ES2361800A1 - Metodos y productos para genotipado in vitro de variaciones genicas humanas asociadas a antigenos eritrocitarios humanos. - Google Patents

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Abstract

Métodos y productos para genotipado in vitro de variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos.El método de genotipado se basa en la combinación de un diseño experimental de DNA-chips de genotipado y en el desarrollo de un sistema secuencial de procesamiento e interpretación de los datos experimentales generados por dichos DNA-chips de genotipado basado en el aumento de la señal de hibridación, lo que garantiza unos elevados niveles de especificidad, sensibilidad y reproducibilidad de los resultados, que permiten que dichos DNA-chips puedan ser utilizados como herramientas fiables de diagnóstico genético clínico; en particular, en la detección de variaciones génicas, por ejemplo, polimorfismos o mutaciones génicas asociadas al genotipado de antígenos eritrocitarios humanos de interés.

Description

Métodos y productos para genotipado in vitro de variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos.
Campo de la invención
La invención se adscribe al sector técnico-industrial del diagnóstico in vitro, extracorpóreo, de muestras biológicas, mediante DNA-chips, para la detección de variaciones génicas, por ejemplo, polimorfismos o mutaciones génicas asociadas al genotipado de antígenos eritrocitarios.
Antecedentes de la invención DNA-chips
En el año 2001, el Consorcio para el Proyecto Genoma Humano y la empresa privada Celera presentaron un primer borrador completo del genoma humano con 30.000 genes. A partir de este momento se iniciaba la posibilidad del estudio del genoma completo o estudios a gran escala (high-throughput). Los denominados "DNA-chips", también denominados "microarrays", "DNAarrays" o "bio-chips de DNA" son herramientas que la Genómica Funcional puede usar para los estudios a gran escala que se plantean en la actualidad. La Genómica Funcional estudia los cambios en la expresión de los genes debidos al ambiente al que está sometido el individuo y a las características genéticas del mismo. La secuencias de los genes presentan pequeñas variaciones interindividuales de un único nucleótido que reciben el nombre de SNP ("single nucleotide polymorphism") que en un pequeño tanto por ciento están implicados en cambios en la expresión de los genes que causan determinadas patologías. La mayoría de los estudios que aplican DNA-chips son de expresión génica aunque también se utilizan en la detección de SNPs.
El primer DNA-chip fue el "Southern blot" en el que moléculas de ácidos nucleicos marcadas se utilizaban para interrogar moléculas de ácidos nucleicos unidas a un soporte sólido. El soporte sobre el que se llevaba a cabo la interrogación en los primeros DNA-chips eran membranas de nylon. Aunque se partía de una buena idea, la técnica era todavía muy laboriosa.
Dos avances marcaron el arranque definitivo de los DNA-chips. Por una parte, el uso de un soporte sólido no poroso, como el vidrio, que facilitó la miniaturización y la detección basada en fluorescencia. Por otra parte, la adaptación de técnicas fotolitográficas utilizadas en la elaboración de semiconductores para la producción de DNA-chips conteniendo cada uno de ellos más de 400.000 oligonucleótidos distintos, en una región de aproximadamente 20 \mum^{2}, los denominados DNA-chips de alta densidad.
Concretamente un DNA-chip es un soporte sólido que contiene cientos de fragmentos de secuencias de genes diferentes representadas en forma de DNA, cDNA u oligonucleótidos inmovilizadas o unidas en su superficie en posiciones fijas. Los soportes son generalmente portaobjetos de vidrio para microscopio, membranas de nylon o "chips" de silicio. Es importante que estas secuencias o sondas estén unidas al soporte en un orden fijo ya que la localización robotizada de cada uno de ellos determina el gen cuya expresión se está midiendo. En función de la tecnología empleada para la producción de los DNA-chips se pueden clasificar en:
- DNA-chips de alta densidad: Los oligonucleótidos que se encuentran en la superficie del portaobjetos de vidrio han sido sintetizados "in situ", mediante una metodología denominada fotolitografía.
- DNA-chips de baja densidad: En este caso los oligonucleótidos, cDNA o fragmentos de PCR son depositados en forma de nanogotas en la superficie del cristal mediante un robot que imprime esas secuencias de DNA en el portaobjetos. Existen pocos ejemplos de DNA-chips de baja densidad y, al contrario que en los de alta densidad, son pocas las variaciones génicas detectadas: un DNA-chip para la detección de 5 mutaciones puntuales en el gen de la tirosinasa, un DNA-chip para la detección de mutaciones en p53 y k-ras, un DNA-chip para la detección de 12 mutaciones causantes de cardiomiopatía hipertrófica, un DNA-chip para el genotipado de cepas de Escherichia coli o DNA-chips para la detección de patógenos tales como Cryptosporidium parvum o rotavirus.
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Según la estrategia de diseño de los oligonucleótidos se puede hablar de:
- "Standard tiling": Se diseñan 4 oligonucleótidos totalmente complementarios a la secuencia de referencia excepto en la posición central donde se interrogan las 4 posibilidades: A, C, G y T; un ejemplo ilustrativo de esta estrategia es el DNA-chip para el genotipado de HIV-1 (Affymetrix). La posición central asegura máxima especificidad.
- "Alternative tiling": En este caso son 5 los oligonucleótidos diseñados, de forma que el quinto interroga una posible deleción en la secuencia; un ejemplo ilustrativo de esta estrategia es el DNA-chip para la detección de mutaciones en p53 (Affymetrix).
- "Block tiling": Se diseñan 4 oligonucleótidos totalmente complementarios a la secuencia normal y otros 4 totalmente complementarios a la secuencia mutante; el nucleótido que cambia se coloca en la posición central, pero 2 nucleótidos antes o después se coloca un "missmatch" que puede ser una de las cuatro bases (A, C, T o G).; un ejemplo ilustrativo de esta estrategia es el DNA-chip para la detección de mutaciones en el citocromo p450 (Affymetrix). Dentro de esta última estrategia ["block tiling"] Affymetrix usa el "missmatch" para aumentar la especificidad de la hibridación no sólo en una posición sino en las posiciones -4, -1, 0, +1 y +4 para identificar el cambio producido en la posición central ó 0. Esta estrategia se denomina "Alternative block tiling" y un claro ejemplo es el DNA-chip para la detección de 1.500 SNPs (Affymetrix).
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En el caso de estudios de expresión génica, las sondas depositadas en el vidrio se hibridan con los cDNAs sintetizados a partir de los mRNAs extraídos del tejido que se quiere analizar. Estas moléculas de cDNA han sido marcadas con un fluoróforo al sintetizarse; cuanto mayor sea el número de moléculas que se unen a su secuencia complementaria en el DNA-chip, mayor será la cantidad de fluoróforo que se detecta y mide tras excitarlo con un láser. Esta medida es, por tanto, reflejo del número de moléculas de cada mRNA que había en el tejido analizado y, consecuentemente, reflejo del nivel de expresión de cada gen representado en el DNA-chip, lo que se denomina un patrón de expresión de la célula. Estos DNA-chips de expresión contienen también sondas que representan genes de control ("house-keeping genes"), lo que permite normalizar los resultados y comparar múltiples experimentos de forma cuantitativa. Con un DNA-chip, se pueden determinar en un solo experimento los niveles de expresión de cientos o miles de genes de una célula. El cDNA de la muestra problema y de la muestra control se pueden marcar con dos fluoróforos distintos por lo que en el mismo DNA-chip se pueden estudiar las diferencias entre la expresión de los genes en la muestra control y en la muestra problema.
Los DNA-chips para la detección de polimorfismos genéticos, cambios o mutaciones en general, variaciones génicas, en la secuencia de DNA, comprenden unas superficies sólidas, típicamente de cristal, en las que está depositado un elevado número de secuencias génicas complementarias de cada una de las variaciones génicas que se desea estudiar. Una de las estrategias utilizadas para detectar variaciones génicas consiste en la hibridación de las secuencias que reconocen específicamente al alelo normal y al mutado con fragmentos de DNA procedentes de la muestra que se va a analizar, amplificados mediante la técnica de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y marcados con una molécula fluorescente. Al iluminar el DNA-chip con el láser se identifican aquellas secuencias que se han unido a la muestra problema y así se discrimina específicamente un paciente normal de un heterocigoto o un homocigoto mutante. Otra estrategia básica de detección de variaciones génicas con DNA-chips de genotipado consiste en llevar a cabo una reacción de amplificación o extensión sobre el propio DNA-chip.
Dentro de la estrategia de hibridación se puede hacer una subclasificación en función del método de análisis de la información para el genotipado:
- Aumento de la señal de hibridación: Esta estrategia compara la señal de hibridación de las sondas complementarias a los alelos normales y a los alelos mutantes. En general, las muestras mutadas deben presentar una mayor señal de hibridación en las sondas complementarias a los alelos mutantes que en el caso de los individuos normales.
- Pérdida de la señal de hibridación: Los cambios en la secuencia entre una muestra control y una muestra a estudio se pueden identificar por una caída en la señal de hibridación de los oligonucleótidos totalmente complementarios con la secuencia de referencia. En los individuos homocigotos se produce una pérdida completa de señal mientras que en los heterocigotos se produce una pérdida del 50% de la señal. En los DNA-chips para interrogar todas las bases de una secuencia de "n" nucleótidos ("oligonucleótido") de longitud en ambas hebras es necesario un mínimo de "2n" oligonucleótidos que solapan con el oligonucleótido anterior en toda la secuencia salvo en un nucleótido. Este diseño de los oligonucleótidos recuerda a los orígenes de los DNA-chips en membranas de nylon pero, en este caso, el tamaño de los oligonucleótidos es de 25 nucleótidos y no de 8 nucleótidos. El elevado número de oligonucleótidos empleados para reconstruir la secuencia hace que los errores derivados de la fluctuación en la señal de hibridación que se producen en la estrategia de ganancia de señal se minimicen. Por el contrario, el cambio exacto en la secuencia no se puede identificar con esta metodología; es necesario secuenciar posteriormente para conocer la mutación.
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La segunda estrategia para la detección de variaciones génicas mediante el empleo de DNA-chips de genotipado, consistente en la amplificación o extensión sobre el propio DNA-chip, se aborda con tres aproximaciones:
- "Minisequencing": Un cebador específico de la mutación es inmovilizado en el portaobjetos y, después de una reacción de extensión con didesoxinucleótidos fluorescentes, se captura la imagen del DNA-chip con un escáner.
- "Primer extensión": Se inmovilizan dos oligonucleótidos por mutación y la reacción de extensión se lleva a cabo con un nucleótido fluorescente y los demás naturales siendo el material de partida RNA o el producto de una PCR.
- "Tag arrays". La reacción de extensión se lleva a cabo en solución con cebadores específicos que llevan una determinada secuencia o "tag" en 5'. El uso de DNA-chips con oligonucleótidos complementarios a esas secuencias o "tags" permite la captura de los productos resultantes de la extensión. Ejemplos ilustrativos de esta aproximación incluyen el DNA-chip de alta densidad "Gene-Flex" (Affymetrix), aunque también existen DNA-chips de baja densidad.
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A la hora del diseño de herramientas para el diagnóstico genético, la sencillez experimental debe ser tenida muy en cuenta. Se debe analizar, por tanto, la complejidad técnica que supone para el usuario final el análisis de DNA-chips basados en hibridación diferencial frente a los basados en la metodología de extensión. La necesidad de un mayor número de reacciones de amplificación y purificación supone una desventaja de la estrategia basada en técnicas de extensión o amplificación frente a la estrategia basada en la hibridación.
Sin embargo, en lo relativo a la especificidad y sensibilidad de los DNA-chips, la hibridación diferencial no consigue los valores tan altos asociados con la amplificación sobre el portaobjetos de vidrio. Es por ello necesario el desarrollo de algoritmos matemáticos que aumenten la especificidad y sensibilidad de la estrategia basada en el empleo de la metodología de hibridación (Cutler DJ, Zwick ME, Carrasquillo MN, Yohn CT, Tobi KP, Kashuk C, Mathews DJ, Shah N, Eichler EE, Warrington JA, Chakravarti A. Genome Research; 11:1913-1925 (2001). Dentro de esta tecnología y de los DNA-chips de baja densidad, la elección es sin duda el uso de oligonucleótidos diferentes para detectar al alelo normal y al mutante ("aumento de la señal de hibridación").
La inutilidad de los DNA-chips existentes en la actualidad para detectar simultáneamente la presencia o ausencia de un número elevado de variaciones génicas, de manera sensible, específica y reproducible, ha impedido su aplicación como herramientas de uso rutinario para el diagnóstico clínico de enfermedades humanas. Los inventores han desarrollado un método secuencial de procesamiento e interpretación de los datos experimentales generados por DNA-chips de genotipado basado en el aumento de la señal de hibridación (algoritmo). Este método se basa en un novedoso diseño experimental, que asegura unos altos niveles de especificidad, sensibilidad y reproducibilidad de los resultados, que permiten que los DNA-chips desarrollados en base a este método, puedan ser utilizados, por ejemplo, como herramientas fiables de diagnóstico genético clínico.
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Antígenos eritrocitarios
La sangre de cada persona es tan característica que puede servir como medio de identificación casi tan preciso como las huellas dactilares, sólo los gemelos idénticos poseen características sanguíneas iguales. El fenotipado de individuos en base a la determinación de los grupos sanguíneos es particularmente conveniente en diferentes ámbitos de la medicina como la práctica de las transfusiones sanguíneas, la relativamente frecuente aparición de enfermedades hemolíticas en fetos y recién nacidos, las aplicaciones médico-legales y su conexión con otros genes cuya repercusión más inmediata puede estar en los transplantes de órganos.
La mayor parte de las transfusiones pueden considerarse como seguras y alcanzan su objetivo; sin embargo, de vez en cuando se producen reacciones leves y muy rara vez reacciones graves e incluso fatales. Las reacciones más frecuentes son fiebre y alergias (hipersensibilidad), que ocurren en el 1-2% de las transfusiones, pero existen incompatibilidades más graves que ocasionan la destrucción de los glóbulos rojos que se han suministrado poco después de la transfusión (reacción hemolítica intravascular). Dentro de estas reacciones es muy conocida la enfermedad hemolítica del feto y del recién nacido (EHPN) que es una afección inmunológica aloinmune, en la cual la supervivencia del hematíe fetal y del recién nacido se ve reducida debido a la acción de anticuerpos maternos que pasan a través de la placenta y que son específicos contra antígenos de origen paterno presentes en las células rojas fetales y del recién nacido. Desde entonces hasta la fecha han ocurrido grandes progresos en el conocimiento de los grupos sanguíneos que han permitido precisar que la EHPN no sólo se debe a anticuerpos contra el antígeno D, sino que también están involucrados otros antígenos del sistema Rh, el sistema ABO y de otros sistemas antigénicos.
Lo anteriormente descrito permite suponer la importancia que tiene en la medicina de la transfusión el correcto genotipado de los grupos sanguíneos (incluidos los alelos raros o poco frecuentes).
Los grupos sanguíneos están constituidos por aloantígenos presentes en la superficie de la membrana de los eritrocitos o glóbulos rojos, que se transmiten hereditariamente de padres a hijos según las leyes de la genética mendeliana. Su importancia clínica se debe a sus propiedades sensibilizantes, es decir, son capaces de provocar la formación de anticuerpos e inducir una reacción inmune.
La Sociedad Internacional de Transfusión de Sangre (ISBT) ha clasificado en más de 26 los grupos sanguíneos humanos. La mayoría de ellos han sido definidos a nivel genético e incluyen polimorfismos de un único nucleótido (SNPs), deleciones génicas, conversiones y otros eventos que resultan de la hibridación génica. Los antígenos de los grupos sanguíneos pueden ser clasificados en dos grandes grupos:
A. Antígenos dependientes de carbohidratos
B. Antígenos dependientes de proteínas.
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A. Antígenos dependientes de carbohidratos Grupo ABO
Este grupo sanguíneo es de primordial importancia clínica en la medicina de las transfusiones y los transplantes, ya que causa la mayoría de las reacciones de incompatibilidad en las transfusiones y rechazo en transplantes de órganos. La base bioquímica del grupo ABO depende de la actividad de una transferasa N-acetilgalactosamina en los individuos del grupo sanguíneo A y una galactosil transferasa en el grupo sanguíneo B; mientras que los individuos pertenecientes al grupo O carecen de actividad transferasa. La base genética de los fenotipos ABO son las sustituciones de aminoácidos en el gen ABO de la glicosiltransferasa. El tamaño de este gen es de 19.514 pares de bases (pb) y codifica una enzima de unión de la membrana que utiliza GalNAc o UDP-Gal como sustrato. Cuatro cambios de aminoácido codificados por los exones 6 y 7 del gen ABO son los responsables de la especificidad de sustrato de las transferasas A y B respectivamente, entre ellos los cambios Gly235Ser y Leu266Met son cruciales. La mayoría de los individuos del grupo O presentan deleción de un único nucleótido (A261G) que da lugar a un cambio en la pauta de lectura y, por tanto, a una inactivación de la transferasa. Sin embargo, existe un número creciente de alelos O (unos 20) que dan como resultado la no expresión de las transferasas A o B. Los alelos raros del subgrupo ABO, como A3, Ax, Ael, B3Bx y Bel han sido descritos mediante análisis genómico y de secuencias de transcripción. Estos alelos han surgido de recombinaciones genéticas a partir de los diferentes alelos del grupo ABO.
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B. Antígenos dependientes de proteínas B.1. Antígenos dependientes de proteínas expresados por moléculas de transporte eritrocitarias Rh
La incompatibilidad Rh está demostrada en una amplia porción de reacciones de transfusión y es la principal causa de la enfermedad hemolítica de los recién nacidos y fetos (HDNF). Los antígenos Rh surgen de dos proteínas relacionadas entre sí (Rh CcEe y D) codificadas por el locus Rh (1p34-36.2) que contiene los genes RHD y RHCE (70 Kb). Posiblemente los haplotipos D positivo presentan una configuración de los genes RHD-RHCE en la misma orientación, mientras que los haplotipos D negativos presentan una orientación reversa. El fenotipo D negativo, común en las poblaciones antiguas europeas, es causado por una deleción del gen RHD. Este evento parece haber sido generado por un sobrecruzamiento desigual entre los genes RHCE y RHD implicando 9 Kb altamente homologas de los extremos del gen RHD. En población africana un pseudogen del RHD es el alelo D negativo predominante, pero su frecuencia disminuye entre los afroamericanos y afrocaribeños. Reordenamientos entre los genes RHCE y RHD causan híbridos raros que causan una expresión parcial del antígeno D. Estos antígenos poco frecuentes en algunas ocasiones se han identificado como clínicamente significativos. Algunos antígenos D parciales y todos los débiles son causados por mutaciones de pérdida de sentido en el gen RHD.
Las proteínas Rh CcEe y Rh D se coexpresan con una glicoproteína homologa (36% identidad), la glicoproteína asociada Rh (RhAG). Este complejo específico eritrocitario es posiblemente un heterotetrámero implicado en el transporte bidireccional del amonio. Las mutaciones en RhAG son las causantes de la enfermedad regulatoria Rh nula, asociada con defectos del transporte de la membrana de los eritrocitos, deficiencias en CD47 y una total ausencia de ICAM-4. Estas mutaciones ocurren en el dominio de la membrana de la proteína y varía entre diferentes especies. Más aun, genes relacionados con RHAG, RHBG y RHCG, han sido localizados en las regiones 1q21.3 y 15q25 respectivamente. Estos genes se expresan de diferente forma en diferentes tejidos humanos.
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JK (Kidd)
Los antígenos Kidd (JK) expresados por el transportador de urea hUT-B1 de las células rojas. La implicación del antígeno Kidd en el transporte de la urea es conocido desde hace dos décadas cuando se descubrió que las células rojas JK (a^{-}b^{-}) eran resistentes a la lisis en urea 2 M. La base molecular de la expresión del antígeno Kidd es un SNP en el nucleótido 838 (G-A) causante del cambio Asp280Asn (JK*A-JK*B). El fenotipo Kidd nulo, JK (a^{-}b^{-}) es debido a mutaciones en lugares de splicing, mutaciones de pérdida de sentido, de parada y deleciones parciales en el gen SLC14A1. El significado funcional del transporte de urea en los eritrocitos está pendiente de ser descrito; parece que podría proteger de la lisis a los eritrocitos en el ambiente hiperosmótico de la médula renal, o limitando la pérdida de urea en la médula donde la concentración de urea es muy alta.
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DI (Diego)
Los antígenos del grupo sanguíneo Diego son las proteínas más abundantes de la superficie de las células rojas (1.1 millón de copias por células), y facilitan el intercambio cloro-bicarbonato, crucial para el transporte del CO_{2} y la hemostasia ácido-base. A principios de los 90 se determinó que los antígenos del sistema Di varían debido a múltiples SNPs presentes en el gen SLC4A1.
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CO (Colton)
Los antígenos CO (Coa, Cob y CO3) son expresados por la molécula de transporte AQP-1, la proteína de membrana eritrocitaria mejor caracterizada. Los antígenos (Coa-Cob) son producidos por un SNP en AQP-1 que produce el cambio en el codón 45 de alanina a valina. Los individuos nulos para Co reducen la permeabilidad osmótica del agua y el ciclo vital de las células rojas.
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B.2. Antígenos dependientes de proteínas expresados en enzimas de la membrana de las células rojas KEL (Kell)
Los antígenos del sistema Kell son muy importantes en la medicina de la transfusión, el antígeno k es la segunda mayor causa de enfermedad hemolítica en recién nacidos. La glicoproteína Kell es una proteína de membrana tipo II y funciona como una metaloproteínasa de membrana unida a zinc. La región catalítica C-terminal de la proteína procesa grandes endotelinas, que son potentes vasoconstrictores. La cisteína 72 de la glicoproteína Kell forma un puente disulfuro con la proteína Kx, lo cual podría explicar porque los eritrocitos nulos Kell (Ko) muestran activación de los niveles de antígeno Kx. El antígeno de este sistema con mayor significado clínico, K (KEL1), está asociado con el cambio Met193Thr que posibilita el motivo Asn-X-Thr N-glicosilación.
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DO (Dombrock)
Las variantes Doa/Dob se deben a un SNP en el gen DOK1, que codifica una enzima ADP ribosiltransferasa que afecta al codón 265 (Asn-Asp). La ADP ribosiltransferasa de las células rojas podría servir para eliminar el NAD+ del suero, pero también se ha observado que participa en la modificación post-transcripcional de otras proteínas. El motivo RGD y Dob participa en la adhesión celular. Curiosamente la variante alélica DO*B es más frecuente entre la población africana y asiática y podría ser una ventaja evolutiva contra la invasión eritrocitaria de Plasmodium falciparum que expresa RGD proteínas en su proceso de infección.
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B.3. Antígenos dependientes de proteínas expresados en receptores de la membrana de las células rojas FY (Duffy)
La función de la glicoproteína Fy como citoquina receptora de las células rojas es acelerar la señal de citoquinas proinflamatorias. La glicoproteína Fy es el receptor eritrocitario del parásito de la malaria Plasmodium vivax y como consecuencia los individuos Fy negativos (Fy a-b-) son muy frecuentes en poblaciones donde este parásito habita (Oeste africano). Existen tres alelos mayoritarios del FY: FY*A, FY*B y FY*A y B que difieren por un SNP que altera el codón 42, mientras que el fenotipo FY (a^{-}b^{-}) en africanos es causado por un SNP (C-T) en el promotor del gen FY que da lugar a la ausencia de la glicoproteína Fy en los eritrocitos.
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MNS
Los antígenos MN se generan contra la glicoporina A, mientras que los antigenos Ss contra la glicoporina B. Los genes GYPA y GYPB se alinean en tándem en el locus 4q28-31, pero no están relacionados con las glicoporinas C y D. Dos cambios de aminoácido en extremo n de GPA son los responsables del grupo sanguíneo M-N y un cambio de aminoácido en GPB determina el grupo sanguíneo S-s. Existe un amplio número de alelos MNS causados por reordenamientos génicos, conversiones génicas o SNPs.
Los grupos sanguíneos humanos anteriormente descritos han sido definidos a nivel genético para la mayoría de los antígenos con significado clínico. Existen otros grupos sanguíneos, aunque éstos son los que presentan una mayor relevancia clínica y los que mejor se encuentran descritos actualmente. Sin embargo, el genotipado de las células rojas presenta aún un uso limitado principalmente a la determinación prenatal de los grupos sanguíneos en casos de enfermedad hemolítica de los recién nacidos y fetos.
Actualmente la compatibilidad de las transfusiones de sangre entre donantes y receptores es evaluada mediante técnicas serológicas (reacciones anticuerpo-antígeno). La utilización de estas técnicas puede resultar fallida, obteniéndose un fenotipo incompleto de los grupos sanguíneos, lo que puede dar lugar a una potencial reacción inmunológica adversa en el receptor (paciente). No existen tests serológicos para un elevado número de los denominados antígenos débiles y en diversas ocasiones los anticuerpos empleados no resultan lo suficientemente específicos. Las únicas vías capaces de atajar problemáticas de este tipo son aquéllas basadas en el genotipado molecular completo tanto del donante, como del receptor.
Las tecnologías actuales de genotipado de SNPs permitirán tanto que estas determinaciones se hagan a gran escala, como la inclusión en el genotipado de los alelos raros de los grupos sanguíneos que con las técnicas actuales no se determinan. La aparición de nuevos alelos de ciertos grupos sanguíneos (por ejemplo, Rh) continuará y será, por tanto, necesaria una tecnología capaz de evolucionar y ser monitorizada de forma constante. De hecho el proyecto Genoma Humano ha identificado nuevos SNPs en muchas proteínas implicadas en los grupos sanguíneos, aunque falta por definir serológicamente si estos SNPs resultan en la expresión de antígenos relacionados con grupos
sanguíneos.
Actualmente los análisis genéticos moleculares son muy habituales en la medicina de la transfusión. Por ejemplo, la detección de contaminación vírica, tal como la detección del virus de la hepatitis C (HCV), el virus de la inmunodeficiencia humana (HIV) o el virus de la hepatitis B (HBV), a partir de volúmenes pequeños de plasma mediante metodología basada en la PCR es una práctica habitual en la Unión Europea (UE) desde 1999. Los diagnósticos basados en PCR prácticamente han suplantado a los serológicos en la determinación del HLA (antígeno leucocitario humano); y actualmente se utiliza de forma rutinaria en los centros de transfusión implicados en la identificación para los transplantes de médula ósea.
Uno de los principales descubrimientos del Proyecto Genoma Humano fue la alta frecuencia de polimorfismos de un único nucleótido (SNPs) encontrados en el DNA humano. Se localizó aproximadamente un SNP por cada kilobase. Este hallazgo ha impulsado el desarrollo de técnicas de diagnóstico rápido de genotipado de SNPs, por ejemplo, mediante el empleo de DNA-chips. Estas nuevas tecnologías pueden ser aplicadas al propósito de desarrollar un método de genotipado de los grupos sanguíneos para una rápida definición de los genotipos de los grupos sanguíneos en toda la población. El uso de esta tecnología puede ser aplicado a ambos grupos, pacientes y donantes.
Se han descrito diversos métodos de diagnóstico para determinados grupos sanguíneos. A modo ilustrativo, la patente norteamericana US 5804379 describe un método molecular de diagnóstico y un kit para la determinación de los genotipos del grupo de sangre Kell y la patente norteamericana US 5723293 describe un método y un kit para determinar los genotipos del grupo de sangre Rh. Se ha descrito, además, un test de diagnóstico serológico para clasificar los grupos sanguíneos a partir de sangre o suero. Asimismo, se han descrito variaciones génicas nuevas del grupo de sangre Duffy así como un método para el genotipado de este grupo sanguíneo.
Sin embargo, no se ha descrito ningún método basado en la tecnología de DNA-chips capaz de ser una plataforma abierta de genotipado de todas las variantes alélicas de los grupos sanguíneos con mayor relevancia clínica (incluidas las variantes raras) que pueda ser utilizada como método de diagnóstico a gran escala en la población.
Un DNA-chip que permita la detección simultánea, sensible, específica y reproducible de variaciones génicas asociadas a determinados antígenos eritrocitarios, podrá ser utilizado clínicamente para el genotipado de los antígenos de los eritrocitos sanguíneos a gran escala en la población y, por tanto, para la determinación de grupos sanguíneos en humanos.
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Descripción de la invención
Los autores de la presente invención han desarrollado un método de detección simultánea, sensible, específica y reproducible de variaciones génicas y su empleo para el desarrollo de productos para genotipado. Dicho método se basa en la combinación de un novedoso diseño experimental de DNA-chips de genotipado y en el desarrollo de un sistema secuencial de procesamiento e interpretación de los datos experimentales generados por dichos DNA-chips de genotipado basado en el aumento de la señal de hibridación (algoritmo), lo que garantiza unos altos niveles de especificidad, sensibilidad y reproducibilidad de los resultados, que permiten que dichos DNA-chips puedan ser utilizados, por ejemplo, como herramientas fiables de diagnóstico genético clínico.
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Método de genotipado simultáneo de múltiples variaciones génicas
Con el fin de facilitar la comprensión de la presente invención, a continuación se incluye la definición de algunos términos:
El término "polimorfismo" se refiere a una variación en la secuencia de nucleótidos de un ácido nucleico donde cada secuencia posible está presente en una proporción igual o superior a un 1% en una población; en un caso particular, cuando dicha variación es la secuencia nucleotídica ocurre en un sólo nucleótido (A, C, T o G) se denomina SNP.
El término "mutación génica" se refiere a una variación en la secuencia de nucleótidos de un ácido nucleico donde cada secuencia posible está presente en una proporción inferior al 1% en una población.
Los términos "variante alélica" o "alelo" se usan indistintamente en la presente descripción y se refieren a un polimorfismo que ocurre en un mismo locus en una misma población.
El término "variación génica" o "variante génica", tal y como se utiliza en la presente descripción, incluye a las mutaciones, polimorfismos y variantes alélicas. Una variación o variante génica se encuentra entre individuos dentro de las poblaciones y entre las poblaciones dentro de las especies.
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Por tanto, la invención proporciona un método in vitro, extracorpóreo, para el genotipado simultáneo de múltiples variaciones génicas humanas presentes en uno o más genes de un sujeto, en adelante método de la invención, que comprende:
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extraer el ácido nucleico de una muestra biológica procedente de un sujeto;
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amplificar regiones de dicho ácido nucleico que contienen las variaciones génicas a identificar, y, opcionalmente, marcar dichos productos de amplificación durante la reacción de amplificación, para obtener unos productos de amplificación, opcionalmente marcados, que contienen las variaciones génicas a identificar;
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someter dichos productos de amplificación a una reacción de fragmentación para obtener unos productos de fragmentación que contienen las variaciones génicas a identificar, y, en caso de que dichos productos de amplificación no hubieran sido marcados previamente en la etapa de amplificación, marcar dichos productos de fragmentación que contienen las variaciones génicas a identificar;
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poner en contacto dichos productos de fragmentación que contienen las variaciones génicas a identificar con sondas capaces de identificar mediante hibridación las variaciones génicas correspondientes, bajo condiciones que permiten la hibridación de dichos productos de fragmentación con dichas sondas, en donde dichas sondas están depositadas en un soporte y, por cada variación génica a caracterizar, se usan 4 sondas que se depositan en dicho soporte siguiendo un patrón determinado de forma que se hallen homogéneamente distribuidas pero no agrupadas por variación génica a caracterizar, de las cuales 2 sondas detectan una variación génica y las otras 2 sondas detectan otra variación génica, en donde el número de réplicas de cada una de dichas sondas es de 10, 8 ó 6 réplicas;
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introducir, tras la hibridación, dicho soporte en un escáner y cuantificar la intensidad de los puntos en donde se ha producido la hibridación; y
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genotipar cada una de las variaciones génicas a partir de la media acotada de las intensidades de las 10, 8 ó 6 réplicas de cada una de las 4 sondas, en la que se eliminan los valores extremos, mediante la aplicación de un algoritmo que permite detectar cada una de las variaciones génicas con una sensibilidad, especificidad y reproducibilidad tales que permiten la aplicación clínica del método, en base a que conduce a la obtención de tres funciones lineales que caracterizan a cada uno de los tres genotipos posibles.
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Opcionalmente, tras el proceso de hibridación, puede llevarse a cabo sobre el propio soporte una reacción de amplificación, por ejemplo, mediante "primer extensión", o, alternativamente, una reacción de ligación, por ejemplo, mediante un ensayo de ligación de oligonucleótidos (Oligonucleotide Ligation Assay u "OLA"), cuando dicho soporte es una superficie sólida, tal como un soporte de vidrio, plástico, una membrana, etc. En caso de seguir alguna de estas alternativas, el marcaje de los productos que contienen las variaciones génicas a identificar se lleva a cabo en esta etapa y no durante la reacción de amplificación ni durante el proceso de fragmentación.
La extracción del ácido nucleico (DNA o RNA) a partir de una muestra biológica que lo contiene procedente de un sujeto, tal como un ser humano, se puede llevar a cabo por métodos convencionales utilizando, opcionalmente, productos comerciales útiles para extraer dicho ácido nucleico. Prácticamente cualquier muestra biológica que contiene ácido nucleico puede ser utilizada para la puesta en práctica de la invención; a modo ilustrativo, no limitativo, dicha muestra biológica puede ser una muestra de sangre, plasma, suero, secreciones, tejido, etc.
En una realización particular, el ácido nucleico a extraer es DNA. En otra realización particular, el ácido nucleico a extraer es RNA, típicamente, RNA total; esta última alternativa puede ser utilizada en caso de que la variación génica a estudiar esté situada en la secuencia codificante de un gen; en este caso, el método de la invención incluye una etapa de obtención del cDNA correspondiente. La obtención de dicho cDNA se lleva a cabo por métodos convencionales, por ejemplo, mediante retrotranscripción utilizando los cebadores apropiados el RNA y como molde para la retrotranscripción.
Las etapas posteriores del método de la invención se llevan a cabo sobre el DNA extraído o sobre el cDNA correspondiente al RNA extraído. El término DNA, tal como se utiliza de aquí en adelante incluye tanto DNA como cDNA.
Las regiones de DNA que contienen las variaciones génicas a identificar (regiones DNA diana) se someten a una reacción de amplificación para obtener unos productos de amplificación que contienen las variaciones génicas a identificar. Aunque puede utilizarse cualquier técnica o método que permita la amplificación de todas las secuencias de DNA que contienen las variaciones génicas a identificar, en una realización particular, dichas secuencias se amplifican mediante una PCR multiplex. Para la realización de una PCR multiplex se requiere el empleo de unos pares de oligonucleótidos cebadores o iniciadores capaces de amplificar dichas regiones DNA diana que contienen las variaciones génicas a identificar. Prácticamente puede utilizarse cualquier par de oligonucleótidos cebadores que permita la amplificación específica de dichas regiones DNA diana, preferentemente, pares de oligonucleótidos cebadores que permitan dicha amplificación en el menor número posible de reacciones PCR. De este modo, utilizando los pares de oligonucleótidos cebadores y las condiciones apropiadas, se pueden amplificar todas las regiones DNA diana necesarias para el genotipado de las variaciones génicas a analizar en el DNA-chip con el mínimo número posible de reacciones.
Opcionalmente, si se desea, durante la reacción de amplificación, puede llevarse a cabo el marcaje de los productos de amplificación con el fin de poder detectar posteriormente la hibridación entre las sondas inmovilizadas en el soporte y los fragmentos de DNA diana que contienen las variaciones génicas a detectar. El marcaje de los productos de amplificación puede realizarse por métodos convencionales, por ejemplo, incorporando un nucleótido marcado durante la reacción de amplificación o bien utilizando cebadores marcados. Dicho marcaje puede ser directo, para lo cual pueden utilizarse fluoróforos, por ejemplo, Cy3, Cy5, fluoresceína, alexa, etc., enzimas, por ejemplo, fosfatasa alcalina, peroxidasa, etc., isótopos radiactivos, por ejemplo, ^{33}P, ^{125}I, etc., o cualquier otro marcador conocido por el experto en la materia. Alternativamente, dicho marcaje puede ser indirecto mediante el empleo de métodos químicos, enzimáticos, etc.; a modo ilustrativo, el producto de amplificación puede incorporar un miembro de un par de unión específica, por ejemplo, avidina o estreptavidina conjugada con un fluorocromo (marcador), y la sonda se une al otro miembro del par de unión específica, por ejemplo, biotina (indicador), efectuándose la lectura mediante fluorimetría, etc., o bien, el producto de amplificación puede incorporar un miembro de un par de unión específica, por ejemplo, un anticuerpo anti-digoxigenina conjugado con una enzima (marcador), y la sonda se une al otro miembro del par de unión específica, por ejemplo, digoxigenina (indicador), etc., transformándose el sustrato de la enzima en un producto luminiscente o fluorescente y, efectuándose la lectura mediante quimio-luminiscencia, fluorimetría, etc.
En una realización particular, el marcaje del producto de amplificación se lleva a cabo mediante el empleo de un nucleótido marcado directa o indirectamente con uno o más fluoróforos. En otra realización particular, el marcaje del producto de amplificación se lleva a cabo mediante el empleo de cebadores marcados directa o indirectamente con uno o más fluoróforos.
Los productos de amplificación, opcionalmente marcados, se someten posteriormente a una reacción de fragmentación con el fin de aumentar la eficiencia de la hibridación posterior, obteniéndose de este modo unos productos de fragmentación que contienen las variaciones génicas a identificar. La fragmentación de los productos de amplificación puede llevarse a cabo por cualquier método convencional, por ejemplo, poniendo en contacto los productos de amplificación con una Dnasa.
En caso de que los productos de amplificación no hubieran sido marcados previamente durante la reacción de amplificación, y en caso de que, tras el proceso de hibridación, no se lleve a cabo una reacción de amplificación o ligación directamente en el soporte, los productos resultantes de la reacción de fragmentación (productos de fragmentación) se someten a un marcaje bien directo utilizando, por ejemplo, fluoróforos, enzimas, isótopos radiactivos, etc. o bien indirecto utilizando, por ejemplo, pares de unión específica que incorporan fluoróforos, enzimas, etc., mediante métodos convencionales. En una realización particular, los productos de amplificación no han sido marcados previamente durante la reacción de amplificación, y los productos de fragmentación se someten a un marcaje directo o indirecto con uno o varios marcadores, por ejemplo, uno o varios fluoróforos, aunque pueden utilizarse otros marcadores conocidos por los expertos en la materia.
A continuación, los productos de fragmentación se ponen en contacto con las sondas capaces de detectar las variaciones génicas correspondientes bajo condiciones que permiten la hibridación entre dichos productos de fragmentación y dichas sondas. Dichas sondas están depositadas en un soporte sólido siguiendo una disposición predeterminada, constituyendo un DNA-chip (DNA-chip de la invención), cuyo diseño y desarrollo debe cumplir una serie de requisitos para poder ser utilizado en el método de la invención en cuanto al diseño de las sondas, el número de sondas a depositar por variación génica a detectar, el número de réplicas de sondas a depositar, la distribución de las sondas sobre el soporte, etc. Las características propias de dicho DNA-chip de la invención se describen detalladamente más adelante.
La hibridación de los productos de fragmentación con las sondas capaces de detectar las variaciones génicas correspondientes depositadas en un soporte (DNA-chip de la invención) se lleva a cabo por métodos convencionales utilizando dispositivos convencionales. En una realización particular, la hibridación se lleva a cabo en una estación automática de hibridación. Para llevar a cabo la hibridación, los productos de fragmentación se ponen en contacto con dichas sondas (DNA-chip de la invención) bajo condiciones que permiten la hibridación entre dichos productos de fragmentación y dichas sondas. Unas condiciones de hibridación estables permiten establecer la hebra y la longitud apropiada de las sondas con el fin de maximizar la discriminación, tal como se menciona más adelante.
Como se ha mencionado previamente, si se desea, cuando dicho soporte es un soporte sólido, tras el proceso de hibridación, se puede llevar a cabo una reacción de amplificación, por ejemplo, mediante "primer extensión", o, alternativamente, una reacción de ligación, por ejemplo, mediante un ensayo de ligación de oligonucleótidos (OLA), al mismo tiempo que se realiza el marcaje de los oligonucleótidos depositados en el soporte. El marcaje de dichos oligonucleótidos puede ser un marcaje directo utilizando, por ejemplo, fluoróforos, enzimas, isótopos radiactivos, etc. o indirecto utilizando, por ejemplo, pares de unión específica que incorporan fluoróforos, enzimas, etc., mediante métodos convencionales, tal como se ha mencionado previamente en relación con el marcaje de los productos de amplificación o de fragmentación.
En caso de que se desee llevar a cabo una reacción de amplificación post-hibridación utilizando, por ejemplo, la metodología "primer extensión", tras la hibridación, se lleva a cabo una reacción de extensión (amplificación) de los oligonucleótidos hibridados sobre el soporte (portaobjetos de cristal). La extensión, con nucleótidos marcados o a través de un marcaje indirecto, sólo se producirá si el extremo 3' del oligonucleótido híbrida perfectamente con el producto de amplificación.
Asimismo, en caso de que se desee realizar una reacción de ligación post-hibridación utilizando, por ejemplo, la metodología "OLA", tras la hibridación, se lleva a cabo una reacción de ligación de los oligonucleótidos hibridados sobre el soporte (portaobjetos de cristal) con los oligonucleótidos marcados diseñados para hibridar de forma adyacente. La ligación sólo se producirá si el extremo 3' de la sonda depositada sobre el soporte híbrida perfectamente con el producto de amplificación.
Finalizado el proceso de hibridación, o, en su caso, dichas reacciones de amplificación o ligación post-hibridación, se procede a la captura de la imagen y a su cuantificación. Para ello, la imagen del DNA-chip hibridado y revelado es recogida con un dispositivo apropiado, por ejemplo, un escáner, procediéndose, a continuación, a cuantificar los valores absolutos de fluorescencia de cada sonda así como del ruido de fondo. Por tanto, en una realización particular, tras la hibridación, o tras las reacciones de amplificación o ligación post-hibridación, el DNA-chip hibridado y revelado se introduce en un escáner donde es sometido a un escaneado para cuantificar la intensidad del marcaje en los puntos donde se ha producido la hibridación. Aunque prácticamente cualquier escáner puede ser utilizado, en una realización particular, dicho escáner es un escáner de fluorescencia confocal. En este caso, el DNA-chip se introduce en el escáner y se escanea la señal emitida por el marcaje al ser excitado por un láser, cuantificándose la intensidad de los puntos en donde se ha producido la hibridación. En una realización particular, dicho escáner es un escáner de luz blanca. Ejemplos ilustrativos, no limitativos, de escáneres que pueden ser utilizados según la presente invención son escáneres de Axon, Agilent, Perkin Elmer, etc.
A continuación se procede al análisis de los datos y a su interpretación, lo que se lleva a cabo mediante el empleo del software de genotipado y algoritmo desarrollado por los inventores.
El análisis de los datos y su interpretación se lleva cabo, en general, mediante el empleo de programas informáticos (software); sin embargo, no todos los programas son apropiados requiriéndose programas que mejoren la calidad de la información obtenida. Los inventores han desarrollado un método secuencial de procesamiento e interpretación de los datos experimentales generados por los DNA-chips de la invención que permite detectar cada una de las variaciones génicas con una sensibilidad, especificidad y reproducibilidad tales que permiten la aplicación clínica del método de la invención, en base a la obtención de tres funciones lineales que caracterizan a cada uno de los tres genotipos posibles, tal como se describe a continuación. El algoritmo y software informático desarrollado por los inventores permite facilitar y automatizar la aplicación del método de la invención.
La ejecución del algoritmo y software informático desarrollado por los inventores para procesar secuencialmente e interpretar los datos experimentales generados por los DNA-chips de la invención comprende la realización de serie de etapas para caracterizar cada uno de las variaciones génicas de interés, concretamente:
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en primer lugar, a los valores absolutos de intensidad de todas las sondas se les resta su propio ruido de fondo;
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a continuación, se agrupan las réplicas correspondientes a cada una de las 4 sondas utilizadas para caracterizar cada variación génica;
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el valor medio de intensidad para cada una de las 4 sondas se calcula usando la media acotada de las réplicas para eliminar los puntos aberrantes;
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conocidos los valores medios de intensidad para cada una de las sondas, se calcula el ratio 1 y el ratio 2, en donde
Ratio 1 es la proporción de la media acotada de las intensidades de las 10, 8 ó 6 réplicas de la sonda 1 que detecta la variación génica A dividido por la media acotada de las 10, 8 ó 6 réplicas de la sonda 1 que detecta la variación génica A más la media acotada de las 10, 8 ó 6 réplicas de la sonda 2 que detecta la variación génica B y puede calcularse mediante la ecuación:
Ratio 1 = \frac{\text{Intensidad media sonda 1}}{\text{Intensidad media sonda 1 + Intensidad media sonda 2}}
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Ratio 2 es la proporción de la media acotada de las intensidades de las 10, 8 ó 6 réplicas de la sonda 3 que detecta la variación génica A dividido por la media acotada de las 10, 8 ó 6 réplicas de la sonda 3 que detecta la variación génica A más la media acotada de las 10, 8 ó 6 réplicas de la sonda 4 que detecta la variación génica B y puede calcularse mediante la ecuación:
Ratio 2 = \frac{\text{Intensidad media sonda 3}}{\text{Intensidad media sonda 3 + Intensidad media sonda 4}}
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-
dichos ratios (ratio 1 y ratio 2) se sustituyen en tres funciones lineales, que caracterizan a cada uno de los tres genotipos posibles:
AA
Función 1
AB
Función 2
BB
Función 3
en donde
AA representa el genotipo de un sujeto homocigoto para la variación génica A;
AB representa el genotipo de un sujeto heterocigoto para las variaciones génicas A y B;
BB representa el genotipo de un sujeto homocigoto para la variación génica B;
Función 1 es la Función Lineal que caracteriza a los pacientes con el genotipo AA y consiste en una combinación lineal de las variables ratio 1 y ratio 2;
Función 2 es la Función Lineal para el genotipo AB y consiste en una combinación lineal de las variables ratio 1 y ratio 2;
Función 3 es la Función Lineal para el genotipo BB y consiste en una combinación lineal de las variables ratio 1 y ratio 2;
en donde las combinaciones lineales están formadas por constantes y cofactores que acompañan a las variables ratio 1 y ratio 2; y
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la función que presente un valor absoluto mayor determina el genotipo que presenta el paciente para la variación génica analizada.
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Las tres funciones lineales que caracterizan a cada uno de los tres genotipos se corresponden con las tres combinaciones lineales de los ratios 1 y 2 que maximizan la discriminación entre un grupo de sujetos homocigotos AA, heterocigotos AB y homocigotos BB mediante el cálculo de sus correspondientes ratios 1 y 2. El número mínimo de sujetos para calcular unas funciones fiables es 5. Por tanto, en una realización particular, la obtención de dichas funciones se lleva a cabo mediante el análisis de un mínimo de 5 pacientes por cada uno de los tres posibles genotipos de la variación génica (AA, AB, BB). Con los resultados, se calculan los ratios 1 y 2 para los 15 pacientes. Estos ratios sirven como variables de clasificación de los tres grupos para generar las funciones lineales. Con estas tres funciones lineales se evalúa la capacidad discriminatoria de las dos parejas de sondas diseñadas. En caso de que la capacidad de discriminación no sea del 100%, las sondas serían rediseñadas. Nuevos pacientes caracterizados para cada uno de los tres genotipos constituyen nuevos ratios 1 y 2 para perfeccionar las combinaciones lineales de los mismos que constituyen las funciones lineales y, en definitiva, mejorar la capacidad discriminatoria del algoritmo basado en estas tres funciones.
En una realización particular en la que el escáner utilizado es un escáner de fluorescencia confocal, siempre que (i) los ratios 1 y 2 se encuentren dentro del rango de los ratios usados para construir las funciones lineales, (ii) la intensidad de fluorescencia media de las 4n réplicas (dónde "n" es el número de réplicas de cada sonda, es decir 6, 8 ó 10), por ejemplo, 40 réplicas con respecto al ruido de fondo sea mayor de 5 y (iii) el coeficiente de variación de las réplicas esté por debajo de 0,25, el resultado clasificatorio de las funciones lineales se considera correcto. Las 3 funciones lineales para cada genotipo se construyen a partir de los 15 ratios 1 y 15 ratios 2 obtenidos del análisis con el DNA-chip de 5 pacientes (en una realización particular) por genotipo (5 AA, 5 AB y 5 BB); al analizar un nuevo paciente, se calcularán los ratios 1 y 2 y se sustituirán dichos ratios en las funciones; la función de mayor valor absoluto determina el genotipo. Además, los ratios 1 y 2 del nuevo paciente, por ejemplo AA, deben estar incluidos en los 5 ratios 1 y 2 que permitieron construir la función lineal que determina el grupo AA (se trata, pues, de una doble comprobación).
Asimismo, cuando se utiliza un escáner de fluorescencia confocal, para dar por buena una hibridación completa es necesario que (a) la relación intensidad frente a ruido de fondo de todas las sondas del DNA-chip esté por encima de 15; (b) la media de todos los ratios debe superar 0,6 como control de especificidad y sensibilidad; (c) el coeficiente de variación de todas las réplicas debe ser inferior a 0,25; (d) el ratio del control externo debe estar por encima de 0,6 y (e) el control negativo nunca debe ser superior a 3 veces el ruido de fondo. Todas las condiciones (a)-(e) deben ser cumplidas simultáneamente para dar por buena la hibridación completa utilizando un escáner de fluorescencia confocal.
Por tanto, según la invención, el genotipado de cada una de las variaciones génicas se lleva a cabo a partir de la media acotada de las intensidades de las 10, 8 ó 6 réplicas de cada una de las 4 sondas utilizadas para detectar cada variación génica, en la que se eliminan los valores extremos ("outliers"); en una realización particular, dichos valores extremos eliminados constituyen entre el 10% y el 50% de los valores obtenidos. Asimismo, el algoritmo desarrollado por los inventores para el genotipado de cada una de dichas variaciones génicas sujetas a estudio permite detectar cada una de las variaciones génicas en base a la obtención de tres funciones lineales que caracterizan a cada uno de los tres genotipos posibles (AA, AB y BB). Dicho algoritmo comprende una secuencia con los siguientes pasos: utilización de 4 sondas replicadas 6, 8 ó 10 veces; cálculo de la media acotada para calcular la intensidad media de las réplicas; cálculo de los ratios 1 y 2 correspondientes a las 2 parejas de sondas (para la detección de las variaciones génicas A y B); sustitución de los ratios 1 y 2 obtenidos en las ecuaciones lineales obtenidas a partir de los ratios 1 y 2 que discriminaron los "n" pacientes control con genotipo AA, los "n" pacientes control con genotipo AB y los "n" pacientes control con genotipo BB de cada variación génica (en una realización particular "n" es 5); y determinar el genotipo de cada paciente para cada variación génica incluida en el DNA-chip en base al mayor valor absoluto. Por último se comprueba que los ratios se corresponden con los ratios de los "n" pacientes control que determinan cada genotipo. Se han probado otros análisis como por ejemplo, no usar réplicas, no calcular la media acotada, agrupar las réplicas, etc. y se ha observado que no funciona, tener en cuenta sólo los ratios hace que el análisis informático sea más lento, sin embargo, las funciones agilizan el análisis y permiten discriminar más y
mejor.
El método de la invención constituye, por tanto, un método in vitro, extracorpóreo, para el genotipado simultáneo, sensible, específico y reproducible de múltiples variaciones génicas humanas presentes en uno o más genes de un sujeto. El método de la invención permite identificar cambios de nucleótidos, inserciones, duplicaciones, deleciones, etc. y determinar el genotipo de un sujeto para una variación génica dada.
Para la puesta en práctica del método de la invención se han desarrollado unos DNA-chips de genotipado útiles para detectar variaciones génicas, cuyas características se mencionan más adelante.
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DNA-chips de genotipado
La utilización clínica del método de la invención en la detección de variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos de interés requiere la validación previa de los DNA-chips de genotipado utilizados en la puesta en práctica del método de la invención, los cuales presentan un diseño característico.
En general, un DNA-chip de genotipado adecuado para la puesta en práctica del método de la invención, en adelante DNA-chip de la invención, comprende un soporte sobre el que están depositadas una pluralidad de sondas útiles para detectar variaciones génicas humanas presentes en uno o más genes asociadas a antígenos eritrocitarios humanos, en donde, por cada variación génica, hay 4 sondas, de las cuales 2 sondas detectan una primera variación génica y las otras 2 detectan una segunda variación génica, en donde el número de réplicas de cada una de dichas sondas es de 10, 8 ó 6 réplicas y las dos sondas no tienen porqué ser iguales. Dichas sondas están depositadas siguiendo un patrón determinado y distribuidas homogéneamente entre las 2 áreas que constituyen el DNA-chip pero no agrupadas por variación génica a detectar, es decir, que están distribuidas a lo largo y ancho del chip y además no agrupadas dentro de una misma variación génica.
El DNA-chip de la invención también puede contener, si se desea, unos oligonucleótidos depositados sobre el soporte útiles como controles positivos y negativos de las reacciones de amplificación y/o hibridación.
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Sondas Diseño de las sondas
Con el fin de disminuir al máximo la tasa de falsos positivos y negativos se diseñan dos parejas de sondas para detectar cada variación génica. Cada pareja de sondas está constituida por una sonda específica para la detección de una variación génica (e.g., el alelo normal) y por otra sonda diseñada para la detección de otra variación génica (e.g., el alelo mutante). En el caso de mutaciones puntuales, la base que difiere entre el alelo normal y el mutante (base a interrogar) se coloca en la posición central de la sonda, lo que asegura la máxima especificidad en la hibridación. En el caso de inserciones, duplicaciones o deleciones son varias las bases que se pueden interrogar. Sin embargo, el diseño se hace completamente equivalente considerando como posición central el primer nucleótido que es diferente en la secuencia normal con respecto a la secuencia mutada.
La capacidad de las sondas específicas de variaciones génicas para discriminar entre las variaciones génicas (e.g., el alelo normal y el alelo mutante) depende de las condiciones de hibridación, de la secuencia que flanquea a la mutación y de la estructura secundaria de la secuencia en la que se quiere detectar la mutación. Unas condiciones de hibridación estables permiten establecer la hebra y la longitud apropiada de las sondas con el fin de maximizar la discriminación. Partiendo de sondas de 25 nucleótidos que detectan una variación génica (e.g., el alelo normal) y otra variación génica (e.g., el alelo mutante) en ambas hebras (hebra sentido y hebra antisentido), se requiere, en general, una media de 8 sondas ensayadas experimentalmente para quedarse con las dos parejas definitivas.
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En una realización particular, para cada variación génica a detectar mediante el DNA-chip de la invención, las sondas diseñadas interrogan ambas hebras, con longitudes típicamente comprendidas entre 19 y 27 nucleótidos, y la temperatura de hibridación varía entre 75ºC y 85ºC.
En caso de que el método de la invención incluye el empleo de la metodología "primer extensión" u "OLA", se diseñan igualmente 4 sondas, 2 de dichas sondas detectan una variación génica (e.g., el alelo normal) y las otras 2 sondas detectan la otra variación génica (e.g., el alelo mutante). En este caso, la base interrogada no se coloca en la posición central sino en la posición 3' de la sonda. En el caso de la metodología "OLA", se diseñan unos oligonucleótidos marcados directa o indirectamente que hibridan a continuación de las sondas depositadas en el soporte sólido para permitir la reacción de ligación.
Dado que el método de la invención puede ser utilizado para la detección de variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos de interés, la naturaleza de las sondas presentes en el DNA-chip de la invención puede variar dentro de un amplio intervalo ya que, en cada caso, se pueden seleccionar las sondas adecuadas para las variaciones génicas que se desean detectar; en particular, dichas sondas son unas sondas útiles para la detección de variaciones génicas humanas asociadas a determinados antígenos eritrocitarios humanos. En la Tabla 1 se incluye una relación de variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos; no obstante, se pueden ir incorporando en los DNA-chips de la invención sondas que permitan la identificación de otras variaciones génicas asociadas con el reconocimiento de antígenos de interés a medida que se vayan identificando.
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Disposición de las sondas en el soporte
Según la invención, se usan 4 sondas (es decir, 2 parejas de sondas) por cada variación génica a detectar que se depositan sobre el soporte sólido siguiendo un patrón determinado de forma que se hallen homogéneamente distribuidas pero no agrupadas por variación génica a caracterizar. Dos de dichas sondas detectan una variación génica (e.g., el alelo normal) y las otras dos sondas detectan otra variación génica (e.g., el alelo mutante). El número de réplicas de cada una de dichas sondas en el DNA-chip de la invención es de 10, 8 ó 6 réplicas. En una realización particular, el DNA-chip de la invención comprende 10 réplicas de cada una de las 4 sondas utilizadas para detectar cada variación génica; en otra realización particular, el DNA-chip de la invención comprende 8 réplicas de cada una de las 4 sondas utilizadas para detectar cada variación génica; y, en otra realización particular, el DNA-chip de la invención comprende 6 réplicas de cada una de las 4 sondas utilizadas para detectar cada variación génica.
La disposición (colocación) de las sondas en el soporte está predeterminada. En una realización particular, las sondas depositadas en el soporte, aunque mantienen una disposición predeterminada, no están agrupadas por variación génica sino que tienen una distribución al azar, la cual, si se desea, puede ser siempre la misma.
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Controles
El DNA-chip de la invención también puede contener, si se desea, unos oligonucleótidos depositados sobre el soporte útiles como controles positivos y negativos de las reacciones de amplificación y/o hibridación.
En una realización particular, el DNA-chip de la invención comprende unos oligonucleótidos depositados sobre el soporte útiles como controles positivos y negativos de las reacciones de hibridación. En general, cada uno de los sub-arrays, típicamente 16, que constituyen un DNA-chip, está flanqueado por unos controles externos de hibridación que permiten localizar fácilmente los puntos sobre el soporte. Aunque con la misma secuencia, el DNA-chip dispone de dos controles externos de hibridación marcados, por ejemplo, con un fluoróforo (e.g., Cy3, Cy5, etc.), que sirven para evaluar la calidad de la hibridación en ambos canales. En una realización particular, la secuencia de nucleótidos del control externo es la siguiente (5'->3'):
CEH:
GTCGTCAAGATGCTACCGTTCAGGAGTCGTCAAGATGCTACCGTTCAGGA y las secuencias de los oligonucleótidos para su detección son las siguientes:
ON1:
CTTGACGACTCCTGAACGG
ON2:
CTTGACGACACCTGAACGG
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Soporte
El soporte sobre el que están depositadas la pluralidad de sondas puede ser cualquier superficie sólida sobre la que se puedan unir oligonucleótidos. Prácticamente cualquier soporte sobre el que pueda unirse o inmovilizarse un oligonucleótido, utilizado en la producción de DNA-chips, puede ser utilizado para la puesta en práctica de esta invención. A modo ilustrativo, dicho soporte puede ser un soporte no poroso, por ejemplo, un soporte de cristal, silicio, plástico, etc., o bien un soporte poroso, por ejemplo, membranas (naylon, nitrocelulosa, etc.), micropartículas, etc. En una realización particular, dicho soporte es un portaobjetos (porta) de cristal.
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Unión de las sondas al soporte
Las sondas se inmovilizan (unen) sobre el soporte utilizando técnicas convencionales de inmovilización de oligonucleótidos sobre la superficie de los soportes. Dichas técnicas dependen, entre otros factores, de la naturaleza del soporte utilizado [porosa (membranas, micropartículas, etc.) o no porosa (cristal, plástico, silicio, etc.)]. En general, las sondas pueden inmovilizarse sobre el soporte mediante el empleo de técnicas de inmovilización no covalentes o bien mediante el empleo de técnicas de inmovilización basadas en la unión covalente de las sondas a la superficie del soporte mediante procedimientos químicos.
La preparación de soportes no porosos (e.g., cristal, silicio, plástico, etc.) requiere, en general, un tratamiento previo con grupos reactivos (e.g., amino, aldehído, etc.) o bien recubrir la superficie del soporte con un miembro de un par de unión específica (e.g., avidina, estreptavidina, etc.). Asimismo, en general, resulta conveniente activar previamente las sondas a inmovilizar mediante grupos tiol, amino, etc., o biotina, etc., con el fin de conseguir una inmovilización específica de las sondas sobre el soporte.
La inmovilización de las sondas en el soporte puede llevarse a cabo por métodos convencionales, por ejemplo, mediante técnicas basadas en la síntesis in situ de las sondas sobre el propio soporte (e.g., fotolitografía, síntesis química directa, etc.), o mediante técnicas basadas en el empleo de brazos robotizados que depositan la sonda correspondiente presintetizada (impresión sin contacto, impresión por contacto, etc.), etc.
La disposición (colocación) de las sondas en el soporte está predeterminada. En una realización particular, las sondas depositadas en el soporte sólido, aunque mantienen una disposición predeterminada, no están agrupadas por variación génica sino que tienen una distribución al azar, la cual, si se desea, puede ser siempre la misma.
En una realización particular, el soporte es un portaobjetos de cristal, y, en este caso, las sondas, en el número de réplicas establecido (6, 8 ó 10), se imprimen en portas de cristal previamente tratados, por ejemplo, aminosilanizados, usando un equipo de producción automática de DNA-chips por deposición de los oligonucleótidos en el portaobjetos de cristal ("microarrayer") bajo condiciones apropiadas, por ejemplo, mediante entrecruzamiento con radiación ultravioleta y horneado (80ºC), manteniendo controlada la humedad y temperatura durante el proceso de deposición, típicamente entre 40-50% de humedad relativa y 20ºC de temperatura.
Las réplicas (sondas) se distribuyen en las placas de impresión, que contienen los oligonucleótidos en solución, de forma que las impriman un número de puntas distintas igual a la mitad de las réplicas. Las réplicas se distribuyen homogéneamente entre las áreas o sectores (sub-arrays) que constituyen el DNA-chip. El número de réplicas así como su homogénea distribución a lo largo y ancho del DNA-chip minimizan la variabilidad experimental proveniente de los procesos de impresión e hibridación. Asimismo, se imprimen controles positivos y negativos de hibridación. En general, cada uno de los sub-arrays que constituyen el DNA-chip está flanqueado por unos controles externos de hibridación que permiten localizar fácilmente los puntos sobre el soporte. Aunque con la misma secuencia, el DNA-chip dispone de dos controles externos de hibridación marcados, por ejemplo, con un fluoróforo (e.g., Cy3, Cy5, etc.), que sirven para evaluar la calidad de la hibridación en ambos canales. En una realización particular, la secuencia de nucleótidos del control externo es la identificada previamente como "CEH" y las secuencias de los oligonucleótidos para su detección son las identificadas previamente como ON1 y ON2.
Para controlar la calidad del proceso de fabricación del DNA-chip en términos de señal de hibridación, ruido de fondo, especificidad, sensibilidad, reproducibilidad de cada réplica (coeficiente de variación) así como del tamaño y forma de los puntos impresos (sondas) se puede utilizar un DNA comercial. A modo ilustrativo, como control de calidad de la impresión de los DNA-chips de la invención, se lleva a cabo la hibridación con un DNA comercial (e.g., k562 DNA High Molecular Weight, Promega) de uno de cada un número determinado de soportes cargados con las sondas, por ejemplo, cada 20 soportes impresos. En primer lugar, se analiza la forma y tamaño de los puntos impresos. En esta hibridación se controlan los mismos parámetros que se han explicado previamente para aceptar un genotipado con el DNA-chip de la invención en cuanto a la relación entre la intensidad y el ruido de fondo del DNA-chip, especificidad - sensibilidad media y reproducibilidad de las réplicas (coeficiente de variación). Asimismo se comprueba el correcto genotipado de ese DNA control.
Los DNA-chips de la invención pueden ser utilizados, en combinación con el método de la invención, para detectar variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos de interés, para lo cual se utilizarán las sondas adecuadas para las variaciones génicas que se desean detectar. Una ventaja de los DNA-chips de la invención radica en que pueden incorporar sondas que permitan la identificación de otras variaciones génicas asociadas con el reconocimiento de antígenos eritrocitarios humanos a medida que se vayan identificando tales variaciones génicas; para ello, se deberán diseñar las sondas y los DNA-chips de acuerdo con las enseñanzas de la presente invención, tal como se ha mencionado previamente.
Los inventores han diseñado, producido y validado la utilización clínica del método de la invención en la detección de variaciones génicas humanas asociadas a determinados antígenos eritrocitarios humanos mediante el desarrollo (diseño y producción) del DNA-chip correspondiente. Por tanto, en una realización particular, el DNA-chip de la invención es:
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- un DNA-chip que permite la detección simultánea, sensible, específica y reproducible de variaciones génicas asociadas a determinados antígenos eritrocitarios; ejemplos ilustrativos, no limitativos, de variaciones génicas asociadas a antígenos eritrocitarios que pueden ser identificados se recogen en la Tabla 1; no obstante, la relación de variaciones génicas contenida en dicha tabla puede incrementarse con otras variaciones génicas que vayan identificándose posteriormente y que estén asociadas a antígenos eritrocitarios.
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TABLA 1 Variaciones génicas asociadas a antígenos eritrocitarios
1000
TABLA 1 (continuación)
1001
TABLA 1 (continuación)
1002
TABLA 1 (continuación)
1003
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Las secuencias de todos los genes mencionados en la Tabla 1 son conocidas y están recogidas, entre otras, en las siguientes páginas webs: GeneBank (NCBI), GeneCard (Weizmann Institute of Sciences) y Snpper.chip.org (Innate Immunity PGA).
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Kits
En otro aspecto, la invención se relaciona con un kit para la puesta en práctica del método de la invención, en adelante kit de la invención, que comprende:
-
un DNA-chip de la invención que comprende un soporte sobre el que están depositadas una pluralidad de sondas que permiten la detección de variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos presentes en uno o más genes;
-
un protocolo de detección de dichas variaciones génicas, basado en el método de la invención que comprende el empleo de un algoritmo para la interpretación de los datos generados con la aplicación de dicho método; y, opcionalmente,
-
un software informático que facilita, automatiza y asegura la reproducibilidad de la aplicación de dicho algoritmo para la interpretación de los datos generados con la aplicación del método de la invención.
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El kit de la invención puede contener, además, si se desea, unos controles positivos y negativos de la reacción de hibridación.
Las características del DNA-chip de la invención, método de la invención y algoritmo proporcionado por esta invención ya han sido descritas previamente.
El kit de la invención puede ser utilizado para la detección de variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos de interés, para lo cual se seleccionarán las sondas adecuadas para las variaciones génicas que se desean detectar.
En otro aspecto, la invención se relaciona con un kit para la identificación in vitro de grupos sanguíneos humanos, o el genotipado in vitro de grupos sanguíneos humanos, que comprende:
-
un DNA-chip de la invención que comprende un soporte sobre el que están depositadas una pluralidad de sondas que permiten la detección de variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos;
-
un protocolo de detección de dichas variaciones génicas, basado en el método de la invención que comprende el empleo de un algoritmo para la interpretación de los datos generados con la aplicación de dicho método; y, opcionalmente,
-
un software informático que facilita, automatiza y asegura la reproducibilidad de la aplicación de dicho algoritmo para la interpretación de los datos generados con la aplicación del método de la invención para detectar variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos.
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En una realización concreta, el kit de la invención comprende un DNA-chip de la invención que comprende, depositadas sobre un soporte siguiendo un patrón determinado, unas sondas que permiten la detección de variaciones génicas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos, en donde dichas variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos se seleccionan del grupo de variaciones génicas mencionadas en la Tabla 1 y combinaciones de las mismas.
Los siguientes ejemplos ilustran la invención y no deben ser considerados limitativos del alcance de la misma.
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Ejemplo 1 Detección de variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos, utilizando un DNA-chip, para la identificación de grupos sanguíneos humanos 1.1 Diseño del DNA-chip para genotipado de grupos sanguíneos
Se diseñó y fabricó un DNA-chip para detectar variaciones génicas humanas asociadas a algunos antígenos eritrocitarios que permite la detección simultánea, sensible, específica y reproducible de variaciones génicas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos. Ejemplos ilustrativos de dichas variaciones génicas humanas asociados a antígenos eritrocitarios humanos que pueden ser determinados utilizando este DNA-chip se mencionan en la Tabla 1.
En este caso concreto, el DNA-chip diseñado y fabricado consta de un soporte (portaobjetos de cristal) que contiene sobre su superficie una pluralidad de sondas que permiten la detección de las variaciones génicas mencionadas anteriormente. Estas sondas son capaces de hibridar con las secuencias diana amplificadas de los genes que codifican los antígenos eritrocitarios cuya variación génica se desea estudiar. Las secuencias de DNA de cada una de las sondas utilizadas son las siguientes [en general, se indica el nombre del gen, la mutación (cambio de nucleótido, "ins": inserción, "del": deleción), el genotipo y el exón).
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1
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2
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17
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1.2 Producción del DNA-chip para genotipado de grupos sanguíneos: Impresión y procesamiento de los portaobjetos de vidrio
Las sondas capaces de detectar las distintas variaciones génicas identificadas previamente se imprimen en el soporte (portaobjetos de cristal) aminosilanizado empleando DMSO como tampón de impresión. La impresión se lleva a cabo con un spotter o impresor de oligonucleótidos (sondas) controlando la temperatura y la humedad relativa.
La unión de las sondas al soporte (portaobjetos de cristal) se lleva a cabo mediante entrecruzamiento con radiación ultravioleta y horneado tal y como se describe en la documentación aportada por el fabricante (Por ejemplo, Corning Lifesciences http://www.corning.com). La humedad relativa durante el proceso de deposición se mantiene entre el 40-50% y la temperatura en torno a 20ºC.
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1.3 Validación de la utilidad clínica del DNA-chip para la identificación de grupos sanguíneos humanos: Detección simultánea, sensible, específica y reproducible de variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios 1.3.1 Preparación de la muestra a hibridar
Se extrae DNA del individuo a partir de una muestra de sangre mediante un protocolo estándar de filtración (Por ejemplo, kits comerciales de Macherey Nagel, Quiagen, etc).
Se amplifican todos los exones e intrones de interés mediante PCR multiplex utilizando las parejas de oligonucleótidos cebadores apropiadas. Prácticamente puede utilizarse cualquier par de oligonucleótidos cebadores que permita la amplificación específica de fragmentos génicos en los que pueda existir la variación génica a detectar, ventajosamente, aquellos pares de oligonucleótidos cebadores que permitan dicha amplificación en el menor número posible de reacciones PCR; en particular, se seleccionaron unos oligonucleótidos cebadores que permitían amplificar, en tan sólo 3 reacciones de PCR multiplex, los 36 fragmentos necesarios para el genotipado de las 94 variaciones génicas previamente mencionadas analizadas utilizando el DNA-chip de la invención para la detección de variaciones génicas asociadas a antígenos eritrocitarios.
Los oligonucleótidos cebadores útiles para llevar a cabo la PCR multiplex para la detección de variaciones génicas asociadas a antígenos eritrocitarios humanos pueden ser diseñados por los expertos en la materia utilizando las secuencias de los genes correspondientes tal y como se describen en GenBank usando por ejemplo los softwares:
Primer 3 (http://frodo.wi.mit.edu/cgi-bin/primer3/primer3 www.cgi) o
Web Primer (http://seg.yeastgenome.org/cgi-bin/web-primer).
Las PCR multiplex se llevan a cabo simultáneamente bajo las mismas condiciones de tiempo y temperatura que permiten la amplificación específica de los fragmentos de los genes en los que pueda existir la variación génica a detectar. Finalizada la PCR multiplex se comprueba, en gel de agarosa, que ha tenido lugar reacción de amplificación.
A continuación, la muestra a hibridar (producto de la amplificación) se somete a fragmentación con una Dnasa y los productos resultantes del proceso de fragmentación se someten a una reacción de marcaje indirecto. Una transferasa terminal incorpora un nucleótido unido a un miembro de un par de unión específica, por ejemplo, biotina, al final de estos pequeños fragmentos.
Antes de aplicar la muestra sobre el DNA-chip se procede a desnaturalizar la muestra mediante calentamiento a 95ºC durante 5 minutos y, posteriormente, se añade el tampón de hibridación "ChipMap Kit Hybridization Buffer" (Ventana Medical System).
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1.3.2 Hibridación
La hibridación se lleva a cabo de forma automática en la estación de hibridación Ventana Discovery (Ventana Medical Systems), desarrollada para tal fin.
Se realiza una prehibridación o bloqueado del portaobjetos con BSA. A continuación, se aplica la muestra junto con la solución de hibridación [ChipMap Kit Hybridization Buffer (Ventana Medical System)] y se mantiene durante 1 hora a 45ºC siguiendo el protocolo Ventana 9.0 Europe (Ventana Medical System). Finalmente, el portaobjetos se somete a la acción de diferentes soluciones de lavado [ChipMap hybridisation Kit Buffers (Ventana Medical System)]. Una vez finalizado el proceso de hibridación se procede al lavado final y secado del portaobjetos.
Finalizada la hibridación, el revelado con estreptavidina-Cy3 marca los puntos (sondas) en los que se ha producido la hibridación.
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1.3.3. Escaneado del portaobjetos
Se introduce el portaobjetos en el escáner de fluorescencia confocal, por ejemplo Axon escáner 4100A, y se procede a escanear la señal emitida por el marcaje estándar al ser excitado por el láser.
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1.3.4 Cuantificación de la imagen
El software del propio escáner permite la cuantificación en la imagen obtenida de la señal de los puntos donde se ha producido hibridación.
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1.3.5 Interpretación de los resultados: Determinación del genotipo del individuo, respecto a las variaciones génicas humanas asociadas a determinados antígenos eritrocitarios humanos analizados, e identificación del grupo sanguíneo del individuo
A partir de la señal que se obtiene con las sondas que detectan las diferentes variaciones génicas se establece el genotipo del individuo. Para ello, brevemente, en primer lugar, a los valores absolutos de intensidad de todas las sondas se les resta su propio ruido de fondo; a continuación, se agrupan las réplicas correspondientes a cada uno de las 4 sondas que se usan para caracterizar cada variación génica. El valor medio de intensidad para cada una de las 4 sondas se calcula usando la media acotada de las réplicas para eliminar los puntos aberrantes. Conocidos los valores medios de intensidad para cada una de las sondas se calculan dos ratios (ratio 1 y ratio 2):
Ratio 1 =\frac{\text{Intensidad media sonda 1}}{\text{Intensidad media sonda 1 + Intensidad media sonda 2}}
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Ratio 2 = \frac{\text{Intensidad media sonda 3}}{\text{Intensidad media sonda 3 + Intensidad media sonda 4}}
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Estos ratios se sustituyen en tres funciones lineales que caracterizan a cada uno de los tres genotipos posibles:
AA
Función 1
AB
Función 2
BB
Función 3
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La función que presente un valor absoluto mayor determina el genotipo que presenta el paciente.
En este caso, la obtención de dichas funciones lineales se lleva a cabo mediante el análisis de 5 sujetos por cada uno de los tres posibles genotipos de la variación génica (AA, AB, BB). Con los resultados, se calculan los ratios 1 y 2 para los 15 sujetos. Estos ratios sirven como variables de clasificación de los tres grupos para generar las funciones lineales. Con estas tres funciones lineales se evalúa la capacidad discriminatoria de las dos parejas de sondas diseñadas. En caso de que la capacidad de discriminación no sea del 100%, las sondas serían rediseñadas. Nuevos sujetos caracterizados para cada uno de los tres genotipos constituyen nuevos ratios 1 y 2 para perfeccionar las combinaciones lineales de los mismos que constituyen las funciones lineales y, en definitiva, para mejorar la capacidad discriminatoria del algoritmo basado en estas tres funciones.
Siempre que los ratios 1 y 2 se encuentren dentro del rango de los ratios usados para construir los grupos, la intensidad de fluorescencia media de las 40 réplicas con respecto al ruido de fondo sea mayor de 5 y el coeficiente de variación de todas las réplicas del DNA-chip esté por debajo de 0,25 (utilizando un escáner de fluorescencia confocal) el resultado de las funciones lineales se considera correcto.
Para dar por buena una hibridación completa es necesario que la relación intensidad frente a ruido de fondo de todas las sondas del DNA chip esté por encima de 15. Asimismo, la media de todos los ratios debe superar 0,6 como control de especificidad y sensibilidad. El ratio del control externo debe estar por encima de 0,6 y el control negativo nunca debe ser superior a 3 veces el ruido de fondo. Estos parámetros son consistentes con la realización particular de un escáner de fluorescencia confocal.
Resumiendo, cada mutación presenta en el portaobjetos 4 sondas (repetidas 10 veces) para su detección. Dos de dichas sondas detectan una variación génica y las otras dos la otra variación génica. La base interrogada se localiza siempre en la posición central.
En el caso de un sujeto homocigoto para la variación génica A, este no presentará variación génica B; por consiguiente, en la imagen que se obtiene del soporte de cristal las sondas que detectan la variación génica B presentan una señal de hibridación notablemente inferior a la presentada por la variación génica A y viceversa; en este caso, los ratios 1 y 2 tenderán a 1 y los sujetos serán asignados como homocigotos AA por el software de análisis.
Por otro lado, un sujeto heterocigoto para una variación génica determinada presenta ambos la variaciones génicas; por tanto, las sondas que los detectan presentan una señal de hibridación equivalente. Los ratios 1 y 2 tenderán a 0,5 y los sujetos serán asignados como heterocigotos AB por el software de análisis.
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Ejemplo 2 Identificación del grupo sanguíneo de 15 individuos donantes de sangre, utilizando el DNA-chip para el genotipado de grupos sanguíneos Extracción de DNA
Se llevó a cabo la extracción del DNA por métodos convencionales de 15 donantes de sangre que respondían a los grupos serológicos A y 0. El análisis genético mediante secuenciación de la región de interés corroboró que 5 de los donantes presentaban genotipo 188G189C (determinación serológica A), otros 5 donantes presentaban genotipo 188GA189CT (determinación serológica 0) y los restantes 5 donantes presentaban genotipo 188A189T (determinación serológica 0).
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Diseño de las sondas
Se diseñaron 4 sondas para la detección del polimorfismo ABO G188A/C189T genotipo ABO O1v, tal y como se ha descrito previamente en la descripción de la invención, cuyas secuencias se recogen a continuación (Ejemplo 1):
113
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Producción del DNA-chip para la detección de las variaciones génicas humanas asociadas a determinados antígenos eritrocitarios humanos
Las sondas diseñadas se imprimieron en el portaobjetos de cristal con un microarrayer tal y como se describe en el Ejemplo 1.2.
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PCR y marcaje de la muestra
Se amplificó, mediante PCR multiplex utilizando cebadores específicos, la región del gen ABO que permitía el análisis de la variación génica de interés (ABO G188A/C189T genotipo ABO O1v). El producto de la amplificación fue fragmentado y marcado tal y como se indica en el Ejemplo 1.3.1.
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Hibridación de las muestras
La hibridación se llevó a cabo en una estación automática de hibridación, tal y como se ha descrito previamente en el Ejemplo 1.3.2.
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Análisis de los resultados
El portaobjetos se introdujo en el escáner y se procedió a escanear la señal emitida por el marcaje estándar al ser excitado por el láser (Ejemplo 1.3.3) y a cuantificar la imagen obtenida de la señal de los puntos donde se ha producido hibridación (Ejemplo 1.3.4).
El análisis de los resultados se llevó a cabo utilizando el algoritmo previamente descrito en el Ejemplo 1.3.5. El empleo de dicho algoritmo permitió caracterizar esta variación génica para los 15 sujetos con una coincidencia del 100% con respecto a los métodos serológicos y de secuenciación.
La Figura 1 muestra la representación de los ratios 1 y 2 y permite caracterizar a los 15 pacientes.
Las funciones lineales para los tres grupos se exponen en la Tabla 2, en donde el número de réplicas de las 4 sondas usadas fue 10; "X" es el ratio 1; "Y" es el ratio 2; "0" se corresponde con el genotipo 188A189T; "1" se corresponde con el genotipo 188GA189CT; y "2" se corresponde con el genotipo 188G189C.
TABLA 2
114
Un donante con genotipo 188G189C presentó unos ratios 1 y 2 de 0,77 y 0,82, respectivamente. Al sustituir estos ratios en las funciones lineales, se observa que la función 2 presenta un valor absoluto mayor. De esta forma queda demostrado cómo el algoritmo proporcionado por esta invención clasifica perfectamente a los donantes para 10 réplicas de cada una de las 4 sondas.
Las funciones lineales obtenidas para 8 réplicas de cada una de las 4 sondas, se recogen en la Tabla 3.
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TABLA 3 Coeficientes de la función de clasificación
115
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El mismo donante con genotipo 188G189C presentó igualmente unos ratios 1 y 2 de 0,77 y 0,82, respectivamente. Al sustituir estos ratios en las funciones lineales, se observa que la función 2 presenta un valor absoluto mayor. De esta forma queda demostrado cómo el algoritmo proporcionado por esta invención clasifica perfectamente a los pacientes para 8 réplicas de cada una de las 4 sondas.
Las funciones lineales obtenidas para 6 réplicas de cada una de las 4 sondas, se recogen en la Tabla 4.
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TABLA 4 Coeficientes de la función de clasificación
116
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El mismo donante con genotipo 188G189C presentó igualmente unos ratios 1 y 2 de 0,77 y 0,82, respectivamente. Al sustituir estos ratios en las funciones lineales, se observa que la función 2 presenta un valor absoluto mayor. De esta forma queda demostrado cómo el algoritmo proporcionado por esta invención clasifica perfectamente a los pacientes para 6 réplicas de cada una de las 4 sondas.

Claims (5)

1. Un DNA-chip adecuado para la puesta en práctica de un método in vitro, extracorpóreo, para el genotipado simultáneo de múltiples variaciones génicas humanas presentes en uno o más genes de un sujeto asociadas a antígenos eritrocitarios humanos,
comprendiendo dicho método:
-
extraer el ácido nucleico de una muestra biológica procedente de un sujeto;
-
amplificar regiones de dicho ácido nucleico que contienen las variaciones génicas a identificar, y, opcionalmente, marcar dichos productos de amplificación durante la reacción de amplificación, para obtener unos productos de amplificación, opcionalmente marcados, que contienen las variaciones génicas a identificar;
-
someter dichos productos de amplificación a una reacción de fragmentación para obtener unos productos de fragmentación que contienen las variaciones génicas a identificar, y, en caso de que dichos productos de amplificación no hubieran sido marcados previamente en la etapa de amplificación, marcar dichos productos de fragmentación que contienen las variaciones génicas a identificar;
-
poner en contacto dichos productos de fragmentación que contienen las variaciones génicas a identificar con sondas capaces de identificar mediante hibridación las variaciones génicas correspondientes, bajo condiciones que permiten la hibridación de dichos productos de fragmentación con dichas sondas, en donde dichas sondas están depositadas en un soporte y, por cada variación génica a caracterizar, se usan 4 sondas que se depositan en dicho soporte siguiendo un patrón determinado de forma que se hallen homogéneamente distribuidas pero no agrupadas por variación génica a caracterizar, de las cuales 2 sondas detectan una variación génica y las otras 2 sondas detectan otra variación génica, en donde el número de réplicas de cada una de dichas sondas es de 10, 8 ó 6 réplicas;
-
introducir, tras la hibridación, dicho soporte en un escáner y cuantificar la intensidad de los puntos en donde se ha producido la hibridación; y
-
genotipar cada una de las variaciones génicas a partir de la media acotada de las intensidades de las 10, 8 ó 6 réplicas de cada una de las 4 sondas, en la que se eliminan los valores extremos, mediante la aplicación de un algoritmo que permite detectar cada una de las variaciones génicas con una sensibilidad, especificidad y reproducibilidad tales que permiten la aplicación clínica del método, en base a que conduce a la obtención de tres funciones lineales que caracterizan a cada uno de los tres genotipos posibles,
comprendiendo dicho DNA-chip un soporte sobre el que están depositadas una pluralidad de sondas útiles para detectar variaciones génicas humanas presentes en uno o más genes asociadas a antígenos eritrocitarios humanos, en donde, por cada variación génica a detectar, hay 4 sondas, de las cuales 2 sondas detectan una primera variación génica y las otras 2 detectan una segunda variación génica, en donde el número de réplicas de cada una de dichas sondas es de 10, 8 ó 6 réplicas, depositadas siguiendo una patrón determinado y distribuidas homogéneamente entre las 2 áreas que constituyen el DNA-chip pero no agrupadas por variación génica a detectar, y, opcionalmente, unos oligonucleótidos depositados sobre el soporte útiles como controles positivos y negativos de las reacciones de hibridación, y
en donde dichas variaciones génicas humanas asociadas a antígenos eritrocitarios se seleccionan del grupo formado por el polimorfismo GG87_88insG (Genotipo O4) (BC008) en el exón 2 del gen ABO, el polimorfismo G188A+C189T (Genotipo O1v) (BC012) en el exón 4 del gen ABO, los polimorfismos 261delG (Genotipo O1/O1v) (BC001), C322T (Genotipo O5) (BC009) en el exón 6 del gen ABO, los polimorfismos C467T (P156L) (Genotipo A2) (BC014), G542A (Genotipo O8) (BC013), T646A (Genotipo Ax/O1v) (BC015), G703A (Genotipo G235S) (B) (BC002), C796A (Genotipo L266M) (B) (BC003), G802A (Genotipo O2) (BC004), G803C (Genotipo G268A) (B, cisAB-1) (BC005), 798-804insG (Genotipo O3, Ael) (BC007), C893T (Genotipo O6) (BC010), C927A (Genotipo O7) (BC011), 1059-1061delC (D FS354+21aa) (Genotipo A2) (BC006) en el exón 7 del gen ABO, los polimorfismos C8G (S3C) (Genotipo weak D type 3) (BC040), G48A (W16X) (Genotipo RHD W16X) (BC046), C121T (Q41X) (Genotipo RHD Q41X) (BC047) en el exón 1 del gen RHD, los polimorfismos A178C, G203A, T307C (exon scanning) (BC016, BC017, BC018), T161C (L54P) (Genotipo DMH) (BC033), G270A (W90X) (Genotipo RHD W90X) (BC047), T329C (L110P) (Genotipo DVII) (BC028) en el exón 2 del gen RHD, los polimorfismos C340T (Genotipo weak D type 17) (BC043), C410T (Genotipo DIIIiv) (BC059), C446A (A149D) (Genotipo weak D type 5) (BC041), A455C (Genotipo DIIIa, DIIIiv, DIVa) (BC060), IVS3+1G>A (Genotipo alelo negativo) (BC049) en el exón 3 del gen RHD, los polimorfismos 488del4 (Genotipo alelo negativo) (BC050), A497C (H166P) (Genotipo DFW) (BC030), T509C (M170T) (Genotipo DOL) (BC027), A514T (Genotipo DFRI) (BC065), T544A, G577A, A594T (Genotipo DVI-I weak D type 4) (exon scanning), (BC019, BC020, BC021) en el exón 4 del gen RHD, polimorfismos G635T (G212V) (Genotipo RHD G212V) (BC051), T667G (Genotipo DIIIa, weak D type 4, Dva, DAR, DOL, DCS) (BC061), G676C (Genotipo DCS, G686A (Genotipo DHR) (BC031), G697C (E233Q), (Genotipo G712A (M238V) (DVI I, weak D type 4, DV, DCS) (BC022, BC023),A712G (genotipo alelo negativo) (BC023) en el exón 5 del gen RHD, polimorfismos T807G (Genotipo pseudogene) (BC044), T809G (Genotipo weak D type 1) (BC038), G845A (G282D) (Genotipo weak D type 15, DIM) (BC037), C848T (T283I) (Genotipo DHMI) (BC029), G854A (C285Y) (Genotipo DIM) (BC032), G885T (M295I) (Genotipo alelo negativo M295I) (BC053), 906insGGCT (Genotipo alelo negativo) (BC054), G916A, A932G (consenso exon scanningconsenso exon scanning exon scanning) (BC062, BC063), IVS6+1del4 (Genotipo alelo negativo) (BC055) en el exón 6 del gen RHD, polimorfismos G941T (G314V) (Genotipo alelo negativo) (BC056), C990G (Y330X) (Genotipo alelo negativo) (BC057), G1016A (G339E) (Genotipo weak D type 7) (BC042), T1025C (I342T) (exon scanning) (BC024), G1048C (Genotipo DIVa, DIVb) (BC094), G1057A (G353R) (Genotipo DNU) (BC034), C1061A (A354N) (Genotipo DII) (BC036), G1063A (G355S) (Genotipo DNB) (BC026), T1073C (Genotipo DWI) (BC035) en el exón 7 del gen RHD, polimorfismo IV8+1G>A (Genotipo alelo negativo) (BC058) en el exón 8 del gen RHD, G1154C (G385A) (Genotipo weak D type 2) (BC039), A1193T (Genotipo DIVb) (BC064), G1227A (K409K) (Genotipo K409K) (BC045) polimorfismos en el exón 9 del gen RHD, los polimorfismos G106A (A36T) (Genotipo Cx) (BC068), A122G (Q41R) (Genotipo Cw) (BC067) en el exón 1 del gen RHCE, el polimorfismo T307C (S103P) (Genotipo Rhc) (BC066) en el exón 2 del gen RHCE, el polimorfismo C410T (A137V) (BC059) en el exón 3 del gen RHCE, los polimorfismos C676G (P226A) (Genotipo Ee) (BC025, BC069), C733G (L245V) (Genotipo VS) (BC070) en el exón 5 del gen RHCE, el polimorfismo G1006T (G336C) (Genotipo VS-/VS+) (BC071) en el exón 7 del gen RHCE, los polimorfismos A697T (Genotipo Kk) (BC073), C698T (T193M) (Genotipo Kk) (BC072) en el exón 6 del gen KELL, los polimorfismos T961C (R281W) (Genotipo KpaKpb) (BC074), G962A (R281Q) (Genotipo KpbKpc) (BC075) en el exón 8 del gen KELL, el polimorfismo G1208A (S363N) (Genotipo Kmod-1) (BC077) en el exón 10 del gen KELL, el polimorfismo C1910T (L597P) (Genotipo JsaJsb) (BC076) en el exón 17 del gen KELL, el polimorfismo I5AG>AA (Genotipo JknulI) (BC079) en el exón 6 del gen SLC14A1 (grupo sanguíneo KIDD), los polimorfismos G838A (D280N) (Genotipo JkaJkb) (BC078), T871C (S291P) (Genotipo JknulI) (BC080) en el exón 9 del gen SLC14A1 (grupo sanguíneo KIDD), los polimorfismos T-33C (Genotipo FyGATA) (BC082), G125A (D42G) (Genotipo FyaFyb) (BC081), C265T (R89C) (Genotipo Fyx) (BC083) en el gen DARC (grupo sanguíneo DUFFY), los polimorfismos C59T, G71A, T72G (S20L, G42E, G42E) (Genotipo MN) (BC084, BC085) en el exón 2 del gen GYPA, el polimorfismo T143C (M48T) (Genotipo Ss) (BC086) en el exón 4 del gen GYPB, los polimorfismos C790A (Genotipo GpMUR MilII) (BC089), C850G (Genotipo GpMUR MilII) (BC090) en el exón 3 del gen GYPE, los polimorfismos C230T (Genotipo U) (BC087), I5+5GT (Genotipo U) (BC088) en el exón 5 del gen GYPB, el polimorfismo T2561C (P854L) (Genotipo DiaDib) (BC091) en el exón 19 del gen SLC4A1 (grupo sanguíneo DIEGO), el polimorfismo A793G (Genotipo DoaDob) (BC092) en el exón 2 del gen DOMBROCK, el polimorfismo C134T (A45V) (Genotipo CoaCob) (BC093) en el exón 1 del gen COLTON y combinaciones de los mismos.
\vskip1.000000\baselineskip
2. DNA-chip según la reivindicación 1, en el que cada una de dichas 4 sondas para la detección de cada variación génica presentan la base a interrogar en la posición central y tiene una longitud comprendida entre 19 y 27 nucleótidos.
3. Uso de un DNA-chip según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para el genotipado simultáneo, sensible, específico y reproducible de múltiples variaciones génicas humanas asociadas con antígenos eritrocitarios humanos.
4. Un kit adecuado para la puesta en práctica de un método in vitro, extracorpóreo, para el genotipado simultáneo de múltiples variaciones génicas humanas presentes en uno o más genes de un sujeto asociadas a antígenos eritrocitarios humanos que comprende:
-
un DNA-chip según las reivindicaciones 1 ó 2;
-
un protocolo de detección de dichas variaciones génicas, basado en un método que comprende:
a)
extraer el ácido nucleico de una muestra biológica procedente de un sujeto;
b)
amplificar regiones de dicho ácido nucleico que contienen las variaciones génicas a identificar, y, opcionalmente, marcar dichos productos de amplificación durante la reacción de amplificación, para obtener unos productos de amplificación, opcionalmente marcados, que contienen las variaciones génicas a identificar;
c)
someter dichos productos de amplificación a una reacción de fragmentación para obtener unos productos de fragmentación que contienen las variaciones génicas a identificar, y, en caso de que dichos productos de amplificación no hubieran sido marcados previamente en la etapa de amplificación, marcar dichos productos de fragmentación que contienen las variaciones génicas a identificar;
d)
poner en contacto dichos productos de fragmentación que contienen las variaciones génicas a identificar con sondas capaces de identificar mediante hibridación las variaciones génicas correspondientes, bajo condiciones que permiten la hibridación de dichos productos de fragmentación con dichas sondas, en donde dichas sondas están depositadas en un soporte y, por cada variación génica a caracterizar, se usan 4 sondas que se depositan en dicho soporte siguiendo un patrón determinado de forma que se hallen homogéneamente distribuidas pero no agrupadas por variación génica a caracterizar, de las cuales 2 sondas detectan una variación génica y las otras 2 sondas detectan otra variación génica, en donde el número de réplicas de cada una de dichas sondas es de 10, 8 ó 6 réplicas;
\newpage
e)
introducir, tras la hibridación, dicho soporte en un escáner y cuantificar la intensidad de los puntos en donde se ha producido la hibridación; y
f)
genotipar cada una de las variaciones génicas a partir de la media acotada de las intensidades de las 10, 8 ó 6 réplicas de cada una de las 4 sondas, en la que se eliminan los valores extremos, mediante la aplicación de un algoritmo que permite detectar cada una de las variaciones génicas con una sensibilidad, especificidad y reproducibilidad tales que permiten la aplicación clínica del método, en base a que conduce a la obtención de tres funciones lineales que caracterizan a cada uno de los tres genotipos posibles; y, opcionalmente,
-
un software informático que facilita, automatiza y asegura la reproducibilidad de la aplicación de dicho algoritmo para la interpretación de los datos generados con la aplicación de dicho método.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Uso de un kit según la reivindicación 4 para la identificación in vitro de grupos sanguíneos humanos, o el genotipado in vitro de grupos sanguíneos humanos.
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HASHMI G. et al. "A flexible array format for large-scale, rapid blood group DNA typing". Transfusion. May. 2005. Vol. 45, Nº. 5, paginas 680-688. ISSN 0041-1132 (print). *

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