new method for quantifying genotyping errors for noninvasive genetic studies
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北京大学科技成果——鉴定和定量低频体细胞突变的方法项目简介本发明提供了鉴定和定量低频体细胞突变的方法,特别涉及鉴定转座子基因组定位、方向和拷贝数的方法。
本发明利用不同转座子家族的特异位点,通过构建文库灵敏、特异地富集转座子插入序列;利用高通量测序和生物信息学分析,准确地鉴定样本中转座子的基因组定位、方向、拷贝数和类型。
使用本发明的方法能够经济地、精准地鉴定生殖系和体细胞转座子插入事件。
此外,本方法可应用于检测任何序列已知区域内的低频遗传变异。
在临床诊断应用方面,本方法在检测由转座子插入导致的遗传疾病上有重大潜力,并在理解体细胞嵌合突变的产生及其潜在致病性有重要意义。
应用范围本公开内容涉及基因检测领域。
长久以来,由于检测结构变异具有技术挑战,临床分子诊断通常仅针对点突变和小尺度插入缺失突变进行鉴定和解析。
然而,存在大量单基因遗传病病例尚未找到致病突变。
本公开内容涉及对基因组中低频突变的鉴定和定量,同时涉及对转座子生殖系和新发插入事件的检测,可用于鉴定与疾病相关的转座子事件。
更一般地,本公开内容的方法提供了一个检测样本中已知序列区域内的其他突变类型的通用检测平台,因此该方法的应用不仅限于转座子事件,而是可以普遍用于鉴定其他生殖系和低频突变事件,例如SNV和indel等。
项目阶段本研究在开发阶段得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金资金支持。
本方法的优良表现和有效性得到了同行专家认可,相关成果发表在PLOS Genetics期刊。
经过项目团队多年积累,前期已经实现了:1)相关文库构建方法以及下游数据分析流程的开发;2)实现了从组织或者血液DNA中检测生殖系突变和低频体细胞突变事件;3)本方法技术以及相关应用已经申请国家发明专利。
目前本项目团队正在应用本方法进行单基因遗传疾病疑难病例的致病突变检测,发现诸多病例由转座子插入致病基因导致,充分证明了此类遗传变异来源在人类遗传疾病中的重要性。
本项目团队计划在未来2-4年内,借助北京大学高水平研发平台,北京大学附属医院雄厚的医疗资源,结合云计算和智能化技术,布局国内高端基因诊断行业,发展成为一个集研发、生产、销售和服务为一体的、具有国际领先水平的遗传变异检测服务商。
植物数量性状突变频率的保守估计法
植物数量性状突变频率(QTL)是植物遗传计划中重要的研究课题之一,为了准
确预测植物性状和改良植物品种,它必须得到准确的估计。
传统的植物数量性状突变频率估计法,基于大量数据的聚类分析,分析杂种个体与各种父本之间性状表现的差异性。
然而,这种估计法存在一定的局限性,如时间、金钱、生物量等。
最近,一种新的技术——保守估计法,已经被应用于植物数量性状突变频率的估计。
这种估计法可大大简化耗费长时间的繁复的操作步骤,从而使估计效率更高,经济效益更大。
这种估计法依据植物数量性状的概念,利用基因多态性与量性状变异之间的相互作用,以及基因多态性与外部环境之间的相互作用,在新环境中估计植物数量性状突变频率。
此外,保守估计法可重复使用,具有可重复性。
这种估计法根据基因和环境敏感性,将QTL拆分成不同种类,可以灵活地应用于不同的环境,以保证社会经济
的可持续发展。
因此,保守估计法可以有效地用来估计植物数量性状突变频率,从而对植物性状进行准确的预测,改良植物品种,实现资源可持续利用与社会经济百年发展的目标。
genotyping原理基因型(genotype)是指个体或生物体其中一种特定基因的种类或基因组合。
通过对一些生物的基因进行分析,可以确定其基因型,进而了解其遗传特征和相关性状。
基因型分析在遗传学研究、医学诊断和生物技术应用中具有重要的意义。
基因型分析的方法有很多种,其中最常见的是基于DNA序列的分子生物学方法。
基因型分析的原理主要包括DNA提取、基因放大、基因分型和数据分析等步骤。
首先,需要对样本中的DNA进行提取。
DNA提取是分子生物学实验中的第一步,常用的提取方法包括酚/氯仿法、离心法和商用DNA提取试剂盒等。
通过这些方法可以将DNA从细胞或组织中提取出来。
接下来,需要将提取得到的DNA进行放大。
常用的放大方法有PCR(聚合酶链式反应)和SNP(单核苷酸多态性)分析等。
PCR是一种体外的DNA复制技术,可以在短时间内扩增特定的DNA片段。
SNP分析则是通过扩增特定的基因片段来检测个体间的单核苷酸变异。
基因分型是基因型分析的核心步骤。
常见的基因分型技术有限制性片段长度多态性(RFLP)、序列特定引物扩增(SSP)和基因芯片等。
RFLP分析是基于特定限制性内切酶酶切位点的DNA片段长度变异来进行基因分型的技术。
SSP则是通过引物的特异性扩增决定基因分型。
基因芯片则是一种高通量的基因分型平台,可以同时检测数千个基因的单核苷酸多态性。
最后,需要对分型结果进行数据分析和解读。
根据不同的分型技术可以得到不同的分型结果,需要将这些结果与已知的基因型进行比对。
数据分析包括基因型预测、相关性状分析和基因关联研究等。
基因型分析在包括人类疾病遗传研究、种质资源鉴定、遗传育种和亲子鉴定等领域具有重要的应用价值。
通过基因型分析,可以确定个体或物种的基因型,进而了解其遗传特征和相关性状,对于人类健康和物种保护具有重要的意义。
总之,基因型分析是通过对生物体DNA序列进行分析,确定其基因型从而了解其遗传特征的一种方法。
它在分子生物学、遗传学和医学研究中具有重要的意义,可以为人类健康、物种保护和种质资源利用等领域提供有力的支持。
NatureMethods利用重复抽样研究绝对微生物群丰度的时空异质性和干扰推荐:江舜尧编译:罗睺编辑:十九美国纽约哥伦比亚大学系统生物学系HarrisH.Wang & Dennis Vitkup等人于2019年7月15日在Nature Methods 发表题目为《Quantifying spatiotemporal variability and noise in absolute microbiota abundances using replicate sampling》的文章。
基因组测序技术使详细研究各种微生物群落成为可能,但对了解微生物群落的时空变异性仍然是一个重要的挑战。
作者利用DIVERS研究了人类肠道微生物群时间序列的变化,并对曼哈顿中央公园的一个土壤细菌群落进行了空间调查。
在肠道中,技术干扰导致了近一半被检测菌群的丰度差异。
在土壤群落中,短时间的丰度波动主要受空间变异性的影响,而长时间的波动主要受时间差异性的影响。
文章摘要基因组测序技术使详细研究各种微生物群落成为可能,但对了解微生物群落的时空变异性仍然是一个重要的挑战。
在此,作者提出了一种基于重复抽样和插入序列(DIVERS)的方差分解方法。
该方法量化了时间动态、空间采样异质性和技术干扰对细菌绝对丰度方差和协方差的贡献。
作者利用DIVERS研究了人类肠道微生物群时间序列的变化,并对曼哈顿中央公园的一个土壤细菌群落进行了空间调查。
分析表明,在肠道中,技术干扰主导了近一半被检测菌群的丰度差异。
DIVERS还发现了肠道菌群的空间异质性,以及拟杆菌门内菌群的时间协方差。
在土壤群落中,短时间尺度(周)的丰度波动主要受空间变异性的影响,而长时间尺度(数月)的丰度波动主要受时间差异性的影响。
文章中重要图片说明图1:DIVERS理论流程图。
图2:DIVERS肠道细菌丰度波动的方差分解。
图3:识别具有高时间或空间采样方差的单个细菌分类群。
图4:分解时间和空间对人类肠道菌群中成对OTU丰度相关性的贡献。
生物信息学研究中的机器学习方法近年来,随着高通量生物技术的快速普及,生物信息学的发展日趋迅猛。
尤其是人类基因组计划的启动以及后续诸多基因组计划的开展,使得生物信息学的研究原料和数据资源与日俱增。
这就提出了新的挑战:如何高效地从这些大量的数据中提取有用信息。
想要回答这个问题,引入机器学习方法显得十分必要。
在生物信息学研究中,机器学习已成为一项不可或缺的技术,它可以用来解决各种生物信息学问题,例如在基因表达数据分析、蛋白质结构预测和基因分类等方面。
一、基因表达数据分析中的机器学习方法基因表达数据是从微阵列芯片或 RNA 测序实验中获得的。
这些数据可以用来分析基因在生物体内的转录水平。
受到生物实验条件变化的影响,基因表达数据往往呈现出复杂的变化模式,因此需要特定的方法分析处理。
机器学习方法正是一个强大的工具,可以在这个领域发挥出他优势。
一种常见的基因表达数据分析方法是聚类分析,这种方法旨在探索基因的表达时序和模式。
其中,聚类分析中使用的算法可以包括K-means、层次聚类和基于密度的聚类等。
在特定的条件下,细胞的基因表达可能会发生显著的变化。
如果对每个条件进行分类并对其进一步进行解释,人们就可以建立一个基因表达图谱。
这种图谱是非常有用的,因为它可以揭示细胞功能角色的特征,并可以用于了解导致疾病的基因或分子途径。
另一种常见的方法是差异分析,通过差异分析可以比较两个或多个基因表达数据集之间的微小变化。
这种方法可以用来找到与特定生物学组织、状态、生理功能或疾病有关的基因。
在这类实验中,诸如 T 检验、ANOVA 和 Wilcoxon 等统计分析方法常常用于检测差异和显著性。
二、蛋白质结构预测中的机器学习方法蛋白质结构预测是计算生物学中的一个非常重要和具有挑战性的问题。
蛋白质是生物体内最重要的分子之一,在许多生物学过程中起到至关重要的作用。
在预测蛋白质结构时,需要利用蛋白质序列信息和相应的物理化学性质。
然而,这通常是非常困难和耗时的。
预测点突变蛋白结构的方法引言:随着生物技术的发展,预测蛋白质结构的方法也得到了长足的进展。
而预测点突变蛋白结构是其中的一个重要研究方向。
点突变是指蛋白质序列中的一个氨基酸被另外一种氨基酸替代,这种突变可以导致蛋白质结构和功能的改变。
本文将介绍几种常见的预测点突变蛋白结构的方法。
一、序列比对方法序列比对是预测点突变蛋白结构的一种基础方法。
通过比对突变前后的氨基酸序列,可以观察到突变对蛋白质结构的影响。
常用的序列比对软件有ClustalW、MUSCLE等。
这些软件可以自动比对序列并生成比对结果,通过比较突变前后的比对结果,可以初步了解突变对蛋白质结构的影响。
二、序列模拟方法序列模拟是一种通过模拟蛋白质结构来预测点突变蛋白结构的方法。
在序列模拟中,一般采用分子动力学模拟或蒙特卡洛模拟的方法。
这些模拟方法通过计算突变前后的能量差异,来判断突变对蛋白质结构的稳定性影响。
常用的序列模拟软件有GROMACS、AMBER 等。
三、结构比对方法结构比对是一种通过比对蛋白质结构来预测点突变蛋白结构的方法。
结构比对可以通过比较突变前后的二级结构、三级结构等特征来判断突变对蛋白质结构的影响。
常用的结构比对软件有PyMOL、VMD等。
这些软件可以可视化蛋白质结构,并进行结构比对分析。
四、机器学习方法机器学习方法是一种通过训练模型来预测点突变蛋白结构的方法。
机器学习方法可以通过建立突变前后的特征向量,然后使用已有的蛋白质结构数据进行模型训练,最终得到一个能够预测突变后蛋白结构的模型。
常用的机器学习方法有随机森林、支持向量机等。
这些方法可以根据已有的蛋白质结构信息,预测突变后的蛋白质结构。
五、深度学习方法深度学习方法是一种通过神经网络模型来预测点突变蛋白结构的方法。
深度学习方法可以通过建立突变前后的输入数据和输出数据,然后使用神经网络进行训练,最终得到一个能够预测突变后蛋白结构的模型。
常用的深度学习方法有卷积神经网络、循环神经网络等。
基因检测算法
基因检测算法是用于识别和分析基因序列中差异表达基因的方法。
这些算法基于统计学原理,通过对基因表达谱数据进行比较和分析,找出在特定条件下表达水平存在显著差异的基因。
常用的基因检测算法包括:
1. Fold Change(FC)算法:这是最早用于识别差异表达基因的算法。
它通过计算基因在两类样本中平均表达水平的倍数值来确定基因的表达差异。
如果倍数变化大于预先设定的阈值(通常为2),则将该基因判定为差异表达基因。
然而,FC算法存在一些不足,如缺乏严格的统计控制和阈值设定主观性较大。
2. T检验:这是一种常用的统计方法,用于比较两组数据的平均值是否存在显著差异。
在基因检测中,T检验用于比较在不同条件下的基因表达水平是否有显著差异。
然而,T检验也倾向于将表达水平低的基因判断为差异表达基因。
3. SAM(Significance Analysis of Microarrays)算法:这是一种针对微阵列数据的统计方法,用于识别在两类样本间表达水平有显著差异的基因。
SAM算法使用Wilcoxon秩和检验来比较每个基因在不同条件下的表达水
平,并通过调整多重检验校正来控制假阳性率。
与FC和T检验相比,SAM 算法提供了更为严格的统计控制和更高的检测准确性。
这些算法可以通过软件包或在线平台实现,例如GenePattern、Orange和Bioconductor等。
根据不同的实验设计和数据类型,可以选择适合的算法来分析基因表达谱数据并识别差异表达基因。
如何检测基因治疗中的基因表达水平基因治疗是一种潜在的治疗方法,可以通过修改人体细胞中的基因来治疗遗传性疾病。
然而,要确保基因治疗的有效性和安全性,需要对治疗过程中的基因表达水平进行准确检测。
本文将介绍一些常用的方法来检测基因治疗中的基因表达水平,以确保治疗效果的评估。
一、荧光素酶报告基因检测法荧光素酶(luciferase)是一种常用的报告基因,它可以发出荧光信号,从而反映基因的表达水平。
在基因治疗中,可以将荧光素酶基因与治疗基因进行连接,并将其导入到目标细胞中。
通过测量荧光素酶产生的荧光信号强度,就可以评估基因的表达水平。
这种方法简单、灵敏、实时性强,可以用于监测基因治疗的疗效及持续时间。
二、实时荧光定量PCR检测法实时荧光定量PCR(quantitative real-time polymerase chain reaction)是一种广泛应用的检测技术,可以测量基因在RNA水平的表达量。
在基因治疗中,可以提取目标细胞中的RNA,并利用逆转录酶将其转化为cDNA。
通过PCR反应,可以监测基因治疗过程中目标基因的表达水平。
此方法具有高度特异性和灵敏度,可以实时检测基因表达的变化。
三、蛋白质表达水平检测法基因治疗中的基因表达不仅可以通过检测RNA水平来研究,还可以通过检测蛋白质水平来评估治疗效果。
常用的方法包括酶联免疫吸附测定法(ELISA)、免疫组织化学染色法(IHC)和蛋白质印迹法(Western blotting)。
这些方法可以通过检测目标蛋白质在细胞或组织中的表达水平来确定基因治疗的效果。
四、细胞荧光显微镜检测法细胞荧光显微镜检测法可以直接观察基因治疗中目标基因在细胞中的表达情况。
该方法通过将荧光素酶等基因或荧光标记的抗体导入到细胞中,并利用荧光显微镜观察细胞中的荧光信号。
这种方法能够提供细胞级别的基因表达信息,对于评估治疗效果和基因传递效率非常有帮助。
五、组织切片染色法组织切片染色法是对基因治疗中的基因表达水平进行检测的常用方法之一。
HEREDITAS (Beijing)2007年11月, 29(11): 1291―1298 ISSN 0253-9772 综 述收稿日期:2007-10-16; 修回日期:2007-10-19基金项目:国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(编号:2005CB522506; 2006CB943501)、国家自然科学基金重点项目(编号:30430350)、国家高技术研究发展计划项目(863计划)(编号:2006AA02Z168)、国家支撑计划(编号:2006BAI23B01-3)和北京市平台计划(编号: Z0006303041231)[Supported by National Basic Research Program of China(973 Program) (No.2005CB522506; 2006CB943501), Chinese National Natural Science Foundation (No.30430350), Hi-Tech Research and Development Program of China (863 Program) (No.2006AA02Z168), National Science Supporting Program (No.2006BAI23B01-3) and Beijing Science Projects (No.Z0006303041231)]作者简介:滕艳(1976−), 女, 吉林人, 博士, 研究方向:发育和分子遗传学。
E-mail: tengyan0919@通讯作者:杨晓(1967−), 女, 四川都江堰人, 研究员, 博士生导师, 研究方向:发育和分子遗传学。
E-mail: yangx@DOI: 10.1360/yc-007-1291基因打靶技术:开启遗传学新纪元滕艳, 杨晓军事医学科学院生物工程研究所发育和疾病遗传学研究室, 北京 100071摘要: 基因打靶技术作为最有效的定向修饰小鼠基因的技术手段在揭示基因的生理功能、研究人类疾病的遗传机制以及寻找新的药物靶标的过程中发挥着重要的作用。
基因表达的研究方法基因表达的研究方法,这事儿说起来可就复杂了。
我有个朋友老王,是个生物学家,整天捣鼓这些基因啊、蛋白啊什么的。
有天我去找他喝酒,他正对着一堆试管发愁。
"老王,你这是干嘛呢?"我凑过去问。
"唉,别提了,最近在研究基因表达,可把我给难住了。
"老王叹了口气。
"基因表达?不就是让基因干活儿吗?这有啥难的?"我一脸不解。
老王白了我一眼:"你以为基因是工人啊,说干活就干活?基因表达可复杂了,得用各种方法才能研究明白。
""那你都用啥方法啊?"我来了兴趣。
"最常用的就是RT-PCR。
"老王说,"这玩意儿能检测基因转录成RNA的情况,看看基因有没有干活儿。
""RT-PCR?听着挺高大上的。
"我点点头。
"还有Western Blot,能检测蛋白表达。
"老王继续说,"看看基因干活儿干得怎么样,有没有偷懒。
""那要是基因偷懒了咋办?"我好奇地问。
"那就得用ChIP-seq了。
"老王解释道,"这玩意儿能看看基因有没有被调控因子给绑架了,导致它没法干活儿。
""乖乖,这基因表达还真是门学问啊。
"我感叹道。
"那可不,我这头发都快掉光了。
"老王摸了摸自己的秃顶,"不过研究明白了,对治病救人可是大有帮助。
""那你可得加油啊,老王。
"我拍了拍他的肩膀,"等哪天你研究出个长生不老药,别忘了给我留一颗。
""去你的,还长生不老药呢。
"老王笑骂道,"不过要真能治好癌症,那可就功德无量了。
""那我可等着你的好消息了。
"我举起酒杯,"来,敬你一杯,祝你早日攻克难关!""好,干了!"老王也举起酒杯,一饮而尽。
化学计量学方法在基因组学研究中的应用随着计算机技术,特别是高通量测序技术的迅猛发展,基因组学研究正日益成为各大研究机构的重点研究方向。
基因组学以研究基因及其在细胞内的表达和调控为主要内容,是生物学发展的一个重要分支。
在基因组学研究中,化学计量学方法的应用日益广泛。
基因组学中的化学计量学方法最早是由英国科学家弗雷德里克·斯特尔林提出的。
他在研究蛋白质组学时,发现不同蛋白质中的氮元素的含量存在差异。
这一发现启发人们用化学计量学的方法研究基因组学。
化学计量学方法的基本理念是根据化学反应方程式中物质的摩尔比例,通过实验测定样品中化合物的重量或体积,从而确定化合物的摩尔量。
在基因组学中,化学计量学方法主要有两个应用方向:1、基于RNA测序的化学计量方法RNA测序技术已成为目前最主要的基因组学研究手段。
RNA 测序技术可用于确定RNA序列,从而获得相应的基因表达信息。
在RNA测序中,化学计量学方法的应用主要是用于确定RNA库的摩尔浓度。
通过将RNA库的摩尔浓度转换为RNA分子量,可以计算出RNA分子量的浓度。
由此,可以计算出每个RNA样品中的mRNA摩尔数量,并进行相应的基因表达量研究。
由于RNA 测序技术的高通量性,化学计量学方法的使用使得大规模的RNA 测序实验能够更加精确和准确,从而提高了基因表达研究的质量和效率。
2、基于质谱法的化学计量方法质谱法是一种分析化学手段,可用于分析复杂的生物大分子。
在基因组学中,质谱法既可以用于分析蛋白质,也可以用于分析核酸。
对于核酸质谱分析,化学计量学方法主要是用于确定核酸摩尔浓度,从而计算出每个核酸样品中核酸摩尔数量。
通过核酸质谱分析,还可以得到核酸序列信息,从而进行相应的基因组学研究。
质谱法的高效、高速度和高灵敏度,为基因组学研究提供了强有力的工具。
总结化学计量学方法在基因组学研究中的应用已经成为一种趋势。
通过化学计量学方法,可以精确地测量样品中各种化合物的摩尔量,从而进行更准确、更高效、更科学的基因组学研究。
如何评估基因编辑对目标基因表达的影响基因编辑是一种用于修改生物目标基因的新兴技术,它已经被广泛应用于生物学研究和生物技术领域。
评估基因编辑对目标基因表达的影响至关重要,可以帮助我们了解编辑效率和目标基因功能的变化。
本文将介绍如何评估基因编辑对目标基因表达的影响,并提供一些常见的评估方法。
首先,评估基因编辑对目标基因表达的影响需要检测编辑后基因的表达水平。
最简单的方法是使用定量PCR(qPCR)或逆转录定量PCR(RT-qPCR)来测量目标基因的mRNA水平。
通过比较编辑后样本与野生型样本的基因表达水平,可以确定基因编辑对目标基因表达的影响。
另一种常用的方法是使用Western blot或ELISA检测目标蛋白的表达水平。
这些方法可以直接检测编辑后基因表达的变化。
其次,为了评估基因编辑的效率,可以使用DNA测序技术检测编辑后位点的改变。
短片段测序(Sanger测序)是一种常见的测序方法,可以用于检测目标基因编辑后的单核苷酸变异或小片段插入/缺失。
近年来,高通量测序技术如下一代测序(NGS)的出现,使得可以对整个基因组范围内的编辑位点进行测序,从而全面评估基因编辑效果。
通过测序数据的分析,可以确定编辑位点的变异类型、频率以及编辑效率。
此外,为了评估基因编辑对细胞或生物体的功能影响,可以进行细胞增殖、迁移和凋亡等功能分析。
细胞增殖实验可以通过细胞计数、细胞增殖标记物(如BrdU)的检测以及增殖相关基因的表达分析来评估细胞增殖的变化。
细胞迁移和侵袭实验可以使用Transwell或划痕实验来评估细胞迁移和侵袭能力的变化。
细胞凋亡实验可以使用TUNEL染色法或流式细胞术来检测编辑后细胞凋亡程度的变化。
此外,对于某些特定的基因编辑技术,如CRISPR-Cas9系统,评估其对目标基因表达的影响还需要考虑脱靶效应。
脱靶效应指的是编辑工具在目标基因以外的地方发生的误编辑。
为了评估脱靶效应,可以使用基因组测序技术对编辑后细胞或生物体的整个基因组进行测序,以检测是否存在其他位点的编辑事件。
基因表达规律的统计分析方法基因表达规律是生命科学中非常重要的一部分,它涉及到了生物体内基因的调控和功能的发挥。
对于基因表达规律进行统计分析是一种非常重要的方法,它可以帮助生物学家发现基因表达的模式、探寻基因调控机制、预测基因功能等方面。
本文将介绍基因表达规律的统计分析方法。
一、基因表达数据的前处理在进行基因表达数据的统计分析之前,需要对原始数据进行一定的前处理。
包括数据的过滤、归一化处理、缺失值的处理等。
其中,过滤是非常重要的一步,通过对数据进行过滤可以去除那些无意义的数据,提高后续分析的准确性和有效性。
此外,还需要对数据进行归一化处理,因为不同的芯片平台之间存在差异,如果不对数据进行归一化处理,可能会导致较大的偏差。
二、差异基因的筛选差异基因是指在不同条件下表达量有显著差异的基因。
通过对基因表达数据进行差异分析可以筛选出差异基因,并对其进行进一步研究。
差异分析可以采用多种方法,如t检验、方差分析、秩和检验等。
其中,秩和检验对于数据的分布不受偏的情况下更加稳健。
三、聚类分析聚类分析是将基因表达数据中相似的基因聚在一起,得到一些基因表达的模式。
常用的聚类方法有层次聚类法和K均值聚类法。
聚类分析可以帮助我们找到特定表达模式有相似功能的基因。
四、基因表达的分类器基于机器学习的分类器是一种非常有效的基因表达分析方法。
通过训练样本,可以得到一个分类器,对未知的样本进行分类,预测其分类结果。
常用的分类器包括支持向量机、随机森林、神经网络等。
分类器可以帮助我们对基因进行功能预测。
五、通路富集分析通路富集分析是将差异基因映射到通路上,寻找与特定生物过程相关的通路,并对其进行进一步研究。
通路富集分析可以采用多种方法,如基于超几何分布的富集分析,基于基因集的富集分析等。
六、基因网络分析基因网络分析是将差异基因之间的关系以网络的形式表示出来,并对其进行进一步研究。
基因网络分析可以帮助我们理解基因之间的相互作用,从而深入探究基因的生物学功能。
研究人员开发出DNA方法来预测生态系统变化1995年,当狼群回到黄石公园时,没有人想到掠食者会通过对其他动植物的级联效应,从字面上改变国家公园的河流路线。
现在,斯坦福大学开发的方法有望预测某些物种变得更加遍及或完全消失时的生态系统变化。
快速,低成本的技术在《生态与进化前沿》中进行了概述,它是第一种分析动物粪便中残留的DNA的方法,以绘制出一个陆地系统中复杂的物种彼此作用网络。
它可以帮忙重新定义我们所知道的庇护,识别原本很难找到的物种,并通过重新引入本地灭绝物种来指导全球努力使广大地区野生化。
研究的主要作者,生物学博士乔丹娜·迈尔(Jordana Meyer)表示:“不仅仅是我们可以迅速捕捉该地区的生物多样性。
斯坦福大学人文与科学学院的候选人。
“我们还可以量化物种之间的间接联系程度,例如特定捕食者的行为如何影响某个地区的植被。
这使我们能够测量对系统必不成少的物种或特别脆弱的物种的影响。
”正如引入物种(例如黄石狼)会产生广泛影响一样,它们的消失可能以科学家难以预测的方式造成毁灭性的破坏。
梅耶的工作主要集中在非洲野生动植物上,他在刚果民主共和国亲眼目睹了这种影响。
那里,犀牛和大象等大型食草动物的流失,导致曾经放牧的这些曾经大量耕种的草原稀树草原萎缩。
随着人类对野生场所的影响加速,有效的庇护和生态系统办理将需要更快速,更便宜的非侵入性技术来捕捉生物多样性的变化并量化物种之间的彼此作用。
最有前途的工具之一是对留在动物体内的材料(如头发和皮肤)中所谓的环境DNA的研究。
提取DNA后,科学家对其进行测序并将其与在线数据库进行比力,以识别特定区域中存在的生物。
与传统方法(例如实时陷印,动物追踪和相机陷印)比拟,这是一个相对较快,维护成本较低的过程。
研究人员在斯坦福大学占地1,193英亩的贾斯珀里奇生物庇护区工作,利用他们的技术分析了食肉动物(如山狮),杂食动物(如灰狐狸)和食草动物(如黑尾鹿)的粪便。
生物信息学中的基因定量分析方法研究生物信息学是一门涉及生命科学和计算机科学的交叉学科,通过整合生物学、统计学和计算机科学,以提取、存储、分析和解释生物信息为目标。
在生物信息学研究中,基因定量分析是一个重要的领域,用于研究基因的表达水平和变异性,从而揭示基因与生物过程的关系。
基因定量分析是通过测量基因在不同样本中的表达水平,来研究基因功能和其调控机制的一种方法。
下面将介绍三种常用的基因定量分析方法。
1. 基于荧光定量PCR的基因定量分析方法荧光定量PCR(qPCR)是一种常用的基因定量分析方法,其基本原理是通过PCR技术检测和量化目标基因在不同样本中的拷贝数。
在qPCR实验中,首先通过逆转录反应将RNA转录为cDNA,然后利用引物和荧光探针扩增目标基因,在PCR反应过程中,荧光信号与目标基因的拷贝数呈正相关。
通过比较不同样本中的荧光信号强度,可以定量分析基因在样本中的表达水平。
2. 基于RNA测序的基因定量分析方法RNA测序(RNA-seq)是近年来快速发展的一种高通量测序技术,可以对转录组中的所有RNA进行定量测量。
与传统的杂交芯片或荧光定量PCR相比,RNA-seq具有更高的灵敏度和全面性。
在基于RNA-seq的基因定量分析中,首先需要将RNA 转录为cDNA,并通过逆转录反应扩增,然后进行高通量测序。
通过比对测序数据到参考基因组,可以计算出基因在样本中的表达水平。
此外,RNA-seq还可以捕获到转录本的剪接变异、SNP等信息,从而更全面地了解基因功能和调控机制。
3. 基于微阵列芯片的基因定量分析方法微阵列芯片是一种常用的基因表达谱分析技术,可以同时检测上千个基因的表达水平。
在这种方法中,DNA或cDNA探针被固定在芯片上,然后将荧光标记的样本与芯片结合,通过荧光信号的检测来定量分析基因表达水平。
基于微阵列芯片的基因定量分析方法适用于研究特定的基因组区域或已知基因集的表达水平。
通过比较不同样本中的荧光信号强度,可以定量分析基因在样本中的表达水平和差异。
SHORT COMMUNICATIONA new method for quantifying genotyping errors for noninvasive genetic studiesXiangjiang Zhan ÆXiudeng Zheng ÆMichael W.Bruford ÆFuwen Wei ÆYi TaoReceived:22March 2009/Accepted:29May 2009/Published online:18June 2009ÓSpringer Science+Business Media B.V.2009Abstract More and more noninvasive genetic data are being produced but a general methodology to quantify genotyping error rates from non-pilot data remains lacking.Here we propose a mathematical approach to estimate genotyping error rates by exploring the relationship between errors and PCR replicates.This method can be used to quantify the error rates for either the multi-tubes approach designed by Taberlet et al.(Nucleic Acids Res 24:3189–3194,1996)or the pilot method by Prugh et al.(Mol Ecol 14:1585–1596,2005).Keywords Genotyping errors ÁNoninvasive genetics ÁQuantification ÁMulti-tubes approachIntroductionIn recent years,noninvasive genetic sampling has been increasingly applied to study the population biology of wild animals,especially elusive species.It offers the advantage that it can provide DNA profiles without causing undue disturbance using material such as feces and hair,enabling the genetic tagging of individuals.These approaches have led to such applications as the identifi-cation of individuals (Taberlet et al.1997),estimation of population size (Solberg et al.2006;Zhan et al.2006),and analysis of dispersal patterns (Flagstad et al.2004;Zhan et al.2007).While many researchers welcome the application of noninvasive genetic sampling,they caution that a major problem for the technology,particularly for microsatellite DNA profiling,is inherent genotyping error,where the observed genotype of an individual does not correspond to the true genotype.A bibliographic survey has indicated that many genetics studies in which errors were checked report non-negligible rates (Pompanon et al.2005),and relatively higher rates can be found in studies using noninvasive genetic samples (Broquet et al.2007).So far,two main sources of DNA profiling errors have been recognized:one is allelic dropout,where one or more allele of an individ-ual’s locus is not detected by PCR leading to incorrect scoring as a homozygote or failed sample,thought to be resulting from low DNA copy number in the sample(Taberlet et al.1996;Valie`re 2002);the other is false allele generation,namely,one or more extra ‘alleles’can be produced by PCR as a result of experimental artifacts,sporadic contamination,as well as human error (Taberlet et al.1996;Pompanon et al.2005).Although genotyping errors occur in all but the smallest datasets that are generated in non-invasive genetic studies,Xiangjiang Zhan and Xiudeng Zheng contribute equally to this work.Electronic supplementary material The online version of this article (doi:10.1007/s10592-009-9950-9)contains supplementary material,which is available to authorized users.X.Zhan ÁX.Zheng ÁF.Wei (&)ÁY.Tao (&)Key Lab of Animal Ecology and Conservation Biology,Institute of Zoology,Chinese Academy of Sciences,No 1,Beichenxilu,100101Beijing,People’s Republic of China e-mail:weifw@ Y.Taoe-mail:yitao@ X.Zhane-mail:zhanxj@X.Zhan ÁM.W.BrufordBiodiversity and Ecological Processes Group,Cardiff School of Biosciences,Cardiff University,Cardiff CF103AX,UK X.ZhengGraduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,People’s Republic of ChinaConserv Genet (2010)11:1567–1571DOI 10.1007/s10592-009-9950-9they can greatly bias thefinal conclusions.For example, Creel et al.(2003)reported that a5%error rate per locus when using seven to ten microsatellite loci for genotype identification could cause a200%overestimate of popu-lation size.Various methods,thus,have been proposed to limit genotyping errors in noninvasive studies and the most accepted is the‘‘multi-tubes’’method(Taberlet et al. 1996),which includes two basic steps:(1)three PCR repeats are carried out and a heterozygote is determined if both alleles are repeated at least twice among three positive PCRs,and(2)otherwise,four additional repeats are needed before homo-/heterozygotes are confirmed.However,there has been some debate on the best method to use and one criticism of the multi-tubes method is that it cannot quantify genotyping error rates if there is no reference genotype obtained using other sources of‘non-erroneous’DNA(Creel et al.2003;Mckelvey and Schwartz2004). Some studies have instead estimated genotyping error rates directly by using a pilot study designed to reveal and quantify error(e.g.,Prugh et al.2005).Different from the multi-tubes method,the pilot study normally carries out a pre-experiment that amplifies each sample at a locus with the same number of PCR repeats to construct the reference genotype.The researcher then utilizes the error rates inferred from the pre-experiment to estimate the genotyp-ing errors of thefinal dataset.Recently,the use of pilot studies has become more popular due to its direct method of inference.However,the accuracy of this method depends on two factors:firstly,that these rates are correctly estimated,and secondly,the samples chosen for the pilot study accurately reflect all samples in the population.Both problems are difficult to entirely obviate under most cir-cumstances,not only because amplification rates may vary among individuals as a result of dietary preference,age, sex and location;but also because,until now,there is no evidence that the PCR replicates adopted in pilot studies were sufficient to accurately estimate the intrinsic error rates of whole samples.In the present study,we aimed to develop a new general method for noninvasive genetics studies,(1)to estimate the genotyping error rates by using the full data instead of a proportion of the genotypes;(2)to directly quantify the genotyping error rates for studies using the multi-tubes method regardless of the number of PCR replicates or when adopting the pilot method with or without replicates. Materials and methodsFor noninvasive genetics studies,because most genotyping errors have a measurable probability to occur in PCR,we can expect that there is a relationship between genotyping errors and the number of replicates of PCR,i.e.,the more PCR replicates the closer experiment approximates to the true data.In our analysis,we divide the genotyping errors into two classes,allelic dropout and false allele generation, and conservatively assume each class independently hap-pens within each allele with an equal error probability. Then for a certain locus amplified by PCR replicates,we calculate the probability of genotyping error for a hetero-zygous and homozygous sample,respectively.Finally,we use the mean error probability to measure the genotyping error in the population.Definitions and assumptions1.Consider only the identification of heterozygotes andhomozygotes for each locus.2.Let l i and m i denote the per-allele dropout rate andfalse allele generation rate,respectively,at locus i (i=1,2,…,N,where N is the total number of loci).3.In the absence of a reference genotype,to construct aconsensus genotype for each sample and for each locus,general protocols to date use a criterion that replicate PCRs produce at least n apparent heterozy-gous genotypes(for example two under the Taberlet approach)or at least m apparent homozygote geno-types(for example six under the Taberlet approach).For convenience,this protocol is denoted by K n;m.In general,we take n\m since l i[m i(i=1,2,…,N;Broquet and Petit2004).Table1shows an example of how to use the protocol K2;3to construct a consensus genotype.4.For the protocol K n;m,the number of PCR replicates,denoted by L,should be theoretically equal to n?m-1since(a)if L\n?m-1,the existence of the consensus genotype cannot be always guaran-teed,for example,for the PCR replicate data‘AB/AA/ AA’,we cannot use the protocol K2;3to construct consensus genotype since it is not possible to tell whether the genotype is heterozygote or homozygote;(b)however,if L[n?m-1,a consensus genotype Table1The protocol for constructing consensus genotype with n=2and m=3Number ofreplicationsReplication results Consensusgenotype2AB/AB Heterozygote 3AB/AA/AB Heterozygote 4AB/AA/AB/AA Heterozygote 4AB/AA/AA/AA Homozygote 4AA/AB/AA/AA Homozygote 4AA/AA/AB/AA Homozygote 3AA/AA/AA Homozygotemay be difficult to produce,for example,for the PCR replication data‘AB/AA/AA/AB/AA’,we cannot also use the protocol K2;3to determine the genotype. Theoretical analyses of genotyping errorsAt locus i the probability of genotyping error for a het-erozygous sample is~/ i ¼X nÀ1k¼0C knþmÀ11Àl iðÞk l nþmÀ1Àki:ð1ÞSimilarly,the probability of genotyping error for a homozygous sample is~# i ¼X mÀ1k¼0C k nþmÀ11Àt iðÞk t nþmÀ1Àki:ð2ÞLet q i and1-q i denote the proportions of heterozygous and homozygous samples in the sample set,respectively,at locus i(i=1,2,…,N).The mean probability of genotyping error at locus i is given byP i¼q i~/iþ1Àq iðÞ~#i:ð3ÞSome related equations are shown in the Supplemental Material.For a multi-locus genotype,we assume that for errors,loci are independent of each other.Thus,the mean genotyping error of the multi-locus profile can be measured by P¼1NX Ni¼1P i;ð4Þi.e.,for all N loci,the mean probability of genotyping error is P.Results and discussionsEffects of allelic dropout and false allele rates on genotyping errorsTheoretically,if both allelic dropout and false allele rates are small enough,then the genotyping error rate should also be small enough using reasonable protocols.In order to show this,using the protocols K2;3and K2;6,for different values of the allelic dropout rate(l i),false allele rate(m i) and proportion of heterozygous samples in the sample set (q i),the mean probability of genotyping error at a single locus(P i)is plotted in Fig.1.In Fig.1a,b,It is obvious that P i is an increasing function of l i and m i,namely,the increase of genotyping error is related to an increase in allelic dropout and false allele rates.However,when m is comparatively large,e.g., 6,P i will only be sensitive to an increase of m i(compare Fig.1a,b with c,d),which results from an indexed increase in the equations on which P i is based.It also indicates that the protocol of K2;6effectively minimizes thegenotyping errors from allele dropout,which corroborates the original intentions of Taberlet et al.(1996).Case analysisWe used non-invasive data from the giant panda(Ailru-poda melanoleuca,Zhan et al.2006)to examine the above equations and estimate genotyping errors for those studies using the standard multi-tubes method.In the above study, we investigated the abundance of giant panda in Wanglang Nature Reserve,China(Table2).With nine loci,we adopted a modified multi-tubes approach(Taberlet et al. 1996)to determine the genotypes.Loci that gave rise to the same heterozygous genotype twice were accepted as het-erozygotes.Otherwise,a third repeat was conducted and heterozygotes were accepted if both alleles appeared twice or more among three repeats.Then four more PCR repeats were carried out for all homozygotes and appropriate het-erozygotes,using the same criteria as those designed by Taberlet et al.(1996).In the study,nine microsatellite loci successfully amplified375samples collected in Wanglang and its neighboring areas.Heterozygotes were determined after two,three or seven PCR repeats and all homozygotes were repeated seven times.The protocol here is K2;6.As stated before,the technical bottleneck for the protocol is to esti-mate the allelic dropout rate(l i)and false allele rate(m i), which is the reason why many similar studies adopting the multi-tubes method,without a reference genotype,could not provide actual error rates.However,for m i,we can in principle use the observed error rates calculated from homozygotes with seven PCR repeats,assuming the rate represents both kinds of zygotes.As for l i,we can consider (1)its lowest limit(l i min)as0for heterozygotes with two PCR replicates,1/6for those with three replicates,and the actual values for those with seven;(2)its upper limit(l i max) as0.25for those with two or three repeats and actual values for those with seven repeats.The reasons for these settings for l i max are as below.Firstly,Broquet et al.(2007)reviewed and calculated the error rates for the non-invasive genetic data published up to2004and found that the error rates(measured as allelic dropout)for all loci used but four did not exceed 50%.However,even error rate estimations of those four loci could have been biased because these loci had low amplification success rates(\50%,Smith et al.2000; Constable et al.2001)and some proved to be significantly affected by null alleles(Constable et al.2001);secondly, according to the computer simulations of Taberlet et al. (1996),the maximum error rate per allele should be0.25, so0.25sets a conservative standard for our study.For example,if l i is0.25,the chance of obtaining the same two heterozygotes in two PCR replicates should be0.32,but it is nearly0.5in ourfinal dataset,suggesting that the ture l i max in our case could be less than0.25.Using the above method,in our study of the giant panda (Zhan et al.2006),the probability of genotyping error for heterozygotes was3.31E-08to1.32E-03and1.32E-04 for homozygotes.The mean genotyping error rate per locus was1.57E-06to9.01E-04.Based on these estimates,we expect that there could have been no more than four erroneous genotypes in our dataset.Our equations,for thefirst time,provide a new way to estimate intrinsic error rates for genetic data using the multi-tubes method,most widely used one in the nonin-vasive studies.In our study of the giant panda,the multi-tubes method seems to have effectively minimized geno-typing errors,refuting recent criticisms of our study by Garshelis et al.(2008).Our equations also can be conve-niently used for calculating error rates from pilot studies,Table2Genotyping error rate estimates for giant panda fecal samples in Wanglang Nature ReserveLocus Number ofheterozygote Number ofhomozygoteProportion ofheterozygote~/mini~/maxi~#iP miniP maxiAme-l5239800.74927.87E-09 1.32E-03 6.76E-05 1.12E-06 1.01E-03 Ame-l102381030.6980 3.03E-08 1.34E-039.20E-05 1.35E-069.65E-04 Ame-l132081250.6246 2.32E-09 1.34E-03 1.10E-04 1.68E-068.80E-04 Ame-l151751750.5000 1.50E-07 1.22E-03 3.48E-04 2.24E-067.85E-04 Ame-l191921440.5714 4.09E-08 1.36E-03 4.70E-05 1.92E-067.98E-04 Ame-l221611810.4708 5.16E-08 1.32E-038.34E-05 2.37E-06 6.66E-04 Ame-l24160310.8377 5.41E-10 1.32E-03 4.38E-047.26E-07 1.18E-03 Ame-l262111110.6553 1.45E-08 1.32E-030.00E?00 1.54E-068.64E-04 Ame-l27230850.7302 2.95E-10 1.33E-030.00E?00 1.21E-069.69E-04 Average0.6486 3.31E-08 1.32E-03 1.32E-04 1.57E-069.01E-04Base on the allelic dropout rate l i and false allele rate m i inferred from analyzing the data,the probability of genotyping error for heterozygote~/i, of homozygote~#i and mean probability of genotyping error P i are given.Science Counting:1E-05denotes10-5under which the number of repeats for heterozygotes(n) should be equal to that for homozygotes(m).Although the greater n and m are,the better the results seem to be,how many repeats needs to be carried out to guarantee nonin-vasive genetic research is necessarily a trade-off between cost and the scientific question being asked.For population biologists who want to use noninvasive genetics samples, we suggest in practice either to follow the multi-tubes method initially and quantify the error rates using our method,or to implement a pilot study to estimate the allelic dropout rate/false allele rate and then use our method to calculate the genotyping error rates in thefinal dataset and compare them with the pilot data to assess their accuracy. Acknowledgments The study was supported by National Natural Science Foundation of China(30770399;30620130432),the Royal Society and the Knowledge Innovation Program of Chinese Academy of Sciences.ReferencesBroquet T,Petit E(2004)Quantifying genotyping errors in nonin-vasive population genetics.Mol Ecol13:3601–3608Broquet T,Me´nard N,Petit E(2007)Noninvasive population genetics:a review of sample source,diet,fragment length and microsatellite motif effects on amplification success and geno-typing error rates.Conserv Genet8:249–260Constable JL,Ashley MV,Goodall J,Pusey AE(2001)Noninvasive paternity assignment in Gombe chimpanzees.Mol Ecol 10:1279–1300Creel S,Spong G,Sands JL,Rotella J,Zeigle J,Joe L,Murphy KM, Smith D(2003)Population size estimation in Yellowstone wolves with error-prone noninvasive microsatellite genotypes.Mol Ecol12:2003–2009FlagstadØ,Hedmark E,Landa A,Brøseth H,Persson J,Andersen R, Segerstro¨m P,Ellegren H(2004)Colonization history andnoninvasive monitoring of a reestablished wolverine population.Conserv Biol18:676–688Garshelis DL,Wang H,Wang DJ,Zhu XJ,Li S,McShea WJ(2008) Do revised giant panda population estimates aid in their conservation.Ursus19:168–176Johnson PCD,Haydon DT(2006)Maximum-likelihood estimation of allelic dropout and false allele error rates from microsatellite genotypes in the absence of reference data.Genetics175:827–842Mckelvey KS,Schwartz MK(2004)Genetic errors associated with population estimation using non-invasive molecular tagging: problems and new solutions.J Wildl Manage68:439–448 Pompanon F,Bonin A,Bellemain E,Taberlet P(2005)Genotyping errors:causes,consequences and solutions.Nat Rev Genet 6:847–859Prugh LR,Ritland CE,Arthur SM,Krebs CJ(2005)Monitoring coyote population dynamics by genotyping faeces.Mol Ecol 14:1585–1596Smith KL,Alberts SC,Bayes MK,Bruford MW,Altmann J,Ober C (2000)Cross-species amplification,non-invasive genotyping, and non-mendelian inheritance of human STRPs in savannah baboons.Am J Primatol51:219–227Solberg KH,Bellemain E,Drageset OM,Taberlet P,Swenson JE (2006)An evaluation offield and non-invasive genetic methods to estimate brown bear(Ursus arctos)population size.Biol Conserv128:158–168Taberlet P,Griffin S,Goossens B,Questiau S,Manceau V, Escaravage N,Waits LP,Bouvet J(1996)Reliable genotyping of samples with very low DNA quantities using PCR.Nucleic Acids Res24:3189–3194Taberlet P,Camarra JJ,Griffin S,Uhre`s E,Hanotte O,Waits LP, Dubois-Paganon C,Burke T,Bouvet J(1997)Noninvasive genetic tracking of the endangered Pyrenean brown bear population.Mol Ecol6:869–876Valie`re N(2002)GIMLET:a computer program for analyzing genetic individual identification data.Mol Ecol Notes2:377–379 Zhan XJ,Li M,Zhang ZJ,Goossens B,Wang HJ,Chen YP,Bruford MW,Wei FW(2006)Molecular censusing doubles giant panda population estimate in a key nature reserve.Curr Biol16:451–452Zhan XJ,Zhang ZJ,Wu H,Goossens B,Li M,Jiang SW,Bruford MW,Wei FW(2007)Molecular analysis of dispersal in giant pandas.Mol Ecol16:3792–3800。