Interactive pedigree plotter for genetic analysis

Abstract

Diseases and traits are often caused by mutations in the genome. A very useful way to try to determine how these mutations occur and are inherited in families is by looking at a pedigree. A pedigree is a diagram that depicts the biological relationship between an individual, its ancestors and other relatives. It is often used to look at the genetic transmission of genetic disorders. The purpose of a pedigree is to have a visually easy-to-read chart that depicts a certain characteristic or disorder in a family. It can be used for a physical characteristic like having a widow‘s peak or attached earlobes, or a genetic disorder like colorblindness or Huntington‘s disease. With technological advances in genetics last two decades such as improved genotyping methods, e.g. by moving from microsatellites and other single marker genotyping methods to chip genotyping and whole genome sequencing, researchers at deCODE now have immense data volume to work with. This gives them much better and more accurate understanding of infrequent variations in the DNA that may be an attributing factor to rare diseases. One method to analyze these rare variants is to use pedigrees, but because of the low penetrance of these variants, the researcher may have to draw very large pedigrees, hundreds or even thousands of individuals, just to understand the inheritance of the variant.This thesis reviews a pedigree plotter, \textit{\softwarenameEN} (IPP), designed by the author, which specializes in large pedigrees; both drawing them and working with them. The \enquote{interactive} refers to allowing the user to, for example, collapse/expand, move and delete certain parts of the descendant tree; a feature that becomes important with increasing pedigree size. The IPP also offers various attribute features such as arbitrary text attributes and multiple symbols, giving the user good tools to distinguish individuals from one another as well as being able to have multiple phenotypes, e.g. several cancer types. To summarize, IPP is a pedigree plotter that is well equipped to handle large and complex pedigrees, enabling researchers to study rare variants.This thesis reviews IPP and its features, and then compares it to several similar pedigree plotters to see whether existing pedigree plotters are sufficiently advanced for the genetic analyses being done at deCODE Genetics.

Sjúkdómar og erfðaeinkenni koma oft til vegna stökkbreytinga í erfðamengi. Ein mjög gagnleg leið til þess að reyna átta sig á hvernig stökkbreytingar koma til og hvernig þær erfast í fjölskyldum er að horfa á ættartré (e. pedigree). Ættartré eru skýringarmyndir sem lýsa líffræðilegu sambandi milli einstaklinga, forfeðra og annarra skyldmenna. Ættartré eru oft notuð til þess að skoða arfgengi (e. genetic transmission) breytileika sem valda erfðasjúkdómum. Tilgangur ættartrés er að hafa auðlesanlega skýringarmynd sem segir til um ákveðinn einkennandi eiginleika eða sjúkdóm í fjölskyldu. Hægt er að nota hana fyrir ýmis útlitseinkenni (t.d. Widow's Peak eða Attached Earlobes), eða erfðasjúkdóma eins og litblindu eða Huntingtonssjúkdóm. Það hafa orðið miklar tækniframfarir í erfðafræði seinutu tvo áratugi hvað varðar arfgerðargreiningar, t.d. skipti frá örtunglum (e. microsatellites) og öðrum einmerkja arfgerðagreiningum, yfir í arfgerðagreiningu með flögum (e. chip genotyping) og raðgreiningu (e. whole genome sequencing), sem gefa vísindamönnum hjá Íslenskri Erfðagreiningu miklu meira magn af erfðagögnum til að vinna með. Þetta gefur miklu nákvæmari og betri skilning á sjaldgæfum breytileikum í erfðamenginu sem gætu hugsanlega stuðlað að sjaldgæfum sjúkdómum. Ein leið til að greina þessa sjaldgæfu breytileika er að nota fjölskyldutré, en útaf lágri sýnd (e. penetrance) þeirra, þá gæti vísindamaðurinn þurft að teikna mjög stór fjölskyldutré, hundrað til þúsund einstaklinga, bara til þess að geta skilið arfleið breytileikans.Þessi ritgerð skoðar fjölskylduteiknara, \softwarenameIS{} (GFT), hannaður af höfundinum, hannaður með þá sérstöðu að takast á við stór fjölskyldutré; bæði teikna þau og vinna með þau. Með \enquote{gagnvirkni} er átt við að gera notandanum kleift að til dæmis fella/útvíkka (e. collapse/expand), færa og/eða eyða ákveðnum greinum trésins, en þessi gagnvirkni verður æ meira mikilvæg með stækkandi ættartrjám. GFT býður líka upp á allskonar eiginleika eins og textaeiginleika sem notandinn velur textann að vild, ásamt tákn eiginleika (e. symbol attribute), en þetta gefur notandanum góð tól til þess að greina í sundur einstaklinga í tréinu auk þess að geta verið með margar svipgerðir í stöku tréi, eins og til dæmis nokkrar svipgerðir krabbameins. Til að draga saman, þá er GFT fjölskylduteiknari sem er vel búinn til þess að ráða við stór og flókin fjölskyldutré, sem gerir vísindamönnum kleift að rannsaka sjaldgæfa breytileika.Þessi ritgerð skoðar og lýsir GFT og eiginleikum hans, og ber hann síðan saman við svipaða fjölskylduteiknara til þess að sjá hvort þeir fjölskylduteiknarar sem til eru, séu nægilega þróaðir til þess að vera nothæfir fyrir erfðarannsóknir í Íslenskri Erfðagreiningu.