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专题一：QTL及其定位方法 nQTL的概念 nQTL检测方法 n用于QTL定位的群体 n统计方法 n图距函数 nQTL检测所需标记数预估 QTL的概念 1、A QTL is a segment of chromosome affecting the trait, not necessarily a single locus -D. S. Falconer et al, 1995 2、A quantitative trait loci(QTL) is defined as a single gene or a cluster of closely linked genes that have a large effect on a quantitative trait. -P. Sorensen, 2000 QTL的概念 3、QTL, quantitative trait locus, is a place (region) that affects trait in the genome. It could span several genes, one or more of which affects the trait, but it has become common to take QTL as equal to major gene. B. Kinghorn, 2000 理解：一个QTL指在基因组中占据一定染色体区域， 控制同一性状的一组微效多基因的集合（基因簇）或 单个基因。但目前的研究中大部分将QTL理解为单 个基因（或主效基因）。一个数量性状可能受多个 QTL影响；一个QTL也可能影响多个数量性状。 QTL的概念 nQTL的特点（与传统的孟德尔因子比较） 结构更松散，一个QTL内各微效基因间可能 有比孟德尔因子内高得多的重组率，因此 一个QTL并不象一个孟德尔位点那样独立 分离和有明显的性状效应。 QTL的概念 nQTL概念提出的意义（D.S. Falconer- 1995） 1、It could improve the efficacy of selective breeding, especially for traits with low heritability or that can only be measured in one sex. 2、Transgenic technology might be applied to quantitative traits. QTL的概念 3、In medicine, the identification of alleles causing predisposition to common multifactorial diseases could lead to improved methods of prevention. 4、Quantitative genetic theory will be made more realistic when the numbers and properties of the genes are known, and the more realistic theories will improve our understanding of evolution (and/or the development of the quantitative traits). QTL检测方法 Candidate gene approach(Hayes,2007) nThe candidate gene approach assumes that a gene involved in the physiology of the trait could harbour a mutation causing variation in that trait. The gene, or parts of the gene, are sequenced in a number of different animals, and any variations in the DNA sequences, that are found, are tested for association with variation in the phenotypic trait. Candidate gene approach nThere are two problems with the candidate gene approach: Firstly, there are usually a large number of candidate genes affecting a trait, so many genes must be sequenced in several animals and many association studies carried out in a large sample of animals. Secondly, the causative mutation may lie in a gene that would not have been regarded a priori as an obvious candidate for this particular trait. QTL检测方法 n侯选基因途径的原理与方法： 1、选定侯选基因：根据现有的生物学、生理、 生化知识，对数量性状的形成过程进行分析 ，预先选定一些基因作为数量性状的侯选基 因。 2、数量性状记录和分子标记分析：PCR- RFLP,PCR-SSCP,MS,SNP等。 QTL检测方法 3、关联分析（Association analysis） （1）Marker-based approach:按标记基因型对个 体分组，然后对数量性状记录进行统计分析（t检验， 方差分析等） （2）Trait-based approach（Selective genotyping）:根据性状表型值分别选取10-15% 的高值个体和10-15%低值个体形成高低值群体 ，对两个群体中的个体进行基因型鉴定并对不同标记 等位基因的频率进行统计检验（百分数差异显著性检 验和Fishers精确检验等）。 （3）效应值估计：a, d。 QTL检测方法 n关键：侯选基因的挑选及其准确性 n优点：成本低（与连锁分析法比较） n缺点：需具备数量性状形成的生物学、生 理、生化等知识 n经典例子：影响猪产仔数的ESR基因（M. Rothschild et al 1996） QTL检测方法 研究猪产仔数的意义 n繁殖性状在猪生产中具有重要意义； n猪的繁殖性状遗传力低，常规选择效 果不好； n不同猪群存在较大的产仔数差异； QTL检测方法 选定ESR作为侯选基因的依据 n类固醇类激素在繁殖过程中有重要作用； n人类中发现ESR的突变引起自发流产及乳 腺癌； n转基因研究发现携带突变ESR的鼠与正常 鼠繁殖力有重大变化； n经典的RFLP研究发现ESR存在多态性（ A:3.7;B:4.3kb; 1.3kb cDNA Probe ） QTL检测方法 Meishan synthetic lines Large White synthetic lines No. of sires27No. of sires181 No. of dams50No. of dams565 No. of females161No. of females1079 No. of first parity records 161 No. of first parity records 1079 No. of all parity records 276 No. of all parity records 1912 QTL检测方法 统计性状及分析方法 nTNB-Total number born; NBA- Number born alive; ADG-Average daily gain; BF-Backfat thickness; FN-Number of functional nipples n模型：动物模型 Additive effect was estimated as the linear regression of litter size on ESR (for all alleles, P0.01). Dominance effect was estimated from the least squares means. a,b means P0.01; cd means P0.05 ESR genoty pe Meishan synthesis lines First Parity All parities NTNBNBANTNBNBA AA6210.1a9.19811.0a10.2a AB7311.4b10.512512.4b11.5b BB2612.4b11.45312.5b11.7b a 1.21.20.90.8 d 0.20.20.70.6 QTL检测方法 ESR genoty pe Large White synthesis lines First Parity All parities NTNBNBANTNBNBA AA4449.5c8.7c7599.8a9.0b AB3919.9c,d9.2c,d67710.4b9.5b BB22410.7d9.9d47610.7b9.9b a0.60.60.50.5 d-0.2-0.10.20.0 QTL检测方法 讨论： n研究结果表明：ESR位点存在变异，且其中一个最早 在梅山猪中发现的等位基因与高窝仔数有显著关联。 n尽管所有各胎的数据不足以排除ESR-B等位基因对 产仔数的效应为非加性的，但其对猪头胎产仔数的效 应肯定是加性的。 nESR-B等位基因在梅山合成系中约增加20%的窝仔 数，每窝仔猪可产生约$15-30的利润（美国市场条 件下）。 QTL检测方法 nESR-B等位基因在头胎及以后胎次中对窝产仔数效 应的差异可能反映了该基因的效应在大龄母猪中能为 环境效应所掩盖。 n一个未解决的问题是ESR基因在控制窝仔数性状中 的实际作用？作者假设它可能控制胚胎的成活力，但 这一假设需进一步验证。 n使用大白遗传背景的猪群进一步证实了ESR-B等位 基因对头胎及所有各胎窝仔数有明显效应，但在大白 背景下效应较小，这表明遗传背景在ESR基因的表 达中可能有作用或ESR本身并不是控制窝仔数的主 基因而只是一个连锁基因。 QTL检测方法 n对与ESR基因连锁的各标记进一步进行分析发 现在所研究的标记中，用ESR预测窝仔数效率 最高，但这并不能确定ESR是控制窝仔数的一 个主基因，不过这些结果至少表明ESR是一个 与控制窝仔数基因紧密连锁的基因。 nESR基因附近的雌性连锁图： Sw552-8.3cM-Swr485-3.2cM-ESR- 2.9cM-SOD2-2.9cM-Sw137-2.6cM- Sw64-25.4cM-S0008 QTL检测方法 问题： n侯选基因区可能会有多个多态位点，按传统的侯选 基因法可一个个进行分析。有关ESR基因的研究实 际上作了这一工作，但受当时的技术条件限制，所 找到的标记均距ESR基因较远使用如SNP等标 记进行精细作图。 n这些位点如为紧密连锁的， 而且这些多态位点的连 锁并不是随机形成的，因此位点间彼此在统计上并 不独立，这样如一个个分析就会有问题。 n分析模型中隐含的假设是该位点只有两个等位基因 ，这一假设从生物学上讲并不严谨。 QTL检测方法 QTL mapping(Hayes,2007) nQTL mapping assumes the actual genes which affect a quantitative trait are not known, and this approach uses neutral DNA markers and looks for associations between allele variation at the marker and variation in quantitative traits. nA DNA marker is an identifiable physical location on a chromosome whose inheritance can be monitored. nMarkers can be expressed regions of DNA (genes) or more often some segment of DNA with no known coding function but whose pattern of inheritance can be determined. QTL检测方法 QTL mapping(Hayes,2007) nThe problem with mapping QTL exploiting linkage is that, unless a huge number of progeny per family or half sib family are used, the QTL are mapped to very large confidence intervals on the chromosome. nTo illustrate this, consider the formula that Darvasi and Soller (1997) gave for estimating the 95% CI for QTL location for simple QTL mapping designs under the assumption of a high density genetic map. CI=3000/(kN2), where N is the number of individuals genotyped, allele substitution effect (the effect of getting an extra copy of the increasing QTL allele) in units of the residual standard deviation, k the number of informative parents per individual, which is equal 1 for half-sibs and backcross designs and 2 for F2 QTL检测方法 n连锁分析法（Linkage analysis） 1、原理：用连锁分析法定位QTL的基本原理是经典 遗传学中的连锁分析（两点测交、三点测交）。 2、问题：QTL本身在群体中的传递过程无法直接观 察。 3、解决办法：利用与QTL连锁的分子标记进行推断 。因为当一个分子标记与QTL连锁时，他们倾向于 一起遗传，这样我们就可以借助分子标记信息近似 估计QTL在群体中的传递情况。 QTL检测方法 4. 进行连锁分析的前提条件： （1）有充分覆盖整个基因组的分子标记连锁图 谱，使能在整个基因组范围内搜索QTL； （2）标记座位与QTL间存在连锁不平衡，即 不同的标记等位基因倾向于分别与不同的 QTL等位基因连锁； （3）数量性状在群（系）内（间）存在变异。 QTL检测方法 5. 常用分析方法： （1）单标记分析法：一次只使用一个标记， 对所选的标记逐个进行分析，筛选出与 QTL连锁的标记。 问题：所得结果为QTL效应值和标记与QTL 间交换率的混合结果 QTL检测方法 近交系杂交的F2设计 F1交配配子频率及后代基因型频率 MQmqMqmQ Frequency(1-r)/2(1-r)/2r/2r/2 MQ(1-r)/2 MMQQ (1-r)2/4 MmQq (1-r)2/4 MMQq r(1-r)/4 MmQQ r(1-r)/4 mq(1-r)/2 MmQq (1-r)2/4 mmqq (1-r)2/4 Mmqq r(1-r)/4 mmQq r(1-r)/4 Mqr/2 MMQq r(1-r)/4 Mmqq r(1-r)/4 MMqq r2/4 MmQq r2/4 mQr/2 MmQQ r(1-r)/4 mmQq r(1-r)/4 MmQq r2/4 mmQQ r2/4 QTL检测方法 近交系杂交的F2设计 设：r为重组率，QQ的效应值为a；Qq为d ；qq为-a。各标记组数量性状平均值： QTL检测方法 近交系杂交的F2设计 n均值差： 对均值差进行t检验（或其他统计检验）判定 标记是否与QTL连锁。 QTL检测方法 女儿设计 (daughter design) 配子频率及后代基因型频率 Sire Dams MQmqMqmQ 频频率(1-r)/2(1-r)/2r/2r/2 MQpMMQQ (1-r)p/2 mMQq (1-r)p/2 MMQq rp/2 mMQQ rp/2 MqqMMQq (1-r)q/2 mMqq (1-r)q/2 MMqq rq/2 mMQq rq/2 QTL检测方法 女儿设计 (daughter design) 平均值： QTL检测方法 女儿设计 (daughter design) QTL检测方法 （2）区间定位（Interval mapping, Lander & Botstein, 1989）: 同时利用两个侧翼标记位点信息，用似然函数方 法分析标记区间内任何一点上具有QTL的概率 ，进行似然比（Likelihood ratio）检验。与单 标记分析法比较，该法能大大提高QTL的检测 效率，并能较准确的估计出QTL的位置和效应 值。区间定位已成为目前QTL检测中的标准方 法，在动植物QTL检测中得到了广泛的应用。 QTL检测方法 n缺点： a.该方法并非真正的区间检验，某一区间的检验统计 量可能受到该染色体上其他区间的QTL效应影响。 b.考虑来自其他标记位点的信息，一次只利用两个标 记进行检验并不是最有效的方法。 为此，有人在此基础上提出了同时利用多个标记位点 信息的复合区间定位法（Composite interval mapping, Zeng,Z-B, 1993,1994）,该法能在 存在两个或多个连锁的QTL情况