Одно из наибольших достижений геномики человека, вызванное завершением секвенирования — проект создания геномной карты гаплотипов (HapMap). Цель проекта HapMap — измерить неравновесность сцепления между миллионами близко расположенных SNP для всего генома, чтобы подробно описать генетический «пейзаж».
Чтобы достичь этой цели, генетики собрали и охарактеризовали миллионы SNP-локусов, разработав методы их быстрого и недорогого генотипирования, используя для измерения неравновесности сцепления между соседними маркерами для всего генома.
Измерения проводили в образцах, включающих как неродственных индивидов, так и ядерные семьи (ребенок и его родители), полученные у четырех географически отличающихся групп: преимущественно европейская популяция, популяция западной Африки, китайская популяция Хань и популяция из Японии.
Что мы узнали благодаря проекту HapMap? Во-первых, анализ показал, что более 90% всех SNP распространены среди таких географически различных популяций, как жители западной Африки, европейцы и восточные азиаты с частотами аллелей, аналогичными в разных популяциях.
Этот факт указывает, что большинство SNP возникли очень давно, до волны эмиграции из Восточной Африки, заполнившей остальные части света. Определенная доля SNP тем не менее может иметь аллели, которые присутствуют в некоторых популяциях и отсутствуют в других, или выраженные различия в частотах между популяциями в разных частях света.
Эти различия в частотах аллелей между популяциями, наблюдающиеся в небольшой доле SNP, могут быть результатом генетического дрейфа/эффекта родоначальника или отбора в отдельных географических регионах после миграции из Африки. Такие SNP, названные предковыми информационными маркерами, используют в исследованиях происхождения человека, миграций и потока генов.
В некоторых случаях их использовали в судебных исследованиях для определения вероятной этнической принадлежности виновника преступления, единственной уликой которого оказалась ДНК, оставленная на месте преступления.
Во-вторых, когда попарные измерения неравновесия сцепления были проведены по всему геному, протяженные SNP сгруппировали в кластеры различного размера, в которых SNP в любой группе имели высокие уровни неравновесности сцепления друг с другом, но не с внешними, окружающими кластер полиморфизмами.
Например, девять SNP в группе 1, показанные на рисунке, имеют возможность сформировать 29=512 различных гаплотипов; но 98% всех наблюдаемых гаплотипов составляют только пять из них. Величины D' между SNP в пределах группы значительно выше 0,8. Эти группы SNP с высокой неравновесностью сцепления, разделенные на хромосоме сегментами размером от нескольких килобаз до нескольких сотен килобаз, названы блоками неравновесного сцепления.
Размеры конкретных блоков неравновесного сцепления в разных популяциях не идентичны. Африканские популяции имеют меньшие блоки (в среднем 7,3 килобазы на блок) по сравнению с 16,3 килобаз у европейцев; китайские и японские блоки имеют промежуточные размеры, сравнимые друг с другом (в среднем 13,2 килобазы).
Это различие в размере блоков — почти несомненно результат меньшего количества поколений с тех пор как возникли неафриканские популяции по сравнению с популяциями в Африке, что ограничивало возможности для рекомбинации, вызывающей расхождение областей неравновесного сцепления.
В-третьих, когда были вычислены попарные частоты рекомбинации между тесно граничащими SNP, отношение генетического расстояния и физического размера, обсужденное ранее, оказалось довольно стабильным и равным 1 сМ/Мб на целой хромосоме, колеблясь от менее 0,01 сМ/Мб до более чем 60 сМ/Мб при измерении с точностью до нескольких килобаз.
Такие измерения рекомбинации с высоким разрешением предполагают изучение многих десятков тысяч мейозов. Родословные как источник такого множества мейозов оказались на практике не пригодными. Таким образом, приходится доверять прямому измерению генотипирования мужской рекомбинации во множестве отдельных сперматозоидов (трудоемкая и технически сложная работа и, следовательно, плохо подходящая для измерения всего генома) или использовать методы популяционной генетики для оценки числа рекомбинаций, происходивших в ходе множества мейозов в течение тысяч поколений.
Итак, то, что прежде считалось единой частотой рекомбинации между миллионами полиморфных маркеров, при тщательном рассмотрении с точностью в несколько десятков килобаз ДНК, фактически оказалось результатом усреднения «горячих точек» рекомбинации, распределенных среди участков с низкой или вообще отсутствующей рекомбинацией. Биологическая основа для горячих точек рекомбинации остается неизвестной.
Наконец, если HapMap блоков неравновесного сцепления сравнивать с областями генома, для которых доступны генетические карты чрезвычайно высокого решения, часто оказывается, что границы между соседними блоками неравновесного сцепления и регионами с заметно повышенной рекомбинацией совпадают. Корреляция не всегда полная, и многие явные границы между блоками неравновесного сцепления не совпадают с явными горячими точками рекомбинации.
Это несоответствие не удивляет, учитывая наши существующие представления о неравновесности сцепления: они вызваны не только вероятными случаями рекомбинации (т.е. «горячими точками»), но и возрастом популяции и частотой существующих гаплотипов у родоначальников этой популяции.
Цель HapMap — не просто собрать основную информацию о генетической архитектуре и истории генома человека. Первичная цель была разработать новое мощное средство для обнаружения генетических вариантов, связанных с болезнями человека. Далее в этой главе описано, как НарМар может помочь достижению этой цели.
