Генетическое картирование или геномное картирование описывает методы, используемые для определения местоположения гена на хромосоме и расстояний между генами. [2] [ 3] Генетическое картирование также может описывать расстояния между различными участками внутри гена.
Суть любого картирования генома заключается в размещении набора молекулярных маркеров на соответствующих им позициях в геноме. Молекулярные маркеры бывают всех форм. Гены можно рассматривать как один особый тип генетических маркеров при построении карт генома и картировать так же, как и любые другие маркеры. В некоторых областях исследования картирование генов способствует созданию новых рекомбинантов в организме. [4]
Карты генов помогают описать пространственное расположение генов на хромосоме . Гены назначаются в определенное место на хромосоме, известное как локус , и могут использоваться в качестве молекулярных маркеров для определения расстояния между другими генами на хромосоме. Карты предоставляют исследователям возможность предсказывать закономерности наследования определенных признаков, что в конечном итоге может привести к лучшему пониманию признаков, связанных с болезнями. [5]
Генетическая основа генных карт заключается в предоставлении схемы, которая потенциально может помочь исследователям провести секвенирование ДНК . Генная карта помогает указать относительное положение генов и позволяет исследователям локализовать интересующие их области в геноме . Затем гены можно быстро идентифицировать и секвенировать . [6]
Два подхода к созданию генных карт ( генное картирование ) включают физическое картирование и генетическое картирование. Физическое картирование использует методы молекулярной биологии для проверки хромосом. Эти методы, следовательно, позволяют исследователям наблюдать хромосомы напрямую, чтобы можно было построить карту с относительными позициями генов. Генетическое картирование, с другой стороны, использует генетические методы для косвенного поиска связи между генами. Методы могут включать эксперименты по скрещиванию ( гибридизации ) и изучение родословных . Эти методы позволяют строить карты таким образом, чтобы можно было анализировать относительные позиции генов и другие важные последовательности. [6]
Существует два различных подхода к картированию, используемых в области картирования генома: генетические карты (также известные как карты сцепления) [7] и физические карты. [3] Хотя обе карты представляют собой набор генетических маркеров и генных локусов , [8] расстояния генетических карт основаны на информации о генетическом сцеплении , в то время как физические карты используют фактические физические расстояния, обычно измеряемые в количестве пар оснований . Хотя физическая карта может быть более точным представлением генома, генетические карты часто предлагают понимание природы различных регионов хромосомы, например, соотношение генетического расстояния к физическому расстоянию сильно варьируется в различных геномных регионах, что отражает различные скорости рекомбинации, и такая скорость часто указывает на эухроматиновые (обычно богатые генами) против гетерохроматиновых (обычно бедные генами) регионов генома.
Исследователи начинают генетическую карту, собирая образцы крови, слюны или ткани у членов семьи, которые являются носителями выраженного заболевания или признака, и у членов семьи, которые не являются таковыми. Наиболее распространенным образцом, используемым при картировании генов, особенно в персональных геномных тестах, является слюна. Затем ученые выделяют ДНК из образцов и тщательно изучают ее, ища уникальные паттерны в ДНК членов семьи, которые являются носителями заболевания, и ДНК тех, кто не является носителем заболевания. Эти уникальные молекулярные паттерны в ДНК называются полиморфизмами или маркерами. [9]
Первыми шагами построения генетической карты являются разработка генетических маркеров и картографической популяции. Чем ближе два маркера находятся на хромосоме, тем больше вероятность того, что они будут переданы следующему поколению вместе. Поэтому модели «косегрегации» всех маркеров могут быть использованы для реконструкции их порядка. Имея это в виду, генотипы каждого генетического маркера регистрируются для обоих родителей и каждой особи в следующих поколениях. Качество генетических карт во многом зависит от следующих факторов: количества генетических маркеров на карте и размера картографической популяции. Эти два фактора взаимосвязаны, поскольку большая картографическая популяция может увеличить «разрешение» карты и предотвратить «насыщение» карты.
При картировании генов любая особенность последовательности, которая может быть достоверно различима у двух родителей, может быть использована в качестве генетического маркера. Гены, в этом отношении, представлены «чертами», которые могут быть достоверно различимы у двух родителей. Их связь с другими генетическими маркерами рассчитывается таким же образом, как если бы они были общими маркерами, а затем фактические локусы генов заключаются в скобки в области между двумя ближайшими соседними маркерами. Затем весь процесс повторяется путем просмотра большего количества маркеров, которые нацелены на эту область, чтобы отобразить соседство генов с более высоким разрешением, пока не будет идентифицирован определенный 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 может определять относительное положение генов исключительно на основе их фенотипического эффекта.
Генетическое картирование — это способ точно определить, какая хромосома имеет какой ген и точно указать, где именно этот ген находится на этой конкретной хромосоме. Картирование также действует как метод определения того, какой ген с наибольшей вероятностью рекомбинирует на основе расстояния между двумя генами. Расстояние между двумя генами измеряется в единицах, известных как сантиморган или единицы карты, эти термины взаимозаменяемы. Сантиморган — это расстояние между генами, для которого один продукт мейоза из ста является рекомбинантным. [11] [4] Чем дальше два гена друг от друга, тем больше вероятность того, что они будут рекомбинировать. Если бы они были ближе, произошло бы обратное. [12]
Основой анализа сцепления является понимание хромосомного расположения и идентификация генов болезней. Определенные гены, которые генетически связаны или ассоциированы друг с другом, находятся близко друг к другу на одной хромосоме. Во время мейоза эти гены способны наследоваться вместе и могут использоваться в качестве генетического маркера для помощи в определении фенотипа заболеваний. Поскольку анализ сцепления может идентифицировать модели наследования, эти исследования обычно основаны на семьях. [13]
.png/1280px-First_genetic_map_(Sturtevant,_1913).png)
Самые ранние карты генов были сделаны с помощью анализа сцепления плодовых мушек в исследовательской группе Томаса Ханта Моргана . Первая была опубликована в 1913 году. [15]
Анализ генной ассоциации основан на популяции; он не фокусируется на моделях наследования, а скорее основан на всей истории популяции. Анализ генной ассоциации рассматривает конкретную популяцию и пытается определить, отличается ли частота аллеля у пораженных людей от частоты у контрольного набора незараженных людей той же популяции. Этот метод особенно полезен для выявления сложных заболеваний, которые не имеют менделевской модели наследования . [16]
Поскольку фактические расстояния между парами оснований обычно трудно или невозможно измерить напрямую, физические карты фактически строятся путем предварительного разбиения генома на иерархически меньшие части. Характеризуя каждую отдельную часть и собирая их вместе, перекрывающийся путь или «мозаичный путь» этих небольших фрагментов позволит исследователям вывести физические расстояния между геномными особенностями.
Рестрикционное картирование — это метод, при котором структурная информация о сегменте ДНК получается с помощью рестриктаз . Рестрикционные ферменты — это ферменты , которые помогают разрезать сегменты ДНК в определенных последовательностях распознавания. Основа рестрикционного картирования включает переваривание (или разрезание) ДНК рестриктазами. Затем переваренные фрагменты ДНК прогоняются на агарозном геле с помощью электрофореза , что 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. [16] Полученная картина миграции ДНК — ее генетический отпечаток — используется для определения того, какой участок ДНК находится в клоне . Анализируя отпечатки, контиги собираются автоматическими (FPC) или ручными средствами (pathfinders) в перекрывающиеся участки ДНК. Теперь можно сделать хороший выбор клонов для эффективного секвенирования клонов с целью определения последовательности ДНК изучаемого организма.
В физическом картировании нет 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 «заякорены» на генетической карте. Клоны, используемые в контигах физической карты, затем могут быть секвенированы в локальном масштабе, чтобы помочь в разработке новых генетических маркеров и идентификации причинных локусов.
Макрорестрикция — это тип физического картирования, при котором высокомолекулярная ДНК расщепляется рестриктазой, имеющей небольшое количество сайтов рестрикции.
Существуют альтернативные способы определения того, как ДНК в группе клонов перекрывается без полного секвенирования клонов. После определения карты клоны можно использовать в качестве ресурса для эффективного включения больших участков генома. Этот тип картирования точнее генетических карт.
Рестрикционное картирование — это метод, при котором структурная информация о сегменте ДНК получается с помощью рестриктаз . Рестрикционные ферменты — это ферменты , которые помогают разрезать сегменты ДНК в определенных последовательностях распознавания. Основа рестрикционного картирования включает переваривание (или разрезание) ДНК рестриктазами. Затем переваренные фрагменты ДНК прогоняются на агарозном геле с помощью электрофореза , что 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. [16]
Флуоресцентная гибридизация in situ (FISH) — это метод, используемый для обнаружения наличия (или отсутствия) последовательности ДНК в клетке. [17] ДНК-зонды, специфичные для интересующих участков хромосом или генов, помечаются флуорохромами . Прикрепляя флуорохромы к зондам, исследователи могут визуализировать несколько последовательностей ДНК одновременно. Когда зонд вступает в контакт с ДНК на определенной хромосоме, происходит гибридизация. Следовательно, будет получена информация о местоположении этой последовательности ДНК. FISH анализирует одноцепочечную ДНК ( ssDNA ). Как только ДНК находится в одноцепочечном состоянии, ДНК может связываться со своим специфическим зондом. [6]
Последовательно -маркированный сайт (STS) — это короткая последовательность ДНК (длиной около 100–500 пар оснований ), которая, как видно, встречается несколько раз в геноме индивидуума. Эти сайты легко распознаются, обычно они встречаются по крайней мере 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 маркированные сайты могут быть картированы в нашем геноме и требуют группы перекрывающихся фрагментов ДНК. ПЦР обычно используется для получения коллекции фрагментов ДНК. После создания перекрывающихся фрагментов можно проанализировать расстояние карты между STS. Чтобы рассчитать расстояние карты между STS, исследователи определяют частоту, с которой происходят разрывы между двумя маркерами (см. секвенирование методом дробовика ) [16]
В начале 1950-х годов преобладающим мнением было то, что гены в хромосоме являются дискретными сущностями, неделимыми генетической рекомбинацией и расположены как бусины на нитке. В течение 1955-1959 годов Бензер проводил эксперименты по генетической рекомбинации с использованием мутантов rII бактериофага T4 . Он обнаружил, что на основе тестов на рекомбинацию сайты мутации можно картировать в линейном порядке. [18] [19] Этот результат предоставил доказательства ключевой идеи о том, что ген имеет линейную структуру, эквивалентную длине ДНК со многими сайтами, которые могут независимо мутировать.
В 1961 году Фрэнсис Крик, Лесли Барнетт, Сидни Бреннер и Ричард Уоттс-Тобин провели генетические эксперименты, которые продемонстрировали основную природу генетического кода белков. [20] Эти эксперименты, включавшие картирование мутационных участков в гене rIIB бактериофага T4, продемонстрировали, что три последовательных азотистых основания ДНК гена определяют каждую последующую аминокислоту кодируемого ею белка. Таким образом, было показано, что генетический код является триплетным кодом, 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. [21] провели эксперименты по картированию с мутантами r бактериофага T4, показав, что частоты рекомбинации между мутантами rII не являются строго аддитивными. Частота рекомбинации от скрещивания двух мутантов rII (axd) обычно меньше суммы частот рекомбинации для соседних внутренних подинтервалов (axb) + (bxc) + (cxd). Хотя и не строго аддитивно, была продемонстрирована систематическая связь [22] , которая, вероятно, отражает лежащий в основе молекулярный механизм генетической рекомбинации .
Секвенирование генома иногда ошибочно называют «геномным картированием» небиологи. Процесс дробового секвенирования [23] напоминает процесс физического картирования: он разбивает геном на небольшие фрагменты, характеризует каждый фрагмент, а затем собирает их обратно (более поздние технологии секвенирования радикально отличаются). Хотя область применения, цель и процесс совершенно различны, сборку генома можно рассматривать как «окончательную» форму физической карты, поскольку она предоставляет гораздо лучшим образом всю информацию, которую может предложить традиционная физическая карта.
Идентификация генов обычно является первым шагом в понимании генома вида; картирование гена обычно является первым шагом в идентификации гена. Картирование гена обычно является отправной точкой многих важных последующих исследований.
Процесс идентификации генетического элемента, ответственного за заболевание, также называется «картированием». Если локус, в котором выполняется поиск, уже значительно ограничен, поиск называется точным картированием гена. Эта информация получается из исследования проявлений заболеваний в больших семьях ( генетическое сцепление ) или из исследований генетических ассоциаций на основе популяций .
Используя методы, упомянутые выше, исследователи способны картировать гены болезней. Создание карты генов является критически важным первым шагом на пути к идентификации генов болезней. Карты генов позволяют идентифицировать вариантные аллели и позволяют исследователям делать прогнозы относительно генов, которые, по их мнению, вызывают мутантный фенотип. Примером расстройства, которое было идентифицировано с помощью анализа сцепления, является кистозный фиброз . Например, при кистозном фиброзе (CF) образцы ДНК из пятидесяти семей, затронутых CF, были проанализированы с помощью 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 на дополнительных маркерах ДНК в пределах хромосомы 7, чтобы определить еще более точное местоположение гена CF. Они обнаружили, что ген CF находится около 7q31-q32 (см. хромосомную номенклатуру ). [16]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)