Biometrical Genetics

Biometrical genetics is the science concerned with the inheritance of quantitative traits. In this review we discuss how the analytical methods of biometrical genetics are based upon simple Mendelian principles. We demonstrate how the phenotypic covariance between related individuals provides information on the relative importance of genetic and environmental factors influencing that trait, and how factors such as assortative mating, gene-environment correlation and genotype-environment interaction complicate such interpretations. Twin and adoption studies are discussed as well as their assumptions and limitations. Structural equation modeling (SEM) is introduced and we illustrate how this approach may be applied to genetic problems. In particular, we show how SEM can be used to address complicated issues such as analyzing the causes of correlation between traits or determining the direction of causation (DOC) between variables. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Genetics of Serum Dehydroepiandrosterone Sulfate and Its Relationship to Insulin in a Population-Based Cohort of Twin Subjects

Previous studies have shown a significant effect of insulin administration on serum dehydroepiandrosterone sulfate (DHEA-S) concentration and its metabolic rate, with evidence for the effect in men, but not in women. This could lead to differences in the sources of variation in serum DHEA-S between men and women and in its covariation with insulin concentration. This study aimed to test whether these hypotheses were supported in a sample of healthy adult twins. Serum DHEA-S (n=2287) and plasma insulin (n=2436) were measured in samples from adult male and female twins recruited through the Australian Twin Registry. Models of genetic and environmental sources of variation and covariation were tested against the data. DHEA-S showed substantial genetic effects in both men and women after adjustment for covariates, including sex, age, body mass index, and time since the last meal. There was no significant phenotypic or genetic correlation between DHEA-S and insulin in either men or women. Despite the experimental evidence for insulin infusion producing a reduction in serum DHEA-S and some effect of meals on the observed DHEA-S concentration, there were no associations between insulin and DHEA-S at the population level. Variations in DHEA-S are due to age, sex, obesity, and substantial polygenic genetic influences.

Genetics of melanoma predisposition

Predisposition to melanoma is genetically heterogeneous. Two high penetrance susceptibility genes, CDKN2A and CDK4, have so far been identified and mapping is ongoing to localize and identify others. With the advent of a catalogue of millions of potential DNA polymorphisms, attention is now also being focused on identification of genes that confer a more modest contribution to melanoma risk, such as those encoding proteins involved in pigmentation, DNA repair, cell growth and differentiation or detoxification of metabolites. One such pigmentation gene, MC1R, has not only been found to be a low penetrance melanoma gene but has also been shown to act as a genetic modifier of melanoma risk in individuals carrying CDKN2A mutations. Most recently, an environmental agent, ultraviolet radiation, has also been established as a modifier of melanoma risk in CDKN2A mutation carriers. Hence, melanoma is turning out to be an excellent paradigm for studying gene-gene and gene-environment interactions.

The genetics of coronary heart disease: the contribution of twin studies

Despite the decline in coronary heart disease in many European countries, the disease remains an enormous public health problem. Although we know a great deal about environmental risk factors for coronary heart disease, a heritable component was recognized a long time ago. The earliest and best known examples of how our genetic constitution may determine cardiovascular risk relate to lipoprotein(a), familial hypercholesterolaemia and apolipoprotein E. In the past 20 years a fair number of polymorphisms assessed singly have shown strong associations with the disease but most are subject to poor repeatability. Twins constitute a compelling natural experiment to establish the genetic contribution to coronary heart disease and its risk factors. GenomEUtwin, a recently funded Framework 5 Programme of the European Community, affords the opportunity of comparing the heritability of risk factors in different European Twin Registries. As an illustration we present the heritabilities of systolic and diastolic blood pressure, based on data from over 4000 twin pairs from six different European countries and Australia. Heritabilities for systolic blood pressure are between 52 and 66% and for diastolic blood pressure between 44 and 66%. There is no evidence of sex differences in heritability estimates and very little to no evidence for a significant contribution of shared family environment. A non-twin based prospective case/cohort study of coronary heart disease and stroke (MORGAM) will allow hypotheses relating to cardiovascular disease, generated in the twin cohorts, to be tested prospectively in adult populations. Twin studies have also contributed to our understanding of the life course hypothesis, and GenomEUtwin has the potential to add to this.

Primary aldosteronism: From genesis to genetics

The fact that a debate concerning the unexpectedly high prevalence of normokalaemic primary aldosteronism (PAL) attracted a large audience at the 2002 Scientific Meeting of the International Society of Hypertension makes it timely to address this issue. The affirmative case argues that PAL is the most common potentially curable and specifically treatable form of hypertension, itself the most common chronic disorder in Western societies, with significant morbidity and mortality, consuming large proportions of health budgets. Recent discoveries about the genetics of aldosterone production and of its unexpectedly broad effects on the cardiovascular system need to be placed in clinical context.

The genetics of glycosylation in Gram-negative bacteria

In recent years there has been a dramatic increase in reports of glycosylation of proteins in various Gram-negative systems including Neisseria meningitidis, Neisseria gonorrhoeae, Campylobacter jejuni, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Caulobacter crescentus, Aeromonas caviae and Helicobacter pylori. Although this growing list contains many important pathogens (reviewed by Benz and Schmidt [Mol. Microbiol. 45 (2002) 267-276]) and the glycosylations are found on proteins important in pathogenesis such as pili, adhesins and flagella the precise role(s) of the glycosylation of these proteins remains to be determined. Furthermore, the details of the glycosylation biosynthetic process have not been determined in any of these systems. The definition of the precise role of glycosylation and the mechanism of biosynthesis will be facilitated by a detailed understanding of the genes involved. (C) 2002 Federation of European Microbiological Societies. Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Studies on the genetics of artemisinin resistance in malaria

A existência de estirpes de Plasmodium falciparum resistentes a multiplos fármacos é um dos problemas mais graves no controlo da malária. Novos fármacos, como a artemisinina (ART) e seus derivados são cada vez mais utilizados no tratamento da malaria e muito embora até ao momento não haja registos de fármaco-resistência estável à ART o seu surgimento seria desastroso devido á falta de alternativas. A investigação apresentada nesta tese descreve a selecção de resistência estável à ART e ao artesunato (ATN) utilizando um modelo roedor de malária, o parasita Plasmodium chabaudi chabaudi (Plasmodium chabaudi). Dois clones de Plasmodium chabaudi diferentes, AS-15CQ e AS-30CQ, foram inoculados em murganhos que por sua vez foram tratados na presença de concentrações sucessivamente crescentes de ATN e ART, sendo que no final do processo de seleção de resistência, os parasitas obtidos apresentavam uma resistência de 6 e 15 vezes superior ao ATN e à ART, respectivamente, em relação aos parasitas iniciais. Os clones obtidos foram nomeados respectivamente AS-ATN (obtido a partir de AS-15CQ por seleção com pressão de ATN) e AS-ART (obtido a partir de AS-30CQ por seleção com pressão de ART). A resistência obtida durante o processo de seleção é estável após clonagem, congelamento/descongelamento, passagem sanguínea na ausência de pressão de fármaco e transmissão natural através do mosquito vector. A sequência nucleotídica e o número de cópias dos genes previamente descritos na literatura como moduladores putativos de resistência à ART e seus derivados: mdr1, cg10, tctp e atp6; foi comparada entre parasitas resistentes e sensíveis, não tendo sido encontradas nenhumas alterações, quer na sequência quer no número de cópias destes genes. Posteriormente, numa tentativa de identificar os genes envolvidos na resistância à ART e ao ATN a técnica de Linkage Group Selection (LGS) foi utilizada. Para tal dois cruzamentos genéticos foram realizados. Estes cruzamentos foram realizados entre os clones fármaco-resistentes; AS-ART e AS-ATN e um clone geneticamente distinto dos anteriores e sensível aos fármacos em estudos, AJ. Após realização do LGS quatro loci genéticos; nos cromossomas de P. chabaudi 1, 2, 6 e 8 foram encontrados associados à resistência. Atendendo a que, a selecção no cromossoma 2 era a mais forte, este locus foi submetido a subsequentes análises genéticas, tendo sido encontradas duas mutações diferentes (V739F e V770F) num gene que codifica para um enzima de desubiquitinação (gene ubp-1).

Studies on the genetics of artemisinin resistance in malaria

A existência de estirpes de Plasmodium falciparum resistentes a multiplos fármacos é um dos problemas mais graves no controlo da malária. Novos fármacos, como a artemisinina (ART) e seus derivados são cada vez mais utilizados no tratamento da malaria e muito embora até ao momento não haja registos de fármaco-resistência estável à ART o seu surgimento seria desastroso devido á falta de alternativas. A investigação apresentada nesta tese descreve a selecção de resistência estável à ART e ao artesunato (ATN) utilizando um modelo roedor de malária, o parasita Plasmodium chabaudi chabaudi (Plasmodium chabaudi). Dois clones de Plasmodium chabaudi diferentes, AS-15CQ e AS-30CQ, foram inoculados em murganhos que por sua vez foram tratados na presença de concentrações sucessivamente crescentes de ATN e ART, sendo que no final do processo de seleção de resistência, os parasitas obtidos apresentavam uma resistência de 6 e 15 vezes superior ao ATN e à ART, respectivamente, em relação aos parasitas iniciais. Os clones obtidos foram nomeados respectivamente AS-ATN (obtido a partir de AS-15CQ por seleção com pressão de ATN) e AS-ART (obtido a partir de AS-30CQ por seleção com pressão de ART). A resistência obtida durante o processo de seleção é estável após clonagem, congelamento/descongelamento, passagem sanguínea na ausência de pressão de fármaco e transmissão natural através do mosquito vector. A sequência nucleotídica e o número de cópias dos genes previamente descritos na literatura como moduladores putativos de resistência à ART e seus derivados: mdr1, cg10, tctp e atp6; foi comparada entre parasitas resistentes e sensíveis, não tendo sido encontradas nenhumas alterações, quer na sequência quer no número de cópias destes genes. Posteriormente, numa tentativa de identificar os genes envolvidos na resistância à ART e ao ATN a técnica de Linkage Group Selection (LGS) foi utilizada. Para tal dois cruzamentos genéticos foram realizados. Estes cruzamentos foram realizados entre os clones fármaco-resistentes; AS-ART e AS-ATN e um clone geneticamente distinto dos anteriores e sensível aos fármacos em estudos, AJ. Após realização do LGS quatro loci genéticos; nos cromossomas de P. chabaudi 1, 2, 6 e 8 foram encontrados associados à resistência. Atendendo a que, a selecção no cromossoma 2 era a mais forte, este locus foi submetido a subsequentes análises genéticas, tendo sido encontradas duas mutações diferentes (V739F e V770F) num gene que codifica para um enzima de desubiquitinação (gene ubp-1).

Genetics of berry colour and anthocyanin content variation in grapevine (Vitis vinifera L.subsp. vinifera)

Dissertation presented in fulfillment of the requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Biology (Molecular Genetics) at the Instituto de Tecnologia Química e Biológica da Universidade Nova de Lisboa

Phylogeography, conservation genetics and parasitology of chimpanzees (Pan troglodytes versus) in Guinea-Bissau, West Africa

Tese de doutoramento em Antropologia, especialidade em Antropologia Biológica e Etnoecologia

Pyruvate kinase and glucose-6-phosphate dehydrogenase deficies and their association with malaria - population genetics and proteomic studies

A malária é reconhecida como uma das principais forças selectivas a actuar na história recente no genoma humano. Inúmeros polimorfismos genéticos têm sido descritos como protectores contra a gravidade da malária, como o alelo HbS (designado de traço falciforme) e o alelo G6PD A- (associado à deficiência de G6PD). Mais recentemente, também a deficiência de PK foi associada com a protecção contra a malária. Evidências desta associação foram obtidas em estudos com modelos de roedor e estudos in vitro utilizando GV humanos deficientes em PK. Até à data, não foram obtidos dados em populações humanas que revelem esta associação: ainda não foi identificada uma variante de PK com uma prevalência elevada em regiões endémicas de malária e não foram identificadas marcas de selecção na região do gene que codifica para a PK (gene PKLR). Além disso, os mecanismos subjacentes à protecção contra a malária por deficiências enzimáticas dos GV não estão bem esclarecidos. Assim, os objectivos do presente estudo foram: investigar os polimorfismos genéticos humanos com associação com a malária em Cabo Verde; pesquisar marcas de selecção da malária na região do gene PKLR em populações Africanas; determinar a frequência da deficiência em PK e identificar uma eventual variante da enzima que possa estar sob selecção positiva em regiões endémicas de malária; avaliar o efeito das duas deficiências enzimáticas (PK e G6PD) na invasão e maturação do parasita em culturas in vitro de Plasmodium usando GV normais e deficientes; e analisar o perfil proteómico de GV infectados e não infectados, normais e com deficiência (em PK e G6PD), bem como de parasitas isolados de GV tanto deficientes como normais. Em Cabo Verde (área epidémica), não foram identificadas marcas de selecção pela malária, através da análise dos vários polimorfismos. No entanto, quando a análise foi realizada em dois países endémicos (Angola e Moçambique), foram detectadas várias marcas de selecção: a genotipagem de microssatélites (STRs) e polimorfismos de base única (SNPs) localizados na vizinhança do gene PKLR revelou uma diferenciação consideravelmente maior entre as populações Africana e Europeia (Portuguesa), do que a diferenciação determinada aquando da utilização de marcadores genéticos neutros. Além disso, uma região genómica de maior amplitude apresentou um Desequilíbrio de Ligação (LD) significativo no grupo de malária não grave (e não no grupo de malária grave), sugerindo que a malária poderá estar a exercer pressão selectiva sobre a região do genoma humano que envolve o gene PKLR. No estudo que incidiu na determinação da prevalência da deficiência de PK no continente Africano (realizado em Moçambique), esta revelou-se elevada - 4,1% - sendo o valor mais elevado descrito até ao momento a nível mundial para esta enzimopatia. Na pesquisa de mutações que pudessem estar na causa deste fenótipo (baixa actividade de PK), foi identificada uma mutação não sinónima 829G>A (277Glu>Lys), significativamente associada à baixa actividade enzimática. Esta mutação foi também identificada em Angola, São Tomé e Príncipe e Guiné Equatorial, onde a frequência de portadores heterozigóticos foi entre 2,6 e 6,7% (valores que se encontram entre os mais elevados descritos globalmente para mutações associadas à deficiência em PK). Não foi possível concluir acerca da associação entre a deficiência de PK e o grau de severidade da malária e da associação entre o alelo 829A e a mesma, devido ao baixo número de amostras. Os resultados dos ensaios de invasão/maturação do parasita sugeriram que, nos GV com deficiência de PK ou G6PD, a invasão (onde está envolvida a membrana do GV hospedeiro e o complexo apical do parasita) é mais relevante para a eventual protecção contra a malária do que a maturação. Os resultados da análise proteómica revelaram respostas diferentes por parte do parasita nas duas condições de crescimento (GV com deficiência de PK e GV com deficiência de G6PD). Esta resposta parece ser proporcional à gravidade da deficiência enzimática. Nos parasitas que cresceram em GV deficientes em G6PD (provenientes de um indivíduo assintomático), a principal alteração observada (relativamente às condições normais) foi o aumento do número de proteínas de choque térmico e chaperones, mostrando que os parasitas responderam às condições de stress oxidativo, aumentando a expressão de moléculas de protecção. Nos parasitas que cresceram em condições de deficit de PK (GV de indivíduo com crises hemolíticas regulares, dependente de transfusões sanguíneas), houve alteração da expressão de um maior número de proteínas (relativamente ao observado em condições normais), em que a maioria apresentou uma repressão da expressão. Os processos biológicos mais representados nesta resposta do parasita foram a digestão da hemoglobina e a troca de proteínas entre hospedeiro e parasita/remodelação da superfície do GV. Além disso, uma elevada percentagem destas proteínas com expressão alterada está relacionada com as fendas de Maurer, que desempenham um papel importante na patologia da infecção malárica. É colocada a hipótese de que a protecção contra a malária em GV deficientes em PK está relacionada com o processo de remodelação da membrana dos GV pelo parasita, o que pode condicionar a invasão por novos parasitas e a própria virulência da malária. Os resultados da análise do proteoma dos GV contribuirão para confirmar esta hipótese.