降價空間 ) 59

60 以全基因體掃瞄法找尋致病基因 60 N Engl J Med Volume 363(2): ,2010

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63 2012, 12 月前報告過之顯著SNP (p 5X10-8), 17 種病症, 2012 年就有1350篇論文 63 NHGRI GWA Catalog

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65 全基因組關聯研究後續之轉譯醫學的發展找到關聯性之 SNP 更新的生物訊息促進個人治療診斷更多的臨床應用個人化醫療治療方法生物標記預防診斷預後治療目前所找到的危險因子因為效率仍不夠大, 還不足以做為預測工具 65 (Nature Reviews, Genetics)

66 未來定位致病基因研究之挑戰複雜性疾病之基因與基因之交互作用需要釐清複雜性疾病之基因與環境因素之交互作用需要釐清新世代基因定序技術日漸成熟, 價格漸低, 但是資料量龐大, 儲存與分析資料困難度提高 66

67 Thank you for your attention!

9-2

9-2 第九章遺傳第一節孟德爾的遺傳豌豆 9-1 9-2 立人高中專用生物教材遺傳 9- 1 1 1 1 1 1 = 2 2 2 1 2 9- 9-5 立人高中專用生物教材遺傳 9-6 立人高中專用生物教材遺傳 9-7 立人高中專用生物教材遺傳第二節半顯性與複對偶基因遺傳 ( 1 1 1 1 2 2 2 2 1 2 1 ( 9-8 立人高中專用生物教材遺傳 ( 9-9 立人高中專用生物教材遺傳第三節二項式定理與多基因遺傳