Ανάλυση ποσοτικών χαρακτήρων Διακύμανση

Συνιστώσες της διακύμανσης Συνιστώσα της διακύμανσης Σύμβολο Τιμή της οποίας η διακύμανση αφορά Φαινοτυπική VP Φαινοτυπική τιμή Γονοτυπική VG Γονοτυπική τιμή Αθροιστική VA Κληροδοτική αξία Κυριαρχία VD Απόκλιση λόγω κυριαρχίας Επίσταση VI Απόκλιση λόγω επίστασης Περιβαλλοντική VE Απόκλιση λόγω περιβάλλοντος

Υπολογισμός του βαθμού γενετικού προσδιορισμού ενός χαρακτήρα, VG/VP P = G + E VP = VG+VE Βήμα 1ο: Εκτίμηση της παρατηρούμενης VP σε ομοιογενείς γενετικά πληθυσμούς (π.χ. αμιγή στελέχη ή η F1 γενεά από διασταυρώσεις μεταξύ τους) ισοδυναμεί με απευθείας εκτίμηση της VE Βήμα 2ο: Εφόσον το περιβάλλον διατηρείται σταθερό, η VG ενός ανομοιογενή γενετικά πληθυσμού προκύπτει από την αφαίρεση της VE (Βήμα 1ο) από την παρατηρούμενη VP του ανομοιογενή γενετικά πληθυσμού

Παρατηρούμενη Διακύμανση Παράδειγμα 1 Πληθυσμός Συνιστώσες Παρατηρούμενη Διακύμανση Τυχαία διασταυρούμενος πληθυσμός VP = VG+VE 0.366 Ομοιογενείς πληθυσμοί (F1) VE 0.186 Διαφορά VG VG/VP 0.180 0.180/0.366=0.49

Γενετικές συνιστώσες της διακύμανσης Αθροιστική διακύμανση (VA) και διακύμανση κυριαρχίας (VD) β = a + d (q-p) Γονότυπος Α1Α1 Α1Α2 Α2Α2 Συχνότητα p2 2pq q2 Τιμή +a d -a G 2q (a – pd) a (q-p) + d (1-2pq) -2p (a + qd) 2q (β – qd) (q-p)β + 2pqd -2p (β + pd) A 2qβ (q-p)β -2pβ D - 2q2d 2pqd -2p2d VA = p2(2qβ)2 + 2pq[(q-p)β]2 + q2(-2pβ)2 = … = 2pqβ2 = 2pq[a+d(q-p)]2 VD = p2(-2q2d)2 + 2pq(2pqd)2 + q2(-2p2d)2 = … = (2pqd)2 d = 0  VA = 2pqa2 d=a  VA = 8pq3a2 p = q = ½ VA = ½a2 VD = ¼d2

Παράδειγμα 2 q=0.3 VA = (2x0.7x0.3)x[4 + 2x(0.3-0.7)]2 d = 2, a = 4 q= 0.1 β = 2.4 q= 0.3 β = 3.2 VG 1.17 5.01 VA 1.04 4.30 VD 0.13 0.71 q=0.3 VA = (2x0.7x0.3)x[4 + 2x(0.3-0.7)]2 VD = (2x0.3x0.7x2)2 VG = VA + VD

VG=VA, d=0, max VG p=q

d = α maxVA, q=0.75 maxVG, q=0.7 max VD, q=0.5

Ανάλυση ποσοτικών χαρακτήρων Σε πληθυσμούς που ομομεικτούν κατά ένα ποσοστό F

Πεπερασμένο μέγεθος πληθυσμών Κάθε άτομο έχει 2 γονείς, 4 πάππους, 8 προ-πάππους κοκ. Δηλαδή t γενιές πίσω έχει 2t προγόνους Επομένως σε πληθυσμούς με πεπερασμένο μέγεθος τα άτομα έχουν στο εγγύς ή απώτερο παρελθόν ένα ή περισσότερους κοινούς προγόνους, είναι δηλαδή συγγενή Αναγκαστικά λοιπόν κάποιες τουλάχιστον από τις συζεύξεις που πραγματοποιούνται είναι μεταξύ συγγενών Έχουμε δηλαδή ΟΜΟΜΕΙΞΙΑ, σε κάποιο ποσοστό (F)

Ταυτόσημα από καταγωγή αλληλόμορφα Αρχική συχνότητα Αλλαγή λόγω ομομειξίας Προέλευση Ανεξάρτητη Ταυτόσημη Α1Α1 p2 +pqF = p2(1-F) + pF Α1Α2 2pq -2pqF = 2pq(1-F) Α2Α2 q2 = q2(1-F) + qF

Τιμές και μέσοι Συχνότητα Τιμή Συχνότητα x Τιμή Α1Α1 p2+pqF a p2a+pqaF Α1Α2 2pq-2pqF d 2pqd(1-F) Α2Α2 q2+pqF -a -q2a-pqaF MF = a(p-q)+2pqd(1-F) M0 = a(p-q) + 2pqd  MF = M0 – 2pqdF d=0, MF=M d  0, Ομομεικτικός υποβιβασμός

Παραδείγματα ομομεικτικού υποβιβασμού %Μ0 Άνθρωπος Ύψος (cm) σε ηλικία 10 ετών 1.6 Βοοειδή Γαλακτοπαραγωγή 3.2 Πρόβατα Απόδοση σε μαλλί (kgr) Σ.Β. (kgr) σε ηλικία 1 έτους 5.5 3.7 Χοίροι Μέγεθος τοκετοομάδας Σ.Β. (gr) σε ηλικία 6 εβδομάδων 3.1 4.3 Ποντικοί 7.2 0.6

Το φαινόμενο της ετέρωσης Οι απόγονοι F1 έχουν καλύτερα χαρακτηριστικά από τον μέσο όρο των γονέων Το ποσοστό της ετέρωσης HF1= ΜF1 – ΜP1,2 απόδοση F1 Β φυλή Α φυλή F1 Η ετέρωση αντανακλά φαινόμενα κυριαρχίας και υπερκυριαρχίας

Τύποι ετέρωσης Ατομική: οι παραγωγικές αποδόσεις των F1 Σ.Β. στον απογαλακτισμό Γ 8% 23% Περίπτωση A: Μάνα και απόγονος ανήκουν στην ίδια φυλή (π.χ. γαλακτοπαραγωγική) Περίπτωση Β: Μάνα γαλακτοπαραγωγικής φυλή, Πατέρας κρεοπαραγωγικής φυλής, Απόγονος F1 δείχνει 8% αύξηση ΣΒ κατά τον απογαλακτισμό σε σχέση με τον απόγονο της περίπτωσης Α (ατομική ετέρωση) Περίπτωση Γ: Η μάνα είναι άτομο F1 (απόγονος διασταύρωσης γαλακτοπαραγωγικής με κρεοπαραγωγική φυλή) και ο απόγονος της δείχνει 8% ατομική ετέρωση ενώ κερδίζει ένα 23% επιπλέον ΣΒ κατά τον απογαλακτισμό λόγω της ιδιαίτερα καλής μητρικής της συμπεριφοράς (μητρική ετέρωση) B 8% A

% επί του μέσου των διασταυρούμενων φυλών Είδος Χαρακτήρας Τύπος ετέρωσης % επί του μέσου των διασταυρούμενων φυλών Πρόβατα Γονιμότητα Μέγεθος τοκετοομάδας Αύξηση Σ.Β. Μητρική » Ατομική 7,3% 2,3% 2-4% Βοοειδή Βάρος σφαγίου Γαλακτοπαραγωγή Βιωσιμότητα 15% 4% 4,7%

QTL

Γενετικοί τόποι (loci) που επηρεάζουν ποσοτικούς χαρακτήρες (quantitative traits) QTL : Quantitative Trait Loci Περιοχές του γονιδιώματος στις οποίες εδράζουν γονίδια που συνεισφέρουν στην φαινοτυπική παραλλακτικότητα ποσοτικών χαρακτήρων. Ο εντοπισμός των περιοχών αυτών, η χαρτογράφηση δηλαδή, επιτυγχάνεται με τη χρήση μοριακών γενετικών δεικτών (genetic markers) και στατιστικών αναλύσεων (συσχέτιση, παλινδρόμηση) φαινοτύπου – γονοτύπου. Η αποτελεσματικότητα των στατιστικών αναλύσεων εξαρτάται από το ποσοστό της φαινοτυπικής διακύμανσης που μπορεί να εξηγηθεί κάθε φορά από τον γονότυπο και το μέγεθος του πληθυσμού που εμφανίζει διάσχιση για τις μοριακές γενετικές σημάνσεις.

Στρατηγικές για τον εντοπισμό QTL ΑΝΩΝΥΜΟΙ ΜΟΡΙΑΚΟΙ ΔΕΙΚΤΕΣ Πολυμορφισμοί στο επίπεδο του DNA (π.χ. μsat και SNPs) Απαιτείται ο προσδιορισμός του γονοτύπου για πολλές δεκάδες δεικτών που καλύπτουν ομοιόμορφα όλο το γονιδίωμα Εντοπίζουν δυνητικές περιοχές QTL με ανάλυση παλινδρόμησης Δεν εντοπίζουν τα υπεύθυνα γονίδια ΥΠΟΨΗΦΙΑ ΓΟΝΙΔΙΑ Γνωστή λειτουργία του υποψήφιου γονιδίου. Ωστόσο υπάρχουν κενά γνώσης.. Εμφανίζει τουλάχιστον δύο αλληλόμορφα, ένα εκ των οποίων σχετίζεται με τον φαινότυπο που ενδιαφέρει Αποτελεσματική μέθοδος για μονογονιδιακούς χαρακτήρες Σπάνια περίπτωση για ποσοτικούς χαρακτήρες

Όρια της κλασικής ποσοτικής γενετικής και οι ευκαιρίες των μοριακών δεικτών Περιορισμός Παράδειγμα Μοριακή βοήθεια Χαμηλό h2 Αναπαραγωγικοί χαρακτήρες Επιλογή με βάση τον γονότυπο και τον φαινότυπο Δύσκολη ή/και ακριβή η φαινοτυπική μέτρηση Χαρακτήρες που σχετίζονται με ασθένειες Εύκολη και φθηνή μέθοδος Ο φαινότυπος αργεί να εκφρασθεί Γρήγορη επιλογή με βάση τον γονότυπο Η φαινοτυπική μέτρηση απαιτεί θυσία του ατόμου Ποιοτικά χαρακτηριστικά σφαγίου Μοριακά δεδομένα διαθέσιμα εν ζωή Φυλοπεριοριζόμενα χαρακτηριστικά Γαλακτοπαραγωγή Γονότυπος μπορεί να είναι γνωστός νωρίς και για τα δύο φύλα Χαμηλό h2, σημαίνει ότι ο φαινότυπος δεν αποτελεί ασφαλές κριτήριο για την αξία ενός ατόμου από γενετική άποψη

Εντοπισμός QTL βασιζόμενος στην κοινή καταγωγή αλληλομόρφων (IDB) και την διατήρηση της ανισορροπίας σύνδεσης Andersson and Georges (2004): Domestic animal genomics. Deciphering the genetics of complex traits. Nat. Rev. Genetics (5):202-212

Το παράδειγμα της συνδακτυλίας στα βοοειδή Charlier et al.(1996): IDB mapping of recessive traits in livestock. Genome Res.6:580-589

Κοινά από καταγωγή αλληλόμορφα σε οικογένειες ετεροθαλών αδελφών Κοινά από καταγωγή αλληλόμορφα σε οικογένειες ετεροθαλών αδελφών. Το παράδειγμα των γαλακτοπαραγωγών αγελάδων. General principles of the proposed IBD fine-mapping method for QTL. In dairy cattle, QTL typically are mapped by using the granddaughter design, i.e., a series of paternal half-brother-ships with phenotypic values corresponding to the sons’ breeding values estimated from the milking performances of their daughters. The proposed approach consists of (i) identifying heterozygous Qq sires (highlighted in red) based on marker-assisted segregation analysis in their respective sons, (ii) genotyping these sires for a high-density marker map in the region of interest and establishing the linkage phase, (iii) sorting the sire chromosomes into two pools according to the associated effect on phenotype, and (iv) identifying a shared haplotype flanking the IBD QTL allele with large substitution effect present in one of the two pools. Riquet et al. (1999): Fine mapping by IDB. PNAS (96): 9252-9257

Το QTL στο χρωμόσωμα ΒΤΑ14 %F MY PY FY %P Identification of a shared haplotype in the + pool of Qq sire chromosomes. The graph on the left shows the location scores obtained along the marker map of BTA14 for milk yield (yellow line), protein yield (red line), fat yield (purple line), protein percentage (pink line), and fat percentage (blue line) by using the hsqm analysis software (7, 8). The location scores are expressed as χ2 statistics with 29 degrees of freedom. The experiment-wide threshold associated with a type I error of 5% is shown. Order and recombination rates between microsatellite markers and SNPs composing the BTA14 linkage map are given. The vertical bars in the center illustrate the genotypes of the seven postulated Qq sires. The gray bars correspond to the chromosomes of the − pool, while the blue bars correspond to the + pool. The postulated ancestral chromosome carrying the Q QTL allele is boxed in dark blue, while the chromosome segment shared identical-by-state by all seven sires is filled dark blue. The graph on the right illustrates the results obtained with dismult (21), measuring the statistical significance of the haplotype sharing observed in the + and − chromosome pools as a lod score. The experiment-wide threshold associated with a type I error of 5% as obtained by permutation is shown. Riquet J et al. PNAS 1999;96:9252-9257

Εντοπισμός QTL βασιζόμενος στην μείωση της ετεροζυγωτίας λόγω επιλογής (hitchhiking mapping) Andersson and Georges (2004): Domestic animal genomics. Deciphering the Genetics of complex traits. Nat. Rev. Genetics (5):202-212 Schlötterer (2003): Hitchhiking mapping. Trends in Genetics (19) : 32-38

Χονδροδυσπλασία Fgf4 in CAF18 Parker et al. Science 2009; 325: 995-998