Next-generation sequencing: A frameshift in skeletal dysplasia gene discovery

In the last decade, huge breakthroughs in genetics - driven by new technology and different statistical approaches - have resulted in a plethora of new disease genes identified for both common and rare diseases. Massive parallel sequencing, commonly known as next-generation sequencing, is the latest advance in genetics, and has already facilitated the discovery of the molecular cause of many monogenic disorders. This article describes this new technology and reviews how this approach has been used successfully in patients with skeletal dysplasias. Moreover, this article illustrates how the study of rare diseases can inform understanding and therapeutic developments for common diseases such as osteoporosis. © International Osteoporosis Foundation and National Osteoporosis Foundation 2013.

'Mutiny on the Bounty': The genetic history of Norfolk Island reveals extreme gender-biased admixture

Background The Pacific Oceania region was one of the last regions of the world to be settled via human migration. Here we outline a settlement of this region that has given rise to a uniquely admixed population. The current Norfolk Island population has arisen from a small number of founders with mixed Caucasian and Polynesian ancestry, descendants of a famous historical event. The ‘Mutiny on the Bounty’ has been told in history books, songs and the big screen, but recently this story can be portrayed through comprehensive molecular genetics. Written history details betrayal and murder leading to the founding of Pitcairn Island by European mutineers and the Polynesian women who left Tahiti with them. Investigation of detailed genealogical records supports historical accounts. Findings Using genetics, we show distinct maternal Polynesian mitochondrial lineages in the present day population, as well as a European centric Y-chromosome phylogeny. These results comprehensively characterise the unique gender-biased admixture of this genetic isolate and further support the historical records relating to Norfolk Island. Conclusions Our results significantly refine previous population genetic studies investigating Polynesian versus Caucasian diversity in the Norfolk Island population and add information that is beneficial to future disease and gene mapping studies.

Uniparental DNA markers and forensic genetics in Finland

Over the years, a wide range of methods to verify identity have been developed. Molecular markers have been used for identification since the 1920s, commencing with blood types and culminating with the advent of DNA techniques in the 1980s. Identification is required by authorities in many occasions, e.g. in disputed paternity cases, identification of deceased, or crime investigation. To clarify maternal and paternal lineages, uniparental DNA markers in mtDNA and Y-chromosome can be utilized. These markers have several advantages: male specific Y-chromosome can be used to identify a male from a mixture of male and female cells, e.g. in rape cases. MtDNA is durable and has a high copy number, allowing analyses even from old or degraded samples. However, both markers are lineage-specific, not individualizing, and susceptible to genetic drift. Prior to the application of any DNA marker in forensic casework, it is of utmost importance to investigate its qualities and peculiarities in the target population. Earlier studies on the Finnish population have shown reduced variation in the Y-chromosome, but in mtDNA results have been ambiguous. The obtained results confirmed the low diversity in Y-chromosome in Finland. Detailed population analysis revealed large regional differences, and extremely reduced diversity especially in East Finland. Analysis of the qualities affecting Y-chromosomal short tandem repeat (Y-STR) variation and mutation frequencies, and search of new polymorphic markers resulted a set of Y-STRs with especially high diversity in Finland. Contrary to Y-chromosome, neither reduced diversity nor regional differences were found in mtDNA within Finland. In fact, mtDNA diversity was found similar to other European populations. The revealed peculiarities in the uniparental markers are a legacy of the Finnish population history. The obtained results challenge the traditional explanation which emphasizes relatively recent founder effects creating the observed east-west patterns. Uniparentally inherited markers, both mtDNA and Y-chromosome, are applicable for identification purposes in Finland. By adjusting the analysed Y marker set to meet the characteristics of Finnish population, Y-chromosomal diversity increases and the regional differentiation decreases, resulting increase in discrimination power and thus usefulness of Y-chromosomal analysis in forensic casework.

The Expanded mtDNA Phylogeny of the Franco-Cantabrian Region Upholds the Pre-Neolithic Genetic Substrate of Basques

9 p.

Estudo da ancestralidade materna da população do Rio de Janeiro: análise do DNA mitocondrial

As porções uniparentais do genoma humano, representadas pelo cromossomo Y e pelo DNA mitocondrial (DNAmt), contêm informação genética relacionada às heranças patrilinear e matrilinear, respectivamente. Além da aplicabilidade em genética médica e forense, o DNAmt tem sido utilizado como um importante marcador molecular em estudos sobre evolução para traçar inferências filogenéticas e filogeográficas sobre as populações humanas. A análise de linhagens de DNAmt presentes em diferentes populações mundiais levou à identificação de haplogrupos reunindo diversos haplótipos específicos dos grandes grupos étnicos: africanos, europeus, asiáticos e nativos americanos. A população brasileira é conhecida como uma das mais heterogêneas do mundo, resultado do processo de colonização do país, abrangendo mais de cinco séculos de miscigenação entre povos de diferentes continentes. Este trabalho teve como objetivo estimar a partir da análise do DNA mitocondrial as proporções ancestrais africanas, européias e ameríndias na população do Rio de Janeiro. Para isso foram sequencidas as regiões hipervariáveis HVI e HVII do DNAmt de 109 indivíduos não relacionados geneticamente residentes no Rio de Janeiro. Os haplogrupos foram classificados de acordo com o conjunto de polimorfismos dos haplótipos individuais. Programas estatísticas foram utilizados para a determinação de parâmetros de diversidade genética e comparações populacionais. A diversidade haplotípica foi estimada em 0,9988. Nossos resultados demonstraram na população do Rio de Janeiro percentuais de cerca de 60%, 25% e 15% de ancestralidades maternas africana, ameríndia e européia, respectivamente. Através da análise de distâncias genéticas, evidenciou-se que a população do Rio de Janeiro está mais próxima das populações brasilerias dos estados de São Paulo e Alagoas. Como descrito nos registros históricos, algumas regiões do país tiveram processos de colonização muito específicos que se refletem nas proporções ancestrais maternas e paternas observadas. Em relação ao DNAmt, não se verificou diferença genética significativa entre as populações do Rio de Janeiro e a de Angola, uma população africana. Os resultados obtidos estão em estreita concordância com os registros históricos e outros estudos genéticos acerca da formação da população brasileira

Estudo de ancestralidade através de marcadores genéticos uniparentais

A chegada dos primeiros habitantes há cerca de 15.000 anos e de colonos portugueses e escravos africanos, desde o século 15, em sucessivas migrações na América do Sul, levaram à formação de populações miscigenadas com raízes consideravelmente diversificadas. É notável a heterogeneidade populacional decorrente dessas migrações e do processo de amalgamento de indígenas a partir dos contatos entre os diferentes grupos étnicos, iniciados com a colonização da América pelos europeus. A despeito da elevada miscigenação, ainda se pode encontrar no Brasil populações que, majoritariamente, mantém a identidade genética dos seus ancestrais mais remotos. O objetivo desse estudo foi caracterizar a ancestralidade da população de Santa Isabel do Rio Negro, Amazonas, com fortes traços fenotípicos ameríndios, e da tribo indígena Terena de Mato Grosso do Sul. Para isto, foram estudados marcadores uniparentais paternos ligados à região não recombinante do cromossomo Y e maternos presentes na região controle do DNA mitocondrial (mtDNA). Em relação à herança paterna, foram genotipados 31 indivíduos de Santa Isabel do Rio Negro, sendo que os Terena já haviam sido estudados sob este aspecto. Quanto ao mtDNA, foram estudados 76 indivíduos de ambos os sexos e 51 Indivíduos do sexo masculino de Santa Isabel do Rio Negro e dos Terena, respectivamente. A análise de marcadores Y-SNPs possibilitou a caracterização de 55% dos cromossomos Y dos indivíduos de Santa Isabel do Rio Negro como pertencentes ao haplogrupo Q1a3a*, característico de ameríndio. Através do mtDNA, foi verificado que o haplogrupo A é o mais frequente nas duas populações, com percentuais de 34% e 42% em Santa Isabel do Rio Negro e na tribo Terena, respectivamente, observando-se no tocante à ancestralidade materna a não ocorrência de diferenciação genética significativa entre as duas populações. Por outro lado, a análise do cromossomo Y revelou a ocorrência de distância genética significativa entre elas, o que pode ser resultante da diferença entre os tamanhos das amostras populacionais ou refletir diferenças entre rotas migratórias dos ameríndios anteriormente à colonização. Os resultados mostram ainda que os genomas mitocondriais autóctones foram melhor preservados, e que novos haplogrupos do cromossomo Y foram introduzidos recentemente na população ameríndia. É, portanto, possível concluir que a população de Santa Isabel do Rio Negro e a tribo indígena Terena apresentam um significativo grau de conservação da ancestralidade ameríndia, apesar do longo histórico de contato com europeus e africanos, os outros povos formadores da população brasileira.

Estudo do polimorfismo Ser49Gly do gene do receptor beta adrenérgico 1 (β-adr 1) na população do estado do Rio de Janeiro, Brasil estratificada por cor da pele e ancestralidade genômica

As doenças cardiovasculares possuem a maior taxa de óbitos no mundo, e notavelmente nos últimos anos as pesquisas genéticas sobre as mesmas estão baseadas em estudos de associação, no qual o gene suspeito que esteja em maior frequência entre os pacientes passa a ser considerado um possível fator causal. Os polimorfismos genéticos que ocorrem no receptor beta-adrenérgico podem resultar em mudanças significativas na função do receptor, podendo acarretar fisiopatologias. Neste trabalho, o objetivo foi estimar a diversidade e a frequência do polimorfismo Ser49Gly do gene do receptor beta-adrenérgico 1 a partir de uma amostra de 188 indivíduos da população do Estado do Rio de Janeiro. As frequências também foram analisadas a partir da estratificação da amostra por critério fenotípico em função do padrão de cor da pele em (negros e não negros) ou ancestralidade genética em (afrodescendente e não afrodescendente), definida através da informação dos marcadores de ancestralidade Indels e SNP de cromossomo Y, para avaliar se os padrões de ancestralidade ou cor da pele são fundamentais para a diferenciação e distanciamento genético. Fragmentos de interesse foram amplificados por PCR (reação de cadeia de polimerase) com primers específicos para o marcador Ser49Gly e as reações de genotipagem foram realizadas com enzimas de restrição Eco0109I. Os valores da heterozigosidade variaram entre 0,25-0,50 e 0,20-0,41 nos grupos estratificados por ancestralidade e cor da pele, respectivamente. No que diz respeito à análise do equilíbrio de Hardy-Weinberg, não houve um desvio significativo na distribuição do marcador nas amostras gerais do Estado do Rio de Janeiro, ou mesmo nas amostras estratificadas. A distribuição dos alelos na amostra dos 188 indivíduos da população geral do Rio de Janeiro (AC_RJ) mostrou uma frequência de 80,30% e 19,70% para o alelo selvagem e mutado Ser49Gly, respectivamente. A comparação das análises sobre a distribuição das frequências alélicas para este marcador mostrou a ocorrência de diferenças significativas na distribuição das frequências alélicas entre negros e não negros e afrodescendentes e não afrodescendentes. A diferença significativa observada entre os negros e afrodescendentes, foi em menor grau de distanciamento. A informação obtida em relação à ancestralidade foi crucial para a obtenção dos dados sobre o aumento da variável mutada do polimorfismo Ser49Gly nas populações negras e afrodescendentes do Estado Rio de Janeiro. Tal evidência, em combinação com estudos clínicos podem contribuir para uma análise pormenorizada do padrão de susceptibilidade à doença em questão, em falhas do mecanismo deste receptor.

Estudo da ancestralidade paterna em amostras de populações do Estado do Rio de Janeiro e do Oeste Africano: uma dinâmica populacional

O uso de marcadores do tipo STR e SNP tem se revelado de grande importância na discriminação entre indivíduos de uma mesma população, assim como para estudos evolutivos. A utilização de um conjunto de 17 STRs e 46 SNPs específicos de cromossomo Y permitiu a caracterização de um conjunto de amostras representativas das populações do Rio de Janeiro e do oeste africano, com uma avaliação mais ampla sobre a ancestralidade de origem paterna. Na primeira parte deste estudo foram analisados 605 indivíduos do sexo masculino do estado do Rio de Janeiro. Como resultado, não foram observadas diferenças significativas entre as populações do sudeste e do Rio de Janeiro, que apresentou uma alta diversidade de haplótipos (0,9999 0,0001) e de haplogrupos (0,7589 0,0171). A comparação da população miscigenada do Rio de Janeiro com diferentes grupos étnicos ou populacionais mostrou que a frequência de indivíduos com marcadores tipicamente Europeus é de 77%, africanos é de 14,87% e em ameríndios é de 2,31%. A segunda parte do estudo revelou uma grande diversidade haplotípica (1,0000 0,0018) numa amostra do Oeste africano. Quanto ao valor da diversidade de haplogrupos (0,6895 0,0200), este foi similar aos observados em populações de origem Bantu do oeste e centro africanos, principalmente de Benin, Nigéria e Costa do Marfim. A terceira parte deste estudo mostrou que não existem diferenças significativas entre o componente africano da amostra do Rio de Janeiro e as populações africanas do sudeste, oeste e centro oeste. Por outro lado, observamos diferenças significativas quando comparamos o componente africano do Rio de Janeiro e o oeste africano com populações de Uganda, Quênia e África do Sul. A ampliação de estudos genéticos nas populações da África se fazem necessários para o entendimento da diversidade genética no mundo. Este trabalho contribuiu para fornecer mais alguns dados genéticos, que podem ser somados aos estudos mundiais que estão sendo realizados, ampliando os nossos conhecimentos sobre a formação das populações que também foram influenciadas pelo fenômeno da Diáspora Africana.

Cytogenetics, morphology and evolution of four subspecies of the Giant Sheep argali (Ovis ammon) of Asia

Dalai-lamae (Ovis ammon dalai-lamae), Gobi (O. a. darwini), Kara Tau (O. a. nigrimontana) and Tibetan (O. a. hodgsoni) argali share a 2n = 56 diploid chromosome number and a karyotype consisting of 2 pairs of biarmed and 25 pairs of acrocentric autosomes, a large acrocentric X and a minute Y chromosome. The Giemsa-banding patterns of the largest pair of biarmed chromosomes were identical to those of the largest biarmed chromosomes in all wild sheep and domestic sheep of the genus Ovis. The banding patterns of the second pair of biarmed chromosomes (metacentric) were identical to the third pair of biarmed chromosomes in Ovis with 2n = 54 and to the third largest pair of chromosomes in the 2n = 52 karyotype of Siberian snow sheep (O. nivicola). The G-banded karyotypes of dalai-lamae, darwini, hodgsoni and nigrimontana are consistent with all subspecies of argali (O. ammon), except that the Y chromosome is acrocentric instead of metacentric as typical of the argaliform wild sheep and Ovis. The Dalai-lamae and Tibetan argali specimens exhibit the light-colored, long-haired ruffs and body coloration typical of argalis from the Tibetan Plateau. The Gobi argali, from the extreme western Gobi, is similar to the dark phase argali.

Tracing the Origins of Hakka and Chaoshanese by Mitochondrial DNA Analysis

Hakka and Chaoshanese are two unique Han populations residing in southern China but with northern Han (NH) cultural traditions and linguistic influences. Although most of historical records indicate that both populations migrated from northern China in the last two thousand years, no consensus on their origins has been reached so far. To shed more light on the origins of Hakka and Chaoshanese, mitochondrial DNAs (mtDNAs) of 170 Hakka from Meizhou and 102 Chaoshanese from Chaoshan area, Guangdong Province, were analyzed. Our results show that some southern Chinese predominant haplogroups, e.g. B, F, and M7, have relatively high frequencies in both populations. Although median network analyses show that Hakka/Chaoshanese share some haplotypes with NH, interpopulation comparison reveals that both populations show closer affinity with southern Han (SH) populations than with NH. In consideration of previous results from nuclear gene (including Y chromosome) research, it is likely that matrilineal landscapes of both Hakka and Chaoshanese have largely been shaped by the local people during their migration southward and/or later colonization in southern China, and factors such as cultural assimilation, patrilocality, and even sex-bias in the immigrants might have played important roles during the process. Am J Phys Anthropol 141:124-130, 2010. (C) 2009 Wiley-Liss, Inc.

Sex chromosomes in the black muntjac recapitulate incipient evolution of mammalian sex chromosomes

Background: The regular mammalian X and Y chromosomes diverged from each other at least 166 to 148 million years ago, leaving few traces of their early evolution, including degeneration of the Y chromosome and evolution of dosage compensation. Results: We

KARYOTYPE AND BANDING-PATTERNS OF FEA TREE RAT (CHIROMYSCUS-CHIROPUS)

Fea's tree rat (Chiromyscus chiropus) is a very rare species which there are only a few specimens in the world. The chromosomes of two male specimens, collected from Xishuanbanna, Yunnan, are analysed by several banding technique (G-, C-bands, as well as Ag-staining). The diploid chromosome number is 22, and autosomes comprise 5 pairs of metacentrics, 2 pairs of subacrocentrics, and 3 pairs of acrocentrics. The X chromosome is a acrocentric, and Y is a micro-chromosome, almost a point, which could be a marker chromosome of the species and the genus. The centromeric C-bands are very faint, and C-bands of Nos. 1, 2, 9 and Y chromosome are negative. Only one pair Ag-NORs was found on No. 10 in the silver-stained karyotype. The relationship between morphologic and chromosomal features was discussed, and C-banded karyotype evolutionary trend has also been discussed. Moreover, the conventional karyotype of Niviventer confucianus was described.

Multifocal remitting-relapsing cerebral demyelination twenty years following allogeneic bone marrow transplantation

We report a case study of a female who received an allogeneic bone marrow transplantation (BMT) from a sex-mismatched related donor and who, after a twenty-year interval, developed an acute fulminant biopsy-proven demyelinating disorder of cerebral white matter which followed a remitting-relapsing chronic course. In situ hybridization studies using Y-chromosome-specific markers revealed Y-chromosome-positive mononuclear cells in biopsy samples of white matter. Magnetic resonance imaging (MRI) studies of the asymptomatic healthy male donor showed multiple white matter lesions. These observations suggest that donor lymphocytes were sensitized to central nervous system (CNS) antigens prior to or at the time of transplantation but remained dormant for 20 years before becoming activated to cause widespread demyelination.

Successful second unrelated donor BMT in a child with juvenile chronic myeloid leukaemia:documentation of chimaerism using the polymerase chain reaction

A 3-year old child with juvenile chronic myeloid leukaemia received a T cell-depleted BMT from a male unrelated donor. There was early graft failure associated with increasing splenomegaly and hypersplenism. Splenectomy was performed 53 days post-transplant and was followed by autologous marrow recovery with return of leukaemia. A second unrelated donor BMT was performed 9 months later using T cell-replete marrow from a similarly matched female donor. Grade 2 GVHD involving the skin and gut responded to treatment with steroids. Chimaerism was assessed using Y-specific polymerase chain reaction (PCR) and microsatellites. Samples taken at the time of splenectomy showed no donor marrow engraftment but there was significant engraftment in the spleen. Following the second transplant, donor-type haematopoiesis was documented using a panel of microsatellite probes. The patient remains well 6 months after transplant. Splenectomy should be considered prior to transplant in patients with significant splenomegaly and hypersplenism. Partial chimaerism in the spleen, but not bone marrow, post-BMT, has not previously been documented. PCR technology is a useful and highly sensitive way to assess chimaerism post-BMT and is informative in sex-matched cases, whilst the small amount of material required is advantageous in paediatric patients.

Evaluation of mixed chimerism by in vitro amplification of dinucleotide repeat sequences using the polymerase chain reaction

The influence of mixed hematopoietic chimerism (MC) after allogeneic bone marrow transplantation remains unknown. Increasingly sensitive detection methods have shown that MC occurs frequently. We report a highly sensitive novel method to assess MC based on the polymerase chain reaction (PCR). Simple dinucleotide repeat sequences called microsatellites have been found to vary in their repeat number between individuals. We use this variation to type donor-recipient pairs following allogeneic BMT. A panel of seven microsatellites was used to distinguish between donor and recipient cells of 32 transplants. Informative microsatellites were subsequently used to assess MC after BMT in this group of patients. Seventeen of the 32 transplants involved a donor of opposite sex; hence, cytogenetics and Y chromosome-specific PCR were also used as an index of chimerism in these patients. MC was detected in bone marrow aspirates and peripheral blood in 18 of 32 patients (56%) by PCR. In several cases, only stored slide material was available for analysis but PCR of microsatellites or Y chromosomal material could be used successfully to assess the origin of cells in this archival material. Cytogenetic analysis was possible in 17 patients and MC was detected in three patients. Twelve patients received T-cell-depleted marrow and showed a high incidence of MC as revealed by PCR (greater than 80%). Twenty patients received unmanipulated marrow, and while the incidence of MC was lower (44%), this was a high percentage when compared with other studies. Once MC was detected, the percentages of recipient cells tended to increase. However, in patients exhibiting MC who subsequently relapsed, this increase was relatively sudden. The overall level of recipient cells in the group of MC patients who subsequently relapsed was higher than in those who exhibited stable MC. Thus, while the occurrence of MC was not indicative of a poor prognosis per se, sudden increases in the proportions of recipient cells may be a prelude to graft rejection or relapse.