从零开始进行单倍型分析之理论基础篇

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从零开始进行单倍型分析

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单倍型（haplotype）是什么？

Definition:
A haplotype is a physical grouping of genomic variants (or polymorphisms) that tend to be inherited together. A specific haplotype typically reflects a unique combination of variants that reside near each other on a chromosome.
单倍型是基因组变异（或多态性）的一种物理分组，这些变异往往会一起遗传。一个特定的单倍型通常反映了染色体上彼此邻近的变异的独特组合。

单倍型分析的理论基础

遗传学基础

基因与等位基因：

定义：基因是带有遗传信息的 DNA 片段，是遗传的基本单位，控制着生物的各种性状，如眼睛的颜色、血型等。等位基因是位于同源染色体上相同位置、控制同一性状的不同形式的基因。例如，控制人类 ABO 血型的基因有 A、B、O 三种等位基因。
关系与作用：等位基因之间存在显隐性关系，显性等位基因的作用会掩盖隐性等位基因的作用，决定个体所表现出的性状。在单倍型分析中，需要准确识别不同的等位基因，因为它们是构成单倍型的基本元素。比如，在研究某一疾病的遗传易感性时，某些特定的等位基因组合成的单倍型可能与疾病的发生密切相关。

等位基因与单倍型之间的关系

从构成元素角度
等位基因是单倍型的组成部分。等位基因是位于同源染色体相同位置上控制同一性状的不同基因形式。而单倍型是指在同一染色体上紧密连锁的多个基因座上等位基因的组合。例如，在一条染色体上有多个基因座，每个基因座上都有不同的等位基因，这些特定等位基因按顺序排列在一起就构成了单倍型。
从遗传信息传递角度
单倍型反映了等位基因的连锁遗传。在减数分裂过程中，等位基因所在的染色体进行分离和组合。如果某些等位基因在染色体上的位置非常接近，它们就倾向于一起遗传，形成特定的单倍型传递给子代。这种连锁遗传使得单倍型在世代传递中保持相对稳定，除非发生重组等遗传事件。
从多样性角度
等位基因的多样性决定了单倍型的多样性。不同个体在同一个基因座上可能携带不同的等位基因，当多个基因座上的等位基因组合在一起时，就会产生大量不同的单倍型。例如，假设有三个基因座，每个基因座上有两种等位基因，那么理论上可以形成种不同的单倍型。

染色体结构与功能：

结构组成：染色体是遗传物质的载体，主要由 DNA、组蛋白、非组蛋白等组成。DNA 是遗传信息的携带者，组蛋白与 DNA 结合形成核小体，进一步包装成染色体的高级结构。非组蛋白则参与基因表达的调控等过程。
形态与分类：根据着丝粒的位置，人类染色体可分为中央着丝粒染色体、亚中央着丝粒染色体和近端着丝粒染色体。在细胞分裂过程中，染色体的形态和结构会发生变化，以便遗传物质的准确传递。了解染色体的结构对于理解基因在染色体上的位置以及基因之间的相互关系非常重要，因为单倍型是基于同一染色体上多个基因座上等位基因的组合。

遗传连锁与重组：

遗传连锁：位于同一条染色体上的基因具有一起遗传的倾向，这种现象称为遗传连锁。由于连锁的存在，某些基因在遗传过程中往往会一起传递给后代，而不是随机组合。在单倍型分析中，连锁关系可以帮助确定哪些基因座上的等位基因更有可能组合在一起形成特定的单倍型。例如，如果两个基因座之间的连锁非常紧密，那么它们的等位基因在群体中往往会以特定的组合形式出现。
基因重组：在减数分裂过程中，同源染色体之间会发生交换，导致基因的重新组合，这一过程称为基因重组。重组是产生新的基因组合和遗传多样性的重要机制。通过分析基因重组的频率，可以估算基因座之间的距离，进而构建遗传连锁图谱。在单倍型分析中，重组事件会影响单倍型的形成和分布，了解重组的规律有助于更准确地推断单倍型的结构和遗传模式。

减数分裂与配子形成：

过程与意义：减数分裂是生殖细胞形成的过程，经过两次分裂，染色体数目减半，形成单倍体的配子（精子或卵子）。在减数分裂过程中，同源染色体配对、联会、交换等事件会发生，这些过程对于遗传物质的重新组合和遗传多样性的产生具有重要意义。单倍型分析通常涉及对配子中染色体上的等位基因组合的研究，因此理解减数分裂的过程和机制对于解释单倍型的形成和遗传规律至关重要。
对单倍型的影响：减数分裂过程中的重组事件会打破原有染色体上的基因连锁关系，产生新的单倍型。同时，不同的减数分裂过程可能导致不同的配子中具有不同的单倍型组合，这增加了群体中遗传多样性的复杂性。例如，在某些物种中，减数分裂过程中的异常事件可能会导致染色体结构的变异，进而影响单倍型的组成和遗传效应。

群体遗传学概念：

基因频率与基因型频率：基因频率是指群体中某一基因的拷贝数占该基因位点所有等位基因拷贝数的比例；基因型频率是指群体中某一基因型的个体数占总个体数的比例。在单倍型分析中，需要了解群体中不同单倍型的频率，以及单倍型频率与基因频率之间的关系。通过对群体中基因频率和基因型频率的分析，可以推断单倍型在群体中的分布情况以及其可能的进化历史。
遗传平衡定律：在一个随机交配的大群体中，如果没有突变、选择、迁移等因素的影响，基因频率和基因型频率会保持相对稳定，这就是遗传平衡定律（哈迪 – 温伯格定律）。单倍型分析中，需要判断所研究的群体是否符合遗传平衡定律，如果不符合，可能存在某些因素影响了单倍型的遗传结构，需要进一步分析这些因素的作用。例如，在某些疾病的研究中，患者群体的单倍型频率可能与正常人群存在差异，这可能是由于疾病的选择作用导致某些单倍型在患者群体中更易出现。

统计学基础

基本概率理论

• 概率定义与性质：概率是对随机事件发生可能性大小的度量。在单倍型分析中，某一单倍型在群体中出现的概率反映了该单倍型的相对常见程度。例如，假设一个群体中存在多种单倍型组合，通过统计不同单倍型的个体数量，除以总个体数，就可以得到每种单倍型出现的概率。概率的基本性质包括非负性、规范性（所有可能事件的概率之和为 1）和可加性（互斥事件的概率可相加）。这些性质在计算单倍型相关概率时提供了基本的规则。比如，计算多个互斥单倍型出现的总概率时，可以将它们各自的概率相加。
• 条件概率：条件概率是指在已知某一事件发生的条件下，另一事件发生的概率。在单倍型分析中，给定某个基因座的等位基因信息后，计算另一个基因座上特定等位基因组成单倍型的概率就是条件概率的应用。
• 贝叶斯定理：贝叶斯定理提供了一种根据先验概率和条件概率来计算后验概率的方法。在单倍型分析中，当有新的遗传信息（如新发现的遗传标记）加入时，可以利用贝叶斯定理更新某一单倍型出现的概率估计。

统计分布

• 二项分布：二项分布用于描述在 n 次独立重复试验中，成功次数的概率分布。在单倍型分析中，如果把某一单倍型在群体中的出现看作是 “成功”，而其他单倍型的出现看作是 “失败”，那么在一定数量的个体中该单倍型出现的次数就可能服从二项分布。例如，在一个小样本群体中，研究某一单倍型的频率时，可利用二项分布来评估该频率的概率分布情况。
• 多项分布：多项分布是二项分布的推广，用于描述有多种可能结果的独立重复试验的概率分布。在单倍型分析中，当考虑多个不同的单倍型在群体中的分布时，就可以用多项分布来进行建模。例如，在一个复杂的群体中，存在多种不同的单倍型，通过多项分布可以计算出各种单倍型组合出现的概率。

统计检验方法

• 卡方检验：卡方检验常用于检验两个分类变量之间是否存在关联。在单倍型分析中，可以用于检验不同群体（如病例组和对照组）之间单倍型频率分布是否存在显著差异。例如，将个体按是否患病分为两组，然后统计两组中不同单倍型的频率，通过卡方检验来判断单倍型与疾病是否相关。
• t 检验和方差分析（ANOVA）：t 检验主要用于比较两组样本的均值是否有显著差异，方差分析则用于比较多组样本的均值。在单倍型分析中，如果将单倍型与某个数量性状（如身高、体重等）联系起来，并且需要比较不同单倍型组之间该数量性状的均值差异时，可以使用这些方法。比如，研究不同单倍型个体的平均体重是否有显著差异时，可根据样本情况选择 t 检验或方差分析。

关联分析方法

• 连锁不平衡（LD）分析：连锁不平衡是指不同基因座上的等位基因在群体中不是随机组合的现象。通过计算连锁不平衡系数（如 D’ 和 r²），可以衡量两个基因座之间的连锁不平衡程度。在单倍型分析中，LD 分析是构建单倍型图谱的重要基础，它可以帮助确定哪些基因座上的等位基因倾向于形成单倍型。
• 单倍型关联分析：单倍型关联分析主要用于研究单倍型与疾病或其他表型的关联。常用的方法包括基于单倍型的回归分析、基于单倍型的病例 – 对照研究等。例如，在研究某一复杂疾病时，可以将单倍型作为自变量，疾病状态作为因变量，通过回归分析来评估单倍型与疾病发生的关联强度。

分子生物学基础

DNA 的结构与遗传信息传递：

• DNA 双螺旋结构：DNA 的双螺旋结构是遗传信息的物质基础。其两条反向平行的链通过碱基互补配对原则相互结合，这是单倍型分析的基本前提。在单倍型分析中，需要准确识别 DNA 序列上不同位点的碱基信息，而 DNA 的这种结构特性保证了碱基序列的稳定性和可识别性。例如，在分析单倍型时，研究人员可以根据已知的 DNA 序列信息，确定不同个体在特定基因区域的碱基差异，进而推断出单倍型的类型。
• 遗传信息的传递与复制：DNA 的复制过程确保了遗传信息的准确传递。在细胞分裂过程中，DNA 会以半保留复制的方式进行复制，产生的新 DNA 分子与原 DNA 分子具有相同的遗传信息。这对于单倍型分析来说非常重要，因为在研究群体遗传或家系遗传时，需要依据遗传信息的传递规律来推断单倍型的遗传模式。例如，通过分析亲子代之间的 DNA 序列差异，可以确定遗传标记在世代间的传递情况，从而帮助确定单倍型的组成。

基因与遗传标记：

• 基因的结构与功能：基因是具有遗传效应的 DNA 片段，它决定了生物体的各种性状和功能。在单倍型分析中，研究人员通常会关注与特定性状或疾病相关的基因区域。了解基因的结构和功能，可以帮助确定哪些基因区域可能存在单倍型的差异，以及这些差异可能对生物体产生的影响。例如，在研究某些遗传性疾病时，通过分析相关基因的单倍型，可以揭示疾病的遗传机制和发病风险。
• 遗传标记的选择：遗传标记是用于识别和分析遗传差异的特定 DNA 序列片段。在单倍型分析中，常用的遗传标记包括单核苷酸多态性（SNP）、短串联重复序列（STR）等。这些遗传标记在人群中具有较高的多态性，可以作为标记来确定个体的单倍型。例如，SNP 是指在 DNA 序列中单个核苷酸的变异，由于其数量众多且分布广泛，是单倍型分析中常用的遗传标记。

PCR 技术

• 聚合酶链式反应（PCR）是一种在体外扩增 DNA 片段的技术，是单倍型分析的重要工具。在单倍型分析中，通常需要对特定的基因区域或遗传标记进行扩增，以便进行后续的分析。PCR 技术可以在短时间内大量扩增目标 DNA 片段，提高了分析的灵敏度和准确性。例如，通过设计特异性的引物，针对包含多个 SNP 位点的基因区域进行 PCR 扩增，然后对扩增产物进行测序或其他分析，从而确定个体的单倍型。

DNA 测序技术：

• 第一代测序技术：如 Sanger 测序法，是一种经典的 DNA 测序技术，具有较高的准确性。在单倍型分析的早期，Sanger 测序法被广泛应用于对单个基因或小片段 DNA 的测序，以确定个体的 DNA 序列信息，进而分析单倍型。虽然该技术的测序速度较慢、成本较高，但对于一些需要高准确性的单倍型分析仍然具有重要价值。
• 新一代测序技术：随着技术的发展，新一代测序技术如高通量测序技术得到了广泛应用。这些技术可以同时对大量的 DNA 片段进行测序，大大提高了测序的效率和速度，降低了成本。在单倍型分析中，新一代测序技术可以快速地获取大量个体的 DNA 序列信息，从而能够对群体的单倍型进行大规模的分析和研究。例如，在全基因组关联分析中，利用高通量测序技术可以快速地确定大量个体在全基因组范围内的单倍型信息，为研究基因与疾病的关系提供了有力的支持。

连锁不平衡理论

• 连锁不平衡是指在群体中，不同基因座上的等位基因之间非随机组合的现象。在单倍型分析中，连锁不平衡是一个重要的概念。由于连锁不平衡的存在，相邻的遗传标记在群体中往往会以特定的组合形式出现，这些组合形式就是单倍型。通过分析遗传标记之间的连锁不平衡程度，可以确定单倍型的结构和频率。例如，如果两个 SNP 位点之间存在较强的连锁不平衡，那么它们在群体中往往会以特定的单倍型形式出现，研究人员可以根据这种连锁关系来推断个体的单倍型。

统计学方法

• 频率分析：在单倍型分析中，需要对群体中各种单倍型的频率进行统计分析。通过计算单倍型的频率，可以了解不同单倍型在群体中的分布情况，以及它们与特定性状或疾病的关联程度。例如，在病例对照研究中，可以比较病例组和对照组之间不同单倍型的频率差异，从而判断该单倍型是否与疾病的发生有关。
• 关联分析：关联分析是一种用于研究遗传标记与性状或疾病之间关系的统计方法。在单倍型分析中，关联分析可以用来确定特定的单倍型与目标性状或疾病之间是否存在显著的关联。例如，通过比较携带不同单倍型的个体在疾病发生率、表型特征等方面的差异，来判断单倍型与性状或疾病的相关性。常用的关联分析方法包括卡方检验、逻辑回归等。

如何确定个体单倍型

基于家系的方法

• 系谱分析
  通过分析家族中多个世代成员的基因型信息，利用遗传规律来推断个体的单倍型。例如，在一个三代家族中，如果已知祖父母和父母在特定基因座上的基因型，根据孟德尔遗传定律，可以推断出子代可能的单倍型。
  
• 连锁分析
  基于基因座之间的连锁关系，通过追踪家族中遗传标记的传递来确定单倍型。如果两个基因座在同一条染色体上紧密连锁，它们在家族成员中的遗传模式往往是一致的，从而可以帮助确定个体在这些基因座上的单倍型。
  基于群体数据的方法
  
  

统计学方法

• 最大似然估计法
  利用群体中基因频率和基因型频率的信息，通过建立数学模型，计算出不同单倍型组合的似然值，选择似然值最大的单倍型组合作为个体最可能的单倍型。例如，对于多个 SNP 位点，根据已知的群体 SNP 频率，计算出各种单倍型出现的概率，进而确定个体的单倍型。
  
• 期望最大化算法（EM 算法）
  在存在缺失数据或基因型信息不完整的情况下，通过迭代的方式逐步估计单倍型的频率和个体的单倍型。该算法在处理复杂的遗传数据时较为有效，例如在分析混合人群的单倍型时，可以根据不同祖先群体的基因频率信息来推断个体的单倍型。
  

基于实验技术的方法

• 分子克隆技术
  将个体的 DNA 片段插入到克隆载体中，然后通过对多个克隆进行测序，直接确定每个克隆中包含的单倍型。这种方法可以准确地确定单倍型，但实验过程较为繁琐，成本较高。
  
• 长片段测序技术
  例如利用三代测序技术（如 PacBio 或 Oxford Nanopore 测序），可以直接读取较长的 DNA 片段序列，从而更容易确定同一染色体上多个基因座的等位基因组合，即单倍型。这种技术能够跨越传统短读长测序中难以解决的重复区域和复杂结构区域，提高单倍型确定的准确性。
  

基于高通量数据的软件推断法

单倍型分析的应用

医学研究领域：

群体遗传学研究：

农业领域：

法医学领域：

生物信息学研究：

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