GWAS與QTL的分析內(nèi)容與原理的比較

前言復(fù)雜性狀（Complextraits）通常是指由多個(gè)基因和環(huán)境共同作用的性狀，包括了數(shù)量性狀和常見(jiàn)的疾病等。因此研究復(fù)雜性狀的遺傳基礎(chǔ)就不能使用經(jīng)典的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)手段了（例如“孟德?tīng)柕耐愣埂保肀脔鑿?。全基因組關(guān)聯(lián)研究（Genome-WideAssociationStudy，簡(jiǎn)稱(chēng)GWAS）與數(shù)量性狀基因座定位（QuantitativeTraitLocusmapping，簡(jiǎn)稱(chēng)QTL定位）已經(jīng)成為研究復(fù)雜性狀遺傳結(jié)構(gòu)的重要手段。GWAS首先來(lái)聊聊GWAS，雖然才發(fā)展了十幾年，已經(jīng)在疾病研究和植物農(nóng)藝性狀遺傳研究當(dāng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，算是一個(gè)大熱點(diǎn)領(lǐng)域。此處需要祭出這張圖：“CommonVariants，commondiseases”，這個(gè)假設(shè)就是GWAS研究的前提。是的，沒(méi)看錯(cuò)，人類(lèi)對(duì)自身的探索了解和掌握永遠(yuǎn)是技術(shù)進(jìn)步的一大動(dòng)力，GWAS研究開(kāi)始也是為了研究人類(lèi)疾病以及其他特征的。GWAS的核心是基于分子標(biāo)記的連鎖不平衡（LD），利用LD來(lái)研究標(biāo)記與性狀之間關(guān)系。名詞解釋?zhuān)哼B鎖不平衡連鎖不平衡（linkagedisequilibrium，簡(jiǎn)稱(chēng)LD），是指在指定群體內(nèi)，不同位點(diǎn)等位基因間的非隨機(jī)性關(guān)聯(lián)，包括兩個(gè)標(biāo)記間/兩個(gè)基因間/一個(gè)基因與一個(gè)標(biāo)記間的非隨機(jī)關(guān)聯(lián)。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是：兩個(gè)不同位置的等位基因同時(shí)出現(xiàn)（連鎖）的概率，高于隨機(jī)出現(xiàn)的概率（不平衡）。GWAS-全基因組關(guān)聯(lián)分析，顧名思義，是在全基因組范圍內(nèi)，檢測(cè)多個(gè)個(gè)體的遺傳變異多樣性，獲得群體中每個(gè)個(gè)體的基因型；然后與性狀（即我們常說(shuō)的表型）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián)分析，根據(jù)統(tǒng)計(jì)量（主要指P值）篩選出候選變異位點(diǎn)和基因。QTL定位接下來(lái)，我們說(shuō)說(shuō)QTL定位，與GWAS相比，QTL定位可算歷史悠久，已經(jīng)發(fā)展了近一個(gè)世紀(jì)，是研究數(shù)量性狀遺傳基礎(chǔ)的主要手段。有趣的是，GWAS實(shí)質(zhì)是利用連鎖不平衡定位，而QTL的實(shí)質(zhì)，是確定分子標(biāo)記與QTL之間的連鎖關(guān)系，基本原理是QTL與連鎖標(biāo)記的共分離。當(dāng)分子標(biāo)記與某一個(gè)性狀的QTL連鎖時(shí)，不同標(biāo)記基因型個(gè)體的表型值將存在顯著差異。通過(guò)分析表型間差異，就可以推斷與分子標(biāo)記相連鎖的QTL的位置和效應(yīng)，也就是定位。名詞解釋?zhuān)哼B鎖與重組（建議添加一個(gè)滑動(dòng)窗口）在細(xì)胞減數(shù)分裂時(shí)，非同源染色體上的基因相互獨(dú)立，自由組合；而同源染色體中，同一染色體上的基因在遺傳過(guò)程中傾向于維系在一起，表現(xiàn)為基因連鎖（Linkage）；非姐妹染色單體間在減數(shù)分裂時(shí)發(fā)生交換，從而導(dǎo)致了染色體上的基因發(fā)生基因重組（Recombination）。來(lái)，一起復(fù)習(xí)下高中生物~~發(fā)生交換的兩條染色體上的Bb/Cc兩個(gè)等位基因發(fā)生了重組，Aa和Bb則表現(xiàn)為連鎖。；GWAS與QTL定位分析內(nèi)容不論是GWAS還是QTL定位分析，其分析對(duì)象都是多個(gè)個(gè)體的分子標(biāo)記，早期QTL研究用過(guò)各種細(xì)胞標(biāo)記，表型標(biāo)記等，近年來(lái)分子標(biāo)記如SSR標(biāo)記，SNP標(biāo)記隨著測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，成為了新寵，尤其是SNP標(biāo)記，是有生命力的分子標(biāo)記。GWAS和QTL定位的分析內(nèi)容如下表所示：GWASQTL定位獲取準(zhǔn)確的SNP標(biāo)記信息；對(duì)SNP標(biāo)記進(jìn)行變異注釋?zhuān)粯?gòu)建群體系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)；群體結(jié)構(gòu)分析：PCA，structure，親緣關(guān)系計(jì)算等；SNP標(biāo)記與代謝物或性狀關(guān)聯(lián)分析；候選基因篩選與功能分析；獲取準(zhǔn)確的SNP標(biāo)記信息；構(gòu)建遺傳連鎖圖譜并進(jìn)行評(píng)估；根據(jù)圖譜定位與性狀關(guān)聯(lián)的QTL；候選基因篩選與功能分析；下圖分別是GWAS和QTL定位分析文章中常見(jiàn)的圖：GWAS分析結(jié)果PCA圖和Manhattan圖QTL分析定位結(jié)果及其在遺傳圖譜上的展示名詞解釋?zhuān)篠NPSNP（singlenucleotidepolymorphism，單核苷酸多態(tài)性），是指基因組中某一特定核苷酸位置上發(fā)生轉(zhuǎn)換/缺失/插入等變化引起的單個(gè)核苷酸的差異，從而形成的遺傳多態(tài)性。SNP在基因座上密度非常高，分布廣泛，多態(tài)性豐富，是重要的分子標(biāo)記。名詞解釋?zhuān)哼z傳連鎖圖譜遺傳連鎖圖譜（geneticlinkagemap），是通過(guò)對(duì)染色體多態(tài)性分子標(biāo)記重組交換結(jié)果進(jìn)行連鎖分析，得到的基因在染色體上相對(duì)位置的排列圖。不同標(biāo)記之間的距離，由重組率來(lái)衡量。GWAS與QTL定位的區(qū)別GWAS和QTL都是利用分子標(biāo)記，對(duì)大量個(gè)體構(gòu)成的群體進(jìn)行分析，然后利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行推斷，獲得分子標(biāo)記和性狀之間的關(guān)聯(lián)。但是，二者也有很多區(qū)別：區(qū)別GWASQTL定位樣本群體變異豐富的自然群體，但不得有生殖隔離的亞群；有性狀分離的人工群體，例如RIL，DH，F(xiàn)2，BC群體等；群體結(jié)構(gòu)復(fù)雜簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)不需要構(gòu)建作圖群體；可以同時(shí)對(duì)多個(gè)等位基因進(jìn)行分析；利用群體長(zhǎng)期進(jìn)化中的重組信息，定位分辨率更高；1.適合稀有基因的研究；2.群體可控制，目的性和結(jié)果預(yù)期性強(qiáng)；缺點(diǎn)1.隨機(jī)交配掩蓋基因座間連鎖關(guān)系；2.群體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致定位結(jié)果假陽(yáng)性；3.關(guān)聯(lián)分析中需要大量的分子標(biāo)記，從中找到與性狀基因緊密連鎖的標(biāo)記，要對(duì)大群體進(jìn)行一定深度的測(cè)序；1.需要構(gòu)建作圖群體，有些物種群體構(gòu)建非常困難，并且耗時(shí)長(zhǎng)；2.檢測(cè)到的QTL個(gè)數(shù)有限，只涉及到分離群體中雙親存在差異的位點(diǎn)；3.無(wú)法檢測(cè)到復(fù)等位基因；4.QTL定位分辨率低，因?yàn)橹亟M事件比較有限；后記無(wú)論是GWAS還是QTL定位，目的都是為了找到與性狀/疾病緊密關(guān)聯(lián)的候選基因，找到候選基因僅僅只是一個(gè)開(kāi)始，后續(xù)還需要根據(jù)方案設(shè)計(jì)，結(jié)合其他組學(xué)手段，模型驗(yàn)證等來(lái)深入分析，任重而道遠(yuǎn)。邁維代謝提供的服務(wù)包括針對(duì)各種不同類(lèi)型的標(biāo)本制備（包括血液、尿液、組織提