Количественное картирование локусов признаков или картирование QTL — это процесс идентификации геномных областей, которые потенциально содержат гены, ответственные за важные экономические, медицинские или экологические характеристики. Картирование QTL — важная деятельность, которую селекционеры растений и генетики регулярно используют для связи потенциальных причинных генов с интересующими фенотипами . Картирование QTL на основе семейств — это вариант картирования QTL, в котором используются несколько семейств.
Родословная информация включает информацию о происхождении. Ведение родословного учета – многовековая традиция. Родословную также можно проверить с помощью данных генных маркеров.
Этот метод обсуждался в контексте популяций селекции растений . [1] Родословные ведутся селекционерами растений, а для некоторых видов растений популярен отбор на основе родословной. Родословная растений отличается от человеческой, в частности тем, что растения являются гермафродитами : особь может быть мужского или женского пола, а спаривание может осуществляться в случайных комбинациях с петлями инбридинга. Также родословные растений могут содержать «самостоятельные», т.е. потомство, полученное в результате самоопыления растения.
ПРОСТОЙ СИМВОЛ КРЕСТА Пример / крест первого порядка SON 64/KLRE //, крест второго порядка IR 64/KLRE // CIAN0 /3/, кросс третьего порядка TOBS /3/ SON 64/KLRE // CIAN0 /4/, кросс четвертого порядка TOBS /3/ SON 64/KLRE // CIAN0 /4/ SEE /n/, крест n-го порядка СИМВОЛ ЗАДНЕГО КРЕСТА *nn количество раз, когда родительский элемент обратного перекрестия использовался простой крест слева, родителем обратного скрещивания является самка, правая сторона – мужской, Пример: SEE/3*ANE, TOBS*6/CIAN0
Идея семейного картирования QTL исходит из наследования маркерных аллелей и его ассоциации с интересующим признаком [1] продемонстрировало, как использовать семейную ассоциацию в семьях селекции растений.
Традиционные картографические популяции включают одну семью, состоящую из скрещивания двух или трех родителей, часто находящихся в дальнем родстве. Существуют некоторые важные ограничения, связанные с традиционными методами картирования. Некоторые из них включают ограниченный уровень полиморфизма и отсутствие признаков эффективности маркеров при множественном генетическом происхождении. Часто к тому времени, когда картированная популяция QTL разрабатывается и картируется, селекционеры интрогрессируют новый QTL, используя традиционные методы разведения и селекции. Это может снизить полезность MAS (селекция с помощью маркеров) в программах селекции в то время, когда MAS может быть наиболее полезным (т.е. вскоре после идентификации новых QTL). [2] Картирование QTL на основе семейств устраняет это ограничение за счет использования существующих селекционных семейств растений.
В целом, существует три класса планов исследования: планы исследования, в которых отбирается большое количество родственников из расширенных или нуклеарных семей, планы исследования, в которых отбираются пары родственников (например, пары братьев и сестер), или схемы исследования, в которых отбираются неродственные люди. .
Естественная коллекция особей (считающихся несвязанными) с неизвестной родословной представляет собой картографированные популяции. Техника картирования ассоциаций на основе населения основана на этом типе популяций. В контексте растений такую популяцию найти трудно, поскольку большинство особей так или иначе связаны между собой. Другим недостатком такого метода является то, что даже если мы сможем найти такую популяцию, в такой ситуации трудно найти высокую частоту аллеля для интересующего аллеля (обычно мутантного). С целью создания баланса частоты аллелей обычно проводятся исследования «случай-контроль».
К такому дизайну относятся пары братьев и сестер из нескольких независимых семей. Члены каждой пары братьев и сестер выбираются не случайным образом – часто оба брата и сестры выбираются из одного хвоста (верхнего или нижнего) распределения QT (согласованные братья и сестры) или один брат или сестра выбирается из верхнего хвоста, а другой брат выбирается из нижний хвост (дискордантные братья и сестры). Другой план выборки может включать пару братьев и сестер, один из которых выбирается из верхнего или нижнего хвоста распределения, а другой выбирается случайным образом среди оставшихся братьев и сестер.
Трио включают родителей и одного потомка (наиболее пострадавшего). Трио чаще используются в исследованиях ассоциаций. Концепция картирования ассоциаций 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. Он может быть настолько глубоким или широким, насколько доступна родословная. Расширенная родословная привлекательна для анализа на основе сцепления .
Анализ связей и ассоциаций являются основными инструментами для открытия генов, их локализации и функционального анализа. [3] [4] Хотя концептуальная основа этих подходов давно известна, достижения последних десятилетий в области молекулярной генетики , разработка эффективных алгоритмов и вычислительная мощность позволили широкомасштабно применять эти методы. В то время как исследования сцепления стремятся идентифицировать локусы, сегрегирующие признак внутри семей, исследования ассоциаций стремятся идентифицировать конкретные варианты, которые связаны с фенотипом на популяционном уровне. Это взаимодополняющие методы, которые вместе предоставляют средства для исследования генома и описания этиологии сложных признаков . В исследованиях сцепления мы стремимся идентифицировать локусы, которые сегрегируют с определенной областью генома, помеченной полиморфными маркерами внутри семей. Напротив, в исследованиях ассоциаций мы ищем корреляцию между конкретной генетической вариацией и вариацией признаков в выборке людей, подразумевая причинную роль варианта.
Генетическая связь — это явление, при котором аллели разных локусов сегрегируют в семьях. Сила косегрегации измеряется фракцией рекомбинации θ, вероятностью нечетного числа рекомбинаций. Более сложная родословная обеспечивает более высокую мощность. Оценка матрицы идентичности по происхождению (IBD) является центральным компонентом картирования локусов количественных признаков (QTL) с использованием моделей компонентов дисперсии. Аллели имеют идентичность по типу (IBT), когда они имеют одинаковый фенотипический эффект. Аллели, идентичные по типу, делятся на две группы; те, которые идентичны по происхождению (IBD), поскольку произошли от одного и того же аллеля в более раннем поколении; и те, которые неидентичны по происхождению (NIBD) или идентичны по состоянию (IBS), поскольку возникли в результате отдельных мутаций. В парах родитель-потомок 50% общих генов ВЗК, а у монозиготных близнецов - 100% ВЗК. Что важно для анализа сцепления, так это наследование (или совместное наследование) аллелей в соседних локусах; поэтому; Крайне важно определить, идентичны ли аллели по происхождению (т. е. копии одних и тех же родительских аллелей) или идентичны только по состоянию (т. е. кажутся одинаковыми, но происходят от двух разных копий аллелей). Таким образом, существует три категории анализа связей на основе семейств: строго смоделированный (традиционная модель оценки lod), слабо основанный на модели (методы компонентов дисперсии) или свободный от модели. Методы компонентов дисперсии можно рассматривать как гибриды.
Картирование неравновесия по сцеплению (LD) и ассоциаций привлекает значительное внимание в сообществе генетиков растений из-за его возможности использовать существующие коллекции генетических ресурсов для точного картирования локусов количественных признаков (QTL), проверки генов-кандидатов и идентификации представляющих интерес аллелей (Ю и Баклер, 2006). Три элемента, имеющие особое значение для картирования ассоциаций или интерпретации результатов, включают в себя:
В отличие от популяционных ассоциаций, тесты на семейные ассоциации становятся все более популярными.
Семейный тест на транс-дисравновесие (TDT) приобрел широкую популярность в последние годы. Этот метод также фокусируется на аллелях, передаваемых для воздействия на потомство, но он сформулирован так , чтобы учитывать как сцепление, так и неравновесие, которое лежат в основе ассоциации. Для теста требуется информация о генотипе трех человек, а именно больного ребенка и обоих биологических родителей; и по крайней мере один родитель должен быть гетерозиготным, чтобы тест был информативным. Предлагаемая тестовая статистика 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, связанная с положительной аллелью, будет передаваться чаще. . На TDT не влияет расслоение и примесь населения. Концепция семейного теста ассоциации была распространена на количественные характеристики.
TDT был расширен в контексте количественных признаков и нуклеарных или расширенных родословных семей. Обобщенный тест позволяет использовать в тестировании любой тип семейства. 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 имеют тенденцию наследоваться вместе. Благодаря доступности производителей SNP с высокой плотностью гаплотипы играют важную роль в исследованиях ассоциаций. Во-первых, гаплотипы имеют решающее значение для понимания закономерностей LD в геноме, что важно для исследований ассоциаций. На самом деле нет лучшего способа понять структуру LD, чем знать сами гаплотипы. Гаплотипы говорят нам, как аллели организованы вдоль хромосомы, и отражают характер наследования по оценкам. Во-вторых, методы, основанные на гаплотипах, могут быть более эффективными, чем методы, основанные на отдельных маркерах, в ассоциативных исследованиях по картированию сложных генов признаков.
Для контекста генетики человека доступно несколько программ для рисования родословных, таких как COPE (Collaborative Pedigree Drawing Environment), CYRILLIC, FTM (Family Tree Maker), FTREE, KINDRED, PED (программное обеспечение для рисования PEdigree), PEDHUNTER, PEDIGRAPH, PEDIGREE/DRAW, PEDIGREE. -VISUALIZER, PEDPLOT,PEDRAW/WPEDRAW (Pedigree Drawing/ Window Pedigree Drawing (версия PEDRAW для MS-Window и X-Window)), PROGENY (Progeny Software, LLC) и т. д. Однако для создания родословной растений требуются некоторые дополнительные функции, такие как инбридинг, самоопыление, мутация, полиплоидия и т. д., которые поддерживаются в Pedimap. Педикарту можно использовать для визуализации родословной вместе с фенотипическими, генотипическими данными и данными вероятностей ibd в каждом типе родословных растений как в диплоидных, так и в тетраплоидных формах.