专题一：QTL及其定位方法课件.ppt

1、专题一：QTL及其定位方法QTL的概念的概念 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, 2

2、000 QTL的概念的概念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：一个理解：一个QTL指在基因组中占据一定染色体区域，指在基因组中占据一定染色体区域，控制同一性状的

3、一组微效多基因的集合（基因簇）或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单个基因。但目前的研究中大部分将QTL理解为单理解为单个基因（或主效基因）。一个数量性状可能受多个个基因（或主效基因）。一个数量性状可能受多个QTL影响；一个影响；一个QTL也可能影响多个数量性状。也可能影响多个数量性状。 QTL的概念的概念QTL的特点（与传统的孟德尔因子比较）的特点（与传统的孟德尔因子比较）结构更松散，一个结构更松散，一个QTL内各微效基因间可能有比孟内各微效基因间可能有比孟德尔因子内高得多的重组率，因此一个德尔因子内高得多的重组率，因此一个QTL并不象并不象一个孟

4、德尔位点那样独立分离和有明显的性状效应。一个孟德尔位点那样独立分离和有明显的性状效应。 QTL的概念的概念QTL概念提出的意义（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

5、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

6、 improve our understanding of evolution (and/or the development of the quantitative traits). QTL检测方法检测方法Candidate gene approach(Hayes,2007)The 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 pa

7、rts 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 approachThere are two problems with the candidate gene approach:Firstly, there are usually a lar

8、ge 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 part

9、icular trait.QTL检测方法检测方法 侯选基因途径的原理与方法：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。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：数量性状记录和分子标记分析：PCR-RFLP,PCR-SSCP,MS,SNP等。等。 QTL检测方法检测方法3、关联分析（关联分析（Association analysis） （1）Marker-based approac

10、h:按标记基因型对个体分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（组，然后对数量性状记录进行统计分析（t检验，检验， 方方差分析等）差分析等） （2）Trait-based approach（Selective genotyping）:根据性状表型值分别选取根据性状表型值分别选取10-15%的高的高值个体和值个体和10-15%低值个体形成高低值个体形成高低值群体，对两低值群体，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

11、等）。精确检验等）。（3）效应值估计：效应值估计：a, d。 QTL检测方法检测方法关键：侯选基因的挑选及其准确性关键：侯选基因的挑选及其准确性 优点：成本低（与连锁分析法比较）优点：成本低（与连锁分析法比较） 缺点：需具备数量性状形成的生物学、生理、生缺点：需具备数量性状形成的生物学、生理、生化等知识化等知识 经典例子：影响猪产仔数的经典例子：影响猪产仔数的ESR基因（基因（M. Rothschild et al 1996） QTL检测方法检测方法研究猪产仔数的意义研究猪产仔数的意义 繁殖性状在猪生产中具有重要意义；繁殖性状在猪生产中具有重要意义； 猪的繁殖性状遗传力低，常规选择效猪的繁殖性

12、状遗传力低，常规选择效果不好；果不好； 不同猪群存在较大的产仔数差异；不同猪群存在较大的产仔数差异； QTL检测方法检测方法选定选定ESR作为侯选基因的依据作为侯选基因的依据 类固醇类激素在繁殖过程中有重要作用；类固醇类激素在繁殖过程中有重要作用； 人类中发现人类中发现ESR的突变引起自发流产及乳腺癌；的突变引起自发流产及乳腺癌； 转基因研究发现携带突变转基因研究发现携带突变ESR的鼠与正常鼠繁殖的鼠与正常鼠繁殖力有重大变化；力有重大变化； 经典的经典的RFLP研究发现研究发现ESR存在多态性存在多态性（A:3.7;B:4.3kb; 1.3kb cDNA Probe） QTL检测方法检测方法

13、Meishan synthetic lines Large White synthetic lines No. of sires27No. of sires181No. of dams50No. of dams565No. of females161No. of females1079No. of first parity records161No. of first parity records1079No. of all parity records276No. of all parity records1912QTL检测方法检测方法统计性状及分析方法统计性状及分析方法 TNB-Total

14、 number born; NBA-Number born alive; ADG-Average daily gain; BF-Backfat thickness; FN-Number of functional nipples 模型：动物模型模型：动物模型 egenotypefarrowgenerationyAdditive effect was estimated as the linear regression of litter size on ESR (for all alleles, P0.01). Dominance effect was estimated from the l

15、east squares means.a,b means P0.01; cd ESR genotype Meishan synthesis lines First Parity All parities NTNBNBANTNBNBAAA6210.1a9.19811.0a10.2aAB7311.4b10.5125 12.4b11.5bBB2612.4b11.45312.5b11.7ba 1.21.20.90.8d 0.20.20.70.6QTL检测方法检测方法ESR genotype Large White synthesis lines First Parity All parities NT

16、NBNBANTNBNBAAA4449.5c8.7c7599.8a9.0bAB3919.9c,d9.2c,d677 10.4b9.5bBB224 10.7d9.9d476 10.7b9.9ba0.60.60.50.5d-0.2-0.10.20.0QTL检测方法检测方法讨论：讨论： 研究结果表明：研究结果表明：ESR位点存在变异，且其中一个最早位点存在变异，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。在梅山猪中发现的等位基因与高窝仔数有显著关联。 尽管所有各胎的数据不足以排除尽管所有各胎的数据不足以排除ESR-B等位基因对产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

17、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。肯定是加性的。 ESR-B等位基因在梅山合成系中约增加等位基因在梅山合成系中约增加20%的窝仔数，的窝仔数，每窝仔猪可产生约每窝仔猪可产生约$15-30的利润（美国市场条件的利润（美国市场条件下）。下）。 QTL检测方法检测方法ESR-B等位基因在头胎及以后胎次中对窝产仔数效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。环境效应所掩盖。 一个未解决的问题是一个未解决的问题是ESR基因在控制窝仔数性状中的基因在控制窝仔数性状中的实际作用？

18、作者假设它可能控制胚胎的成活力，但这实际作用？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。一假设需进一步验证。 使用大白遗传背景的猪群进一步证实了使用大白遗传背景的猪群进一步证实了ESR-B等位等位基因对头胎及所有各胎窝仔数有明显效应，但在大白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，这表明遗传背景在背景下效应较小，这表明遗传背景在ESR基因的表达基因的表达中可能有作用或中可能有作用或ESR本身并不是控制窝仔数的主基因本身并不是控制窝仔数的主基因而只是一个连锁基因。而只是一个连锁基因。 QTL检测方法检测方法对与对与ESR基因连锁的各标记进一步进行分析发现在所基

19、因连锁的各标记进一步进行分析发现在所研究的标记中，用研究的标记中，用ESR预测窝仔数效率最高，但这并预测窝仔数效率最高，但这并不能确定不能确定ESR是控制窝仔数的一个主基因，不过这些是控制窝仔数的一个主基因，不过这些结果至少表明结果至少表明ESR是一个与控制窝仔数基因紧密连锁是一个与控制窝仔数基因紧密连锁的基因。的基因。 ESR基因附近的雌性连锁图：基因附近的雌性连锁图：2 QTL检测方法检测方法问题：问题： 侯选基因区可能会有多个多态位点，按传统的侯选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。有关基因法可一个个进行分析。有关ESR基因的研究实基因的研究实际上作了这一

20、工作，但受当时的技术条件限制，所际上作了这一工作，但受当时的技术条件限制，所找到的标记均距找到的标记均距ESR基因较远基因较远使用如使用如SNP等标等标记进行精细作图。记进行精细作图。这些位点如为紧密连锁的，这些位点如为紧密连锁的， 而且这些多态位点的连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。不独立，这样如一个个分析就会有问题。 分析模型中隐含的假设是该位点只有两个等位基因，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。这一假设从生物学上讲并不严谨。 QTL检测

21、方法检测方法QTL mapping(Hayes,2007)QTL 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. A DNA marker is an identifiable physic

22、al location on a chromosome whose inheritance can be monitored. Markers 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检测方法检测方法QTL mapping(Hayes,2007) The problem with mapping QTL exploitin

23、g 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. To illustrate this, consider the formula that Darvasi and Soller (1997) gave for estimating the 95% CI for QTL location for simple QTL m

24、apping 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 pare

25、nts per individual, which is equal 1 for half-sibs and backcross designs and 2 for F2QTL检测方法检测方法连锁分析法（连锁分析法（Linkage analysis） 1、原理：用连锁分析法定位原理：用连锁分析法定位QTL的基本原理是经典遗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）。传学中的连锁分析（两点测交、三点测交）。 2、问题：问题：QTL本身在群体中的传递过程无法直接观本身在群体中的传递过程无法直接观察。察。 3、解决办法：利用与、解决办法：利用与QTL连锁的分子标记进行推断。连锁的分子标

26、记进行推断。因为当一个分子标记与因为当一个分子标记与QTL连锁时，他们倾向于一连锁时，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起遗传，这样我们就可以借助分子标记信息近似估计计QTL在群体中的传递情况。在群体中的传递情况。QTL检测方法检测方法4. 进行连锁分析的前提条件：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）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能在整个基因组范围内搜索QTL；（2）标记座位与）标记座位与QTL间存在连锁不平衡，即不同的间存在连锁不平衡，即不同的标记等位基因倾向于分别与不同的标记等位基因倾向于分别

27、与不同的QTL等位基因连等位基因连锁；锁；（3）数量性状在群（系）内（间）存在变异。）数量性状在群（系）内（间）存在变异。 QTL检测方法检测方法5. 常用分析方法：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）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，筛选出与的标记逐个进行分析，筛选出与QTL连锁的标记。连锁的标记。问题：所得结果为问题：所得结果为QTL效应值和标记与效应值和标记与QTL间交换间交换率的混合结果率的混合结果 QTL检测方法检测方法近交系杂交的近交系杂交的F2设计设计F1交配配子频率及后代基因型频率交配配子频率及后代基因型频率 MQmqMqmQ

28、Frequency(1-r)/2(1-r)/2r/2r/2MQ(1-r)/2MMQQ(1-r)2/4MmQq(1-r)2/4 MMQqr(1-r)/4 MmQQr(1-r)/4 mq(1-r)/2MmQq(1-r)2/4mmqq(1-r)2/4 Mmqqr(1-r)/4 mmQqr(1-r)/4 Mqr/2MMQqr(1-r)/4 Mmqqr(1-r)/4 MMqqr2/4 MmQqr2/4 mQr/2MmQQr(1-r)/4 mmQqr(1-r)/4 MmQqr2/4 mmQQr2/4 QTL检测方法检测方法近交系杂交的近交系杂交的F2设计设计设：r为重组率， 的效应值为a；Qq为d；qq为

29、-a。各标记组数量性状平均值： 4/ )()1 (4/)1 (24/4/24/ )(1 (24/)1 (24/)1 ( 24/ )(4/)1 (24/)1 (22mm22Mm22MMardrrardrarrarrdrardrrar QTL检测方法检测方法近交系杂交的近交系杂交的F2设计设计均值差：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。ararrardrrarardrrar)21 (212)1 (2414)()1 ()1 (24)()1 (2)1(222222mmMM QTL检测方法检测方法女儿设计女儿设计 (daughter design)配子频率及后代基因型

30、频率配子频率及后代基因型频率 SireDamsMQmqMqmQ频率频率(1-r)/2(1-r)/2r/2r/2MQpMMQQ (1-r)p/2mMQq(1-r)p/2 MMQqrp/2 mMQQrp/2 MqqMMQq(1-r)q/2 mMqq(1-r)q/2 MMqqrq/2 mMQqrq/2 QTL检测方法检测方法女儿设计女儿设计 (daughter design)平均值：平均值： rqdrpaaqrpdrarqrpdqdrpar2121)()1 (21)1 (21)(2121)1 (21)1 (21mMQTL检测方法检测方法女儿设计女儿设计 (daughter design)21 (21

31、)()21 (21)(21 ()21 (21)1 ()1 ()1 ()1 (21mMrdpqardpqrarrqdpdrrpdqdrrpaqarrqaparQTL检测方法检测方法（2）区间定位区间定位（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标记区间内任何一点上具有QTL的概率，进行似然比的概率，进行似然比（Likelihood ratio）检验。与单标记分析法比较，该法检验。与单标记分析法比较，该法能大大提高能大大提高QTL的

32、检测效率，并能较准确的估计出的检测效率，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的位置和效应值。区间定位已成为目前QTL检测中的标检测中的标准方法，在动植物准方法，在动植物QTL检测中得到了广泛的应用。检测中得到了广泛的应用。 QTL检测方法检测方法缺点：缺点： a.该方法并非真正的区间检验，某一区间的检验统计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量可能受到该染色体上其他区间的QTL效应影响。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。记进行检验并不是

33、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信息的复合区间定位法（Composite interval mapping, Zeng,Z-B, 1993,1994）,该法能在存在该法能在存在两个或多个连锁的两个或多个连锁的QTL情况下，对情况下，对QTL的位置和效的位置和效应提供更精确的估计。应提供更精确的估计。 用于用于QTL 定位的群体定位的群体1、近交系间的杂交：近交系间的杂交：F2，BC,植物中还有植物中还有DH，RIL DH：Doubled haploids,单倍加倍系，取近交系杂交单倍加倍系，取近交系杂

34、交得到的得到的F1的精细胞，将其染色体加倍形成。的精细胞，将其染色体加倍形成。 RIL：Recombinant inbreeding lines,重组近交系，重组近交系，由由F1个体自交得到。个体自交得到。 用于用于QTL 定位的群体定位的群体2、有差异群体间杂交：与近交系杂交类似，但使用、有差异群体间杂交：与近交系杂交类似，但使用远缘种远缘种(系系)间杂交，如使用商用蛋鸡系和肉鸡系间间杂交，如使用商用蛋鸡系和肉鸡系间的杂交及野猪与家猪杂交等。的杂交及野猪与家猪杂交等。3、远交群体：女儿设计（、远交群体：女儿设计（ Daughter design）及孙）及孙女设计女设计(Granddaught

35、er Design) 统计方法统计方法 一般线性模型法：主要利用均值及方差信息，常用一般线性模型法：主要利用均值及方差信息，常用方法有方差分析法方法有方差分析法（ANOVA），简单回归法及多，简单回归法及多元回归法。元回归法。 最大似然法：利用资料的分布特征，因而效率更高。最大似然法：利用资料的分布特征，因而效率更高。 混合线性模型法：利用亲属信息。混合线性模型法：利用亲属信息。 图距函数图距函数Haldane图距函数：图距函数： Kosambi图距函数：图距函数： 210);21ln(21rrx210;2121ln41rrrxQTL检测所需标记数预估检测所需标记数预估（Lange and B

36、oehnke，1982） N:随机分布于基因组中的标记位点数随机分布于基因组中的标记位点数dm：任何两个标记间的最大距离：任何两个标记间的最大距离L：基因组总的图距长度：基因组总的图距长度p：任何两个标记间距离不大于：任何两个标记间距离不大于dm的概率的概率 )1ln()/()/1ln()1ln(pdLLdpNmmQTL检测所需标记数预估检测所需标记数预估例：人的基因组总长为例：人的基因组总长为3300cM，要以，要以90%的概率得到一个标记间不超过的概率得到一个标记间不超过2cM的饱和标记图谱，至少需的饱和标记图谱，至少需3800个随机个随机标记位点。如果标记间是均匀分布的，标记位点。如果标记间是均匀分布的，则需则需1650个标记。在个标记。在QTL检测中，通检测中，通常要求标记的平均距离在常要求标记的平均距离在10cM以下。以下。