הפלוטיפ
הפלוטיפ (באנגלית: haplotype) הוא צירוף של אללים מאתרים רבי-שונות (אתרים פולימורפיים), המצויים בתאחיזה באזור גנומי מסוים, ועל כן עוברים בתורשה יחד כיחידה אחת. הפלוטיפ עשוי להיות מורכב מאתרים פולימורפיים באזור מסוים בכרומוזום בודד, או לכלול כמה אזורים בכרומוזום[1]. כתוצאה מכך, ההפלוטיפ עשוי להיות בעל אורך של עשרות, אלפי ואף מיליוני בסיסים. ככל שהאזור הגנומי המגדיר את ההפלוטיפ רחב יותר, כך יש סיכוי גדול יותר להפריד בין צירופי האללים באתרים הפולימורפיים שמרכיבים את ההפלוטיפ בתהליכי שחלוף בזמן המיוזה[2]. כך נוצרים צירופי הפלוטיפים חדשים שעוברים בתורשה לדורות הבאים. לעומת זאת, קרבה פיזית בין הווריאנטים מורידה את תדירות השחלופים ואת היווצרות צירופים חדשים, ולכן צירוף האללים מאתרים פולימורפיים סמוכים המרכיבים את הפלוטיפ הוא בעל סיכוי רב לעבור בתורשה כקבוצה אחת מדור לדור. האתרים הפולימורפיים שמרכיבים את ההפלוטיפ יכולים להכיל שינויים בנוקלאוטיד בודד (המכונה SNP או סניפּ), או רצפים בעלי יחידה חוזרת באורך משתנה המכונים מיקרוסטלייט (micro satellites). בין האללים בהפלוטיפ מתקיימת תאחיזה לא שוויונית, כלומר תאחיזה בין וריאנטים אשר עוברים יחד בתורשה יותר מהצפוי לפי עיקרון ההפרדה הבלתי תלויה של התורשה המנדלית. הארגון של ההפלוטיפ והתאחיזה הלא שוויונית משמשים ככלי יעיל לאפיון ומיפוי אסוציאציות בין אתר (לוקוס) גנומי למופע (פנוטיפ) במבחני אסוציאציה, או באנליזת תאחיזה. אנליזות אלה מעלות את חשיבות המיפוי של ההפלוטיפים בגנום באוכלוסיות שונות ברחבי העולם ככלי לאפיון הבסיס הגנטי של מגוון רחב של מחלות ותכונות[3][4][5]. ההפלוטיפים מאורגנים לאורך הכרומוזום במבנים הנקראים "haplotype blocks" כאשר כל בלוק הפלוטיפי מכיל מספר סמנים פולימורפיים. בנוסף, קיימת האפשרות שבלוק הפלוטיפי יוכפל, כתוצאה מהכפלה של המקטע הגנומי המכיל את ההפלוטיפ ליצירת מספר עותקים משתנה (CNV)(אנ')[6][7].
גורמים המעורבים ביצירת ההפלוטיפ
אחד התהליכים העיקרים ליצירת צירופי אללים חדשים, ועל כן הפלוטיפים חדשים, הוא התרחשות השחלוף בין כרומוזומים הומולוגיים. כיוון שתדירות אירועי שחלוף משתנה בין אזורים שונים בגנום, יש שונות ביציבות של האפלוטיפים בין אזורים שונים בכרומוזומים לאורך הדורות[8]. תהליך נוסף המעורב ביצירת הפלוטיפים הוא היווצרות מוטציות חדשות, אשר תורמות הן להופעת וריאנטים נוספים, והן לגיוון מבנה ההפלוטיפ, ובכך גדלה השונות הגנטית באוכלוסייה[1][9].
אנליזת הפלוטיפים
אנליזת הפלוטיפים היא כלי להסקת מידע על תורשה של תכונות גנטיות, שהגורמים להן מקודדים באזור הגנומי המצוי בתאחיזה להפלוטיפ[10]. כך ניתן לזהות הורשה של הפלוטיפ מסוים מדור לדור במשפחות, ולהבחין שהפלוטיפ זה מורש באופן מועדף יחד עם מופע (פנוטיפ) מסוים, כמו מחלה או תכונה נחקרת אחרת. אנליזה כזאת מאפשרת לזהות את המקום בגנום בו מצוי הגורם הגנטי המעורב בביטוי הפנוטיפ. ניתן להשתמש באנליזת הפלוטיפים במסגרת positional cloning (אנ') כאנליזה לזיהוי גנים ואזורים גנומים הנמצאים בתאחיזה לא שוויונית עם הפלוטיפ מסוים, ועוברים בתורשה יחד עם פנוטיפ מסוים במשפחות. גישה מחקרית זו מאפשרת לאתר את הגורם הגנטי המעורב בפנוטיפ ומכונה גנטיקה הפוכה (אנ'). דוגמה לשימוש מוצלח בשיטה זו לאפיון הגורם הגנטי המעורב בפנוטיפ היא בידוד הגן שפגם בו גורם למחלת סיסטיק פיברוזיס – הגן המקודד לחלבון CFTR (אנ') שתפקידו להעביר יוני כלור[11].
ניתן להשתמש בהפלוטיפים גם במבחני אסוציאציה. במסגרת מחקרים אלה מושווית תדירות הפלוטיפים ברחבי הגנום בין קבוצת פרטים בעלי פנוטיפ מסוים (cases) לקבוצת פרטים ללא פנוטיפ זה (control) תוך הקפדה על תיאום בין הקבוצות בנוגע גודל המדגם, מספר הזכרים/נקבות, שיוך אתני ופיזור גילאים. תדירות שונה של הפלוטיפ מסוים אצל קבוצת בעלי הפנוטיפ לעומת הביקורת תרמז על האפשרות, שאחד הגורמים הגנטיים המעורבים בביטוי הפנוטיפ נמצא בתאחיזה עם ההפלוטיפ הנבחן. כיוון, שאנליזות כאלה מצריכות ידע על השונות הגנטית בתוך קבוצות אתניות וגאוגרפיות, הוקם פרויקט International HapMap עבור הגנום האנושי, שהציב מטרה למפות את המיקום הגנומי של וריאנטים גנטיים, ולזהות הפלוטיפים ואת תדירותם בקבוצות אתניות וגאוגרפיות שונות ברחבי העולם[1].
חקר ההפלוטיפים מבוצע באמצעות זיהוי אתרים פולימורפיים, והגדרת וריאנטים גנטיים באתרים אלה בפרטים באוכלוסיות שונות ברחבי הגלובוס. זיהוי הגנוטיפ של וריאנטים (הומוזיגוטים והטרוזיגוטים לאללים באתר פולימורפי נבדק) מוסיף רובד נוסף באנליזה – מידע כזה מאפשר לא רק לחפש אסוציאציה בין אלל באתר פולימורפי לפנוטיפ, אלא גם אסוציאציה בין תדירות הגנוטיפ באתר זה לפנוטיפ לא רק בבני אדם, אלא בכל יצור בו קיים מידע גנטי אוכלוסייתי[12].
חוקרים פיתחו מספר שיטות סטטיסטיות לזיהוי הפלוטיפים. אלגוריתם Expectation Maximization (EM) מאפשר לאתר מיקום מסוים בגנום עם הסבירות הגבוהה ביותר להיות בתאחיזה עם פנוטיפ, בהנחת קיום שיווי משקל הרדי-ווינברג באוכלוסייה הנחקרת. לפיכך, השימוש במודל אלגוריתמי EM מותנה בתנאים ראשוניים והוא מבצע הערכה לנתונים המייצגים רצפי DNA אשר מכילים לוקוסים בעלי שונות גנטית רבה; אחד היתרונות של שיטה זו היא היכולת לערוך אנליזות במדגמים גדולים ללא צורך להתחשב בשיעורי רקומביציות באותם לוקוסים[13].
כלי חישובי נוסף, שרשרת מרקוב מונטה קרלו או Markov Chain Monte Carlo (MCMC) (אנ'), משמש בעיקר לחישוב מספר רב של משתנים, עצים פוליגנטיים גדולים, ואירועים נדירים המתרחשים באוכלוסייה. השיטה מאפשרת עריכה של עצים פילוגנטיים, אשר מזהה היווצרות הפלוטיפים בצורה היררכית המלווה את המרחק הגנטי בין הפרטים באוכלוסייה[14].
שיטה הנקראת מודל מרקוב חבוי מאפשרת לבצע אנליזת תדירות של מספר הפלוטיפים בכמה אזורים גנומים מוגדרים; ניתן לשלב גישה זו עם שיטת EM ובכך ליעל את אנליזת הקשר בין הפלוטיפים לפנוטיפ נחקר[15].
הפלוגרופ
ניתן לסווג הפלוטיפים לקבוצות בעלות אב קדמון משותף – הפלוגרופ (אנ')[16]. הפלוגרופים תוארו במיוחד באזורים בגנום שלא עוברים שיחלופים כמו בדנ"א של כרומוזום Y (אנ') ובדנ"א מיטוכונדרי[17][18][19], ונעשה בהם שימוש למחקר אנתרופולוגי של תנועת אוכלוסיות ברחבי העולם בעבר, אבל גם ככלי לזיהוי אסוציאציה לפנוטיפ, בדומה לאנליזת הפלוטיפים.
