Als Quantitative Trait Locus (abgekürzt QTL, Mehrzahl Quantitative Trait Loci, abgekürzt QTLs) wird eine Position (Locus) in der DNA bezeichnet, für die Varianten (Allele, Allelkombinationen) mit unterschiedlichen Messwerten eines oder mehrerer quantitativer Merkmale assoziiert auftreten.Complex Trait Consortium - (2003). The nature and identification of quantitative trait loci: a community's view. Nature Reviews Genetics. 4 (11). Für eine Analyse der QTLs werden Markerloci verwendet, d. h. Loci, für die allele Varianten in der betreffenden Individuengruppe darstellbar sind. Erst mit der Verfügbarkeit zahlreicher Markerloci durch die DNA-Analytik konnte sich die QTL-Forschung entwickeln.
Quantitative (stetige, komplexe) Merkmale sind Variationen im Phänotyp (Erscheinungsbild, Merkmalswert), die ohne Abstufung in einer kontinuierlichen Skala messbar sind und im Allgemeinen durch viele Einflüsse (also multifaktoriell) bedingt werden. Die Vererbung quantitativer Merkmale kann daher nicht durch den genetischen Einfluss eines einzelnen Gens erklärt werden, sie wird vielmehr durch das Zusammenwirken von mehreren Erbanlagen und Umweltfaktoren bestimmt.
Die Identifizierung von Chromosomenabschnitten mit Einflüssen auf die Ausprägung der betrachteten quantitativen Merkmale, also die QTL-Kartierung, ist beispielsweise in der Humangenetik zum Auffinden von krankheitsrelevanten Genen, in der landwirtschaftlichen Züchtungsforschung zur Analyse leistungswichtiger Gene und in der Evolutionsbiologie für den Genvergleich zwischen Spezies von Interesse. Die QTL-Kartierung liefert zunächst nur statistische Beziehungen zwischen Genotypen und Merkmalswerten in den betrachteten Familien und Populationen. Letztlich werden mit verschiedenen Verfahren die merkmalsbeeinflussenden Gene identifiziert, d. h. es werden auf DNA-Niveau diejenigen Varianten dargestellt, die zu den Unterschieden in den Messwerten eines quantitativen Merkmals führen. Für diese Nachweise war die QTL-Kartierung oft ein erster entscheidender Schritt.
Historisches Bereits WRIGHT (1931) führte in seiner Theorie einer Evolution der kontinuierlich variierenden Merkmale aus, dass letztlich viele Gene mit kleinen Einflüssen auf ein Merkmal die genetische Basis der quantitativ variierenden Merkmalswerte in Populationen sind.Wright, S. (1931): Evolution in Mendelian Populations. Genetics. 16 (2), 97–159. Er nahm bei jedem der einzelnen Genloci einen MENDELnden Erbgang an mit additiven Effekten und einer Dominanzabweichung. Aber erst THODAY (1961) wies darauf hin, dass die Übertragung individueller Chromosomenbereiche von Eltern auf einzelne Nachkommen mit Hilfe von Markergenen festgestellt werden kann.Thoday, J.M. (1961): Location of polygenes. Nature, London 191, 368–370. Der Begriff QTL wurde erstmals von GELDERMANN (1975) in Verbindung mit der Verwendung von Markerloci für die Analyse quantitativer Merkmale bei Tieren verwendet.Geldermann, H. (1975): Investigations on inheritance of quantitative characters in animals by gene markers. Methods. Theor. Appl. Genet. 46, 319–330. Bei Mäuse-Inzuchtlinien konnten dann 1982 in Rückkreuzungsgruppen Effekte von genmarkierten Chromosomenregionen auf quantitative Merkmale (Größenwuchs, Fettansatz) nachgewiesen werden.Kluge, R., H. Geldermann (1982). Effects of marked chromosome sections on quantitative traits in the mouse. Theor. Appl. Genet. 62, 1 – 4. Große Markerzahlen waren erst mit Hilfe der DNA-Techniken ab etwa 1990 verfügbar und wurden bald für viele genomweite QTL-Kartierungen bei Nutztieren, in der Humangenetik und bei Kulturpflanzen benutzt. Für die Auswertungen entwickelten LANDER und BOTSTEIN 1989 ein Verfahren, um viele Markerloci zur Kartierung von QTLs zu verwenden.Lander, E.S.; Botstein, D. (1989): Mapping mendelian factors underlying quantitative traits using RFLP linkage maps. Genetics 121, 185–199. Diese sogenannte Intervallkartierung benutzt Paare flankierender Marker, um die Wahrscheinlichkeit anzugeben, mit der sich ein QTL im Intervall befindet.
QTL-Kartierung Bei der Analyse von QTLs geht es zunächst um eine Lokalisierung von Genen, die auf quantitative Merkmale wirken, in einem oder mehreren Chromosomen, also um eine QTL-Kartierung. Hierfür werden – unter Einbeziehung von mehr oder weniger großen Individuenzahlen – jeweils pro Individuum die Werte quantitativer Merkmale wie auch die Allele für Markerloci dargestellt.
Auswahl und Messung quantitativer Merkmale Eine QTL-Kartierung benötigt Messwerte für das betrachtete quantitative Merkmal. Bei quantitativen (kontinuierlichen) Merkmalen (z. B. Körpergewicht, Größenwuchs) treten kontinuierlich sich ändernde Merkmalswerte auf, welche quantitativ gemessen werden können. Die Werte eines quantitativen Merkmals werden oft von vielen Genen bestimmt (polygene Vererbung). Zudem wirkt eine mehr oder weniger große Zahl an Umwelteinflüssen auf die Ausbildung eines quantitativen Merkmals. Die Werte eines quantitativen Merkmals werden also multifaktoriell bedingt und variieren in einer Individuengruppe (z. B. Tierpopulation) typischerweise entlang eines kontinuierlichen Gradienten. Die Verteilung der Merkmalswerte folgt bei Einflüssen mehrerer Gene und unter zufälligen Bedingungen einer GAUSS- oder Normalverteilung.
Für die QTL-Kartierung sind solche quantitativen Merkmale besonders günstig, deren genetisch bedingte Variabilität in der betrachteten Tiergruppe möglichst groß ist. Beispielsweise bietet eine Kreuzung von Individuen, die in ihren Werten für das betrachtete Merkmal extrem unterschiedlich sind, eine Voraussetzung, um eine große Merkmalsvariabilität z. B. in einer F2-Generation beobachten zu können. Außerdem wird man Kriterien des betrachteten Merkmals messen, die möglichst stark von Geneinflüssen abhängen. Beispielsweise gilt das in Bezug auf den Fettansatz bei Tieren für einige Kriterien des Stoffwechsels und der Gewebebeschaffenheit. Auf die Messwerte quantitativer Merkmale wirken stets auch Umweltfaktoren, so dass bei den Experimenten nach Möglichkeit standardisierte Umweltbedingungen eingehalten werden.
Im Vergleich zu klassischen MENDELschen Merkmalen kommen quantitative Merkmale weitaus häufiger vor. Bei MENDELschen Merkmalen handelt es sich um qualitative (diskrete) Merkmale, für die zwei oder mehrere Merkmalsklassen gebildet werden können, wie z. B. die Haarfarben bei Säugetieren oder glatte gegenüber faltigen Erbsen, ein Merkmal, welches MENDEL in seinen Experimenten verwendete.Mendel; Gregor (1865/66): Versuche über Pflanzen-Hybriden. In: Verhandlungen des naturforschenden Vereines in Brünn. Band IV (Abhandlungen 1865), Brünn 1866, S. 3–47. Ein Beispiel für ein quantitatives Merkmal ist die Variation der menschlichen Hautfarbe. Die natürliche Hautfarbe eines Menschen wird von mehreren Genen bestimmt, so dass die Veränderung nur eines dieser Gene die Hautfarbe geringfügig bis moderat verändern kann. Auch viele Krankheiten mit genetischen Komponenten werden polygen bedingt, z. B. Autismus, Krebs, Diabetes. Einige multifaktoriell bedingte Merkmale werden erst sichtbar, wenn die zugrundeliegenden Bedingungen einen Schwellenwert überschreiten. Beispielsweise führt eine sich steigernde Fruchtbarkeit bei weiblichen Schafen ab bestimmten Schwellen zu Einlings-, Zwillings- oder Drillingsgeburten. Auch entsteht oft ein Krankheitszustand erst, wenn die verursachenden Einflüsse eine Schwelle überschreiten.
Typisierung von Markerloci Als Marker dienen fast immer Varianten in der DNA-Sequenz, die bei den betrachteten Individuen in unterschiedlichen Formen, sogenannten Allelen, auftreten. Für QTL-Analysen sind Genmarker mit einem hohen Polymorphismusgrad (Polymorphiegrad) von Interesse. Der Polymorphismusgrad eines Locus ist umso größer, je mehr Allele zu unterscheiden sind und je ähnlicher deren Häufigkeiten in der zu untersuchenden Individuengruppe sind. Besonders häufig werden RFLP-, SNP- und STR-Polymorphismen als Marker genutzt. Diese Polymorphismen sind sogenannte anonyme Marker, soweit ihnen keine funktionelle Bedeutung zugeordnet ist und sie keinem spezifischen Gen entsprechen.
Die Zahl der Markerloci, die genomweit oder in Bezug auf einen betrachteten Chromosomenabschnitt verwendet werden, wird als Markerdichte bezeichnet. Eine hohe Markerdichte erlaubt in Verbindung mit vielen untersuchten Individuen eine Eingrenzung der QTLs auf kleine chromosomale Bereiche.
Markerloci für die QTL-Kartierung wurden nach folgenden Kriterien ausgewählt:
Günstig sind ein hoher Polymorphismusgrad und eine wenig aufwändige, sichere Typisierung der Genotypen. Angestrebt wurden oft gleichmäßige Positionen der Markerloci in ausgewählten oder allen Chromosomen eines Genoms. Dies war im Allgemeinen der Ansatz, wenn für die Spezies und das quantitative Merkmal geringe Vorkenntnisse vorlagen. Sobald ein QTL in einem Intervall zwischen zwei Markerloci kartiert worden ist, werden in diesem Intervall oft möglichst viele Loci für eine QTL-Feinkartierung berücksichtigt. In vielen Fällen gibt es Gene, die mit hohen A-priori-Wahrscheinlichkeiten Einflüsse auf die betrachteten Merkmalswerte erwarten lassen (Kandidatengene). Zur Auswahl dieser Gene helfen auch Daten der Kartierung in anderen Spezies, denn innerhalb Distanzen < 5 cM zeigen sich zwischen verwandten Spezies üblicherweise ähnliche Anordnungen der Loci. Ein zusätzlicher Weg für eine Auswahl von Kandidatengenen sind cDNA-Bibliotheken, um damit gewebe- und/oder entwicklungsspezifisch exprimierte Gene zu finden. Beispielsweise kann eine muskelspezifische cDNA-Bibliothek dabei helfen, Kandidatengene für den Muskelansatz oder –stoffwechsel zu finden.
Assoziationsstudien Bei Assoziationsstudien werden für die Individuen einer Studiengruppe bei jedem Marker die Allele bestimmt. Unter der Annahme, dass ein bestimmter Marker in keiner Beziehung zum untersuchten quantitativen Merkmal steht, wird von einer gleichen Häufigkeit der Allele in Individuengruppen mit unterschiedlicher Merkmalsausprägung ausgegangen. Eine unterschiedliche Häufigkeit von bestimmten Allelen eines Markers in Individuengruppen mit zu- oder abnehmender Ausprägung des untersuchten Merkmals ist hingegen ein Hinweis auf eine Assoziation dieses Markers zum untersuchten Merkmal. Mit abnehmendem Abstand eines Markers zu einem Gen, das die Merkmalsausprägung beeinflusst (d. h. dem QTL), steigt nämlich die Wahrscheinlichkeit, dass bestimmte Markerallele gemeinsam mit bestimmten Allelen des QTL vererbt werden. Dies hat zur Folge, dass die Allelverteilung des betrachteten Markers mit der Merkmalsausprägung assoziiert bei den Individuen auftritt. Die Wahrscheinlichkeit dafür wird für Intervalle zwischen Markern durch den sogenannten LOD-Score ermittelt. Ein LOD-Score von größer als drei für einen Marker gilt in QTL-Studien im Allgemeinen als Indikator für einen QTL an der Position des betreffenden Markers (bzw. der Position des markierten Intervalls).
Häufig werden – analog zum beschriebenen Ansatz – zwei Individuengruppen untersucht, die sich in der Merkmalsausprägung markant unterscheiden, beispielsweise eine Züchtungsform einer Pflanzenart mit normaler Wuchshöhe und eine weitere mit Zwergwuchs, oder eine Gruppe von Patienten mit einer bestimmten Erkrankung und eine weitere Gruppe mit gesunden Personen. Für jeden Markerlocus werden nachfolgend die Allelhäufigkeiten in beiden Gruppen verglichen. Markerloci mit unterschiedlichen Allelhäufigkeiten in beiden Gruppen weisen dann Assoziationen zum untersuchten Merkmal auf.