Определение связи между двумя локусами генов. Выявление сцепления
Анализ сцепления — метод картирования генов, использующий семейные исследования для определения связи между двумя генами при их передаче от одного поколения другому. Для того чтобы решить, что два локуса сцеплены и, если да, то как сильно, мы основываемся на двух видах информации.
Во-первых, мы устанавливаем, значимо ли отклоняется частота рекомбинации Q между двумя локусами от 0,5; определение сцепления между двумя локусами эквивалентно выяснению того, отличается ли доля рекомбинаций между ними от 0,5 ожидаемой для несцепленных локусов.
Во-вторых, если доля рекомбинаций менее чем 0,5, нужно оценить ее наилучшим образом, поскольку это покажет, насколько тесно сцеплены локусы. В обоих случаях применяют статистический метод отношения правдоподобия. Правдоподобие — меры вероятности, шансы — отношения правдоподобия. Отношения правдоподобия рассчитывают следующим образом.
Изучают фактические семейные данные, подсчитывают число детей, имеющих рекомбинацию между локусами и, наконец, вычисляют правдоподобие (вероятность) наблюдаемого значения Q в интервале от 0 до 0,5. Затем вычисляют вторую вероятность, основанную на гипотезе, что два локуса не сцеплены, т.е. Q=0,50. Мы рассматриваем отношение правдоподобия наблюдаемых в семейных данных значений Q и правдоподобия при условии отсутствия сцепления между локусами и тем самым получаем отношение шансов:
1) Правдоподобие данных, если локусы сцеплены с некоторым коэффициентом Q
2) Правдоподобие данных, если локусы не сцеплены (Q = 0)
Вычисленные отношения шансов для значений Q обычно представляют в форме десятичных логарифмов и называют LOD-оценкой (Z) логарифма шансов (log of the odds). (Использование логарифмов позволяет объединять данные, полученные из разных семей простым сложением).
Анализ сцепления менделирующих болезней, основанный на моделях (прототипах)
• Анализ сцепления называют модельным (или параметрическим), если допускают, что существует конкретный тип наследования (аутосомно-доминантный, аутосомно-рецессивный или Х-сцепленный), объясняющий наследование признака.
• Анализ LOD-оценки допускает картирование генов, мутации в которых вызывают болезни, передающиеся по менделирующему типу.
• LOD-оценка дает:
- наилучшую оценку частоты рекомбинации (Qmax) между маркерным локусом и локусом болезни;
- оценку того, насколько хорошо подтверждается сцепление этой величиной Qmax. Величины LOD-оценки более 3 считают надежным подтверждением.
• Сцепление с конкретным значением Qmax локуса гена болезни и маркера с известной физической позицией подразумевает, что локус гена болезни должен располагаться около маркера.
Отношение шансов важно в двух смыслах. Во-первых, оно обеспечивает статистически правильный метод для использования семейных данных при оценке частоты рекомбинации между локусами. Дело в том, что статистическая теория гласит, что величина, дающая наибольшую величину Z, фактически, наилучшая оценка доли рекомбинации, которую можно сделать, основываясь на имеющихся данных. Эта величина называется Qmax. Если Q отличается от 0,50, мы получаем подтверждение сцепления.
Тем не менее хотя Qmax — наилучшая оценка Q, насколько она хороша? Отношение шансов отвечает и на этот вопрос, поскольку, гем выше велигина Z, тем лугше оценка Qmax. Положительные величины Z (шансы >1) при данной Q указывают, чтобы два локуса сцеплены, тогда как отрицательные (шансы <1), предполагают, что сцепление менее вероятно, чем возможность, что два локуса не сцеплены.
Принято считать, что комбинированная оценка LOD +3 или больше (эквивалентно шансам выше, гем 1000:1 в пользу сцепления), является оконгателъным подтверждением, что два локуса сцеплены.
Картирование генов анализом сцепления предоставляет возможность локализовать важные для медицины гены, руководствуясь наследованием болезни и наследованием аллелей в полиморфных маркерах, если локус болезни и локус полиморфного маркера сцеплены. Вернемся к семье, показанной на рисунке. Мать имеет аутосомно-доминантную форму пигментного ретинита. Есть десятки других форм этой болезни, многие из них картированы в специфических местах в пределах генома и гены которых известны.
Мы не знаем, которую из форм пигментного ретинита имеет мать. Она также гетерозиготна по двум локусам в хромосоме 7 (один в 7р14 и один в дистальном конце длинного плеча). Можно видеть, что в этой семье передача мутантного аллеля (D) неизменно «следовала» за аллелем В в локусе маркера 2 от первого поколения второму. Все три потомка с болезнью (по-видимому, унаследовавшие материнский мутантный аллель D в локусе RP), также унаследовали аллель В в локусе маркера 2. Все потомство, унаследовавшее материнский нормальный аллель d, унаследовало b аллель и не имеет пигментного ретинита. В то же время ген пигментного ретинита не имеет тенденции следовать за аллелем в локусе маркера 1.
Вероятно, мы получили бы Q как «истинную» долю рекомбинации между локусом пигментного ретинита и локусом 2, если бы у нас было неограниченное число потомков. С этой точки зрения, Q можно рассматривать как вероятность того, что рекомбинация происходит между двумя локусами в каждом мейозе. Поскольку рекомбинация или происходит, или нет, вероятность рекомбинации, равная Q, и вероятность отсутствия рекомбинации должны в сумме давать единицу. Следовательно, вероятность, что рекомбинация не происходит, равна Q-1. Фактически, есть только шесть потомков без рекомбинации.
Поскольку каждый мейоз является независимым случаем, мы перемножаем вероятности рекомбинации (Q) или отсутствия рекомбинации (Q-1) для каждого ребенка. Вероятность наблюдения ни одного ребенка с рекомбинацией и шестерых без рекомбинации между пигментным ретинитом и маркером локуса 2, таким образом, равна Q°х(1-Q)6. Оценка LOD между локусами пигментного ретинита и маркером 2, равна:
Максимальная величина Z равна 1,81, встречающаяся, когда Q=0, и предполагает, но не уверенно, наличие сцепления, поскольку значение Z — положительное, но меньше 3.
Объединение информации LOD-оценки из разных семей
Таким же образом, каждый мейоз в семье, производящей нерекомбинантное или рекомбинантное потомство — независимый случай, так же независимы и мейозы, происходящие в других семьях. Следовательно, мы можем перемножить вероятности в числителе и знаменателе отношений правдоподобия отдельных семей. Аналогичное, но более удобное вычисление — сложить десятичные логарифмы (log10) всех вычисленных отношений правдоподобия, формируя общую Z-оценку для всех семей.
Родословная наследования пигментного ретинита
В случае пигментного ретинита на рисунке, предположим, что изучались две других семьи и в одной не обнаружена рекомбинация между локусом 2 и пигментным ретинитом у четырех детей, а в третьей нет рекомбинации у пяти детей. Для каждой семьи рассчитаны индивидуальные LOD-оценки, затем сложенные вместе. В этом случае, можно было бы говорить, что ген пигментного ретинита в этой группе семей сцеплен с локусом 2.
Поскольку хромосомная позиция полиморфного локуса 2 известна — 7р14, пигментный ретинит в этой семье может картироваться в области вокруг 7р14, рядом с локусом RP9, уже определенным для одной из форм аутосомно-доминантного пигментного ретинита.
Если некоторые анализируемые семьи имеют пигментный ретинит из-за мутаций в другом локу-се, оценки LOD между семьями будут расходиться: некоторые будут показывать небольшую положительную, другие — резко отрицательную оценку. Можно все еще складывать Z-оценки вместе, но результат даст быстрый спад в общей LOD-оценке. Таким образом, при анализе сцепления, включающем более одной семьи, не заподозренная гетерогенность локуса может скрывать сцепление, существующее в подмножестве семей.
