Локусы количественных признаков

Оглавление :

Введение……………………………………………………………………………………………………………………3 стр.

1. Локус количественного признака………………………………………………………………………..4 стр.
2. Проблемы картирования……………………………………………………………………………………..5 стр.
3. Принципы генетического картирования сложнонаследуемых признаков……….6 стр.
1. Анализ сцепления…………………………………………………………………………………………………7 стр.
2. Метод идентичных по происхождению аллелей (IBD)……………………………………….9 стр.
3. Ассоциации в популяциях и семьях…………………………………………………………………….12 стр.
4. Экспериментальные скрещивания модельных объектов………………………………….15 стр.
5. Метод разложения дисперсий……………………………………………………………………………..16 стр.
6. Анализ ассоциаций………………………………………………………………………………………………..16 стр.
7. Многоточечное картирование……………………………………………………………………………….16 стр.
8. Кандидатные гены широко распространенных заболеваний……………………………..17 стр.
4. Словарь терминов……………………………………………………………………………………………………18 стр.
5. Список литературы……………………………………………………………………………………………………20 стр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

Развитие технологий картирования, построение подробной генетической карты человека, разработка математических и компьютерных методов и моделей  позволили начать систематическое картирование генов, ответственных за сложнонаследуемые (мультифакториальные) заболевания и признаки. Описанный выше прогресс в картировании генов, отвечающих за менделирующие болезни человека, рано или поздно (по не самым оптимистичным оценкам - в течение ближайшего десятилетия) приведет к тому, что гены всех более или менее частых моногенных заболеваний человека будут идентифицированы. Более того, как следствие последних достижений в топографии генома появилась возможность продвинуться на доселе слабо исследованную территорию - генетику сложно- наследуемых состояний. Действительно, с точки зрения генетического анализа, большая часть наиболее распространенных заболеваний человека и признаков, имеющих медицинскую значимость, крайне неудобны - они не следуют простому менделевскому принципу моногенного наследования. Наиболее частые болезни человека являются результатом действия многих генетических факторов в сочетании с факторами среды и случайными причинами, т.е. имеют мультифакториаль- ную природу. В категорию мультифакториальных признаков попадают все основные причины заболеваемости и смертности в современных популяциях человека: атеросклероз, гипертония, многие формы рака, психические заболевания, диабет, бронхиальная астма, ревматоидный артрит, наследственная составляющая подверженности к инфекционным заболеваниям и, вероятно, значительная компонента общего процесса старения. К фенотипам, которые не проявляют моногенного доминантного или рецессивного типов наследования, применяют термин "комплексные" или "сложнонаследуемые" признаки (т.е. термин "сложнонаследуемый признак" является более общим по отношению к термину "мультифакториальный признак"). В чем же заключается сложность этих состояний? В общем, осложнения возникают всегда, когда нарушается простое соответствие между генотипом и фенотипом: либо один и тот же генотип в результате средовых влияний или взаимодействия с другими генами дает разные фенотипы, либо различные генотипы проявляются одинаковым фенотипом.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Локус количественного признака.

Локус количественного признака - (Сокр. QTL). Локус, аллельные изменения которого связаны с варьированием количественного признака. Наличие QTL выявляется при составлении генетических карт в том случае, если общую изменчивость удается разделить на отдельные составляющие, связанные с определенным числом дискретных участков хромосомы.

Количественные признаки относятся к характеристикам, которые различаются по степени своего выражения и могут быть отнесены к полигенным эффектам, т.е. являются продуктом двух или более генов. Локусы количественных признаков являются участками ДНК, содержащими гены либо сцепленными с генами, которые отвечают за тот или иной количественный признак. Картирование участков генома, включающих гены, связанные с определением количественного признака, производится при помощи молекулярных маркеров, таких как AFLP (полиморфизм длины амплифицированных фрагментов, ПДАФ) или SNP (однонуклеотидный полиморфизм). Это первый шаг в идентификации и определении генов, отвечающих за изменчивость признаков.Для количественных признаков разработана несколько отличающаяся модель картирования - это так называемый метод QTL (Quantitative Trait Loci), или картирование ЛКП (локусов количественных признаков). ЛКП представляют собой полигенные системы, обеспечивающие непрерывную вариативность признака в популяции. 
         

Рис.1. Принцип картирования локусов количественных признаков  с использованием пар сибсов. 

Метод картирования ЛКП основывается на исследовании ДНК у пар близких  родственников, чаще всего сибсов. Идея его очень проста. Сибсы имеют в среднем примерно 50% общих аллелей. В каждой конкретной паре сибсов совпадающие аллели будут отличаться. Таким образом, у детей одних и тех же родителей в данном локусе аллели матери и отца могут представлять различные сочетания.

 

2 Проблемы картирования.

В числе основных проблем, затрудняющих генетическое картирование сложнонаследуемых  признаков и мультифакториальных заболеваний можно выделить следующие :

• Генетические взаимодействия (полигения). Клинический фенотип может быть результатом действия нескольких (многих) генетических локусов. Вклад каждого индивидуального гена в общую картину формирования признака может быть очень небольшим. Полигенные признаки можно подразделить на дискретные, характеризующиеся наличием или отсутствием определенного состояния (например, развития сахарного диабета или инфаркта миокарда), и количественные, которые описываются непрерывным рядом изменчивости (например, уровень липидов плазмы, давление крови или концентрация глюкозы) и определяются совокупным аддитивным эффектом многих индивидуальных генетических локусов (QTL - локус количественного признака). В свою очередь, дискретные полигенные признаки могут быть результатом "порогового эффекта" лежащего в их основе количественного признака, либо результатом одновременного и совокупного действия мутаций нескольких локусов. Примеры первого варианта - инсулин-зависимый сахарный диабет (ИЗСД), гипертония; второго - одна из форм пигментного ретинита, требующая наличия мутаций в двух локусах, кодирующих белки сетчатки.
• Генетическая гетерогенность. Одна и та же фенотипическая картина может иметь причину в мутациях различных генетических локусов - например, мутация, нарушающая функцию любого из генов, контролирующих определенную метаболическую цепочку, приведет к отсутствию или уменьшению концентрации конечного продукта этой цепочки. Генетическая гетерогенность - явление характерное практически для любого наследственного заболевания человека, в том числе для МФЗ. Последствия генетической гетерогенности с точки зрения картирования заключаются в том, что болезнь может ко- сегрегировать с определенным генетическим маркером в одной родословной и совершенно с другим - в другой. От собственно генетической гетерогенности (гетерогенности локусов) следует отличать аллельную гетерогенность, когда различные мутации одного локуса затрагивают одну и ту же функцию, но в разной степени и с разными клиническими последствиями. Аллельная гетерогенность, в отличие от локусной, не является затруднением для генетического картирования.
• Неполная пенетрантность, вследствие чего не все носители мутантного генотипа проявляют фенотип, отличный от нормы. Мутантный ген может проявиться клиническим фенотипом лишь с определенной, отличной от единицы, вероятностью. Эта вероятность может определяться как генетическим окружением ("фоном"), так и негенетическими причинами - полом, возрастом, средовыми влияниями. Тем самым, с определенной вероятностью, мутантный аллель может присутствовать у здоровых людей, а нормальный аллель - у больных.
• Наличие фенокопий. Носители нормального генотипа могут проявлять мутантный фенотип по причинам негенетического характера.
• Неменделевские механизмы передачи генетической информации. В последние годы стало очевидно, что наследование по Менделю - лишь один из вариантов механизма передачи генетической информации. Сейчас описано множество болезней, в основе которых лежит митохондриальное наследование, экспансия тринуклеотидных повторов, явление геномного импринтинга.
• Высокая частота в популяции аплеля, связанного с болезнью. Нежелательные последствия высокой частоты аллеля для картирования заключаются в том, что в родословной может присутствовать несколько копий одного и того же аллеля, но разного происхождения. Например, попытки картировать генетический локус болезни Альцгеймера методом анализа сцепления в родословных долгое время были неудачными. Причина этого стала очевидной, когда выяснилось, что основным генетическим фактором болезни является аллель Е4 гена аполипопротеина Е, который в европеоидных популяциях встречается с довольно высокой частотой (15-20%)
• Редкость заболевания (очень низкая частота аллеля, связанного с болезнью). При отсутствии родословных с несколькими больными индивидами болезнь просто невозможно изучать методами генетического анализа.

Кроме этих общих проблем генетического  картирования сложно наследуемых признаков  существуют и более специфические, связанные с методами набора материала и картирования. Для генетического анализа очень важна правильная постановка диагноза. Ошибки в клинической диагностике, особенно характерные для случаев, когда диагностика основывается на критериях, далеких от физиологических основ болезни (например, при психических заболеваниях), могут привести как к ложно-позитивной, так и ложно-негативной

3 Принципы генетического картирования сложнонаследуемых признаков

Современные методы картирования сложнонаследуемых  признаков включают категории: анализ сцепления, основанный на проверке конкретной модели наследования болезни в родословных; метод идентичных по происхождению (общих) аллелей, который заключается в оценке того, насколько часто больные родственники наследуют идентичный участок генома; исследования ассоциаций в популяциях и семьях и генетический анализ скрещиваний модельных организмов.

 

 

3.1 Анализ сцепления

Анализ сцепления - метод генетического  картирования, основанный на прослеживании  косегрегации генов при передаче от родителей к потомкам в ряду поколений. Мы не преследуем цель детального описания тонкостей анализа сцепления и не будем вдаваться в сопутствующие статистические проблемы, а лишь остановимся на самых общих положениях. За детальной информацией по методам анализа генетического сцепления читатель может обратиться к соответствующим работам.

Анализ сцепления представляет собой проверку наблюдаемой картины сегрегации признаков и генетических маркеров в родословной на соответствие определенной модели наследования. При этом рассчитываются шансы (вероятности) за и против (т.е. при рекомбинантной фракции о = 0.5) сцепления в данной семье. Количественным показателем сцепления является логарифм соотношения шансов (правдоподобия) за и против сцепления – лод-балл (от английского logariphm of odds ratio). Лод-балл можно вычислить для различных значений рекомбинантной фракции (о) - от 0 до 0.5. То значение о, при котором лод-балл максимален и есть наиболее вероятная оценка дистанции между генетическим маркером и предполагаемым геном болезни.

Сцепление считается подтвержденным, если лод-балл превышает определенное пороговое значение. В генетике человека для единичного наблюдения принята величина порога 3.0, что соответствует шансам за сцепление 1000:1. На самом деле, как отмечает Ландер (1990), эта величина не так велика как может показаться. Ведь в общем случае для двух случайно выбранных локусов в геноме человека вероятность оказаться несцепленными (т.е. находиться на разных хромосомах или плечах) соотносится с вероятностью быть сцепленными примерно как 50:1. То есть реально пороговое значение 3.0 означает, что вероятность наличия сцепления всего лишь в 20 раз выше вероятности его отсутствия или, иными словами, 1 из 20 результатов, подтверждающих сцепление, оказывается ложным.

Сейчас анализ сцепления проводят используя, как правило, большое число маркеров (мультилокусный анализ сцепления) - вплоть до 300 и более, распределенных по всему геному. При этом рассчитывается соотношение вероятностей для каждого интервала между двумя соседними маркерами. Интервалы со значением лод-балла, превышающим пороговое, и есть наиболее вероятные области локализации гена (подтверждающее картирование). В интервалах, для которых лод-балл ниже исключающего порога, локализация гена исключается (исключающее картирование). Мультилокусный анализ сцепления требует обширных вычислений, которые берут на себя специально разработанные программы - LINKAGE, FASTMAP, EXCLUDE и другие.

Анализ сцепления является в  настоящее время основным методом  генетического картирования простых  моногенных признаков. Этим методом  были картированы сотни таких  признаков, включая многие наследственные болезни. Анализ сцепления помог картировать и локусы некоторых сложнонаследуемых заболеваний. Простейшая ситуация, в которой могут быть преодолены трудности анализа сложных признаков - анализ сцепления в одной большой разветвленной родословной. Именно так были картированы гены поликистоз почек, ранней формы болезни Альцгеймера и псориаза.В других случаях могут помочь те способы увеличения относительного риска, о которых мы говорили выше. Так, ген ранней формы рака груди на хромосоме 17 был картирован методом анализа сцепления, при ограничении возраста проявления болезни 47 годами. При этом был достигнут лод-балл 6. При включении в анализ родословных с более поздним проявлением лод-балл опускался ниже порогового значения.

Рис. 2. Идиограмма 17-й хромосомы человека

Рис.3. Поликистоз почек.

Анализ сцепления может применяться  и в случаях, когда более чем  один ген вовлечен в наследование заболевания, при этом просто отслеживается  наследование нескольких регионов генома. Так было показано взаимодействие двух локусов в проявлении рассеянного склероза. В большой финской родословной рассеянный склероз оказался сцепленным одновременно с локусом HLA на хромосоме бис геном основного белка миелина на хромосоме 18.В целом, примеров успешного анализа сцепления для сложных признаков не так много, поскольку классическим образом сцепление может быть подтверждено лишь в относительно простых, близких к менделевским, случаях.

3.2. Метод идентичных по происхождению аллелей (IBD)

Классический анализ сцепления  является параметрическим методом, т.е. основывается на заранее задаваемых характеристиках, таких как способ наследования и уровень пенетрантности. Неверно заданные параметры могут привести, соответственно, и к неверным выводам. Скажем, неверно заданный тип наследования приводит обычно к переоценке рекомбинантной фракции. При IBD-анализе информацию о сцеплении получают только на основе наследования маркеров в парах больных родственников без априорных предположений о типе наследования и других характеристиках. Такой непараметрический подход менее строг и, вероятно, более продуктивен: больные родственники должны показывать избыток общих аллелей даже при неполной пенетрантности, наличии фенокопий, генетической гетерогенности и высокой частоте аллеля болезни.

Метод общих аллелей заключается  в оценке того, насколько чаще по сравнению со случайной сегрегацией пара больных родственников наследует одну и ту же (идентичную по происхождению, IBD - identical by descent) копию участка генома. Скажем, в парах дед-внук, дядя-племянник или в случае полусибсов эти пары родственников могут иметь 0 или 1 общий по происхождению аллель по каждому локусу. Вероятность иметь общий аллель (или IBD-статистика, ttR) при случайной менделевской сегрегации равна 1/2. Если же маркерный локус сцеплен с болезнью, пары больных родственников должны иметь общий аллель чаще, чем в половине случаев. Значимость отличий при этом может быть оценена простым хи-квадрат тестом. Для количественного признака степень фенотипического сходства в парах родственников должна коррелировать с долей аллелей, идентичных по происхождению. Анализ общих по происхождению аллелей возможен для любых пар близких родственников, однако на практике чаще всего используют пары больных сибсов. IBD-анализ в сибсовых парах получил название ASP-метода.

 

Метод идентичных по происхождению  аллелей (IBD)

Дед-внук

■ I О

 

Сибсы*

■уО

Дядя- племянник

Двоюродные братья

 

О

ОтО QrO

IBD

«R

О или 1 0 или 1

1/2 1/2

0 или 1 1/2

0 или 1 1/4

Рис.4. Метод идентичных по происхождению аллелей (IBD). IBD - число аллелей общего происхождения; ap - IBD- статистика при случайной менделевской сегрегации (вероятность иметь один идентичный аллель для данной пары родственников).

* Сибсы рассматриваются как  две полусибсовые пары.

С помощью метода идентичных аллелей  был картирован „один из локусов  диабета типа 1 на длинном плече  хромосомы 11, показано сцепление гипертензии  с геном ангиотензина, ревматоидного артрита - с локусом HLA, поздней формы болезни Альцгеймера - с локусом на хромосоме 19, а гомосексуальной ориентации - с регионом Xq28. С появлением подробной генетической карты стало возможным использовать IBD-метод для сканирования всего генома. В теории метод IBD довольно прост. Однако, на практике ситуация выглядит несколько сложнее. Главным ограничением метода общих аллелей до недавнего времени была невозможность в некоторых случаях отличить аллели, идентичные по происхождению, от аллелей, идентичных по состоянию. Другими словами, невозможно было определить, имеют ли два одинаковых аллеля общее происхождения, или мы имеем дело с двумя копиями аллеля разного происхождения.

Для преодоления этой трудности  предлагались различные методы. Простейший заключается в том, чтобы ограничиться только теми парами родственников, для  которых IBD-статус можно определить однозначно. Предлагалось также использовать ожидаемое значение IBD-статистики, рассчитываемое на основе данных по маркерам, IBD-статус которых определяется однозначно. Другой подход основан на использовании IBS-статистики вместо IBD. Оба подхода на практике дают иногда хорошие результаты, однако их существенный недостаток в том, что они не используют всю имеющуюся информацию о наследовании маркеров, а, следовательно, теряют в продуктивности и мощности. Недавно предложен алгоритм, позволяющий извлечь всю возможную информацию из данного набора родословных. При этом для каждой точки генома на основе данных по маркерам и рекомбинантной фракции рассчитывается вероятность быть идентичной по происхождению в данной паре родственников. Этот алгоритм реализован в программном пакете MAPMARKER/SIBS.