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Méthodes connues pour modifier la structure génétique des 13 loci utilisés dans CODIS


Après avoir lu la réponse à Notre ADN change-t-il au cours de nos vies ?, je me demandais si et comment il serait possible de changer la structure des 13 loci qui sont utilisés dans la base de données CODIS, de telle sorte que la biométrie médico-légale ne soit pas pouvoir plus vous identifier/vérifier.

J'ai lu sur les chimères d'ADN, et il existe des cas où une greffe de moelle osseuse a modifié l'ADN, en fonction de l'échantillon qui a été prélevé. Cependant, existe-t-il d'autres moyens connus de modifier l'ADN, tels que le cancer, les radiations, etc.


L'avènement de l'identification par empreintes génétiques a révolutionné la science de la détection du crime (1&# x020133). Cette technique, lorsqu'elle est exécutée selon des directives strictes, est très fiable pour condamner les criminels et, tout aussi important, aide à disculper des individus innocents (4). Cette brève revue discutera de l'histoire et du développement du profilage ADN médico-légal et du rôle de la base de données ADN dans les enquêtes médico-légales.

Acide désoxyribonucléique (ADN)

L'ADN est un acronyme qui signifie acide désoxyribonucléique. Chaque cellule dans le corps d'un individu, à l'exception des globules rouges et des ovules ou du sperme, contient le plein programme génétique pour cet individu dans son ADN. Le programme est codé par quatre composés chimiques appelés, socles, ou sous-unités - Guanine, Cytosine, Adénine et Thymine (généralement abrégées en G, C, A et T), qui sont arrangées en séquences extrêmement longues. Des groupes de trois bases (appelés codons) code pour les 20 acides aminés, les éléments de base de la vie. Les acides aminés sont à leur tour liés entre eux pour former des protéines. Il y a aussi codons d'arrêt signalant la fin de la séquence d'acides aminés. Bien que le code soit bien compris, les biologistes sont encore loin de comprendre comment le code est exprimé par exemple, bien que chaque cellule d'un individu contienne une information génétique identique, la façon dont l'information est exprimée dans une cellule hépatique est très différente de la façon dont il est exprimé dans une cellule du cerveau.

Le génome humain qui se compose d'environ 3 milliards de paires de bases recèle des informations génétiquement pertinentes qui sont essentielles pour la caractérisation de chaque individu. On pense que les informations génétiquement pertinentes représentent moins de 10 % du génome humain. Cette partie mineure de l'ADN codant pour les gènes a été soumise à des pressions évolutives et à des mécanismes de sélection assurant le développement d'organismes organisés supérieurs. Les 90 % restants du génome sont déchet L'ADN, un terme plus abusif puisque leurs fonctions sont encore inconnues plutôt qu'inutiles. Une partie de ce non codant L'ADN est composé de séquences répétitives. Très polymorphe les taches dans ces régions non codantes sont appelées mini- ou micro-satellites caractérisé par des blocs répétés d'ADN. Les satellites à locus unique sont localisés à un site spécifique d'un chromosome humain donné, tandis que les éléments satellites à locus multiples ou courtes répétitions en tandem (STR) sont répartis dans tout le génome.

Il existe un niveau important de diversité au sein du génome. Au cours de l'évolution, le processus de sélection implique des mutations non dirigées, qui peuvent être maintenues lorsque la génération d'une capacité neutre ou améliorée est réussie alors que les mutations négatives sont normalement perdues. Les régions non codantes du génome humain ne sont pas régulées par ces règles de sélection et de maintien tant qu'elles n'affectent pas les capacités de survie de l'individu. C'est la raison de l'accumulation de mutations conduisant à la génération de diversité génétique au sein de l'ADN génomique non codant. Les exceptions sont les polymorphismes dans les régions codant pour les gènes, qui révèlent une stabilité génétique élevée combinée à une fréquence de mutation très faible.

Méthode des polymorphismes de longueur des fragments de restriction (RFLP) de profilage de l'ADN

Polymorphismes de longueur de fragment de restriction (RFLP) est une technique dans laquelle l'ADN génomique est traité avec un ou plusieurs les enzymes de restriction qui coupent l'ADN chaque fois qu'une certaine séquence spécifique de bases se produit (chaque enzyme de restriction coupera de manière unique site de restriction) générant ainsi un certain nombre de fragments d'ADN de longueurs variables. Chez certains individus, des changements aléatoires dans l'ADN entraîneront la perte d'un ou plusieurs sites ou pourraient autrement entraîner une variation entre les individus dans ces longueurs de fragments. Si l'ADN est placé sur un gel et qu'un champ électrique est appliqué, les fragments de tailles différentes se déplaceront à des distances variables à travers le gel. L'ADN peut ensuite être rendu visible par diverses méthodes, produisant un motif de bandes, parfois décrit comme similaire à un code à barres de supermarché (5). Il est relativement facile de déterminer que deux échantillons sont différents, si l'un a une bande qui manque à l'autre, mais il est beaucoup plus difficile de déterminer, sur la base de motifs de bandes identiques, que deux échantillons doivent provenir du même individu.

Nombre variable de séquences répétées en tandem (VNTR)

Les segments du génome humain consistent en de courtes séquences d'ADN qui se répètent en tandem. Le nombre de blocs de ces courtes séquences répète dans un locus donné est très variable entre des individus non apparentés. Ces séquences répétées sont appelées nombre variable de séquences répétées en tandem (VNTR). Les VNTR sont largement caractérisés en mini- et micro-satellites en fonction de la taille des blocs répétés. Dans les micro-satellites, l'unité de répétition de séquence se compose de 2 à 9 paires de bases, tandis que les mini-satellites se composent de 9 à 100 paires de bases. Les micro-satellites ou STR sont généralement plus pratiques à utiliser pour l'individualisation (voir ci-dessous). La méthode RFLP d'empreintes génétiques telle que décrite ci-dessus a donc été remplacée par le typage STR beaucoup plus simple qui est couplé à la technique extrêmement sensible de réaction en chaîne par polymérase (PCR) (6𠄸).

Réaction en chaîne par polymérase (PCR)

L'extraction de l'ADN des cellules est un processus relativement simple. Cependant, l'ADN est fréquemment rapidement dégradé une fois qu'il n'est plus dans un organisme vivant. Une avancée spectaculaire a été la découverte de la PCR, qui permet une amplification potentiellement illimitée d'infimes traces d'ADN, telles que celles qui peuvent être trouvées dans de petits échantillons d'os ou de peau secs ou qui sont contenues dans des traces de fluides corporels. Une conséquence inévitable de ce potentiel d'amplification massif est sa sensibilité à la contamination, en particulier si le même laboratoire médico-légal et les mêmes techniciens manipulent des échantillons provenant à la fois du suspect et de la scène du crime. On peut se faire une idée de l'étendue potentielle de ce problème du fait que les techniciens amplifient fréquemment leur propre ADN. Ainsi, des directives strictes doivent être respectées lors de l'utilisation de cette méthode. La PCR est actuellement utilisée pour le typage STR.

Saisie répétée en tandem courte (STR)

Les STR sont hautement polymorphes et les allèles des locus STR sont différenciés par le nombre de copies de la séquence répétée dans chacun des locus STR. Plus il y a de loci STR utilisés pour le typage, plus la valeur de discrimination est élevée car la probabilité qu'un seul individu ait un profil STR identique, qui possède exactement le même nombre d'unités répétées pour tous les STR analysés, avec un autre individu pris au hasard dans la population devient extrêmement rare.

Les STR choisies et validées pour la saisie à des fins d'identification personnelle contiennent tétranucléotide répétitions comprenant des allèles de taille discrète. Des kits de multiplexage STR commercialement robustes et validés sont disponibles. Les kits comprennent également une échelle allélique pour chaque locus STR, qui intègre tous les allèles du locus STR connus à ce jour. Cela aide à l'attribution précise de chaque allèle et également à l'attribution du numéro d'allèle.

Les allèles microsatellites pour un locus particulier sont codominante. Chez un individu donné, il y a 2 allèles qui sont hérités dans un mendélienne mode. Cela signifie qu'un individu reçoit un allèle de la mère et l'autre allèle du père. Les deux allèles sont soit hétérozygote - les allèles sont différents ou, homozygote - les deux allèles sont du même type. Dans le cas d'une situation hétérozygote, l'individu présente deux bandes indiquant les deux allèles différents, et, dans une situation homozygote, l'individu ne présente qu'une seule bande puisque les deux allèles sont de même type et se superposent.

L'exemple suivant de typage STR est d'expliquer le principe ci-dessus. Disons que dans un cas donné de litige de paternité, le père présumé, la mère et l'enfant sont testés pour le locus STR vWA. Le gène du facteur von Willebrand du locus vWA contient 8 allèles dans la population et les allèles sont numérotés de 13 à 20. Bien que 8 allèles soient présents dans la population pour ce locus STR, seuls deux allèles peuvent être trouvés chez un individu. Un résultat de typage de locus STR vWA hypothétique est le suivant : Père présumé – [13,15] Enfant – [14,15] Mère – [14,14]

Dans ce cas-exemple, l'enfant a reçu un allèle [15] du père présumé hétérozygote [13, 15] et l'autre allèle [14] de la mère homozygote [14, 14] ( Figure 1 ). Il est évident que les bandes indiquant les allèles hérités par l'enfant apparaissent dans les positions exactes correspondant à l'échelle allélique et, il n'y a aucune ambiguïté dans le numéro d'allèle indiqué par les bandes des échelles. Ainsi, sur la base de ce typage STR, le père présumé ne peut être exclu comme étant le père biologique. Cependant, comme mentionné ci-dessus, plus le nombre de DOS utilisées pour la saisie est élevé, plus cette méthode sera discriminatoire pour l'identification personnelle. À l'heure actuelle, 15 STR sont utilisés pour la saisie, offrant un niveau de discrimination allant de 1 sur 30 à plusieurs centaines de milliards ! Cela signifie qu'en l'absence de jumeaux identiques, la probabilité de trouver un profil ADN correspondant à un individu dans une population aléatoire est, par exemple, de 1 sur 30 milliards !

Représentation schématique d'un cas hypothétique de conflit de paternité montrant le résultat du typage du locus STR vWA du père présumé, de l'enfant et de la mère avec des échelles alléliques adjacentes aux échantillons de test. Notez que l'attribution du numéro allélique commence par le bas et monte d'un incrément d'unité vers le haut. La lecture du profil est facile et sans ambiguïté - Père présumé – [13,15] Enfant – [14,15] Mère – [14,14]. Le père présumé ne peut être exclu comme étant le père biologique.

Sciences médico-légales et preuves ADN

Les empreintes génétiques ont été utilisées pour la première fois en médecine légale en 1986 lorsque la police du Royaume-Uni a demandé au Dr Alec J. Jeffreys, de l'Université de Leicester, de vérifier un suspect&# x02019s aveu qu'il était responsable de deux viols-meurtres. Les tests ont prouvé que le suspect n'avait pas commis les crimes.

La première personne à être condamnée sur la base de preuves ADN au Royaume-Uni était Robert Melias en 1987 (9,10). La même année aux États-Unis, Tommy Lee Andrews a été condamné dans une affaire de viol sur la base de preuves ADN (9), dans laquelle son profil ADN était comparé à celui des traces de sperme récupérées sur la victime. Deux autres premières affaires importantes ont donné une grande impulsion à l'utilisation de preuves ADN : il s'agit de l'affaire Glen Dale Woodal contre l'État de Virginie-Occidentale en 1992 et le procès pour meurtres multiples de Timothy Wilson Spencer contre l'État de Virginie en 1994. Les preuves ADN dans l'affaire Woodal l'ont exonéré tandis que celle de l'affaire Spencer a abouti à sa condamnation et à sa condamnation à la peine de mort.

L'admissibilité des preuves ADN a été sérieusement contestée pour la première fois dans une affaire devant la Cour suprême de New York en 1989. Jose Castro a été accusé du meurtre d'une Vimla Pence et de sa fille de deux ans. Bien qu'une tache de sang sur la montre de Castro ait été associée à la victime, cette preuve en soi n'a pas contribué à sa condamnation. Il a été condamné après avoir reconnu le crime. Dans ce cas, les tests ADN effectués par Life Code Corporation n'incluaient pas de test spécifique pour le sang humain et n'incluaient pas non plus de protocoles de test à l'aveugle pour tenter de lier la tache aux victimes. De plus, le laboratoire dans le cas ci-dessus avait utilisé des sondes contaminées et n'avait pas fourni les feuilles de travail et autres manuscrits relatifs aux tests. C'est pourquoi le tribunal a publié de nombreuses directives concernant les procédures de test et la maintenance des résultats et des rapports de laboratoire, ainsi que des explications sur les calculs de probabilité et l'enregistrement des défauts observés ou des erreurs de laboratoire. La nécessité d'identifier et de documenter la chaîne de contrôle et de permettre l'accès aux données, à la méthodologie et aux résultats réels pour qu'un expert indépendant puisse les examiner a également été instruite.

Dans une autre affaire en 1989, la Cour suprême du Minnesota avait également refusé d'admettre les preuves ADN analysées par un laboratoire médico-légal privé. Le tribunal a noté que le laboratoire ne s'était pas conformé aux normes et aux contrôles appropriés. En particulier, le tribunal a reproché au laboratoire de ne pas avoir révélé ses données démographiques et ses méthodes de test sous-jacentes. Un tel secret empêchait la réplication du test.

Ainsi, les tribunaux ont dénoncé l'application abusive des techniques scientifiques de l'ADN à des cas particuliers, notamment lorsqu'elles sont utilisées pour déclarer allumettes sur la base d'estimations de fréquence. Cependant, les tests ADN, lorsqu'ils sont correctement appliqués, sont généralement acceptés comme admissibles et actuellement dans de nombreux pays, les preuves ADN sont couramment utilisées comme preuves. Comme indiqué dans le rapport de 1996 du National Research Council (NRC) des États-Unis (10) sur les preuves ADN, “L'état de la technologie de profilage et les méthodes d'estimation des fréquences et des statistiques connexes ont progressé au point où l'admissibilité des données ADN correctement collectées et analysées ne devrait pas être mise en doute”(11,12,13).

Données démographiques

Actuellement, le temps et les dépenses limitent l'examen du génome entier d'un individu, ce qui montrerait une identité unique. Étant donné que le typage ADN n'est qu'un examen de la séquence et/ou de la longueur d'un échantillon d'ADN à des emplacements discrets, une correspondance dans le typage ADN est toujours un exercice statistique. Afin de déterminer la probabilité qu'un génotype particulier puisse apparaître au hasard dans une population, les données de population doivent être compilées pour faire une estimation de la fréquence de chaque allèle et génotype possibles. Habituellement, une taille d'échantillon supérieure à 100 est suffisante pour faire des projections fiables sur la fréquence d'un génotype dans une population plus large (14)

Les bases de données démographiques sont compilées en fonction des groupes ethniques ou raciaux. Les subdivisions de population ne sont pas prises en compte dans la distribution des allèles. Ceci peut être illustré par l'exemple suivant. Supposons que le profil ADN soit basé sur six loci ou gènes distincts, et que le suspect possède des allèles ou des versions de ceux-ci qui sont présents respectivement dans 8 %, 1 %, 5 %, 10 %, 10 % et 2 % du total. population. Ensuite, la chance qu'un membre aléatoire de la population ait les 6 de ces allèles particuliers est de 0,08 × 0,01 × 0,05 × 0,1 × 0,1× 0,02 = 0,000000008, soit 8 sur 1 milliard.

Le calcul ci-dessus est valable lorsqu'il n'y a pas d'associations entre les allèles et qu'ils sont distribués de manière aléatoire dans toute la population. En fait, il existe de nombreux sous-groupes de population dans un groupe ethnique. Quelques généticiens ont proposé que les fréquences des marqueurs génétiques pourraient différer considérablement des fréquences estimées dans des groupes plus importants. Par conséquent, toute estimation calculée peut varier considérablement. Un autre groupe de généticiens a soutenu que bien que des sous-groupes de population existent, la méthode actuellement utilisée à l'époque était si conservatrice qu'elle pouvait compenser les petites variations des sous-groupes. Ainsi, en 1992, le NRC a proposé un compromis en recommandant le soi-disant «principe du plafond» pour effectuer des ajustements pour les subdivisions de la population. En outre, le rapport du NRC (1992) a approuvé l'utilisation de l'ADN dans les tribunaux, a insisté pour la normalisation des tests d'aptitude et l'accréditation. Bien qu'il y ait eu de nombreuses recommandations dans le rapport du NRC de 1992, les laboratoires de sciences judiciaires (FSL) n'ont pas mis en œuvre le programme. La principale raison de cette réticence était l'avènement d'une nouvelle méthode de typage de l'ADN (à savoir, le typage STR), qui a rendu inutile la plupart des recommandations proposées dans le premier rapport du CNRC. C'est ainsi qu'un deuxième comité du CNRC a été convoqué en 1996.

Ce deuxième rapport du NRC (1996) approuvait les méthodes de typage de l'ADN et d'interprétation statistique, alors utilisées aux États-Unis. Le rapport déclarait catégoriquement que la technologie de l'ADN et les méthodes utilisées pour l'estimation des fréquences des gènes et les statistiques connexes ne devraient pas être mises en doute si elles sont correctement collectées. Le rapport du NRC de 1996 abordait la question de l'unicité du typage de l'ADN et indiquait que l'unicité (à l'exclusion des jumeaux identiques) ne peut être déterminée que si tous les membres de la population sont typés. Le rapport a en outre préconisé que, cependant, si un grand nombre de loci est tapé, le profil ADN obtenu à partir de la preuve peut être si rare qu'il est très probable qu'un suspect avec un profil correspondant soit la source de cette preuve.

Le rapport indiquait en outre que pour garantir un degré élevé de confiance concernant la source d'ADN, une valeur de probabilité seuil (p) doit être établie. Sur cette suggestion proposée, une approche a été développée au FBI pour déterminer une valeur seuil pour les examens du profil ADN. La démarche en bref est la suivante :

Un individu (à l'exclusion des jumeaux identiques) peut être identifié comme la source du profil ADN de preuve avec un degré de certitude raisonnable si le profil ADN satisfait à la condition :

où a = 0,01 représentant un niveau de confiance de 99 % et N = taille de l'ensemble de la population

Ces recommandations de 1996 du CNRC sont actuellement utilisées pour la compilation de bases de données génétiques.

Programme de système d'index ADN combiné (CODIS) du Federal Bureau of Investigation (FBI)

L'affaire derrière le CODIS (20)

En 1989, une Mme Debbie Smith a été enlevée à son domicile et a été violée dans les bois derrière sa maison. La police a arrêté un suspect et les tests sérologiques conventionnels ont exclu le suspect. Cependant, les preuves physiques de la victime ont été conservées.

En 1994, de nombreuses agressions sexuelles et viols ont été signalés dans le voisinage où vivait Debbie Smith. La police a arrêté un suspect et utilisé la technologie de l'ADN pour enquêter sur le crime. Le profil ADN des preuves matérielles récupérées des victimes ainsi que ceux de l'affaire Debbie Smith&# x02019s ont été comparés au profil du suspect&# x02019s. Le suspect a cependant été exclu.

Cependant, la police a commencé à conserver et à documenter régulièrement les profils ADN des cas non résolus et à compiler des bases de données ADN des criminels impliqués dans des crimes violents. La police avait périodiquement recherché les profils d'ADN dans les cas non résolus avec les profils des délinquants condamnés. Debbie Smith&# x02019s violeur a finalement été identifié à partir d'un match contre cette banque de données. Le criminel, Norman Jimmerman, était déjà en prison pour enlèvement et vol et il purge actuellement une peine de 161 ans.

Le concept CODIS

Le Combined DNA Index System (CODIS) associe les technologies informatiques et ADN en un outil efficace pour comparer les profils ADN. La version actuelle de CODIS utilise deux indices pour générer des pistes d'enquête dans les crimes où des preuves biologiques sont récupérées sur les lieux du crime. Le fichier des condamnés contient les profils génétiques des personnes reconnues coupables de crimes violents, y compris d'infractions sexuelles. L'index médico-légal contient des profils d'ADN élaborés à partir de preuves sur les scènes de crime. CODIS utilise un logiciel informatique pour rechercher automatiquement dans ces indices des profils ADN correspondants.

Les profils stockés dans CODIS contiennent un identifiant d'échantillon, l'identifiant du laboratoire parrain, les initiales (ou le nom) du personnel ADN associé à l'analyse et les caractéristiques réelles de l'ADN. CODIS ne stocke pas les informations sur les antécédents criminels, les informations relatives aux cas, les numéros de sécurité sociale ou les dates de naissance. Les correspondances faites entre les profils de l'index médico-légal peuvent relier les scènes de crime et identifier éventuellement des délinquants en série. Sur la base d'une correspondance, la police peut coordonner des enquêtes distinctes et partager des pistes développées indépendamment. Les correspondances faites entre les indices médico-légaux et condamnés fournissent en fin de compte aux enquêteurs l'identité du ou des suspects. CODIS prend également en charge un fichier de population. Le fichier de population est une base de données de profils ADN anonymes utilisée pour déterminer la signification statistique d'une correspondance.

CODIS est conçu pour que les laboratoires médico-légaux aient le contrôle de leurs propres données. Le système comporte trois niveaux (ou niveaux) : local, étatique et national. Les indices de la médecine légale et des condamnés et le fichier de population peuvent exister à chaque niveau. En règle générale, le système local d'index ADN, ou LDIS, est installé dans les laboratoires de la criminalité exploités par les services de police ou les services de police d'État. Au niveau local, les examinateurs d'ADN utilisent le logiciel CODIS sur le banc lors du dimensionnement des autoradiogrammes. Après le dimensionnement, les examinateurs transfèrent les profils de sujets inconnus dans l'index médico-légal local, où ils sont recherchés par rapport à d'autres profils de sujets inconnus. Le gardien de la base de données locale peut partager ces données avec d'autres laboratoires CODIS au sein de l'État en les transmettant au niveau de l'État.

Chaque État participant au programme CODIS dispose d'un seul State DNA Index System (SDIS). Le SDIS est généralement géré par l'agence responsable de la mise en œuvre du statut des condamnés de l'État. Au niveau de l'État, une recherche interlaboratoire a lieu. C'est-à-dire que les profils ADN soumis par différents laboratoires de l'État sont comparés les uns aux autres. Les profils médico-légaux élaborés dans les laboratoires locaux sont également recherchés par rapport à l'index des condamnés. Le dépositaire de l'État peut partager ces données avec le reste de la communauté CODIS en les transmettant au niveau national. Le National DNA Index System, ou NDIS, est géré par le FBI. Le NDIS fournit un mécanisme permettant aux laboratoires de criminalistique situés à travers les États-Unis de partager et d'échanger des profils ADN. La loi sur l'identification par l'ADN de 1994 a officialisé le pouvoir du FBI d'établir un index ADN national à des fins d'application de la loi. Aujourd'hui, CODIS est installé dans 42 laboratoires répartis dans vingt-deux États des États-Unis et du District de Columbia.

Le FBI mesure le succès du programme CODIS en comptant les crimes qu'il aide à résoudre. Le 𠇌old hit” (20), est défini comme un match qui fournit à la police une piste d'enquête qui n'aurait pas été développée autrement. Les deux cas suivants illustrent des hits CODIS typiques.

Cas 1:

St. Paul, Minnesota, novembre 1994 : Un homme portant un bas de nylon sur le visage et armé d'un couteau a sauté de derrière des buissons et a forcé une femme qui passait à côté à pratiquer une fellation. Le sperme récupéré de la jupe de la victime&# x02019s et de la salive a été analysé à l'aide de la technologie de l'ADN. Le profil résultant a été recherché dans la base de données CODIS du Minnesota. La recherche a identifié Terry Lee Anderson, qui a avoué et il est maintenant en prison.

Cas 2 :

Tallahassee Floride, février 1995 : le Florida Department of Law Enforcement a lié le sperme trouvé sur une Jane Doe - victime de viol et d'homicide à un délinquant condamné&# x02019s profil ADN. L'ADN du suspect a été collecté, analysé et stocké dans une base de données CODIS. Un match a été identifié plus tard comme étant celui d'un violeur condamné, il a été opportun qu'il a empêché la libération conditionnelle du délinquant prévue huit jours plus tard.

L'organisation et la structure de CODIS peuvent être un modèle pour l'établissement d'un tel système en Malaisie. Le parlement malais a récemment adopté une loi pour collecter et saisir l'ADN des délinquants condamnés, ouvrant ainsi la voie à la mise en œuvre d'un tel système.


MATÉRIAUX ET MÉTHODES

Matières végétales :

Des tissus d'aiguilles fraîches ont été prélevés sur 576 arbres représentant 29 populations naturelles. Tous les arbres échantillonnés se trouvaient dans des forêts nationales candidates à in situ programmes de conservation des gènes (figure 1, tableau 1). Les emplacements des populations échantillonnées couvraient la majeure partie de la distribution naturelle de C. japonica. Nous avons collecté de petites branches d'arbres individuels espacés d'au moins 50 m pour éviter d'échantillonner des individus apparentés. De plus, parce que C. japonica a été largement planté depuis 1945 au Japon, nous n'avons échantillonné que des arbres relativement grands et vieux qui étaient présumés être antérieurs aux programmes de plantation généralisés. Tous les individus ont été sauvés en transférant les boutures sur une planche de bouturage, et au printemps suivant, les semis résultants ont été transplantés dans une pépinière. Après la germination, nous avons collecté les pousses de chaque individu. Les tissus d'aiguille collectés ont été conservés à -30° avant l'extraction de l'ADN.

Répartition naturelle de C. japonica au Japon (zones ombrées de Hayashi 1960) et les emplacements des 29 populations naturelles étudiées dans la présente étude. La ligne pointillée indique le littoral il y a ∼18 000 ans. Les zones ombrées en gras ou à l'intérieur de fines lignes diagonales montrent des refuges (péninsule d'Izu, baie de Wakasa, île d'Oki et île de Yakushima) et des refuges probables, respectivement, à cette époque (T sukada 1986).


1. INTRODUCTION

L'incapacité d'évoluer en réponse à des conditions environnementales changeantes peut conduire à la disparition ou même à l'extinction (Orr et Unckless, 2008 ). Si la variation héréditaire nécessaire à l'adaptation aux changements environnementaux existe déjà sous la forme d'une variation génétique permanente, l'adaptation génétique peut se dérouler rapidement, du moins par rapport au temps qu'il faudrait aux populations pour s'adapter à partir de nouvelles mutations (Barrett & Schluter, 2008 Orr & Unckless , 2008 Thompson et al., 2019 ). De plus, lorsqu'elles sont exposées à des environnements nouveaux mais similaires, les populations dérivées de la même population ancestrale - portant donc le même pool d'allèles - peuvent souvent s'attendre à répondre à des pressions de sélection similaires d'une manière similaire, conduisant à une évolution phénotypique parallèle (Arendt & Reznick , 2007 Bolnick et al., 2018 Conte et al., 2015 Elmer & Meyer, 2011 Hermisson & Pennings, 2017 Schluter & Conte, 2009 Stern, 2013 ). Cependant, chez les espèces génétiquement hautement structurées, des allèles rares potentiellement avantageux peuvent être perdus en raison d'événements fondateurs et d'une dérive génétique aléatoire, empêchant ainsi l'adaptation. Alternativement, en raison de l'hétérogénéité de la distribution de la variation génétique permanente, l'adaptation à des pressions de sélection données pourrait plus probablement être acquise avec des allèles phylogénétiquement indépendants (plutôt que des allèles identiques par descendance) au même loci ou à des loci différents influençant le même trait, même si ils peuvent différer de manière significative dans leurs effets de fitness (Cohan, 1984 Merilä, 2013 , 2014 Rosenblum et al., 2014 ). Les interactions épistatiques et l'ordre dans lequel les allèles bénéfiques entrent et s'établissent dans une population jouent également un rôle important dans la détermination de l'architecture génétique du trait en question (Orr, 1998 ). Ainsi, l'histoire démographique des populations joue probablement un rôle central dans la détermination de la probabilité d'adaptation locale, et donc aussi d'évolution phénotypique parallèle.

Ces dernières années, l'épinoche à neuf épines (Pungitius pungitius) est devenu un système modèle pour l'étude de l'évolution adaptative dans la nature (Merilä, 2013 ) aux côtés de l'épinoche à trois épines plus largement étudiée (Gasterosteus aculeatus Bell et Foster, 1994 Gibson, 2005). Il a souvent été démontré que la capacité de cette dernière espèce à s'adapter rapidement aux conditions environnementales locales découle d'un pool mondial de variations génétiques ancestrales sur pied (Jones et al., 2012 Schluter & Conte, 2009 Terekhanova et al., 2014 Terekhanova et al., 2019). L'épinoche à neuf épines diffère de l'épinoche à trois épines en ce qu'elle a des tailles effectives de population plus petites (Ne), un flux génétique réduit dans la mer et une tendance à se produire dans de petits étangs enclavés, complètement isolés des autres populations (DeFaveri et al., 2012 Merilä, 2013 Shikano, Shimada, et al., 2010 cette étude). Compte tenu de leurs caractéristiques démographiques contrastées, on peut donc s'attendre à ce que les épinoches à trois et neuf épines réagissent différemment en ce qui concerne l'adaptation locale aux habitats d'eau douce nouvellement colonisés.

Une évolution régressive du complexe pelvien s'est produite dans des populations d'eau douce de trois (à savoir Gasterosteus, Pungitius et Culées) des cinq genres d'épinoches reconnus depuis la dernière période glaciaire (revue dans Klepaker et al., 2013 ). Alors que les populations marines d'épinoches à trois et neuf épines ont généralement des structures pelviennes complètes avec des ceintures pelviennes complètement développées et des épines pelviennes latérales, une réduction pelvienne partielle ou même complète est courante dans les populations d'eau douce (Blouw et Boyd, 1992 Herczeg et al., 2010 Klepaker et al., 2013 Shapiro et al., 2004 , 2006 ). Plusieurs facteurs peuvent contribuer à cela, notamment l'absence de poissons prédateurs limités par les ouvertures et la disponibilité limitée de calcium, ainsi que la présence de certains insectes prédateurs (Bell et al., 1993 Chan et al., 2010 Giles, 1983 Karhunen et al. , 2013 Reimchen, 1983 Reist, 1980 ) dans des environnements d'eau douce. Collectivement, les épinoches fournissent un système modèle important pour étudier les mécanismes génétiques qui sous-tendent la réduction pelvienne parallèle adaptative aux niveaux intra- et interspécifique, dans un large éventail de paramètres démographiques de la population. Cependant, les études sur les modèles parallèles de divergence marine-eau douce chez les épinoches à neuf épines sont encore rares (Herczeg et al., 2010 Shikano, Ramadevi, et al., 2010 Wang et al., 2020), en particulier au niveau génétique, excluant toute comparaison complète et concluante des deux espèces.

La base génétique de la réduction pelvienne chez l'épinoche à trois épines est bien comprise. Des études de cartographie de locus de traits quantitatifs (QTL) ont identifié une seule région chromosomique contenant le gène Facteur de transcription 1 de l'homéoboîte hypophysaire (Pitx1) qui explique plus des deux tiers de la variance de la taille du bassin dans les croisements entre les individus avec des ceintures et des épines pelviennes complètes, et les individus à taille pelvienne réduite (Coyle et al., 2007 Cresko et al., 2004 Shapiro et al., 2004 ). La perte pelvienne dans le système modèle d'épinoches à trois épines marines d'eau douce (ainsi que dans les paires benthiques-limnétiques d'épinoches à trois épines Peichel et al., 2001 ) est principalement causée par des changements d'expression de la Pitx1 gène dû à des délétions récurrentes de l'amplificateur pelvien (Pel) en amont de Pitx1 (Chan et al., 2010 Xie et al., 2019 chez les paires lac-ruisseau d'épinoches à trois épines, l'architecture génétique de la réduction pelvienne est plus diversifiée Peichel & Marques, 2017 Deagle et al., 2012 Stuart et al., 2017 Rennison et al., 2019). Alors que la réduction pelvienne en eau douce est beaucoup moins fréquente chez les épinoches à neuf que chez les épinoches à trois épines (Klepaker et al., 2013 Figure 1), deux études QTL indépendantes ont également identifié Pitx1 dans le groupe de liaison (LG) 7 comme cause majeure de réduction pelvienne chez une population canadienne (Shapiro et coll., 2006 ) et finlandaise (Shikano et coll., 2013 ). Une autre région à effet important dans LG4 s'est avérée être associée à une réduction pelvienne dans une population d'Alaska (Shapiro et al., 2009 ). Comme pour l'épinoche à trois épines, les tailles de l'épine pelvienne et de la ceinture pelvienne sont fortement corrélées dans la population de l'étang finlandais Rytilampi, comme Pitx1 controls both phenotypes (Shikano et al., 2013 Figure 1 Table S1). In contrast, a considerable amount of phenotypic variation with respect to these traits and their intercorrelations exists among different freshwater pond populations in northern Europe (Herczeg et al., 2010 Karhunen et al., 2013 , 2014 Figure 1). Given their high heritability (Blouw & Boyd, 1992 Leinonen et al., 2011 ), the lack of correlation between spine and girdle lengths suggests that they can be independently controlled by different QTL. Thus, the genetic underpinnings of pelvic reduction in nine-spined sticklebacks (when it occurs) appear to be more diversified than those in the marine–freshwater three-spined stickleback model system (Merilä, 2013 , 2014 ).

Starting with a survey of previously published phenotypic data on pelvic reduction in the wild, we aimed to investigate the possible genetic heterogeneity underlying pelvic reduction in different nine-spined stickleback populations by mapping QTL for pelvic reduction in three independently colonized ponds. One was the previously studied Rytilampi (earlier analysed only with microsatellites, Shikano et al., 2013 ), now re-analysed along with two new populations (Bynästjärnen and Pyöreälampi) using >75,000 single nucleotide polymorphisms (SNPs). These data were subjected to a cutting-edge mapping approach (Li et al., 2017 , 2018 ) that can provide more information on the source of the QTL effects than has been previously possible. To further assess the extent to which Pel could be responsible for pelvic reduction in the nine-spined stickleback, we screened the whole genomes of individuals from 27 wild populations for deletions in the genomic region spanning the Pel element and the Pitx1 gène. Finally, utilizing more comprehensive geographical sampling than in previous studies (DeFaveri et al., 2012 Merilä, 2013 Shikano, Shimada, et al., 2010 ), along with high-quality SNP data, we re-assessed the differences in population structuring and genetic isolation by distance (IBD) between nine- and three-spined sticklebacks. We hypothesized that, in contrast to three-spined sticklebacks, both the scarcity and the variability in the genetic architecture of pelvic reduction in nine-spined sticklebacks is due to heterogeneity in the spatial patterns of standing genetic variation caused by strong population structuring—both among adjacent pond populations as well as in the ancestral sea population(s). Building on previous theoretical work, this hypothesis was tested using simulated data parameterized on population demographic parameters obtained from the empirical data.


Chromosomes Genes And Dna Markers

There are approximately three billion base pairs in a single copy of the human genome. Obtaining a complete catalog of our genes was the focus of the Human Genome Project, which announced a final reference sequence for the human genome in April 2003 (D.N.A. Box 2.1). The information from the Human Genome Project will benefit medical science as well as forensic human identity testing and help us better understand our genetic makeup.

Within human cells, DNA found in the nucleus of the cell (nuclear DNA) is divided into chromosomes, which are dense packets of DNA and protection proteins called histones. The human genome consists of 22 matched pairs of autosomal chromosomes and two sex determining chromosomes (Figure 2.3). Thus, normal human cells contain 46 different chromosomes or 23 pairs of chromosomes. Males are designated XY because they contain a single copy of the X chromosome and a single copy of the Y chromosome while females

Molecular biology's equivalent to NASA's Apollo Space Program began in 1990 when a multi-billion, 15-year project was launched to decipher the DNA sequence contained inside a human cell. The Human Genome Project began under the leadership of James Watson, the scientist who with Francis Crick first determined the double-helix structure of DNA in 1953. With joint funding from the U.S. National Institutes of Health and the Department of Energy, efforts in the United States began with examining genetic and physical maps of human DNA and other model organisms such as yeast, Drosophila (fruit fly) and the mouse.

In 1992, Francis Collins took over the helm of the Human Genome Project. Amazingly over the years the project met or exceeded its milestones and stayed under budget. In 1999, a private sector enterprise named Celera under the leadership of Craig Venter challenged the public sector to a sequencing duel. The competition in large measure drove the Human Genome Project forward leading to the announcement of a draft sequence in June 2000, its publication in February 2001, and a 'final' sequence in April 2003.

The medical community will likely be the largest beneficiaries of the Human Genome Project as we come to better understand the genetic basis for various diseases. This information raises legal and ethical issues as scientists and policy makers struggle with genetic privacy concerns and intellectual property rights. Undertaking such an enormous project has accelerated technology development and will continue to aid in the understanding of our species. Now that a reference sequence is in place, efforts have turned to understanding normal variation that occurs among different individuals in the International Haplotype Mapping ('HapMap') Project.

D.N.A. Box 2.1 The Human Genome Project contain two copies of the X chromosomes and are designated XX. Most human identity testing is performed using markers on the autosomal chromosomes, and gender determination is done with markers on the sex chromosomes. As will be discussed in Chapters 9 and 10, the Y chromosome and mitochondrial DNA, a small, multi-copy genome located in cell's mitochondria, can also be used in human identification applications.

Chromosomes in all body (somatic) cells are in a diploid state they contain two sets of each chromosome. On the other hand, gametes (sperm or egg) are in a haploid state they have only a single set of chromosomes. When an egg cell and a sperm cell combine during conception, the resulting zygote becomes diploid again. Thus, one chromosome in each chromosomal pair is derived from each parent at the time of conception.

Mitosis is the process of nuclear division in somatic cells that produces daughter cells, which are genetically identical to each other and to the parent cell.

Figure 2.3 The human genome contained in every cell consists of 23 pairs of chromosomes and a small circular genome known as mitochondrial DNA. Chromosomes 1—22 are numbered according to their relative size and occur in single copy pairs within a cell's nucleus with one copy being inherited from one's mother and the other copy coming from one's father. Sex-chromosomes are either X,Y for males or X,X for females. Mitochondrial DNA is inherited only from one's mother and is located in the mitochondria with hundreds of copies per cell. Together the nuclear DNA material amounts to over three billion base pairs (bp) while mitochondrial DNA is only about 16 569 bp in length.

Meiosis is the process of cell division in sex cells or gametes. In meiosis, two consecutive cell divisions result in four rather than two daughter cells, each with a haploid set of chromosomes.

The DNA material in chromosomes is composed of 'coding' and 'non-coding' regions. The coding regions are known as genes and contain the information necessary for a cell to make proteins. A gene usually ranges from a few thousand to tens of thousands of base pairs in size. One of the big surprises to come out of the Human Genome Project is that humans have less than 30 000 protein-coding genes rather than the 50 000-100 000 previously thought.

Genes consist of exons (protein-coding portions) and introns (the intervening sequences). Genes only make up

5% of human genomic DNA. Non-protein coding regions of DNA make up the rest of our chromosomal material. Because these regions are not related directly to making proteins they are sometimes referred to as 'junk' DNA. Markers used for human identity testing are found in the non-coding regions either between genes or within genes (i.e., introns) and thus do not code for genetic variation.

Polymorphic (variable) markers that differ among individuals can be found throughout the non-coding regions of the human genome. The chromosomal

Human Genome 23 Pairs of Chromosomes + mtDNA

Autosomes 2 copies per cell

Nuclear DNA 3.2 billion bp

Located in mitochondria (multiple copies in cell cytoplasm)

100s of copies per cell position or location of a gene or a DNA marker in a non-coding region is commonly referred to as a locus (plural: loci). Thousands of loci have been characterized and mapped to particular regions of human chromosomes through the worldwide efforts of the Human Genome Project.

Pairs of chromosomes are described as homologous because they are the same size and contain the same genetic structure. A copy of each gene resides at the same position (locus) on each chromosome of the homologous pair. One chromosome in each pair is inherited from an individual's mother and the other from his or her father. The DNA sequence for each chromosome in the homologous pair may or may not be identical since mutations may have occurred over time.

The alternative possibilities for a gene or genetic locus are termed alleles. If the two alleles at a genetic locus on homologous chromosomes are different they are termed heterozygous and if the alleles are identical at a particular locus, they are termed homozygous. Detectable differences in alleles at corresponding loci are essential to human identity testing.

A genotype is a characterization of the alleles present at a genetic locus. If there are two alleles at a locus, A and a, then there are three possible genotypes: AA, Aa, and aa. The AA and aa genotypes are homozygous while the Aa genotype is heterozygous. A DNA profile is the combination of genotypes obtained for multiple loci. DNA typing or DNA profiling is the process of determining the genotype present at specific locations along the DNA molecule. Multiple loci are typically examined in human identity testing to reduce the possibility of a random match between unrelated individuals.


Conclusion

In this study, three methods of linkage analysis, association analysis, and transcriptome analysis were used to complement and verify each other. New genes for rice seedlings responding to abnormally high temperatures were explored, and the genes identified by two or more methods were selected as candidate genes. Finally, based on homologous analysis and known gene information, it was determined that eight candidate genes could be focused on in subsequent studies. These results provide a reference for rice heat-resistant gene cloning and molecular breeding.


Hands-on Activity DNA Profiling & CODIS: Who Robbed the Bank?

Les unités servent de guides pour un contenu ou un domaine particulier. Sous les unités se trouvent des leçons (en violet) et des activités pratiques (en bleu).

Notez que toutes les leçons et activités n'existeront pas dans une unité et qu'à la place, elles peuvent exister en tant que programme « autonome ».

  • Biomedical Engineering and the Human Body
    • Engineering Bones
      • Prosthetic Party: Build and Test Replacement Legs
      • Sticks and Stones Will Break That Bone!
      • Muscles, Oh My!
        • The Artificial Bicep
        • Measuring Our Muscles
        • Body Circulation
          • Clearing a Path to the Heart
          • Breathe In, Breathe Out
            • Polluted Air = Polluted Lungs
            • Digestion Simulation
              • Protect That Pill
              • My Mechanical Ear Can Hear!
                • Sounds All Around
                • Biomedical Devices for the Eyes
                  • Protect Those Eyes
                  • We've Come a Long Way, Baby!
                    • You're the Expert
                    • DNA: The Human Body Recipe
                      • DNA Profiling & CODIS: Who Robbed the Bank?
                      • DNA Build
                      • Bone Fractures and Engineering
                        • Repairing Broken Bones
                        • Living with Your Liver

                        Newsletter TE

                        Students examine DNA to determine who robbed the bank

                        Sommaire

                        Connexion d'ingénierie

                        Biomedical engineers who understand the science of genetics create tools, equipment and processes to accurately collect and examine DNA evidence for crime and paternity cases. These engineers also work with attorneys and in court systems to explain how DNA profiling works.

                        Objectifs d'apprentissage

                        After this activity, students should be able to:

                        • Describe the organization of DNA into repeating nucleotide base pair sequences
                        • Explain how DNA profiling is used to link people to crime and paternity cases.
                        • Describe the role of biomedical engineering in DNA profiling.

                        Normes éducatives

                        Chaque EnseignerIngénierie la leçon ou l'activité est corrélée à une ou plusieurs normes éducatives en sciences, technologie, ingénierie ou mathématiques (STEM) de la maternelle à la 12e année.

                        Toutes les 100 000+ normes K-12 STEM couvertes dans EnseignerIngénierie sont collectés, conservés et conditionnés par le Réseau des normes de réussite (ASN), un projet de D2L (www.achievementstandards.org).

                        A l'ASN, les normes sont hiérarchisées : d'abord par source par exemple., par état dans la source par type par exemple., sciences ou mathématiques au sein du type par sous-type, puis par année, etc.

                        NGSS : Normes scientifiques de nouvelle génération - Science
                        • Conduct an investigation to produce data to serve as the basis for evidence that meet the goals of an investigation. (Grades 6 - 8) More Details

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                        • Use mathematical representations to describe and/or support scientific conclusions and design solutions. (Grades 6 - 8) More Details

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                        • Advances in technology influence the progress of science and science has influenced advances in technology. (Grades 6 - 8) More Details

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                        Common Core State Standards - Math
                        • Understand that statistics can be used to gain information about a population by examining a sample of the population generalizations about a population from a sample are valid only if the sample is representative of that population. Understand that random sampling tends to produce representative samples and support valid inferences. (Grade 7) More Details

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                        Association internationale des éducateurs en technologie et en ingénierie - Technologie
                        • Students will develop an understanding of the relationships among technologies and the connections between technology and other fields of study. (Grades K - 12) More Details

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                        Normes de l'État
                        Colorado - Math

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                        Colorado - Sciences
                        • Use direct and indirect observations, evidence, and data to support claims about genetic reproduction and traits of individuals (Grade 8) More Details

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                        Materials List

                        Feuilles de travail et pièces jointes

                        Plus de programmes comme celui-ci

                        As a class, students work through an example showing how DNA provides the "recipe" for making human body proteins. They see how the pattern of nucleotide bases (adenine, thymine, guanine, cytosine) forms the double helix ladder shape of DNA, and serves as the code for the steps required to make gene.

                        Students reinforce their knowledge that DNA is the genetic material for all living things by modeling it using toothpicks and gumdrops that represent the four biochemicals (adenine, thiamine, guanine, and cytosine) that pair with each other in a specific pattern, making a double helix. Student teams.

                        Students learn about mutations to both DNA and chromosomes, and uncontrolled changes to the genetic code. They are introduced to small-scale mutations (substitutions, deletions and insertions) and large-scale mutations (deletion duplications, inversions, insertions, translocations and nondisjunction.

                        In a class discussion format, students are presented with background information about basic human genetics.The number of chromosomes in both body cells and egg and sperm cells is covered, as well as the concept of dominant and recessive alleles.

                        Connaissances préalables

                        Familiarity with DNA and its constituent nucleotide base pairs.

                        Présentation/Motivation

                        A robbery takes place at a bank. As the thief escapes the building, a security guard grabs one of the bank robber's gloves. The bank robber leaves the scene in a phone service van. The phone company identifies three employees who may have been in the vicinity of the bank at the time of the robbery. All employees deny robbing the bank. Can you think of some way, besides witness testimony, that the bank robber could be identified from among the three individuals?

                        DNA evidence is more reliable than fingerprints at identifying people.

                        DNA can identify people — even better than fingerprints. DNA is found in all of our cells: hair, teeth, bones, blood and skin. Though all humans share 99.9% of their genes, our DNA differs from everyone else's by three million nucleotide base pairs.

                        Our DNA is organized in 23 chromosomes in the nucleus in each of our cells. Regions in each chromosome contain what are called "junk DNA," which does not contain genes. But often, this junk DNA contains repeating nucleotide base pair sequences that can be used for matching purposes. (Show students Figure 1 or the same image in the attached CODIS Visual Aid.) In this example, you can see chromosome locations where the FBI looks for repeating sequences of DNA. They're called CODIS sites, which stands for the FBI's Combined DNA Index System.

                        Figure 1. The 23 human chromosomes and 13 chromosomal locations at which the FBI looks for repeating DNA sequences. For this activity, note the TPOX region on chromosome 2. (X and Y count as one chromosome pair. The AMELs are not CODIS sites.)

                        In our case, the police found a hair in the bank robber's glove. Remember that we have 23 pairs of chromosomes, each pair containing one chromosome from our father, the other from our mother. A DNA analysis shows that the hair in the robber's glove contains the following nucleotide base pair sequences in the TPOX region (show students Figure 2 or the same image in the attached CODIS Visual Aid).

                        Figure 2. TPOX region of chromosome 2 of hair found in bank robber's glove.

                        Note that the GAAT sequence is repeated twice in the father's side and three times in the mother's side (the sides of each chromosome are often not the same length). Equivalently, we could say that the CTTA sequence is repeated. Pourquoi donc? (G always pairs with C, and A always pairs with T).

                        So now let's compare the TPOX regions of the DNA found in the bank robber's glove with the TPOX regions of the DNA of two suspects. Note that we are just looking at the one side of the DNA with the GAAT repeating sequence. This simplifies the comparison. (Show students Figure 3 or the same image in the attached CODIS Visual Aid.)

                        Figure 3. Comparison of the TPOX region of Chromosome 2 of the unknown bank robber and two suspects.

                        Suspect 1 matches the GAATGAAT sequence of the hair found in the glove on one chromosome, but the other chromosome does not match. Both chromosomes doit match to show that the hair in the glove came from a specific suspect. Thus, from just one CODIS site we already know that the hair in the bank robber's glove cannot belong to suspect 1.

                        Suspect 2 matches the GAATGAAT sequence on one chromosome and the GAATGAATGAAT sequence on the other chromosome, so you can say that suspect 2 matches at the TPOX location. To confirm that the hair belongs to suspect 2, the other 12 chromosome locations (see Figure 1) must also match. If all 13 CODIS locations match, then the hair in the bank robber's glove belongs to suspect 2.

                        The random probability that one of your CODIS sites matches with someone else's is about one in 10 (1/10). Therefore, the probability of two CODIS sites matching is 1/10*1/10 = 1/100 (one in 100). The chance of three CODIS sites matching randomly is 1/10*1/10*1/10 = (1/10) 3 = 1/1000 (one in 1,000). The random chance that all 13 CODIS sites match is (1/10) 13 = one in 10,000,000,000,000. The chance of being struck by lightning in your lifetime is, roughly, one in 1,000,000. So you are 10 million times more likely to be struck by lightning than you are to have the same 13 CODIS sequences as another person. This is what makes DNA profiling so certain.

                        Engineers can be involved in many aspects of crime scene investigation. They might use their knowledge of CAD (computer-aided drawing) to create a reconstruction of the crime scene. First they might develop a model of the room, and then determine the path of bullets and analyze the blood splatter patterns to determine the position of victims and their killers at the time of the crime. Biomedical engineers create the tools, equipment and processes to accurately collect and examine DNA evidence for crime and paternity cases. Biomedical engineers also help investigators with the analysis of the gene sequencing for DNA profiling.

                        Procedure

                        In this activity, probability is used to determine which suspect is the most likely match. We are told that the likelihood of a random match between a CODIS site for one person and someone else is 1/10. Pourquoi donc? Each of the regions that we are considering here contains an allele, or, a version of a gene. Which allele you have at a particular site is determined by your parents' genetic data and meiosis, as well as any errors in replication. However, these alleles are not unique in a population you can have the same allele as someone else. Statisticians study populations to get an idea about the distribution of alleles (how many people have each kind of allele). In this way, statisticians can estimate a probability that any two people have the same allele. If the likelihood of a CODIS site match between two random people was much greater or much less than the 1/10 used in this activity, the number of matches we would need in order to be reasonably certain of the suspect's guilt would also change.

                        • Make copies of the Suspect CODIS Analysis Worksheet, one per team.
                        • Set the stage for the activity by conducting the Introduction/Motivation section.
                        1. Divide the class into pairs of students, and pass out a worksheet to each team.
                        2. Assist students as they complete their worksheets.
                        3. Have teams conclude by writing on their worksheets which suspect their DNA profiling implicates in the robbery.
                        4. Have the teams with the correct answer describe how they arrived at their conclusion. (Answer: Suspect 2 seems likely based on a match with four CODIS sites).
                        5. Have students calculate the likelihood that suspect 2, even though he matches four CODIS sites, is not the owner of the hair in the bank robber's glove. (Answer: (1/10) 4 = 1 in 10,000, not good enough – need more CODIS site data)
                        6. Have students act as biomedical engineers and analyze the results of the DNA profiling for the police investigators as described in the post-assessment activity.

                        Vocabulaire/Définitions

                        base pair: Two nucleotide bases that form a "rung of the DNA ladder." A DNA nucleotide is made of a molecule of sugar, a molecule of phosphoric acid, and a molecule called a base. The bases are the "letters" that spell out the genetic code. In DNA, the code letters are A, T, G and C, which stand for the chemicals adenine, thymine, guanine and cytosine, respectively. In base pairing, adenine always pairs with thymine, and guanine always pairs with cytosine.

                        biomedical engineer: A person who blends traditional engineering techniques with the biological sciences and medicine to improve the quality of human health and life. Biomedical engineers design artificial body parts, medical devices, diagnostic tools, and medical treatment methods.

                        chromosome: One of the threadlike "packages" of genes and other DNA in the nucleus of a cell. Different kinds of organisms have different numbers of chromosomes. Humans have 23 pairs of chromosomes, 46 in all: 44 autosomes plus two sex chromosomes. Each parent contributes one chromosome to each pair, so children receive half of their chromosomes from their mothers and half from their fathers.

                        CODIS: Acronym for the FBI's DNA identification system: Combined DNA Index System. See: http://www.fbi.gov/hq/lab/html/codis1.htm

                        CODIS sites: The 13 regions of the chromosomes at which the FBI CODIS looks for repeating DNA sequences for matching purposes.

                        DNA: Deoxyribonucleic acid contains the genetic instructions that control the biological development of our cells and the proteins the cells make. DNA codes the sequence of the amino acids in proteins using the genetic code, a triplet code of nucleotide bases.

                        DNA fingerprinting: A method for identifying individuals by the particular structure of their DNA. Because the structure of each person's DNA is different, just like our fingerprints, we can be identified from our DNA. This technique became known to the public as "DNA fingerprinting" because of its powerful ability to discriminate between unrelated individuals.

                        DNA profile: The result of determining the relative positions of DNA sequences at several locations on the molecule. Each person (except identical twins) has a unique DNA profile when used in the context of the CODIS database, which evaluates 13 specific DNA locations.

                        engineer: A person who applies his/her understanding of science and math to creating things for the benefit of humanity and our world.

                        gene: Segments of DNA that get translated into proteins.

                        junk DNA: Stretches of DNA that do not code for genes "most of the genome consists of junk DNA." Junk DNA contains repeating base pair sequences that can be used for matching purposes.

                        nucleotide bases: The parts of RNA and DNA involved in pairing they include cytosine, guanine, adenine, thymine (DNA) and uracil (RNA), abbreviated as C, G, A, T and U. They are usually simply called bases in genetics. Also called base pairs.

                        Évaluation

                        Discussion/Brainstorming: As a class, ask students if they can think of some way that a bank robber could be identified if no one saw who he or she was. Remind students that in brainstorming, no idea or suggestion is "silly." All ideas should be respectfully heard. Take an uncritical position, encourage wild ideas and discourage criticism of ideas. Brainstorming is how engineers come up with creative ideas. Have them raise their hands to respond. Record their ideas on the board.

                        Activity Embedded Assessment

                        Feuille de travail: Have students complete the activity worksheet review their answers to gauge their mastery of the subject.

                        Engineering Analysis: Have students act as biomedical engineers and analyze the results of the DNA profiling for the police investigators. Have each team state which suspect their DNA profiling implicates in the crime. How certain are their results? Next, have the students write a brief one-page report on their results that they might deliver to the police investigators. In this report, they should explain the outcomes of the DNA profiling, how they arrived at their results, and how they determined the certainty of their results.

                        Safety Issues

                        Troubleshooting Tips

                        If students have difficulty, work through the first CODIS site on the worksheet with them.

                        Sometimes it helps to cut out the robbery evidence CODIS data columns from the worksheet and hold them right next to the suspect data columns, making it easier to compare for matches of repeating base pair sequences.

                        Activity Extensions

                        Have students conduct the online, animated Catch a Criminal activity that includes a real-world 13 CODIS site analysis using three suspects. See the Koshland Science Museum's Putting DNA to Work website: https://koshland-science-museum.org/

                        With the popularity of the CSI television shows, students may have some understanding of forensic evidence. Along these lines, have students investigate the creative tools, equipment and processes used to accurately collect and examine DNA evidence for crime, paternity and ancestry investigations.


                        Forme

                        DNA is composed of a sugar-phosphate backbone and nitrogenous bases. In double-stranded DNA, the nitrogenous bases pair up. Adenine pairs with thymine (A-T) and guanine pairs with cytosine (G-C). The shape of DNA resembles that of a spiral staircase. In this double helical shape, the sides of the staircase are formed by strands of deoxyribose sugar and phosphate molecules. The stair steps are formed by the nitrogenous bases.

                        The twisted double helix shape of DNA helps to make this biological molecule more compact. DNA is further compressed into structures called chromatin so that it can fit within the nucleus. Chromatin is composed of DNA that is wrapped around small proteins known as histones. Histones help to organize DNA into structures called nucleosomes, which form chromatin fibers. Chromatin fibers are further coiled and condensed into chromosomes.


                        Researchers explore genetics of California mountain lions to inform future conservation

                        Mountain lion cubs walk through the Irvine Ranch Conservancy along the West Coast. Credit: Irvine Ranch Conservancy

                        Fragmentation of wildlife populations is increasing on a global scale, and understanding current genetic structure, genetic diversity and genetic connectivity is key to informing future wildlife management and conservation.

                        This is true of mountain lion—also known as pumas or cougars—populations in California, according to a new study conducted by a University of Wyoming research team.

                        "Large expanses of continuous habitat provide populations the opportunity to maintain large numbers of gene variants, called alleles. This is analogous to a deck of cards. If you have 40 cards, you are capable of harboring more types of cards than if you had 10," says Kyle Gustafson, an assistant professor of genetics in the Department of Biology and Environmental Health at Missouri Southern State University, but who started this work in Holly Ernest's Wildlife Genomics and Disease Ecology Lab at UW. "When populations get isolated, like many of the puma populations surrounded by urbanization, the only way for them to maintain a large number of alleles is through migration. Otherwise, natural selection and genetic drift will ultimately lead to genetic uniformity (fixation) and mating among related individuals (inbreeding)."

                        The new study, titled "Genetic Source-Sink Dynamics Among Naturally Structured and Anthropogenically Fragmented Puma Populations," was published Dec. 10 in Génétique de la conservation, a journal that promotes the conservation of biodiversity by providing a forum for data and ideas, aiding the further developments of this area of study. Contributions include work from the disciplines of population genetics, molecular ecology, molecular biology, evolutionary biology, systematics and forensics.

                        Gustafson is the paper's lead author. Ernest, a professor in the UW Program in Ecology and the Wyoming Excellence Chair in Disease Ecology, was the senior and corresponding author. Roderick Gagne, a former postdoctoral research associate in the UW Department of Veterinary Sciences, was a contributing author."This study took nearly two decades for my lab to complete and could only be accomplished through coordinated efforts with the California Department of Fish and Wildlife, multiple research institutions and several nonprofit organizations," Ernest explains.

                        The analyses revealed that mountain lions in California exhibited strong population genetic structure, and some California populations had extremely low levels of genetic diversity, with some exhibiting estimates as low as the endangered Florida panther, another common name for the puma. Nine genetic populations of pumas were identified in California and one population in Nevada.

                        A female mountain lion and her cubs retrieve cached food. Credit: Irvine Ranch Conservancy

                        During the study, 992 mountain lions across California and Nevada were genotyped at 42 microsatellite loci. Microsatellites are neutral gene mutations, meaning they don't code for a specific trait, so their mutations can accumulate without causing harm. Loci are different locations on chromosomes.

                        "If you could imagine each card in a standard deck of 52 cards as a unique mutation and, if you could imagine each mountain lion holding a card, then you could see how we could group certain mountain lions together," Gustafson explains. "For example, we could lump mountain lions together if they were holding red cards, face cards or a specific number. By keeping track of the many DNA mutations and, by using dozens of hypothetical decks of cards, we can identify shared mutations among the individuals and then identify genetic populations."

                        Gene flow is critically important to individual fitness and to the evolutionary potential of populations because successful migrant animals can diversify gene combinations. Without gene flow, small populations are especially subject to inbreeding, genetic drift and increased extinction risk.

                        The considerable variation in genetic diversity and effective population sizes among California and Nevada populations are likely attributable to the variation in man-made barriers. Gene flow among adjacent mountain lion populations has been nearly negated by freeways in densely populated Southern California. In Nevada, the analysis showed mountain lions had fewer barriers to gene flow and weak population differentiation, likely because mountain lions have access to more contiguous land areas with fewer humans.

                        "Mountain lions are capable of long-distance travel, yet we found strong genetic structure, indicating mountain lion habitats are not well-connected in the state of California," Ernest says. "Most statewide studies in North America have found weak genetic structure, further indicating the genetics of mountain lions in California are not the norm and that there is cause for concern."

                        The paper's results have far-reaching conservation and management implications for mountain lions and indicate large-scale fragmentation in one of North America's most biodiverse and rapidly urbanized areas. Whenever possible, government agencies and other stakeholders should consider population connectivity and prevent further fragmentation by human development, both within and among populations.

                        "Our study provides wildlife managers with critical population-level data across two states," Gustafson says. "Certain mountain lion populations in the state of California have low genetic diversity that is concerning and are potentially at risk of inbreeding depression. Without our data, wildlife managers would not know which populations are at risk and which populations can help restore genetic diversity, if needed."


                        Conclusion

                        It is clear that the level of genetic diversity within a population can affect the productivity, growth and stability of that focal population, as well as inter-specific interactions within communities, and ecosystem-level processes. The key now is to identify how widespread these patterns are and how important genetic diversity is relative to other ecological factors typically studied in ecology. To do this, we will need a better understanding of the mechanisms contributing to documented effects. In addition, we need to study the ecological effects of genetic diversity in a wider diversity of systems and using a broader array of observational and experimental approaches that incorporate genetic richness, variance and evenness. Finally, long-term studies that focus on the interplay between the ecological and evolutionary effects of genetic diversity will go a long way towards determining when and where genetic diversity will be important in ecological research. Ultimately, the ability to predict responses as we assemble (or disassemble) populations and communities with different levels of genetic diversity has important applications in conservation, restoration and agriculture, and can improve our understanding of the interplay between evolution and ecology.


                        Voir la vidéo: Vers la fin de la suspension des soignants non vaccinés? (Janvier 2022).