Картирование локусов количественных признаков или картирование QTL — это процесс идентификации геномных регионов, которые потенциально содержат гены, ответственные за важные экономические, медицинские или экологические характеристики. Картирование QTL — это важная деятельность, которую селекционеры растений и генетики обычно используют для связывания потенциальных причинных генов с интересующими фенотипами . Картирование QTL на основе семейств — это вариант картирования QTL, при котором используются несколько семейств.
Информация о родословной включает информацию о происхождении. Ведение родословных записей — многовековая традиция. Родословные также могут быть проверены с использованием данных генных маркеров. [ необходима цитата ]
Метод обсуждался в контексте популяций селекции растений . [1] Родословные записи ведутся селекционерами растений, и селекция на основе родословной популярна у нескольких видов растений. Родословные растений отличаются от родословных людей, особенно потому, что растения являются гермафродитами — особь может быть как самцом, так и самкой, а спаривание может осуществляться в случайных комбинациях с инбридинговыми петлями. Также родословные растений могут содержать «самости», т. е. потомство, полученное в результате самоопыления растения. [ необходима ссылка ]
Пример простого крестового символа / крест первого порядка SON 64/KLRE //, кросс второго порядка IR 64/KLRE // CIAN0 /3/, крест третьего порядка TOBS /3/ SON 64/KLRE // CIAN0 /4/, крест четвертого порядка TOBS /3/ SON 64/KLRE // CIAN0 /4/ SEE /n/, крест n-го порядка СИМВОЛ ОБРАТНОГО КРЕСТА *nn количество раз, когда использовался обратный кросс-родитель левосторонний простой символ креста, обратный кросс-родитель - самка, правая сторона – самец, Пример: SEE/3*ANE, TOBS*6/CIAN0
Идея картирования QTL на основе семейства исходит из наследования маркерных аллелей и его связи с интересующим признаком [1] и продемонстрировала, как использовать ассоциацию на основе семейства в селекционных семьях растений.
Традиционные картографические популяции включают одну семью, состоящую из скрещивания двух или трех родителей, часто отдаленно связанных. Существуют некоторые важные ограничения, связанные с традиционными методами картирования. Некоторые из них включают ограниченные показатели полиморфизма и отсутствие указаний на эффективность маркера в нескольких генетических фонах. Часто к тому времени, когда популяция картирования QTL разработана и картирована, селекционеры интрогрессируют новый QTL, используя традиционные методы селекции и отбора. Это может снизить полезность MAS (маркер-ассистируемого отбора) в программах селекции в то время, когда MAS может быть наиболее полезным (т. е. вскоре после того, как идентифицированы новые QTL). [2] Картирование QTL на основе семейств устраняет это ограничение, используя существующие семьи селекции растений.
В целом, существует 3 класса планов исследований: планы исследований, в которых отбираются большие группы родственников из расширенных или нуклеарных семей, планы исследований, в которых отбираются пары родственников (например, пары братьев и сестер), или планы исследований, в которых отбираются неродственные лица. [ необходима ссылка ]
Естественное собрание особей (считающихся неродственными) с неизвестной родословной составляет картографические популяции. Метод картирования ассоциаций на основе популяции основан на этом типе популяций. В контексте растений такую популяцию трудно найти, поскольку большинство особей каким-то образом связаны. Другим недостатком такого метода является то, что даже если мы можем найти такую популяцию, трудно найти высокую частоту аллеля для интересующего аллеля (обычно мутантного) в такой ситуации. Для создания баланса в частоте аллеля обычно проводятся исследования случай-контроль.
Такой дизайн включает пару братьев и сестер из нескольких независимых семей. Члены каждой пары братьев и сестер не выбираются случайным образом — часто оба брата или сестры выбираются из одного хвоста (верхнего или нижнего) распределения QT (согласованные братья и сестры) или один брат или сестра выбираются из верхнего хвоста, а другой брат или сестра выбираются из нижнего хвоста (дискордантные братья и сестры). Другой дизайн выборки может включать пару братьев и сестер, один из которых выбирается из верхнего или нижнего хвоста распределения, а другой выбирается случайным образом из числа оставшихся братьев и сестер.
Трио включают родителей и одного потомка (наиболее пострадавшего). Трио чаще используются в ассоциативных исследованиях. Концепция ассоциативного картирования заключается в том, что каждое трио не связано между собой, однако трио связаны сами по себе.
Нуклеарная семья состоит из двух поколений простой семейной родословной.
В расширенную родословную включают родословную нескольких поколений. Она может быть настолько глубокой или широкой, насколько доступна информация о родословной. Расширенная родословная привлекательна для анализа на основе сцепления .
Анализ сцепления и ассоциации являются основными инструментами для обнаружения генов, локализации и функционального анализа. [3] [4] Хотя концептуальная основа этих подходов давно известна, достижения последних десятилетий в молекулярной генетике , разработка эффективных алгоритмов и вычислительная мощность позволили широкомасштабно применять эти методы. В то время как исследования сцепления направлены на выявление локусов, косегрегирующих с признаком внутри семей, исследования ассоциаций направлены на выявление конкретных вариантов, которые связаны с фенотипом на уровне популяции. Это взаимодополняющие методы, которые вместе предоставляют средства для исследования генома и описания этиологии сложных признаков . В исследованиях сцепления мы стремимся выявить локусы, которые косегрегируют с определенной геномной областью, помеченной полиморфными маркерами, внутри семей. Напротив, в исследованиях ассоциаций мы ищем корреляцию между определенной генетической вариацией и вариацией признака в выборке людей, подразумевая причинную роль варианта.
Генетическая связь — это явление, при котором аллели в разных локусах косегрегируют в семьях. Сила косегрегации измеряется рекомбинационной фракцией θ, вероятностью нечетного числа рекомбинаций. Более сложная родословная обеспечивает более высокую мощность. Оценка матрицы идентичности по происхождению (IBD) является центральным компонентом в картировании локусов количественных признаков (QTL) с использованием моделей компонентов дисперсии. Аллели имеют идентичность по типу (IBT), когда они имеют одинаковый фенотипический эффект. Аллели, которые идентичны по типу, делятся на две группы: те, которые идентичны по происхождению (IBD), потому что они возникли из одного и того же аллеля в более раннем поколении; и те, которые не идентичны по происхождению (NIBD) или идентичны по состоянию (IBS), потому что они возникли в результате отдельных мутаций. Пары родитель-потомок разделяют 50% своих генов IBD, а монозиготные близнецы разделяют 100% IBD. В анализе сцепления важно наследование (или ко-наследование) аллелей в соседних локусах; поэтому критически важно определить, идентичны ли аллели по происхождению (т. е. копии с одних и тех же родительских аллелей) или идентичны только по состоянию (т. е. кажутся одинаковыми, но получены из двух разных копий аллелей). Поэтому существует три категории анализа сцепления на основе семьи — сильно смоделированные (традиционная модель оценки lod), слабо основанные на моделях (методы компонентов дисперсии) или безмоделевые. Методы компонентов дисперсии можно рассматривать как гибриды.
Неравновесное сцепление (LD) и картирование ассоциаций привлекают значительное внимание в сообществе генетиков растений из-за их потенциала использования существующих коллекций генетических ресурсов для точного картирования локусов количественных признаков (QTL), проверки генов-кандидатов и идентификации интересующих аллелей (Yu and Buckler, 2006). Три элемента, имеющие особое значение для проведения картирования ассоциаций или интерпретации результатов, включают:
В отличие от ассоциативных тестов, основанных на населении, тесты на ассоциативную связь, основанные на семье, становятся все более популярными.
Семейный тест на тран-дисеквилибирум (TDT) приобрел широкую популярность в последние годы, [ требуется ссылка ] этот метод также фокусируется на аллелях, переданных для воздействия на потомство, но он сформулирован так, чтобы учитывать как сцепление, так и неравновесие, которые лежат в основе ассоциации. Тест требует информации о генотипе трех индивидуумов, а именно пораженного ребенка и обоих биологических родителей; и по крайней мере один родитель должен быть гетерозиготным, чтобы тест был информативным. Предлагаемая статистика теста на самом деле является статистикой хи-квадрат Макнемара и проверяет нулевую гипотезу о том, что предполагаемый аллель, связанный с заболеванием, передается в 50% случаев от гетерогиготных родителей против альтернативной гипотезы о том, что аллель, связанный с положительным аллелем признака, будет передаваться чаще. На TDT не влияют стратификация и смешивание населения. Концепция семейного теста на ассоциацию была расширена на количественные признаки.
TDT был расширен в контексте количественных признаков и ядерных или расширенных родословных семей. Обобщенный тест позволяет использовать любой тип семьи в тестировании. QTDT также был расширен для картирования ассоциаций на основе гаплотипов. Гаплотипы относятся к комбинациям маркерных аллелей, которые расположены близко друг к другу на одной хромосоме и которые, как правило, наследуются вместе. Благодаря доступности производителей SNP высокой плотности гаплотипы играют важную роль в исследованиях ассоциаций. Во-первых, гаплотипы имеют решающее значение для понимания паттерна LD по всему геному, что необходимо для исследований ассоциаций. На самом деле нет лучшего способа понять паттерн LD, чем знать сами гаплотипы. Гаплотипы говорят нам, как аллели организованы вдоль хромосомы, и отражают паттерн наследования по оценкам. Во-вторых, методы, основанные на гаплотипах, могут быть более мощными, чем методы, основанные на отдельных маркерах, в исследованиях ассоциаций для картирования сложных генов признаков.
Существует несколько программ для рисования родословных, доступных для контекста генетики человека, такие как COPE (среда для совместного рисования родословных), CYRILLIC, FTM (программа для создания семейного дерева), FTREE, KINDRED, PED (программа для рисования родословных), PEDHUNTER, PEDIGRAPH, PEDIGREE/DRAW, PEDIGREE-VISUALIZER, PEDPLOT, PEDRAW/WPEDRAW (программа для рисования родословных/Window Pedigree Drawing (версия PEDRAW для MS-Window и X-Window)), PROGENY (программа Progeny Software, LLC) и т. д. Однако для рисования родословных растений требуются некоторые дополнительные функции, такие как инбридинг, самоопыление, мутация, полиплоидия и т. д., которые поддерживаются в Pedimap. Педимап можно использовать для визуализации родословной вместе с фенотипическими, генотипическими и вероятностными данными IBD в родословных каждого типа растений как диплоидных, так и тетраплоидных.