The Human Mitochondrial Locus Specific Database Council of - PowerPoint PPT Presentation

The ¡Human ¡Mitochondrial ¡Locus ¡Specific ¡Database ¡ Council ¡of ¡Scien=fic ¡and ¡Industrial ¡Research, ¡India ¡ Anshu ¡Bhardwaj ¡ Scien=st, ¡CSIR ¡ India ¡ AIMM2012 ¡ 9 th ¡September ¡2012 ¡

mtDNA: ¡Genome ¡& ¡Organiza=on ¡ ¡ ¡* ¡A ¡circular ¡molecule ¡ ¡ ¡* ¡Genome ¡size: ¡~16569bp ¡ ¡ ¡* ¡Maternally ¡inherited ¡ ¡ ¡* ¡Genes: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑2 ¡rRNAs ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑22 ¡tRNAs ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑13 ¡proteins ¡ * ¡Only ¡non-­‑coding ¡region ¡is ¡d-­‑loop ¡ * ¡Other ¡proteins ¡encoded ¡by ¡nuclear ¡ ¡DNA! ¡

mtDNA ¡varia=ons: ¡Structural ¡and ¡Func=onal ¡complexity ¡ Genotype-­‑Phenotype ¡correla=on ¡ Apoptosis ¡ ¡ Lipid ¡Metabolism ¡ Nucleo=de ¡Metabolism ¡ Amino ¡Acid ¡Metabolism ¡ ? ¡ Carbohydrate ¡Metabolism ¡ Electron ¡Transport ¡Chain ¡ ? ¡ tRNAs ¡ RNA ¡ Polymerase ¡ Ribosome ¡ CELL ¡ Complex ¡I ¡ Complex ¡V ¡ Complex ¡II ¡ Complex ¡IV ¡ Complex ¡III ¡ Mitochondria ¡ Nucleus ¡ Varia=ons ¡ h/p://blog.openhelix.com/wp-­‑content/uploads/2008/11/nhgri_cnv_cyndy_post2.jpg ¡ h/p://spi/oon.23andme.com/wp-­‑content/uploads/2009/09/prostatemen.jpg ¡

Genotype-­‑Phenotype ¡correla=on ¡in ¡mitochondrial ¡diseases ¡ Mitochondrial ¡dysfunc=on ¡has ¡pleiotropic ¡effects ¡leading ¡to ¡disease ¡ phenotypes ¡with ¡over-­‑lapping ¡symptoms ¡ ¡ ¡ More ¡than ¡250 ¡mtDNA ¡point ¡muta=ons ¡and ¡dele=ons ¡have ¡been ¡linked ¡ to ¡Human ¡Mitochondrial ¡disorders ¡& ¡over ¡3000 ¡varia=ons ¡have ¡ reported ¡for ¡the ¡16kb ¡genome ¡ ¡ ¡ Establishing ¡pathogenicity ¡of ¡a ¡sequence ¡change ¡in ¡mtDNA ¡is ¡a ¡major ¡ difficulty ¡despite ¡many ¡a`empts ¡made ¡in ¡this ¡direc=on ¡(for ¡example ¡– ¡ pathogenicity ¡criteria ¡developed ¡by ¡DiMauro ¡and ¡Schon ¡2001; ¡Turnbull ¡ 2004 ¡& ¡2006) ¡ ¡

Combined ¡evidence ¡based ¡approach ¡for ¡assessing ¡ cumula=ve ¡impact ¡of ¡mtDNA ¡varia=ons ¡ ¡ DATA ¡PROCESSING ¡ Parameters ¡ Priori=zed ¡varia=ons ¡ Reported ¡ ¡ • Varia=on ¡scores ¡ ¡ in ¡literature ¡ 1 ¡ • Pa=ent ¡scores ¡ Differ ¡in ¡frequency ¡ 2 ¡ (cases ¡and ¡controls) ¡ • Threshold ¡Score ¡ 3 ¡ 10 ¡ ¡1 ¡ Regulatory ¡sites ¡ • Accuracy ¡of ¡predic=on ¡ 4 ¡ Computa=onal ¡ Predic=ons ¡ Rare ¡variants ¡are ¡disease ¡associated ¡ BMC ¡Bioinforma=cs. ¡2009 ¡Aug ¡27;10 ¡Suppl ¡8:S7. ¡ MtSNPscore: ¡a ¡combined ¡evidence ¡approach ¡for ¡assessing ¡cumula=ve ¡impact ¡of ¡mitochondrial ¡varia=ons ¡in ¡disease. ¡ Bhardwaj ¡A, ¡Mukerji ¡M, ¡Sharma ¡S, ¡Paul ¡J, ¡Gokhale ¡CS, ¡Srivastava ¡AK, ¡Tiwari ¡S ¡ Collaborator: ¡Dr. ¡Mitali ¡Mukerji ¡ ¡ ¡ ¡ ¡CSIR-­‑IGIB ¡

Combined ¡evidence ¡approach ¡for ¡assessing ¡cumula=ve ¡ impact ¡of ¡varia=ons ¡ ¡ Reported ¡ Predicted ¡ Score ¡ Score ¡ Only ¡one ¡published ¡report ¡ Protein ¡coding ¡gene ¡ SIFT ¡-­‑ ¡Intolerant ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ Supported ¡by ¡cybrid/func=onal ¡assay ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡6 ¡ SIFT ¡-­‑ ¡Intolerant ¡Low ¡Confidence ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2 ¡ Observed ¡in ¡par=cular ¡background ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡ PolyPhen ¡-­‑ ¡Probably ¡damaging ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ PolyPhen ¡-­‑ ¡Possible ¡damaging ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡ PLHOST ¡-­‑ ¡Invariant ¡base ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡6 ¡ Reported ¡by ¡>1 ¡ ¡independent ¡groups ¡ Start/stop ¡codons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡10 ¡ Varia=on ¡in ¡the ¡HRE ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡8 ¡ Supported ¡by ¡a ¡cybrid/ ¡func=onal ¡assay ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡8 ¡ Observed ¡in ¡par=cular ¡background ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡6 ¡ tRNA ¡genes ¡ ¡ Predicted ¡deleterious ¡by ¡EBCA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡6 ¡ Varia=on ¡in ¡the ¡mTERF ¡(3243G) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡8 ¡ Only ¡associa=on ¡studies ¡no ¡experimental ¡ ¡ Varia=on ¡in ¡the ¡mTERF ¡(3237-­‑3240) ¡7 ¡ ¡valida=on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡6 ¡ Varia=on ¡in ¡the ¡mTERF ¡(3237-­‑3249) ¡6 ¡ Observed ¡in ¡par=cular ¡background ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡ ¡ ¡ rRNA ¡genes ¡ Varia=on ¡in ¡the ¡HRE ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡8 ¡ tRNA ¡ Other ¡regulatory ¡regions ¡ Light ¡Strand ¡Promoter ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡10 ¡ ¡ mtDNA ¡ mRNA ¡ Protein ¡ Heavy ¡Strand ¡Promoter ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡8 ¡ Transcrip=on ¡ Transla=on ¡ rRNA ¡ 10 ¡ Scoring ¡Scale ¡ 1 ¡ Bhardwaj ¡ et ¡al ¡BMC ¡Bioinforma=cs ¡2009 ¡

Case ¡study ¡with ¡Ataxia ¡and ¡mtSNP ¡data ¡ Ataxia ¡Data ¡– ¡ ¡ -­‑ ¡Pa=ents ¡from ¡Northern ¡India ¡(Age ¡of ¡Onset ¡from ¡1 ¡to ¡74 ¡years) ¡ -­‑ ¡Clinically ¡diagnosed ¡for ¡neurological ¡symptoms ¡in ¡legs, ¡arms, ¡tremor, ¡etc ¡ -­‑ ¡Involvement ¡of ¡trinucleo=de ¡repeats ¡expansion ¡in ¡all ¡the ¡known ¡ataxia ¡ ¡ ¡ ¡ ¡genes ¡was ¡excluded ¡in ¡all ¡these ¡samples ¡ mtSNP ¡Data– ¡ ¡ Complete ¡mitochondrial ¡genome ¡ Metabolic ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Neurodegenera=ve ¡ sequences ¡of ¡Japanese ¡individuals ¡ 1. ¡Parkinson's ¡disease ¡(PD) ¡ belonging ¡to ¡6 ¡different ¡groups, ¡ 2. ¡Alzheimer's ¡disease ¡(AD) ¡ 3. ¡young ¡obese ¡males ¡(OB) ¡ with ¡96 ¡individuals ¡in ¡each ¡group ¡ 4. ¡young ¡non-­‑obese ¡males ¡(TH) ¡ 5. ¡type-­‑2 ¡diabetes ¡pa=ents ¡with ¡severe ¡vascular ¡involvement ¡(T2DA) ¡ 6. ¡type-­‑2 ¡diabetes ¡pa=ents ¡without ¡severe ¡vascular ¡involvement ¡(T2D) ¡

Frequency ¡difference ¡is ¡not ¡sufficient ¡to ¡priori=ze ¡disease ¡ associated ¡varia=ons ¡ Summary of selected variations compared to all SNPs with and without frequency difference 600 Number of unique variations 500 400 300 200 100 0 AT AD PD OB TH T2D T2DA Datasets ¡ ¡ ¡Almost ¡50% ¡of ¡the ¡total ¡varia=on ¡in ¡all ¡the ¡ ¡ All unique variation ¡ ¡ ¡datasets ¡differ ¡in ¡frequency ¡between ¡normal ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Variations with frequency difference Prioritized variations ¡ ¡ ¡individuals ¡and ¡pa=ents ¡ * ¡When ¡the ¡func=onal ¡impact ¡of ¡each ¡varia=on ¡was ¡assessed ¡only ¡3-­‑4% ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡of ¡the ¡total ¡varia=ons ¡were ¡priori=zed ¡ * ¡Our ¡method ¡predicted ¡84 ¡novel ¡puta=ve ¡disease ¡associated ¡varia=ons ¡ * ¡It ¡is ¡observed ¡that ¡rare ¡variants ¡are ¡the ¡high-­‑scoring ¡varia=ons ¡ ¡