Картирование генов или картирование генома описывает методы, используемые для определения местоположения гена на хромосоме и расстояний между генами. [2] [3] Картирование генов также может описывать расстояния между различными участками внутри гена.
Суть любого картирования генома заключается в размещении набора молекулярных маркеров на соответствующих позициях в геноме. Молекулярные маркеры бывают разных форм. Гены можно рассматривать как один особый тип генетических маркеров при построении карт генома, и они наносятся на карту так же, как и любые другие маркеры. В некоторых областях исследований картирование генов способствует созданию новых рекомбинантов внутри организма. [4]
Карты генов помогают описать пространственное расположение генов на хромосоме . Гены привязаны к определенному месту на хромосоме, известному как локус, и могут использоваться в качестве молекулярных маркеров для определения расстояния между другими генами на хромосоме. Карты дают исследователям возможность прогнозировать закономерности наследования конкретных признаков, что в конечном итоге может привести к лучшему пониманию признаков, связанных с болезнями. [5]
Генетическая основа карт генов призвана обеспечить схему, которая потенциально может помочь исследователям проводить секвенирование ДНК . Карта генов помогает указать относительное положение генов и позволяет исследователям находить интересующие области в геноме . Тогда гены можно будет быстро идентифицировать и секвенировать . [6]
Два подхода к созданию карт генов ( картирование генов ) включают физическое картирование и генетическое картирование. Физическое картирование использует методы молекулярной биологии для проверки хромосом. Следовательно, эти методы позволяют исследователям напрямую наблюдать за хромосомами, чтобы можно было построить карту с относительным положением генов. С другой стороны, генетическое картирование использует генетические методы для косвенного обнаружения связи между генами. Методы могут включать эксперименты по скрещиванию ( гибридам ) и изучение родословных . Эти методы позволяют создавать карты, позволяющие анализировать относительное положение генов и других важных последовательностей. [6]
В области картирования генома используются два различных подхода к картированию: генетические карты (также известные как карты сцепления) [7] и физические карты. [3] Хотя обе карты представляют собой набор генетических маркеров и локусов генов , [8] расстояния на генетических картах основаны на информации о генетическом сцеплении , тогда как на физических картах используются фактические физические расстояния, обычно измеряемые в количестве пар оснований . Хотя физическая карта может быть более точным представлением генома, генетические карты часто дают представление о природе различных участков хромосомы, например, соотношение генетического расстояния к физическому расстоянию сильно различается в разных регионах генома, что отражает разные скорости рекомбинации. и такая скорость часто указывает на соотношение эухроматических (обычно богатых генами) и гетерохроматических (обычно бедных генами) областей генома.
Исследователи начинают составление генетической карты со сбора образцов крови, слюны или тканей у членов семьи, которые являются носителями выраженного заболевания или признака, и членов семьи, у которых его нет. Наиболее распространенным образцом, используемым при картировании генов, особенно в личных геномных тестах, является слюна. Затем ученые выделяют ДНК из образцов и внимательно изучают ее, ища уникальные закономерности в ДНК членов семьи, которые являются переносчиками заболевания, и ДНК тех, кто не являются носителями заболевания. Эти уникальные молекулярные структуры ДНК называются полиморфизмами или маркерами. [9]
Первыми шагами создания генетической карты являются разработка генетических маркеров и картирование популяции. Чем ближе два маркера расположены в хромосоме, тем больше вероятность того, что они передадутся следующему поколению вместе. Следовательно, закономерности «совегрегации» всех маркеров можно использовать для восстановления их порядка. С учетом этого генотипы каждого генетического маркера регистрируются как для родителей, так и для каждой особи в следующих поколениях. Качество генетических карт во многом зависит от этих факторов: количества генетических маркеров на карте и размера картируемой популяции. Эти два фактора взаимосвязаны, поскольку большее количество картографов может увеличить «разрешение» карты и предотвратить ее «насыщение».
При картировании генов любой признак последовательности, который можно точно отличить от двух родителей, можно использовать в качестве генетического маркера. В этом отношении гены представлены «признаками», которые можно точно различить у двух родителей. Их связь с другими генетическими маркерами рассчитывается так же, как если бы они были общими маркерами, а затем фактические локусы генов заключались в скобки в области между двумя ближайшими соседними маркерами. Затем весь процесс повторяется, просматривая больше маркеров, нацеленных на эту область, чтобы картировать окрестности гена с более высоким разрешением, пока не будет идентифицирован конкретный причинный локус. Этот процесс часто называют « позиционным клонированием », и он широко используется при изучении видов растений. Одним из видов растений, в частности, в котором используется позиционное клонирование, является кукуруза . [10] Большим преимуществом генетического картирования является то, что оно позволяет определить относительное положение генов исключительно на основе их фенотипического эффекта.
Генетическое картирование — это способ точно определить, какая хромосома имеет какой ген, и точно определить, где этот ген находится на этой конкретной хромосоме. Картирование также действует как метод определения того, какой ген с наибольшей вероятностью будет рекомбинировать, на основе расстояния между двумя генами. Расстояние между двумя генами измеряется в единицах, известных как сантиморганы или единицы карты, эти термины взаимозаменяемы. Сантиморган — расстояние между генами, при котором один продукт мейоза из ста является рекомбинантным. [11] [4] Чем дальше два гена находятся друг от друга, тем больше вероятность, что они будут рекомбинировать. Если бы оно было ближе, произошло бы обратное. [12]
Основой анализа сцепления является понимание хромосомного расположения и выявление генов заболеваний. Определенные гены, которые генетически связаны или связаны друг с другом, расположены близко друг к другу на одной и той же хромосоме. Во время мейоза эти гены способны наследоваться вместе и могут использоваться в качестве генетического маркера , помогающего идентифицировать фенотип заболеваний. Поскольку анализ сцепления может выявить закономерности наследования, эти исследования обычно проводятся на уровне семьи. [13]
Анализ ассоциаций генов основан на популяции; он не ориентирован на закономерности наследования, а скорее основан на всей истории населения. Анализ генных ассоциаций рассматривает конкретную популяцию и пытается определить, отличается ли частота аллеля у пораженных людей от частоты контрольной группы незатронутых людей из той же популяции. Этот метод особенно полезен для выявления сложных заболеваний, не имеющих менделевского типа наследования. [14]
Поскольку фактические расстояния между парами оснований, как правило, трудно или невозможно измерить напрямую, физические карты фактически создаются путем разделения генома на иерархически более мелкие части. Охарактеризовав каждую отдельную часть и собрав ее обратно, перекрывающийся путь или «путь мозаики» этих небольших фрагментов позволит исследователям сделать вывод о физических расстояниях между геномными особенностями.
Рестрикционное картирование — это метод, при котором структурная информация о сегменте ДНК получается с помощью ферментов рестрикции . Ферменты рестрикции — это ферменты , которые помогают разрезать сегменты ДНК в определенных последовательностях узнавания. В основе рестрикционного картирования лежит переваривание (или разрезание) ДНК ферментами рестрикции. Переваренные фрагменты ДНК затем обрабатываются в агарозном геле с помощью электрофореза , который дает информацию о размере этих переваренных фрагментов. Размеры этих фрагментов помогают указать расстояние между сайтами рестриктаз на анализируемой ДНК и предоставляют исследователям информацию о структуре анализируемой ДНК. [14] Полученный образец миграции ДНК – его генетический отпечаток используется для определения того, какой участок ДНК находится в клоне . Анализируя отпечатки пальцев, контиги собираются автоматически (FPC) или вручную (путепоиском) в перекрывающиеся участки ДНК. Теперь можно сделать хороший выбор клонов для эффективного секвенирования клонов и определения последовательности ДНК исследуемого организма.
При физическом картировании не существует прямых способов разметки конкретного гена, поскольку картирование не включает никакой информации, касающейся признаков и функций. Генетические маркеры могут быть связаны с физической картой с помощью таких процессов, как гибридизация in situ . При таком подходе контиги физической карты могут быть «привязаны» к генетической карте. Клоны, используемые в контигах физической карты, затем можно секвенировать в локальном масштабе, чтобы помочь в разработке новых генетических маркеров и идентификации причинных локусов.
Макрорестрикция представляет собой тип физического картирования, при котором ДНК с высокой молекулярной массой расщепляется ферментом рестрикции, имеющим небольшое количество сайтов рестрикции.
Существуют альтернативные способы определить, как ДНК в группе клонов перекрывается без полного секвенирования клонов. Как только карта определена, клоны можно использовать в качестве ресурса для эффективного содержания больших участков генома. Этот тип карт более точен, чем генетические карты.
Рестрикционное картирование — это метод, при котором структурная информация о сегменте ДНК получается с помощью ферментов рестрикции . Ферменты рестрикции — это ферменты , которые помогают разрезать сегменты ДНК в определенных последовательностях узнавания. В основе рестрикционного картирования лежит переваривание (или разрезание) ДНК ферментами рестрикции. Переваренные фрагменты ДНК затем обрабатываются в агарозном геле с помощью электрофореза , который дает информацию о размере этих расщепленных фрагментов. Размеры этих фрагментов помогают указать расстояние между сайтами рестрикции на анализируемой ДНК и предоставляют исследователям информацию о структуре анализируемой ДНК. [14]
Флуоресцентная гибридизация in situ (FISH) — это метод, используемый для обнаружения присутствия (или отсутствия) последовательности ДНК внутри клетки. [15] Зонды ДНК, специфичные для хромосомных областей или интересующих генов, помечены флуорохромами . Присоединив флуорохромы к зондам, исследователи могут одновременно визуализировать несколько последовательностей ДНК. Когда зонд вступает в контакт с ДНК определенной хромосомы, происходит гибридизация. Следовательно, будет получена информация о местоположении этой последовательности ДНК. FISH анализирует одноцепочечную ДНК ( оцДНК ). Когда ДНК находится в одноцепочечном состоянии, она может связываться со своим специфическим зондом. [6]
Сайт с меткой последовательности (STS) представляет собой короткую последовательность ДНК (длиной около 100–500 пар оснований ), которая, как видно, появляется несколько раз в геноме человека. Эти сайты легко узнаваемы и обычно появляются хотя бы один раз в анализируемой ДНК. Эти сайты обычно содержат генетические полиморфизмы , что делает их источниками жизнеспособных генетических маркеров (поскольку они отличаются от других последовательностей). Секвенированные помеченные сайты могут быть картированы в нашем геноме и требуют группы перекрывающихся фрагментов ДНК. ПЦР обычно используется для сбора фрагментов ДНК. После создания перекрывающихся фрагментов можно проанализировать расстояние на карте между STS. Чтобы вычислить расстояние на карте между STS, исследователи определяют частоту, с которой происходят разрывы между двумя маркерами (см. «Последовательность дробовика» ) [14]
В начале 1950-х годов преобладала точка зрения, что гены в хромосоме представляют собой дискретные сущности, неделимые в результате генетической рекомбинации и расположенные как бусины на нитке. В период с 1955 по 1959 год Бензер проводил эксперименты по генетической рекомбинации с использованием rII- мутантов бактериофага Т4 . Он обнаружил, что на основе тестов рекомбинации сайты мутаций можно картировать в линейном порядке. [16] [17] Этот результат подтвердил ключевую идею о том, что ген имеет линейную структуру, эквивалентную длине ДНК, со многими сайтами, которые могут независимо мутировать.
В 1961 году Фрэнсис Крик, Лесли Барнетт, Сидней Бреннер и Ричард Уоттс-Тобин провели генетические эксперименты, которые продемонстрировали основную природу генетического кода белков. [18] Эти эксперименты, включающие картирование сайтов мутаций в гене rIIB бактериофага Т4, продемонстрировали, что три последовательных нуклеиновых основания ДНК гена определяют каждую последующую аминокислоту кодируемого им белка. Таким образом, было показано, что генетический код представляет собой триплетный код, где каждый триплет (называемый кодоном) определяет определенную аминокислоту. Они также получили доказательства того, что кодоны не перекрываются друг с другом в последовательности ДНК, кодирующей белок, и что такая последовательность считывается с фиксированной начальной точки.
Эдгар и др. [19] провели эксперименты по картированию r-мутантов бактериофага Т4, показав, что частоты рекомбинации между rII-мутантами не являются строго аддитивными. Частота рекомбинации от скрещивания двух мутантов rII (axd) обычно меньше суммы частот рекомбинации соседних внутренних подинтервалов (axb) + (bxc) + (cxd). Хотя это и не является строго аддитивным, систематическая связь была продемонстрирована [20], которая, вероятно, отражает основной молекулярный механизм генетической рекомбинации .
Небиологи иногда ошибочно называют секвенирование генома «картированием генома». Процесс дробового секвенирования [21] напоминает процесс физического картирования: он разбивает геном на мелкие фрагменты, характеризует каждый фрагмент, а затем снова собирает их вместе (более поздние технологии секвенирования кардинально отличаются). Хотя объем, цель и процесс совершенно разные, сборку генома можно рассматривать как «окончательную» форму физической карты, поскольку она гораздо лучше предоставляет всю информацию, которую может предложить традиционная физическая карта.
Идентификация генов обычно является первым шагом в понимании генома вида; картирование гена обычно является первым шагом идентификации гена. Картирование генов обычно является отправной точкой многих важных последующих исследований.
Процесс идентификации генетического элемента, ответственного за заболевание, также называется «картированием». Если локус, в котором осуществляется поиск, уже значительно ограничен, поиск называется точным картированием гена. Эта информация получена в результате изучения проявлений заболевания в больших семьях ( генетическая связь ) или в результате популяционных исследований генетических ассоциаций .
Используя упомянутые выше методы, исследователи способны картировать гены болезней. Создание карты генов — важнейший первый шаг на пути к выявлению генов заболеваний. Карты генов позволяют идентифицировать варианты аллелей и позволяют исследователям делать прогнозы о генах, которые, по их мнению, вызывают мутантный фенотип. Примером заболевания, выявленного с помощью анализа сцепления, является муковисцидоз . Например, при муковисцидозе (МВ) образцы ДНК из пятидесяти семей, пострадавших от МВ, были проанализированы с использованием анализа сцепления. Сотни маркеров, относящихся к CF, были проанализированы по всему геному, пока CF не был идентифицирован на длинном плече хромосомы 7. Затем исследователи завершили анализ сцепления дополнительных маркеров ДНК в хромосоме 7, чтобы определить еще более точное местоположение гена CF. Они обнаружили, что ген CF расположен в районе 7q31-q32 (см. хромосомную номенклатуру ). [14]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )