V kvantitativní genetice se dědičností kvantitativních znaků rozumí dědičnost fenotypové vlastnosti, která se liší stupněm a která může být přisuzována interakcím mezi dvěma nebo více geny a jejich prostředím (také nazývaná polygenní dědičnost). Ačkoli ne nutně geny samotné, kvantitativní trait loci (QTL) jsou úseky DNA, které jsou úzce spojeny s geny, které tvoří základ daného znaku. QTL mohou být molekulárně identifikovány (například pomocí PCR), což pomůže zmapovat oblasti genomu, které obsahují geny podílející se na specifikaci kvantitativního znaku. To může být raný krok při identifikaci a sekvenování těchto genů.
Polygenní dědičností se rozumí dědičnost fenotypové charakteristiky (znaku), kterou lze přičíst dvěma nebo více genům a kterou lze měřit kvantitativně. Multifaktoriální dědičností se rozumí polygenní dědičnost, která zahrnuje také interakce s prostředím. Na rozdíl od monogenních znaků se polygenní znaky neřídí vzorci Mendelovy dědičnosti (oddělené znaky). Místo toho se jejich fenotypy typicky mění podél spojitého gradientu znázorněného zvonovou křivkou.
Příkladem polygenního znaku je barva lidské kůže. Mnoho genů se podílí na určení přirozené barvy kůže člověka, takže modifikace pouze jednoho z těchto genů mění barvu jen nepatrně. Mnoho poruch s genetickými složkami je polygenních, včetně autismu, rakoviny, cukrovky a mnoha dalších. Většina fenotypových charakteristik je výsledkem interakce více genů.
Příklady chorobných procesů obecně považovaných za výsledky multifaktoriální etiologie:
Multifaktoriálně dědičná onemocnění prý tvoří většinu genetických poruch postihujících člověka, které vyústí v hospitalizaci nebo zvláštní péči nějakého druhu.
Multifaktoriální rysy obecně
Obecně platí, že multifaktoriální znaky mimo nemoc přispívají k tomu, co vnímáme jako spojité charakteristiky organismů, jako je výška, barva kůže a tělesná hmotnost. Všechny tyto fenotypy jsou komplikovány velkou souhrou mezi geny a prostředím. Výše popsané spojité rozložení znaků, jako je výška a barva kůže, odráží působení genů, které nevykazují zcela typické vzory dominance a recesivity. Místo toho se má za to, že příspěvky každého zúčastněného lokusu jsou aditivní. Spisovatelé rozlišují tento druh dědičnosti jako polygenní neboli kvantitativní dědičnost.
Vzhledem k povaze polygenních znaků se tedy dědičnost nebude řídit stejným vzorem jako jednoduchý monohybridní nebo dihybridní kříženec. Polygenní dědičnost lze vysvětlit jako Mendelovu dědičnost na mnoha lokusech, jejímž výsledkem je znak, který je normálně rozložen. Pokud n je počet zapojených lokusů, pak koeficienty binomické expanze (a + b)2n budou udávat frekvenci distribuce všech kombinací n alel. Pro dostatečně vysoké n se toto binomické rozdělení začne podobat normálnímu rozdělení. Z tohoto pohledu se stav nemoci projeví na jednom z konců rozdělení, za nějakou prahovou hodnotou. Stavy nemoci zvyšující se závažnosti se budou očekávat s tím, čím dále bude jeden překračovat prahovou hodnotu a vzdalovat se od průměru.
Dědičné onemocnění a multifaktoriální dědičnost
Mutace vedoucí ke stavu onemocnění je často recesivní, takže obě alely musí být mutantní, aby se onemocnění projevilo fenotypicky. Onemocnění nebo syndrom může být také výsledkem exprese mutovaných alel na více než jednom lokusu. Pokud se na onemocnění podílí více než jeden gen s přítomností spouštěčů prostředí nebo bez nich, říkáme, že onemocnění je výsledkem multifaktoriální dědičnosti.
Čím více genů se podílí na křížení, tím více se distribuce genotypů bude podobat normální, nebo Gaussově distribuci. To ukazuje, že multifaktoriální dědičnost je polygenní a genetické frekvence lze předpovědět pomocí polyhybridního Mendelova kříže. Fenotypové frekvence jsou něco jiného, zejména pokud jsou komplikovány faktory prostředí.
Paradigma polygenní dědičnosti, které se používá k definování multifaktoriální nemoci, se setkalo s mnoha neshodami. Turnpenny (2004) pojednává o tom, jak jednoduchá polygenní dědičnost nedokáže vysvětlit některé nemoci, jako je nástup diabetes mellitus I. typu, a že v případech, jako je tento, se má za to, že ne všechny geny mají stejný přínos.
Předpokladem polygenní dědičnosti je, že všechny zúčastněné lokusy přispívají k příznakům onemocnění stejným dílem. To by mělo vést k normální křivkové distribuci genotypů. Pokud tomu tak není, nelze myšlenku polygenetické dědičnosti u tohoto onemocnění podpořit.
Zběžný pohled na některé příklady
Příklady takových onemocnění nejsou v medicíně novinkou. Výše uvedené příklady jsou známými příklady onemocnění, která mají genetické i environmentální složky. Dalšími příklady jsou atopická onemocnění, jako je ekzém nebo dermatitida; dalšími příklady jsou také spina bifida (otevřená páteř) a anencefalie (otevřená lebka).
Zatímco schizofrenie je biopsychiatry všeobecně považována za multifaktoriálně genetickou, žádné charakteristické genetické markery nebyly s jistotou stanoveny.
Pokud se prokáže, že bratři a sestry pacienta mají tuto nemoc, pak je velká šance, že nemoc je genetická a že pacient bude také genetickým přenašečem. To ale úplně nestačí. Je také třeba prokázat, že vzorec dědičnosti není mendelovský. To by vyžadovalo prostudovat desítky, dokonce stovky různých rodokmenů, než se dospěje k závěru o multifaktoriální dědičnosti. To často trvá několik let.
Je-li multifaktoriální dědičnost skutečně dána, pak je šance pacienta, že onemocní, snížena, pokud onemocní pouze bratranci a sestřenice a vzdálenější příbuzní. Je třeba konstatovat, že zatímco multifaktoriálně dědičná onemocnění mají tendenci se vyskytovat v rodinách, dědičnost se nebude řídit stejným vzorem jako jednoduchý monohybridní nebo dihybridní kříženec.
Je-li podezření na genetickou příčinu a o nemoci se ví jen málo, pak se teprve uvidí, kolik genů se přesně podílí na fenotypové expresi nemoci. Jakmile se to zjistí, je třeba si odpovědět na otázku: mají-li dva lidé požadované geny, proč jsou mezi nimi rozdíly v expresi? Obecně platí, že to, co dělá oba jedince odlišnými, jsou pravděpodobně faktory prostředí. Vzhledem k tomu, že genetické výzkumy potřebné k určení takových dědičných vzorců jsou na věci, není to obvykle první způsob zkoumání, který by člověk zvolil k určení etiologie.
Multifaktoriální rysy obecně
Obecně platí, že multifaktoriální rysy mimo nemoc přispívají k tomu, co vnímáme jako spojité vlastnosti organismů, jako je výška, barva pleti a tělesná hmotnost. Všechny tyto fenotypy jsou komplikovány velkou souhrou mezi geny a prostředím. Zatímco někteří autoři zahrnují inteligenci ve stejném duchu, a je to lákavé, problém inteligence je, že je tak špatně definována. Vskutku, Wikipedie položka o inteligenci nabízí tolik definic, že se snadno řekne, že neexistuje jediná, dohodnutá entita zvaná inteligence, o níž by se dalo říci, že se rovná definovatelnému shluku dědičných rysů. [Jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text]
Výše popsané kontinuální rozložení znaků, jako je výška a barva pleti, odráží působení genů, které nevykazují zcela typické vzory dominance a recesivity. Místo toho se má za to, že příspěvky každého zúčastněného lokusu jsou aditivní. Spisovatelé tento druh dědičnosti rozlišují jako polygenní neboli kvantitativní dědičnost.
Vzhledem k povaze polygenních znaků se tedy dědičnost nebude řídit stejným vzorem jako u jednoduchého monohybridního nebo dihybridního kříže. Polygenní dědičnost lze vysvětlit jako Mendelovu dědičnost na mnoha lokusech, jejímž výsledkem je znak, který je normálně rozložen. Pokud n je počet zapojených lokusů, pak koeficienty binomické expanze (a + b)2n dají frekvenci rozložení všech n kombinací alel. Pro dostatečně vysoké n se toto binomické rozložení začne podobat normálnímu rozložení. Z tohoto pohledu se projeví stav nemoci na jednom z konců rozložení, za nějakou prahovou hodnotou. Stavy nemoci zvyšující se závažnosti se budou očekávat s tím, čím dále bude jeden z nich procházet prahovou hodnotou a vzdalovat se od průměru.
Existuje však mnoho znaků a chorobných stavů, kde je zapojeno mnoho genů, ale jejich přínos není stejný, nebo aditivní.
Dědičné onemocnění a multifaktoriální dědičnost
Mutace vedoucí ke stavu onemocnění je často recesivní, takže obě alely musí být mutantní, aby se onemocnění projevilo fenotypicky. Onemocnění nebo syndrom může být také výsledkem exprese mutovaných alel na více než jednom lokusu. Pokud se na onemocnění podílí více než jeden gen s přítomností spouštěčů prostředí nebo bez nich, říkáme, že onemocnění je výsledkem multifaktoriální dědičnosti.
Čím více genů se podílí na křížení, tím více se distribuce genotypů bude podobat normální, nebo Gaussově distribuci. To ukazuje, že multifaktoriální dědičnost je polygenní a genetické frekvence lze předpovědět pomocí polyhybridního Mendelova kříže. Fenotypové frekvence jsou něco jiného, zejména pokud jsou komplikovány faktory prostředí.
Paradigma polygenní dědičnosti, které se používá k definování multifaktoriální nemoci, se setkalo s mnoha neshodami. Turnpenny, Peter (2004) pojednává o tom, jak jednoduchá polygenní dědičnost nedokáže vysvětlit některé nemoci, jako je nástup diabetes mellitus I. typu, a že v případech, jako je tento, se má za to, že ne všechny geny mají stejný přínos.
Předpokladem polygenní dědičnosti je, že všechny zúčastněné lokusy přispívají k příznakům nemoci stejným dílem. Výsledkem by mělo být normální rozložení genotypů podle křivky. Pokud tomu tak není, pak u této nemoci nelze myšlenku polygenetické dědičnosti podpořit.
Zběžný pohled na některé příklady
Příklady takových onemocnění nejsou v medicíně ničím novým. Výše uvedené příklady jsou známými příklady onemocnění, která mají genetické i environmentální složky. Dalšími příklady jsou atopická onemocnění, jako je ekzém nebo dermatitida; dalšími příklady jsou také spina bifida (otevřená páteř) a anencefalie (otevřená lebka).
Zatímco schizofrenie je biopsychiatry všeobecně považována za multifaktoriálně genetickou, žádné charakteristické genetické markery nebyly s jistotou stanoveny.
Je multifaktoriálně dědičná?
Je obtížné zjistit, zda je nějaká konkrétní nemoc multifaktoriálně genetická. Pokud se pořídí rodokmenový graf s rodokmenem rodiny a příbuzných pacienta a prokáže se, že tuto nemoc mají bratři a sestry pacienta, pak je velká šance, že nemoc je genetická a že pacient bude také genetickým nositelem. To však úplně nestačí. Je také třeba prokázat, že vzorec dědičnosti není mendelovský. To by vyžadovalo prostudovat desítky, ba stovky různých rodokmenů rodiny, než se dospěje k závěru o multifaktoriální dědičnosti. To často trvá několik let.
Je-li multifaktoriální dědičnost skutečně dána, pak je šance pacienta, že onemocní, snížena, pokud onemocní pouze bratranci a sestřenice a vzdálenější příbuzní. Je třeba konstatovat, že zatímco multifaktoriálně dědičné onemocnění bývá v rodinách běžné, dědičnost nebude probíhat stejným způsobem jako u jednoduchého monohybridního nebo dihybridního křížení.
Je-li podezření na genetickou příčinu a o nemoci se ví jen málo, pak se teprve uvidí, kolik genů se přesně podílí na fenotypové expresi nemoci. Jakmile se to zjistí, je třeba si odpovědět na otázku: mají-li dva lidé požadované geny, proč někteří lidé stále nevyjadřují nemoc. Obecně platí, že to, čím se oba jedinci liší, jsou pravděpodobně faktory životního prostředí. Vzhledem k tomu, že genetické výzkumy potřebné k určení takových dědičných vzorců se obvykle nejedná o první způsob zkoumání, který by člověk zvolil k určení etiologie.
Psychiatrie zjistila, často bez dostatečných důkazů, že duševní onemocnění se řídí tímto vzorcem. Problém samotné duševní nemoci spočívá v tom, že většina diagnóz je do značné míry subjektivní a ani na nosologiích v DSM-IV se příliš neshodneme. Nejčastěji uváděným příkladem multifaktoriální duševní nemoci je schizofrenie, nicméně do dnešního dne nebyly izolovány žádné geny. Bylo řečeno, že genetické příčiny duševních onemocnění jsou zdůrazňovány na úkor věnování dostatečné pozornosti environmentálním faktorům, zejména v oblasti biopsychiatrie. [Jak odkazovat a odkaz na shrnutí nebo text]
Vyšetřovatelé častěji vysloví hypotézu, že nemoc je multifaktoriálně dědičná, spolu se shlukem dalších hypotéz, když není známo, co nemoc způsobuje.
QTL pro osteoporózu na lidském chromozomu 20
Typicky jsou základem kontinuálních znaků QTL (ty znaky, které se kontinuálně mění – znak může mít jakoukoli hodnotu v rámci rozmezí – např. výška) na rozdíl od diskrétních znaků (znaky, které mají dvě nebo několik znakových hodnot – např. barva očí nebo hladký vs. vrásčitý hrášek, který použil Mendel ve svých experimentech).
Navíc jeden fenotypový znak je obvykle určen mnoha geny. V důsledku toho je mnoho QTL spojeno s jedním znakem.
Kvantitativní trait locus (QTL) je oblast DNA, která je spojena s určitým fenotypovým rysem – tyto QTL se často vyskytují na různých chromozomech. Znalost počtu QTL, která vysvětluje variaci ve fenotypových rysech, nám říká o genetické architektuře rysu. Může nám říct, že výška rostlin je řízena mnoha geny s malým účinkem, nebo několika málo geny s velkým účinkem.
Dalším využitím QTL je identifikace kandidátních genů, které jsou základem určité vlastnosti. Jakmile je oblast DNA identifikována jako přispívající k fenotypu, může být sekvenována. Sekvence DNA jakýchkoli genů v této oblasti pak může být porovnána s databází DNA pro geny, jejichž funkce je již známa.
V nedávném vývoji jsou klasické analýzy QTL kombinovány s profilováním genové exprese, tj. pomocí DNA mikropolí. Taková exprese QTL (e-QTL) popisuje cis- a trans-kontrolní prvky pro expresi genů často asociovaných s onemocněním. Pozorované epistatické účinky byly shledány prospěšnými pro identifikaci genu zodpovědného křížovou validací genů v interagujících lokusech s metabolickými drahami- a databázemi vědecké literatury.
Příklad celogenomového vyšetření QTL osteoporózy
QTL mapování je statistické studium alel, které se vyskytují v lokusu, a fenotypů (fyzikálních forem nebo znaků), které produkují. Protože většina sledovaných znaků se řídí více než jedním genem, definování a studium celého lokusu genů souvisejících s určitým znakem dává naději na pochopení, jaký vliv může mít genotyp jedince v reálném světě.
Statistická analýza je nutná k prokázání toho, že různé geny na sebe vzájemně působí, a ke stanovení toho, zda mají významný vliv na fenotyp. QTL identifikují určitou oblast genomu jako obsahující gen, který je spojen s testovaným nebo měřeným znakem. Jsou zobrazeny jako intervaly napříč chromozomem, kde je pravděpodobnost asociace vynesena pro každý marker použitý v mapovacím experimentu.
Techniky QTL byly vyvinuty na konci 80. let a lze je provádět na inbredních kmenech jakéhokoli druhu.
Pro začátek musí být pro daný druh vyvinuta sada genetických markerů. Marker je identifikovatelná oblast variabilní DNA. Biologové mají zájem o pochopení genetického základu fenotypů (fyzikálních znaků). Cílem je najít marker, u kterého je výrazně větší pravděpodobnost, že se vyskytne současně s daným znakem, než se náhodně očekávalo, tedy marker, který má statistickou asociaci s daným znakem. V ideálním případě by byli schopni najít daný konkrétní gen nebo geny, ale to je dlouhý a obtížný úkol. Místo toho mohou snadněji najít oblasti DNA, které jsou velmi blízko daným genům. Když se najde QTL, často to není skutečný gen tvořící základ fenotypového znaku, ale spíše oblast DNA, která je úzce spojena s daným genem.
U organismů, jejichž genomy jsou známy, by se nyní dalo zkusit vyloučit geny v identifikované oblasti, o jejichž funkci je s určitou jistotou známo, že není spojena s daným znakem. Pokud genom není k dispozici, může jít o možnost sekvenovat identifikovanou oblast a určit předpokládané funkce genů podle jejich podobnosti s geny se známou funkcí, obvykle v jiných genomech.
Dalším zájmem statistických genetiků používajících QTL mapování je určit složitost genetické architektury, která je základem fenotypového rysu. Například je může zajímat, zda je fenotyp formován mnoha nezávislými loki, nebo několika loki, a tyto loki na sebe vzájemně působí. To může poskytnout informace o tom, jak se fenotyp může vyvíjet.
Nejjednodušší metodou pro QTL mapování je analýza rozptylu (ANOVA, někdy nazývaná „markerová regrese“) na markerových lokusech. Při této metodě lze při zpětném křížení vypočítat t-statistiku pro porovnání průměrů obou skupin genotypů markerů. Pro jiné typy
křížů (jako je například intercross), kde jsou více než dva možné genotypy, se používá obecnější forma ANOVA, která poskytuje tzv. F-statistiku. ANOVA přístup pro QTL mapování má tři důležité slabiny. Za prvé, nedostáváme samostatné odhady umístění QTL a QTL efektu. Umístění QTL je indikováno pouze pohledem na to, které markery dávají největší rozdíly mezi průměry skupin genotypů, a zdánlivý QTL efekt na markeru bude menší než skutečný QTL efekt v důsledku rekombinace mezi markerem a QTL. Za druhé, musíme vyřadit jedince, jejichž genotypy na markeru chybí. Za třetí, když jsou markery široce rozmístěny, QTL může být poměrně daleko od všech markerů, a tak se síla pro detekci QTL sníží.
Lander a Botstein vyvinuli intervalové mapování, které překonává tři nevýhody analýzy rozptylu na marker loci. Intervalové mapování je v současné době nejpopulárnějším přístupem pro QTL mapování v experimentálních křížcích. Metoda využívá genetickou mapu typovaných markerů a stejně jako analýza rozptylu předpokládá přítomnost jediného QTL. Každé místo v genomu je po jednom pokládáno za místo předpokládaného QTL….
Termín „intervalové mapování“ se používá pro odhad pozice QTL v rámci dvou markerů (často označovaných jako „marker-bracket“). Intervalové mapování je původně založeno na maximální pravděpodobnosti, ale existují také velmi dobré aproximace možné s jednoduchou regresí.
Princip pro QTL je:
1) Pravděpodobnost lze vypočítat pro danou sadu parametrů (zejména QTLeffect a QTL pozice) vzhledem k pozorovaným údajům o fenotypech a genotypech markerů.
2) Odhady pro parametry jsou takové, u kterých byla pravděpodobnost nejvyšší.
3) Význam lze testovat pomocí testu poměru pravděpodobnosti
KONVENTIONÁLNÍ metody detekce kvantitativních trait loci (QTL) jsou založeny na srovnání jednotlivých QTL modelů s modelem, který neobsahuje žádné QTL. Například v metodě „interval map- ping“ (LANDER a BOTSTEIN 1989) je podobná pravděpodobnost jediného domnělého QTL posuzována na každém místě genomu. QTL umístěné jinde- kde na genomu mohou mít rušivý účinek. V důsledku toho může být schopnost detekce ohrožena a odhady míst a účinků QTL mohou být zkreslené (LANDER a BOTSTEIN 1989; KNAPP 1991). Mohou se objevit i neexistující tzv. „ghost“ QTL (HALEY a KNOTT 1992; MARTINEZ a CURNOW 1992). Proto je zřejmé, že více QTL by mohlo být zmapováno efektivněji a přesněji pomocí více QTL modelů
Composite interval mapping (CIM)
Při této metodě se provádí intervalové mapování pomocí podmnožiny marker loci jako kovariátů. Tyto markery slouží jako proxy pro ostatní QTL, aby se zvýšilo rozlišení intervalového mapování, započítáním propojených QTL a snížením zbytkové variace. Klíčový problém s CIM se týká výběru vhodných marker loci, které slouží jako kovariáty; jakmile jsou tyto vybrány, CIM změní problém s výběrem modelu na jednorozměrný sken. Výběr
marker kovariátů však nebyl vyřešen. Není divu, že vhodné markery jsou ty, které jsou nejblíže skutečným QTL, a tak kdyby se je podařilo najít, problém s mapováním QTL
by byl stejně kompletní.
Mapování založené na rodinném rodokmenu
Rodinný QTL mapping neboli Rodinný rodokmen mapování (Linkage and association mapping) zahrnuje více rodin místo jedné rodiny. Rodinný QTL mapping byl jediným způsobem mapování genů tam, kde je obtížné vytvořit experimentální křížení. Nicméně kvůli některým advatanges se nyní rostlinní genetici pokoušejí začlenit některé z metod, které byly v lidské genetice průkopnické. Použití rodinného rodokmenu založené přístup byl diskutován (Bink et al. 2008). Rodinný rodokmen a asociace byly úspěšně implementovány (Rosyara et al. 2009)