לוקוס של תכונה כמותית

לוקוס של תכונה כמותית (באנגלית: Quantitative Trait Locus, QTL) הוא אתר בגנום המכיל גן או מספר גנים, אשר מעורבים בבסיס המולקולרי של המאפיין הכמותי של תכונה מסוימת (לדוגמה: גובה, אורך אצבעות). אתרי QTL נתגלו במחקרי אסוציאציה המאפשרים למצוא קשר בין פנוטיפים מורכבים לאתרים ספציפיים בגנום, מתוך מטרה לאתר גנים הפועלים במנגנון הקובע את הפנוטיפ. כיוון שמספר גנים יכולים להיות מעורבים בבסיס המולקולרי של פנוטיפ כמותי, מספר QTL - ים יכולים להיות באסוציאציה עם אותו הפנוטיפ. עם הגילוי מחדש של חוקי מנדל בתחילת המאה ה-20, גנטיקאים החלו בניסיונות לחבר בין חוקים אלה לבין תאוריית התורשה שתוארה בספר "מוצא המינים" של צ'ארלס דרווין. למרות שדרווין לא היה גנטיקאי, הוא תיאר מצב בו מגדלי יונים זיווגו פרטים בעלי מאפיינים מסוימים על מנת שצאצאיהם יירשו את אותם המאפיינים - תיאור שהיה דומה לתיאור התורשה על פי חוקי מנדל. באותה התקופה ניסה ויליאם ארנסט קאסל (אנ') (William Ernest Castle, 1867–1962) לאחד את העקרונות שנבעו מחוקי התורשה של מנדל ותאוריית התורשה של דרווין (תוך כדי שינוי) והגיע למסקנה כי יש מעורבות של מספר גורמים מורשים בתכונה מורכבת, כמו צבע פרווה בעכברים ובסוסים. למרות שקאסל היה בין הראשונים לבצע ניסוי מעבדה לברירה מלאכותית של מאפיין כמותי, חשוב לציין שמנהג זה היה נפוץ בחקלאות מאז ומתמיד. בעלי חיים וצמחים תמיד עברו ברירה מלאכותית לטובת מאפיינים כמותיים רצויים כמו גודל גוף או כמות יבול. כמו כן, מספר חוקרים הגיעו למסקנות העוסקות בתחום לפני או באותה התקופה בה התפרסם סיפרו של קאסל. מחקרים אלה עסקו בדרך כלל בצמחים. ווילהלם לודוויג ג'והנסון (אנ') גילה שהתפלגות גודל זרעים בשעועית היא התפלגות נורמלית אפילו באוכלוסיות הומוזיגוטיות, אם כי השונות הפנוטיפית בכל זן שבודד הייתה קטנה באופן משמעותי בהשוואה לשונות האוכלוסייתית הכללית. בשנת 1931, כמעט שלושים שנה לאחר פרסום ספרו של קאסל, תלמידו של קאסל, (Sewal Wrigh) סואל רייט (אנ') הציע מסגרת תאורטית לאבולוציה של פנוטיפים מורכבים. הוא סיכם את נקודת המבט של אותה התקופה על הבסיס הגנטי של מאפיינים כמותיים: "עם התקדמות המחקר הגנטי, אפילו השינויים הקטנים (בפנוטיפ) נמצאו כבעלי תורשה מנדלית, וכל מאפיין אשר נבדק באופן מספק, התגלה כמושפע מגורמים רבים". משמעות הדבר, היא שהבסיס המולקולרי של תכונה כמותית נשען על שילוב בין תוצרי גנים מרובים שלכל אחד מהם אללים באוכלוסייה בעלי דגם תורשה מנדלית, וכל אחד מהם תורם רק חלקית לפנוטיפ הסופי. תכונה פנוטיפית כמותית יכולה להיות מושפעת משני גנים או יותר, מהאינטראקציה ביניהם (אפיסטאזיס) ומהאינטראקציה בין הגורמים הגנטיים לגורמים הסביבתיים (כגון שינויי אקלים, תזונה, מעמד סוציואקונומי, וכדומה). על כן, סוג זה של התורשה נקרא תורשה רבת-גורמים (Multifactorial inheritance). בניגוד לפנוטיפים שבבסיסם עומד גן יחיד (פנוטיפים מונוגנים), פנוטיפים שבבסיסם מעורבים מספר גנים (תכונות פוליגניות) מתנהגים באופן דומה לדפוסי התורשה המנדלית, אבל האללים של כל אחד מהגנים המעורבים בתכונה אינם בהכרח בעלי אפקט פנוטיפי מובחן אלא תורמים באופן כמותי לפנוטיפ הסופי, מה שגורם לפנוטיפ באוכלוסייה להיות בעל פיזור רציף. הגנטיקאי (Herman Nilsson Ehle) הרמן נילסון אהלה (אנ')) הצליח להראות זאת לראשונה בתחילת המאה ה-20, בהכלאות שביצע בחיטה. הוא הראה, כי תכונות כגון צבע הגרעין בחיטה יכולות להיקבע על ידי מספר גדול של גנים, ושהאללים בכל אחד מהם תורם באופן כמותי לעוצמת הצבע. דוגמה נוספת לתורשה פוליגנית היא גובה בבני אדם. חוקרים זיהו מאות גנים אשר מעורבים בקביעת הגובה באדם, חלקם בצורה מועטת וחלק בצורה רבה יותר. לדוגמה, ישנם מספר גנים אשר ליקויים בהם יוחסו להפרעות גדילה חמורות כמו הגנים FGFR3, FBN1, EVC, ו-GPC3. מיפוי QTL-ים בגנום מהווה אחד הצעדים הראשונים לחקר הבסיס המולקולרי של תכונות כמותיות. לדוגמה, ניתן לבחון האם פנוטיפ נתון מושפע מגן אשר פועל באופן עצמאי באינטראקציה עם גורמים סביבתיים, או האם הפנוטיפ נקבע גם על ידי אינטראקציה בין מספר גנים באותו הלוקוס או גנים ממספר לוקוסים בגנום. על מנת למפות QTLי-ם בגנום ניתן להשתמש במחקרי אסוציאציה כלל גנומיים. במסגרת מחקרים אלה נמדד הפנוטיפ הנחקר באופן כמותי (כגון גובה, משקל) במספר פרטים גדול באוכלוסייה ונערכת השוואה סטטיסטית בתדירות אללים פולימורפיים ו\או האפלוטיפים בין בעלי הפנוטיפ בערכי הקיצון שלו לשאר האוכלוסייה, תוך תיקון עבור ריבוי מבחנים סטטיסטיים. לדוגמה, ניתן לזהות את התרומה הגנטית לתכונת הגובה בבני אדם אם תיערך השוואה בין גנוטיפים של פרטים גבוהים במיוחד לשאר האוכלוסייה. ניתוח שונות פנוטיפית בין בעלי אללים מסוימים לעומת אחרים בלוקוסים בכל רחבי הגנום יכול להיעשות תוך שימוש במבחן סטטיסטי כגון מבחני פישר או אנובה (אנ') (Anova), אשר מאוד פופולארים בסוגי אנליזה זו. לשימוש ב-ANOVA למיפוי QTLי-ם יש מספר חולשות. ראשית, מידת ההשפעה של QTL נתון על המאפיין הפנוטיפי לא ניתן למדידה בשיטה זו. שנית, בשל טבע המבחן ומכיוון שבסוג אנליזה זו אנחנו משתמשים בממוצע המאפיין בין פרטים שונים, אנחנו נבחין רק בלוקוסים בהם השינוי היה קיצוני מאוד ולא נבחין באתרים אשר משפיעים באופן מתון יותר על הפנוטיפ. מיפוי מרווחים הוא שיטה אשר פותחה על ידי אריק לנדר ודייוויד בוטשטיין בשנת 1989 אשר מפצה על החסרונות שקיימים בANOVA. כיום זו שיטה מאוד נפוצה למיפוי QTLי-ם. שיטה זו משתמשת במפה גנטית של אתרים פולימורפיים קיימים לאורך הגנום של אורגניזם מסוים. אתרים כאלה יכולים להכיל אללים של שינוי נוקלאוטיד אחד או אללים של שינוי במספר רצפים חוזרים בלוקוס נתון. במבחן זה התרומה של כל אתר לפנוטיפ נבחנת באופן פרטני ונמדד בו ערך LOD (LOD - Logarithm of the odds ratio) - מבחן סטטיסטי הבודק האם אסוציאציה בין האתר הפולימורפי לפנוטיפ הכמותי שונה מהסיכוי לקשר כזה באופן מקרי. בניגוד לניתוח שונות, בו בוחנים אם קיים QTL במיקום מסוים בגנום, מיפוי אינטרבלי מנסה לבחון האם QTL נמצא לאו דווקא בלוקוס מסוים, אלא הוא נמצא בתאחיזה לאתרים פולימורפיים באזור. לוקוס המשפיע על ביטוי גנים (באנגלית: expression Quantitative Trait Locus, eQTL) הוא אתר בגנום המסביר שונות ברמות הביטוי של RNA מסוים, או רמות ביטוי RNA המקודד במספר גנים. למעשה, אנו מתייחסים לכמות תעתיק הmRNA בדגימה נתונה כמאפיין פנוטיפי כמותי במחקר אסוציאציה במטרה לאתר את הרצף בגנום המשפיע על בקרת RNA זה. כאשר הeQTL ממוקם בקרבת גן הוא מכונה cis-eQTL וכאשר הוא ממוקם הרחק מהגן הוא מכונה trans-eQTL. באופן תדיר, נמצאו במחקרי אסוציאציה כי eQTLs נוטים להיות באזורי DNA שאינם מקודדים לגנים וכנראה מעורבים בבקרת ביטוי גנים. במחקר שנעשה על השפעת eQTLs על ביטוי גנים במהלך ההתמיינות של תאי הדם בעכבר (המערכת ההמטופוייטית ) נתגלה כי חלק מה eQTL משפיעים על ביטוי גנים במספר סוגי תאים וחלק משפיעים על ביטוי גנים ספציפי לסוג תא. מיפוי eQTLים מתבצע באותן השיטות בהן מבצעים מיפוי QTLי-ם, אך ההבדל המרכזי הוא שבמחקרי eQTL מעורבים מיליון או יותר ביטויים של מיקרו מאפיינים. בנוסף לכך, באנליזת הלוקוסים במחקרי eQTL ישנו קושי נוסף בזיהוי הגן האחראי, שכן קיימים trans eQTL שנמצאים לפעמים הרחק מהגן ולכן קשים במיוחד לזיהוי. Is height determined by genetics?, MedlinePlus. Bethesda (MD): National Library of Medicine (US) מדיה וקבצים בנושא לוקוס של תכונה כמותית בוויקישיתוף Miles, C. & Wayne, M. (2008) Quantitative trait locus (QTL) analysis. Nature Education 1(1):208 Darwin, C. & Kebler, L. (1859) On the origin of species by means of natural selection, or, The preservation of favoured races in the struggle for life. London: J. Murray. p.55 Castle WE (1903). "Mendel's Law of Heredity". Buffum, Burt C. (2008). Arid Agriculture; A Hand-Book for the Western Farmer and Stockman. Read Books. p. 232. Purugganan, M. D.; Fuller, D. Q. (2009). "The nature of selection during plant domestication". Nature. 457 (7231): 843–8. Driscoll, C. A., Macdonald, D. W., & O’Brien, S. J. (2009). From wild animals to domestic pets, an evolutionary view of domestication. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106, 9971–9978. Sax K. The Association of Size Differences with Seed-Coat Pattern and Pigmentation in PHASEOLUS VULGARIS. Genetics. 1923 Nov;8(6):552-60. Gates, R. R., & Sheffield, F. M. L. (1929). Chromosome Linkage in Certain Oenothera Hybrids. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character, 217, 367–394. Johannsen, W. (1909). Elemente der exakten Erblichkeitslehre [Elements of the exact theory of heredity] (in German). Jena, Germany: Gustav Fischer. Wright, S. (1 March 1931). "Evolution in Mendelian Populations". Genetics. 16 (2): 97–159. Abiola, O., Angel, J. M., Avner, P., et al. (2003). The nature and identification of quantitative trait loci: a community's view. Nature reviews. Genetics, 4(11), 911–916. Lewis, R. (2003), Multifactorial Traits, McGraw-Hill Higher Education. Åkerberg. E. 1986. Nilsson-Ehle and the development of plant breeding at Svalöf during the period 1900-1915 (1985). Hereditas 105: 1-5. Lund. Sweden. ISSN 0018-0661. Sanna, S., Jackson, A., Nagaraja, R. et al. (2008) Common variants in the GDF5-UQCC region are associated with variation in human height. Nat Genet 40, 198–203. Uffelmann, E., Huang, Q.Q., Munung, N.S. et al. (2021) Genome-wide association studies. Nat Rev Methods Primers 1, 59. Yang, J. J., Li, J., Williams, L. K., & Buu, A. (2016). An efficient genome-wide association test for multivariate phenotypes based on the Fisher combination function. BMC bioinformatics, 17, 19. Lander, E.S. & Botstein, D. (1989). "Mapping mendelian factors underlying quantitative traits using RFLP linkage maps". Genetics. 121 (1): 185–199. Rockman, M., Kruglyak, L. Genetics of global gene expression. Nat Rev Genet 7, 862–872 (2006). Fairfax, B. P., Makino, S., Radhakrishnan, J., et al. (2012). "Genetics of gene expression in primary immune cells identifies cell type-specific master regulators and roles of HLA alleles". Nat. Genet. 44 (5): 502–510. Gerrits A, Li Y, Tesson BM, et al. (October 2009). Gibson G (ed.). "Expression quantitative trait loci are highly sensitive to cellular differentiation state" PLOS Genetics. 5 (10): e1000692.