Mapowanie genetyczne. Strategia mapowania genetycznego i jej rola w identyfikacji nowych genów chorób dziedzicznych Przykłady mapowania genetycznego genów chorób u ludzi
Alfred Sturtevant (współpracownik Morgana) zasugerował, że częstotliwość przechodzenia między genami znajdującymi się na tym samym chromosomie może służyć jako miara odległości między genami. Innymi słowy, częstotliwość krzyżowania, wyrażona jako stosunek liczby osobników krzyżujących się do całkowitej liczby osobników, jest wprost proporcjonalna do odległości między genami. Częstotliwość krzyżowania może być następnie wykorzystana do określenia względnej pozycji genów i odległości między genami.
Mapowanie genetyczne to określenie pozycji genu w stosunku do (przynajmniej) dwóch innych genów. Stałość procentu krzyżowania się między określonymi genami pozwala na ich lokalizację. Jednostką odległości między genami jest 1% przecinający; na cześć Morgana nazywa się ta jednostka morganida (M) lub santimorganide (CM).
W pierwszym etapie mapowania konieczne jest określenie przynależności genu do grupy łączników. Im więcej znanych jest genów danego gatunku, tym dokładniejsze są wyniki mapowania. Wszystkie geny są podzielone na grupy łączników.
Liczba grup wiązań odpowiada haploidalnemu zestawowi chromosomów. Na przykład w D. melanogaster 4 grupy lęgowe, kukurydza - 10, myszy - 20, ludzie - 23 grupy lęgowe. Jeśli istnieją chromosomy płciowe, są one dodatkowo wskazane (na przykład osoba ma 23 grupy wiązań plus chromosom Y).
Z reguły liczba genów w grupach sprzężonych zależy od liniowych wymiarów odpowiednich chromosomów. Zatem muszka owocowa ma jeden chromosom (IV) punkt (analizowany pod mikroskopem świetlnym). W związku z tym liczba zawartych w nim genów jest wielokrotnie mniejsza niż w pozostałych, znacznie przekraczając ją pod względem długości. Należy również zauważyć, że w heterochromatycznych regionach chromosomów geny są nieobecne lub prawie nieobecne, dlatego rozszerzone regiony konstytutywnej heterochromatyny mogą nieco zmienić proporcjonalność liczby genów i długość chromosomu.
Na podstawie mapowania genetycznego sporządzane są mapy genetyczne. Na mapach genetycznych skrajny gen (tj. Ten najbardziej oddalony od centromeru) odpowiada zerowemu (początkowemu) punktowi. Oddalenie genu od punktu zerowego jest wskazywane w morganidach.
Jeśli chromosomy są dostatecznie długie, to usunięcie genu z punktu zerowego może przekroczyć 50 M - wtedy powstaje sprzeczność między zaznaczonymi na mapie odległościami przekraczającymi 50%, a postulowaną powyżej pozycją, zgodnie z którą 50% uzyskanych w eksperymencie skrzyżowań w rzeczywistości powinno oznaczać brak sprzężenia. tj. e. lokalizacja genów w różnych chromosomach. Tę sprzeczność tłumaczy fakt, że podczas tworzenia map genetycznych sumowane są odległości między dwoma najbliższymi genami, które przekraczają obserwowany eksperymentalnie procent krzyżowania.
NARODOWY UNIWERSYTET W KAZACHU NAZWA IM. AL-FARABI
Wydział: biologia i biotechnologia
Departament: biotechnologia
"PRACA PISEMNA"
Na temat: GENETYCZNE SPRZĘGŁO I MAPOWANIE GENÓW LUDZKICH.
Zakończony : studenci 3 lat (bt. Medyczne)
Nuralibekov S.Sh.
Davronova M.A.
Sprawdzone : ph.D. , profesor nadzwyczajny Zakładumolekularny
biologia i genetyka Omirbekova N.Zh.
ALMATY 2018
Mapy powiązań genetycznych ……………………………………………………… ..3
Nowoczesne metody konstruowania map powiązań genetycznych …… .......... …… ...… .5
PCR w badaniach ludzkiego genomu ……………………………… .... …………. …… 8
Mapy fizyczne o niskiej rozdzielczości ………………………………………… ..….… .9
Mapy fizyczne w wysokiej rozdzielczości …………… .. ……………………… .. ……… 11
Lista wykorzystanych źródeł ……………… ... …………… .. ………………… .13
Mapowanie i określenie pierwotnej struktury ludzkiego genomu
Po krótkim przeglądzie głównych metod najczęściej stosowanych w genetyce molekularnej do badania struktury i mechanizmów funkcjonowania genów, wskazane wydaje się przyjrzenie się praktycznemu zastosowaniu tych metod i ich modyfikacjom do badania dużych genomów na przykładzie genomu ludzkiego. W celu kompleksowego zbadania ludzkiego genomu, tego kolosalnego miejsca przechowywania jego informacji genetycznej, niedawno opracowano i jest wdrażany specjalny międzynarodowy program „Human Genome Project”. Głównym zadaniem programu jest budowa kompleksowych map genetycznych o wysokiej rozdzielczości dla każdego z 24 ludzkich chromosomów, co docelowo powinno zakończyć się określeniem pełnej pierwotnej struktury DNA tych chromosomów. Obecnie prace nad projektem idą pełną parą. W przypadku jego pomyślnego ukończenia (a zgodnie z planami powinno to nastąpić w 2003 r.), Ludzkość będzie miała perspektywę dokładnego zbadania znaczenia funkcjonalnego i mechanizmów funkcjonowania każdego z genów, a także mechanizmów genetycznych rządzących biologią człowieka oraz ustalenia przyczyn większości stanów patologicznych organizmu. ...
Podstawowe podejścia do mapowania ludzkiego genomu
Rozwiązanie głównego zadania programu Human Genome obejmuje trzy główne etapy. W pierwszym etapie konieczne jest oddzielenie każdego chromosomu w określony sposób na mniejsze części, pozwalające na ich dalszą analizę znanymi metodami. Drugi etap badań polega na określeniu względnego położenia poszczególnych fragmentów DNA względem siebie oraz ich lokalizacji w samych chromosomach. Na ostatnim etapie należy dokonać faktycznego określenia pierwotnej struktury DNA dla każdego ze scharakteryzowanych fragmentów chromosomów i skomponować pełną ciągłą sekwencję ich nukleotydów. Rozwiązanie problemu nie będzie pełne, jeśli w znalezionych sekwencjach nukleotydów nie będzie możliwe zlokalizowanie wszystkich genów organizmu i określenie ich funkcjonalnego znaczenia. Przejście powyższych trzech etapów jest wymagane nie tylko w celu uzyskania kompleksowej charakterystyki ludzkiego genomu, ale także dowolnego innego dużego genomu.
Mapy powiązań genetycznych
Mapy powiązań genetycznych to jednowymiarowe wzory wzajemnego rozmieszczenia markerów genetycznych na poszczególnych chromosomach. Przez markery genetyczne rozumie się wszelkie odziedziczone cechy fenotypowe, które różnią się u poszczególnych osób. Cechy fenotypowe spełniające wymagania markerów genetycznych są bardzo zróżnicowane. Obejmują one zarówno cechy behawioralne lub predyspozycje do pewnych chorób, jak i morfologiczne oznaki różnych organizmów lub ich makrocząsteczek, różniących się budową. Wraz z rozwojem prostych i skutecznych metod badania makrocząsteczek biologicznych, takie cechy, zwane markerami molekularnymi, stały się najczęściej wykorzystywane w konstruowaniu map powiązań genetycznych. Przed przystąpieniem do rozważania metod konstruowania takich map i ich implikacji dla badania genomu, należy przypomnieć, że termin „sprzężenie” jest używany w genetyce do określenia prawdopodobieństwa wspólnego przeniesienia dwóch cech z jednego rodzica na potomstwo.
Podczas tworzenia się komórek rozrodczych (gamet) u zwierząt i roślin na etapie mejotycznym z reguły dochodzi do synapsy (koniugacji) homologicznych chromosomów. Siostrzane chromatydy homologicznych chromosomów są ze sobą połączone na całej swojej długości iw wyniku krzyżowania (rekombinacji genetycznej między chromatydami) następuje zamiana ich części. Im dalej dwa markery genetyczne znajdują się od siebie na chromatydzie, tym bardziej prawdopodobne jest, że pęknięcie chromatydy wymagane do przejścia między nimi nastąpi, a dwa markery w nowym chromosomie należącym do nowej gamety zostaną oddzielone od siebie, tj. ich spójność zostanie zerwana. Jednostką sprzężenia markerów genetycznych jest morganida (jednostka Morgana, M), która zawiera 100 centymetrów (cM). 1 cM odpowiada fizycznej odległości na mapie genetycznej między dwoma markerami, między którymi rekombinacja występuje z częstotliwością 1%. Wyrażony w parach zasad, 1 cM odpowiada 1 milionowi pz. (t.t.) DNA.
Mapy powiązań genetycznych prawidłowo odzwierciedlają kolejność rozmieszczenia markerów genetycznych na chromosomach, jednak uzyskane wartości odległości między nimi nie odpowiadają rzeczywistym odległościom fizycznym. Zwykle fakt ten wiąże się z faktem, że skuteczność rekombinacji między chromatydami w poszczególnych regionach chromosomów może się znacznie różnić. W szczególności jest tłumiony w heterochromatycznych regionach chromosomów. Z drugiej strony, gorące punkty rekombinacji są powszechne w chromosomach. Wykorzystanie częstotliwości rekombinacji do konstruowania fizycznych map genetycznych bez uwzględnienia tych czynników doprowadzi do zniekształcenia (odpowiednio niedoszacowania lub przeszacowania) rzeczywistych odległości między markerami genetycznymi. Dlatego mapy powiązań genetycznych są najmniej dokładne ze wszystkich dostępnych typów map genetycznych i można je traktować jedynie jako pierwsze przybliżenie rzeczywistych map fizycznych. Niemniej jednak w praktyce to oni i tylko oni pozwalają na zlokalizowanie złożonych markerów genetycznych (np. Związanych z objawami choroby) na pierwszych etapach badania i dalsze ich badanie. Należy pamiętać, że w przypadku braku krzyżowania wszystkie geny na pojedynczym chromosomie byłyby przekazywane razem z rodziców na potomstwo, ponieważ są one ze sobą fizycznie połączone. Dlatego poszczególne chromosomy tworzą grupy łączników genów, a jednym z pierwszych zadań konstruowania map powiązań genetycznych jest przypisanie badanego genu lub sekwencji nukleotydów do określonej grupy połączeń. W następnym. W tabeli wymieniono nowoczesne metody, które według V.A. McCusick były najczęściej używane do konstruowania map powiązań genetycznych do końca 1990 roku.
Nowoczesne metody konstruowania map powiązań genetycznych
| metoda | Liczba mapowanych loci |
| Hybrydyzacja komórek somatycznych | 1148 |
| Hybrydyzacja in situ | 687 |
| Rodzina | 466 |
| Określenie efektu dawki | 159 |
| Mapowanie ograniczeń | 176 |
| Stosowanie aberracji chromosomowych | 123 |
| Korzystanie z syntenii | 110 |
| Segregacja genów wywołana promieniowaniem | 18 |
| Inne metody | 143 |
| Całkowity | 3030 |
Hybrydyzacja komórek somatycznych. Jedną z najpopularniejszych metod przypisywania markera genetycznego (genu czynnego funkcjonalnie) do określonej grupy sprzężeń jest hybrydyzacja (fuzja ze sobą) komórek somatycznych różnych biologicznych gatunków organizmów, z których jednym jest badany. W międzygatunkowych mieszańcach komórek somatycznych w procesie hodowli następuje utrata chromosomów, głównie jednego z gatunków biologicznych. Utrata chromosomów jest z reguły przypadkowa, a powstałe klony komórek zawierają pozostałe chromosomy w różnych kombinacjach. Analiza klonów zawierających różne zestawy chromosomów badanego gatunku pozwala określić, z którym z tych pozostałych chromosomów jest związana ekspresja badanego markera, a tym samym zlokalizować gen na konkretnym chromosomie.
Hybrydyzacja in situ. Technika hybrydyzacji in situ jest również szeroko stosowana do mapowania sekwencji nukleotydów na chromosomach. W tym celu preparaty utrwalonych chromosomów hybrydyzuje się (inkubuje w podwyższonej temperaturze, a następnie chłodzi) z badanymi sekwencjami nukleotydów, znakowanymi radioaktywnym, fluorescencyjnym lub innym znacznikiem. Po wypłukaniu niezwiązanego znacznika pozostałe wyznakowane cząsteczki kwasu nukleinowego są związane z regionami chromosomowymi zawierającymi sekwencje komplementarne do badanych wyznakowanych sekwencji nukleotydowych. Powstałe hybrydy są analizowane pod mikroskopem bezpośrednio lub po autoradiografii. Ta grupa metod charakteryzuje się wyższą rozdzielczością niż hybrydyzacja komórek somatycznych, ponieważ pozwalają na lokalizację badanych sekwencji nukleotydowych na chromosomach. W miarę postępów programu ludzkiego genomu naukowcy mają coraz więcej izolowanych sekwencji nukleotydów, które można wykorzystać jako sondy do hybrydyzacji in situ. Pod tym względem metody te zajmowały zdecydowanie pierwsze miejsce pod względem częstotliwości stosowania. Najpopularniejsza jest grupa metod zwana fluorescencyjną hybrydyzacją in situ (FISH), w której wykorzystuje się sondy polinukleotydowe zawierające znacznik fluorescencyjny. W szczególności w 1996 r. Opublikowano ponad 600 artykułów opisujących stosowanie tej metody.
Analiza powiązań genetycznych rodziny. Ta grupa metod jest często wykorzystywana w genetyce medycznej do identyfikacji związku (powiązania) między objawami choroby spowodowanej mutacją nieznanego genu a innymi markerami genetycznymi. W tym przypadku same objawy choroby działają jako jeden z markerów genetycznych. W genomie ludzkim wykryto dużą liczbę polimorfizmów, w tym RFLP. RFLP są rozmieszczone mniej więcej równomiernie w ludzkim genomie w odległości 5–10 cm od siebie. Im bliżej genu odpowiedzialnego za chorobę znajdują się poszczególne loci polimorficzne, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo, że zostaną one rozdzielone podczas rekombinacji w mejozie i tym częściej będą występować razem u chorego osobnika i razem są przekazywane z rodziców na potomstwo. Po sklonowaniu rozszerzonego regionu genomu, w tym odpowiedniego markera polimorficznego (jego selekcja z biblioteki klonów genomowego DNA odbywa się za pomocą sondy), możliwe jest jednoczesne wyizolowanie genu, który powoduje z nim chorobę dziedziczną. Takie podejścia zostały w szczególności z powodzeniem zastosowane do przeprowadzenia analizy rodzinnej i izolacji odpowiednich genów w dystrofii mięśniowej Duchenne'a, mukowiscydozie nerek (mukowiscydozie) i dystrofii miotonicznej. Wartość informacyjna poszczególnych RFLP genomu ludzkiego zależy od poziomu ich heterozygotyczności w badanej populacji. Za miarę informatywności RFLP jako markera genetycznego, zgodnie z sugestią D.Botsteina i wsp. (1980), uważa się wartość zawartości informacji o polimorfizmie (PIC), czyli stosunek liczby krzyżówek, w których co najmniej jedno z rodziców posiada badany marker polimorficzny w stanie heterozygotycznym do wszystkich krzyżyków.
Określenie efektu dawki genów i wykorzystanie aberracji chromosomowych ... Metody te ujawniają korelacje między poziomem ekspresji badanego genu a liczbą specyficznych chromosomów w liniach komórek aneuploidalnych czy też strukturalnymi rearanżacjami chromosomów (mutacje chromosomalne - aberracje). Aneuploidia to występowanie wielu chromosomów w komórce, tkance lub całym organizmie, które nie są równe tej typowej dla danego gatunku biologicznego. Aberracjom chromosomowym w postaci translokacji odcinków chromosomów do regionów heterochromatycznych tego samego lub różnych chromosomów często towarzyszy supresja transkrypcji genów zlokalizowanych w regionach translokowanych lub w chromosomie akceptorowym (efekt mozaiki pozycji).
Korzystanie z syntenii. Synthenia to strukturalne podobieństwo grup połączeń genów w organizmach różnych gatunków biologicznych. W szczególności znanych jest kilkadziesiąt syntetycznych grup genów w genomach człowieka i myszy. Obecność zjawiska syntenii pozwala zawęzić poszukiwania miejsca lokalizacji badanego genu na chromosomach, ograniczając go do obszaru znanych genów należących do określonej grupy syntenicznej.
Segregacja genów wywołana promieniowaniem jonizującym. Za pomocą tej metody określa się odległość między badanymi genami poprzez ocenę prawdopodobieństwa ich separacji (segregacji) po naświetleniu komórek określoną standardową dawką promieniowania jonizującego. Napromieniane komórki ratuje się przed śmiercią poprzez hybrydyzację z komórkami somatycznymi gryzoni, a obecność badanych markerów napromieniowanych komórek określa się w hodowlach hybryd somatycznych. W rezultacie można wyciągnąć wniosek o obecności lub braku powiązania (fizycznej odległości) między tymi genami.
Pośród inne metody Należy wspomnieć o metodach opartych na wykorzystaniu do mapowania genów dużych fragmentów DNA generowanych przez enzymy restrykcyjne o dużym rozszczepieniu. Po przecięciu genomowego DNA, powstałe fragmenty są rozdzielane przez elektroforezę w pulsującym polu elektrycznym, a następnie hybrydyzowane zgodnie z Southern z sondami odpowiadającymi zmapowanym genom. Jeżeli po hybrydyzacji sygnały obu sond są zlokalizowane na tym samym dużym fragmencie DNA, wskazuje to na bliskie powiązanie takich genów.
PCR w badaniach ludzkiego genomu
Reakcja łańcuchowa polimerazy ma kluczowe znaczenie dla rozwoju podejść do praktycznej realizacji programu ludzkiego genomu. Jak omówiono powyżej, przy użyciu PCR możliwa jest szybka i wydajna amplifikacja prawie każdego krótkiego regionu ludzkiego genomu, a otrzymane produkty PCR można następnie zastosować jako sondy do mapowania odpowiednich regionów na chromosomach przez hybrydyzację Southern lub in situ.
Koncepcja STS. Jedną z kluczowych koncepcji leżących u podstaw mapowania ludzkich genów w ramach omawianego programu jest koncepcja miejsc znakowanych sekwencjami (STS). Zgodnie z tą koncepcją wszystkie fragmenty DNA użyte do skonstruowania map genetycznych lub fizycznych można jednoznacznie zidentyfikować za pomocą sekwencji nukleotydów 200-500 pz, która będzie unikalna dla danego fragmentu. Każde z tych miejsc należy zsekwencjonować, co umożliwi ich dalszą amplifikację za pomocą PCR i użycie ich jako sond. Użycie STS umożliwiłoby wykorzystanie ich sekwencji w postaci produktów PCR jako sond do celowej izolacji dowolnego fragmentu DNA z określonego regionu genomu ze zbioru sekwencji genomowych. W rezultacie można stworzyć bazy danych zawierające lokalizację i strukturę wszystkich STS, a także startery wymagane do ich amplifikacji. Eliminowałoby to potrzebę przechowywania przez laboratoria wielu klonów i wysyłania ich do innych laboratoriów w celu przeprowadzenia badań. Ponadto STS stanowią podstawę do opracowania jednego języka, w którym różne laboratoria mogłyby opisywać swoje klony. Zatem końcowym rezultatem opracowania koncepcji STS byłaby kompleksowa mapa STS ludzkiego genomu. Teoretycznie, aby zbudować mapę genetyczną o wielkości 1 cm, potrzeba 3000 w pełni informacyjnych, polimorficznych markerów DNA. Ponieważ jednak markery polimorficzne są nierównomiernie rozmieszczone w genomie i tylko nieliczne z nich są w pełni informacyjne, faktyczną liczbę markerów potrzebnych do zbudowania mapy tej wielkości szacuje się na 30–50 tys. Aby uzyskać markery odpowiadające badanym regionom chromosomów, często stosuje się startery odpowiadające rozproszonym sekwencjom powtarzalnym, wśród których jako pierwsze zastosowano sekwencje Alu.
Alu-PCR.Rozproszone, powtórzone sekwencje Alu są charakterystyczne dla ludzkiego genomu. Startery specyficzne dla sekwencji Alu są używane do amplifikacji regionów DNA ludzkiego genomu zawartych między powtórzeniami Alu, które znajdują się średnio w odległości 4–10 kb. niezależnie. Inną opcją Alu-PCR jest ukierunkowana synteza sond DNA z jej pomocą do regionów chromosomów uzyskanych po fragmentacji laserowej, pojedynczych chromosomów wyizolowanych za pomocą cytometrii przepływowej lub DNA komórek hybrydowych zawierających określoną część ludzkiego genomu. Ponadto Alu-PCR służy do uzyskiwania unikalnych odcisków palców charakteryzujących hybrydy komórek pod względem stabilności ich genomu, a także do charakteryzowania fragmentów ludzkiego DNA wklonowanych do wektorów YAC, kosmidów lub wektorów opartych na DNA bakteriofaga. Wyjątkowość sekwencji Alu dla ludzkiego genomu umożliwia ich wykorzystanie do „chodzenia po chromosomach”, jak również do rozszerzania istniejących kontigów. Ponieważ\u003e 90% umiarkowanie powtarzających się sekwencji w ludzkim genomie jest reprezentowanych przez rodziny Alu i KpnI, nie jest zaskakujące, że te ostatnie są również wykorzystywane w PCR do tych samych celów co Alu. Jednak tutaj profile produktów PCR są mniej złożone, ponieważ sekwencje KpnI są rzadziej powtarzane w genomie i mają charakterystyczną lokalizację w chromosomach.
PCR jest aktywnie wykorzystywana do identyfikacji polimorficznych markerów molekularnych w konstrukcji map powiązań genetycznych, których podstawowe zasady omówiono powyżej. Metoda ta jest również przydatna w sekwencjonowaniu DNA, a także przy konstruowaniu map fizycznych o wysokiej rozdzielczości dla ludzkiego genomu. Ostatnie dwa obszary zastosowań PCR zostaną omówione bardziej szczegółowo poniżej.
Mapy fizyczne o niskiej rozdzielczości
W przeciwieństwie do omówionych powyżej map powiązań genetycznych, mapy fizyczne genomu odzwierciedlają rzeczywistą odległość między markerami, wyrażoną w parach zasad. Mapy fizyczne różnią się stopniem rozdzielczości, tj. na szczegółach struktury genomu, które są na nich przedstawione. Kompleksowa mapa fizyczna ludzkiego genomu o maksymalnej rozdzielczości będzie zawierać pełną sekwencję nukleotydów wszystkich jego chromosomów. Na drugim końcu map fizycznych o minimalnej rozdzielczości znajdują się chromosomalne (cytogenetyczne) mapy genomu.
Cztery typy map genetycznych genomowego DNA i ich pokrewieństwo
1 - mapa powiązań genetycznych, 2 - fizyczna mapa restrykcyjna, luki wskazują miejsca rozszczepienia DNA przez enzymy restrykcyjne, 3 - mapa fizyczna kontigów, pokazująca nakładające się klony DNA uzyskane za pomocą wektorów YAC, 4 - kompleksowa mapa fizyczna w postaci sekwencji nukleotydów DNA. Wszystkie mapy pokazują ten sam region chromosomów
Mapy chromosomów. Mapy chromosomów ludzkiego genomu uzyskuje się poprzez lokalizację markerów genetycznych na poszczególnych chromosomach metodami cytogenetycznymi, w tym autoradiografią i FISH. W dwóch ostatnich przypadkach za pomocą mikroskopii świetlnej wykrywa się znaczniki radioaktywne lub fluorescencyjne związane z badanymi loci genetycznymi nienaruszonych chromosomów. Nie tak dawno mapy chromosomów umożliwiły zlokalizowanie badanego fragmentu DNA na chromosomie o długości 10 mp. Nowoczesne metody hybrydyzacji in situ z wykorzystaniem chromosomów metafazowych, głównie metoda FISH, lokalizują markery polinukleotydowe w granicach 2–5 pz. Co więcej, podczas hybrydyzacji in situ z chromosomami międzyfazowymi, w których materiał genetyczny jest w mniej zwartej formie, rozdzielczość map chromosomów zbliża się do 100 kbp.
Dokładność map chromosomów jest również poprawiana dzięki zastosowaniu nowoczesnych metod genetycznych. Na przykład zdolność PCR do amplifikacji segmentów DNA pojedynczego plemnika umożliwia badanie dużej liczby mejozy, niejako konserwowanej w pojedynczych próbkach nasienia. W rezultacie możliwe staje się sprawdzenie względnej pozycji markerów genetycznych zlokalizowanych na mapach chromosomów przy użyciu bardziej prymitywnych metod.
Mapy CDNA... Mapy CDNA odzwierciedlają pozycję wyrażonych regionów DNA (eksonów) w stosunku do znanych markerów cytogenetycznych (pasm) na chromosomach metafazowych. Ponieważ takie mapy dają wyobrażenie o lokalizacji transkrybowanych regionów genomu, w tym genów o nieznanych funkcjach, można je wykorzystać do poszukiwania nowych genów. Podejście to jest szczególnie przydatne w poszukiwaniu genów, których uszkodzenie powoduje choroby człowieka, jeśli przybliżona lokalizacja takich regionów chromosomowych została już wcześniej przeprowadzona na mapach powiązań genetycznych w wyniku analizy genetycznej rodziny.
Mapy fizyczne o wysokiej rozdzielczości
Dwie strategie tworzenia fizycznych map DNA
a - strategia „z góry na dół”: DNA całego chromosomu jest cięte przez enzymy restrykcyjne o dużym rozszczepieniu, mapa restrykcyjna jest konstruowana dla każdego z poszczególnych fragmentów DNA; b - strategia oddolna, poszczególne klony YAC są łączone w kontigi po identyfikacji
Próbując zbudować mapy genomu ludzkiego o wysokiej rozdzielczości, eksperymentalnie wdrożono dwa alternatywne podejścia, zwane mapowaniem z góry na dół i mapowaniem z dołu do góry. Podczas mapowania od góry do dołu, wstępna analiza polega na przygotowaniu DNA z pojedynczego ludzkiego chromosomu. DNA tnie się enzymami restrykcyjnymi o dużym rozszczepieniu (np. NotI) na długie fragmenty, które po rozdzieleniu przez elektroforezę w pulsującym polu elektrycznym poddaje się dalszej analizie restrykcyjnej z innymi enzymami restrykcyjnymi. W efekcie otrzymujemy mapę makrorestrykcji, na której wszystkie sekwencje badanego chromosomu lub jego części są wystarczająco w pełni reprezentowane, ale jego rozdzielczość jest niska. Na takiej mapie zlokalizowanie pojedynczych genów jest bardzo trudne. Ponadto każda indywidualna mapa rzadko obejmuje rozszerzone segmenty DNA (z reguły nie więcej niż 1–10 mp).
Podczas mapowania ludzkiego genomu od dołu do góry, w oparciu o przygotowanie całkowitego DNA genomu lub pojedynczego chromosomu, uzyskuje się serię losowych klonów wydłużonych sekwencji DNA (10–1000 kb), z których niektóre nakładają się na siebie. W takim przypadku jako wektor do klonowania często wykorzystuje się sztuczne minichromosomy bakterii (BAC) lub drożdży (YAC), co zostało szczegółowo opisane w sekcji 7.2.4. Seria częściowo nakładających się i komplementarnych klonów tworzy ciągłą sekwencję nukleotydową DNA zwaną kontigiem. Poprawność uzyskanych kontigów potwierdza hybrydyzacja in situ (FISH) z jednoczesnym wiązaniem się z określonymi regionami badanych chromosomów. Mapy oparte na kontigach dostarczają pełnych informacji o strukturze poszczególnych segmentów chromosomów i pozwalają na lokalizację poszczególnych genów. Jednak takie mapy są trudne w użyciu do rekonstrukcji całych chromosomów lub ich rozszerzonych odcinków ze względu na brak odpowiednich klonów w istniejących bibliotekach klonów genów.
Głównym problemem, który należy rozwiązać, stosując oba podejścia do budowy map fizycznych o wysokiej rozdzielczości, jest unifikacja rozproszonych fragmentów DNA w ciągłe sekwencje nukleotydowe. Najczęściej używane są do tego specjalne sklonowane fragmenty DNA, zwane klonami łączącymi. Fragmenty DNA z klonów wiążących zawierają sekwencje nukleotydowe endonukleaz restrykcyjnych o dużym rozszczepieniu w swoich wewnętrznych częściach, a zatem reprezentują połączenia fragmentów DNA wykorzystywane w pierwszych etapach mapowania fizycznego. Poprzez hybrydyzację typu Southerna, podczas której fragmenty DNA klonów wiążących są używane jako sondy, określa się fragmenty DNA map fizycznych zawierających sekwencje nukleotydowe w pobliżu miejsc restrykcyjnych endonukleaz restrykcyjnych o dużym cięciu. Jeśli zostaną znalezione dwa takie fragmenty, odpowiadający im klon łączący zachodzi na oba te fragmenty i jest ich częścią. Z kolei klony wiążące wybiera się z banków genów przy użyciu sond, które są sekwencjami nukleotydowymi miejsc restrykcyjnych enzymów restrykcyjnych o dużym rozszczepieniu.
LISTA UŻYWANY ŹRÓDŁA
1) Clark M.S. Genomika porównawcza: klucz do zrozumienia projektu ludzkiego genomu // BioEssays. 1999. Vol. 21. Str. 21-30.
2) Billings P.R., Smith C.L., Cantor C.L. Nowe techniki fizycznego mapowania ludzkiego genomu // FASEB J. 1991. Vol. 5. Str. 28–34.
3) Georgiev G.P. Geny organizmów wyższych i ich ekspresja. Moskwa: Nauka, 1989.254 s.
4) http://referatwork.ru/refs/source/ref-8543.html
Niedługo po ponownym odkryciu praw Mendla, niemiecki cytolog Theodor Boveri (1902) przedstawił dowody na udział chromosomów w procesach dziedzicznej transmisji, wskazując, że normalny rozwój jeżowca jest możliwy tylko wtedy, gdy obecne są wszystkie chromosomy. W tym samym czasie (1903) amerykański cytolog William Setton zwrócił uwagę na paralelizm w zachowaniu chromosomów w mejozie i hipotetyczne czynniki dziedziczności, których istnienie przewidział już sam Mendel.
William Setton zasugerował, że na jednym chromosomie można znaleźć kilka genów. W tym przypadku powinno być powiązane dziedziczenie cech, tj. można odziedziczyć kilka różnych cech, tak jakby były kontrolowane przez jeden gen. W 1906 r. W. Batson i R. Pennett odkryli powiązane dziedzictwo w groszku cukrowym. Badali wspólne dziedziczenie: kolory kwiatów (fioletowe lub czerwone) i kształty ziaren pyłku (wydłużone lub okrągłe). Podczas krzyżowania diheterozygot u ich potomstwa zaobserwowano rozszczepienie 11,1: 0,9: 0,9: 3,1 zamiast oczekiwanego 9: 3: 3: 1. Wydawało się, że czynniki koloru i kształtu pyłku miały tendencję do utrzymywania się razem podczas rekombinacji skłonności. Autorzy nazwali to zjawisko „wzajemnym przyciąganiem się czynników”, ale nie udało im się poznać jego natury.
Dalsze badania chromosomów jako nośników informacji miały miejsce w pierwszych dekadach XX wieku w laboratorium Thomasa Hunta Morgana (USA) i jego współpracowników (A. Sturtevant, C. Bridges, G. Möller). Morgan wykorzystał muszkę owocową Drosophila melanogaster jako główny obiekt badań, który okazał się bardzo wygodnym obiektem modelowym:
- Po pierwsze, ta mucha jest łatwa w hodowli w warunkach laboratoryjnych.
- Po drugie, charakteryzuje się małą liczbą chromosomów (2 n \u003d 8).
- Po trzecie, w gruczołach ślinowych larw Drosophila znajdują się gigantyczne (polietylenowe) chromosomy, które są wygodne do bezpośredniej obserwacji.
- I wreszcie Drosophila wyróżnia się dużą zmiennością cech morfologicznych.
Na podstawie eksperymentów z muszką owocową Drosophila Morgan i jego uczniami opracowano chromosomową teorię dziedziczenia.
Główne postanowienia chromosomalnej teorii dziedziczności:
1. Gen Jest elementarnym czynnikiem dziedzicznym (termin „elementarny” oznacza „niepodzielny bez utraty jakości”). Gen to sekcja chromosomu odpowiedzialna za rozwój określonej cechy. Innymi słowy, geny są zlokalizowane na chromosomach.
2. Jeden chromosom może zawierać tysiące genów ułożonych liniowo (jak koraliki na sznurku). Te geny tworzą grupy połączeń. Liczba grup łączących jest równa liczbie chromosomów w zestawie haploidalnym. Zbiór alleli na jednym chromosomie nazywany jest haplotypem. Przykłady haplotypów: ABCD (tylko allele dominujące), abcd (tylko allele recesywne), AbCd (różne kombinacje alleli dominujących i recesywnych).
3. Jeśli geny są ze sobą połączone, to występuje efekt powiązanego dziedziczenia cech, tj. kilka cech jest dziedziczonych tak, jakby były kontrolowane przez jeden gen. Dzięki powiązanemu dziedziczeniu oryginalne kombinacje cech są zachowywane przez kolejne pokolenia.
4. Wiązanie genów nie jest absolutne: w większości przypadków chromosomy homologiczne wymieniają allele w wyniku krzyżowania (cross over) w profazie pierwszego podziału mejotycznego. W wyniku krzyżowania powstają chromosomy krzyżowe (pojawiają się nowe haplotypy, czyli nowe kombinacje alleli). Przy udziale chromosomów krzyżowych w kolejnych pokoleniach u osobników krzyżujących się powinny pojawić się nowe kombinacje cech.
5. Prawdopodobieństwo nowych kombinacji cech w wyniku krzyżowania się jest wprost proporcjonalne do fizycznej odległości między genami. Pozwala to określić względną odległość między genami i zbudować mapy genetyczne (krzyżowe) różnych typów organizmów.
PRZECHODZIĆ PRZEZ
Krzyżowanie (z angielskiego cross-over - crossing) to proces wymiany homologicznych regionów homologicznych chromosomów (chromatyd).
Skrzyżowanie występuje zwykle w mejozie I.
Podczas krzyżowania następuje wymiana materiału genetycznego (alleli) między chromosomami, a następnie następuje rekombinacja - pojawienie się nowych kombinacji alleli, na przykład AB + ab → Ab + aB.
Mechanizm przejściowy typu Break-Reunite
Zgodnie z teorią Janssensa-Darlingtona, przejście następuje w profazie mejozy. Homologiczne chromosomy z chromatydami AB i ab tworzą biwalenty. W jednej z chromatyd w pierwszym chromosomie następuje pęknięcie w regionie A - B, następnie w sąsiedniej chromatydzie drugiego chromosomu następuje pęknięcie w regionie a - b. Komórka stara się naprawić uszkodzenie za pomocą enzymów naprawczo-rekombinacyjnych i przyłącza fragmenty chromatyd. Jednak w tym przypadku możliwe jest połączenie krzyżowe (cross over) i powstają rekombinowane chromatydy Ab i aB. W anafazie pierwszego podziału mejozy występuje rozbieżność chromosomów dwochromatydowych, aw drugim podziale - rozbieżność chromatyd (chromosomy jednowartościowe). Chromatydy, które nie brały udziału w krzyżowaniu, zachowują oryginalne kombinacje alleli. Takie chromatydy (chromosomy jednochromatydowe) nazywane są niekrzyżowanymi; z ich udziałem rozwiną się gamety niekrzyżowane, zygoty i jednostki. Rekombinowane chromatydy, które powstają podczas krzyżowania, niosą nowe kombinacje alleli. Takie chromatydy (chromosomy jednochromatydowe) nazywane są skrzyżowanymi; z ich udziałem rozwiną się gamety krzyżowe, zygoty i osoby. Tak więc w wyniku krzyżowania następuje rekombinacja - pojawienie się nowych kombinacji dziedzicznych skłonności w chromosomach.
Według innych teorii krzyżowanie jest związane z replikacją DNA: albo w pachytenie mejozy, albo w interfazie. W szczególności możliwa jest zmiana macierzy w widełkach replikacyjnych.
Mapy genetyczne (crossover)
Alfred Sturtevant (współpracownik Morgana) zasugerował, że częstotliwość krzyżowania się między genami znajdującymi się na tym samym chromosomie może służyć jako miara odległości między genami. Innymi słowy, częstotliwość krzyżowania, wyrażona jako stosunek liczby osobników krzyżujących się do całkowitej liczby osobników, jest wprost proporcjonalna do odległości między genami. Częstotliwość podziału może być następnie wykorzystana do określenia względnej pozycji genów i odległości między genami. Jednostką odległości między genami jest 1% przecinający; na cześć Morgana jednostka ta nazywa się morganida (M).
W oparciu o mapowanie genetyczne, mapy genetyczne - schematy odzwierciedlające pozycję genów w chromosomach w stosunku do innych genów. Na mapach genetycznych skrajny gen (tj. Ten najbardziej oddalony od centromeru) odpowiada zerowemu (początkowemu) punktowi. Oddalenie genu od punktu zerowego jest wskazywane w morganidach.
Budowa map genetycznych różnych organizmów ma ogromne znaczenie w ochronie zdrowia, hodowli i ekologii. Podczas badania cech ludzkich (w szczególności chorób genetycznych) ważne jest, aby wiedzieć, który gen determinuje daną cechę. Wiedza ta umożliwia prognozowanie w poradnictwie medycznym i genetycznym, przy opracowywaniu metod leczenia chorób genetycznych, m.in. i do korekty genomu. Znajomość map genetycznych roślin uprawnych i zwierząt domowych pozwala na zaplanowanie procesu hodowlanego, co przyczynia się do uzyskania wiarygodnych wyników w krótkim czasie. Budowa map genetycznych dzikich roślin i dzikich zwierząt jest również ważna z punktu widzenia ekologii. W szczególności badacz ma możliwość zbadania nie tylko cech fenotypowych organizmów, ale także specyficznych, uwarunkowanych genetycznie cech.
Podwójne i wielokrotne przejście
Morgan zasugerował, że przejście między dwoma genami może nastąpić nie tylko w jednym, ale także w dwóch lub nawet więcej punktach. Parzysta liczba krzyżówek między dwoma genami ostatecznie nie prowadzi do ich przeniesienia z jednego homologicznego chromosomu do drugiego, dlatego liczba krzyżówek, a co za tym idzie, określona w eksperymencie odległość między tymi genami, maleje. Zwykle dotyczy to genów znajdujących się wystarczająco daleko od siebie. Oczywiście prawdopodobieństwo podwójnego krzyża jest zawsze mniejsze niż prawdopodobieństwo pojedynczego krzyża. W zasadzie będzie równy iloczynowi prawdopodobieństwa dwóch pojedynczych aktów rekombinacji. Na przykład, jeśli pojedynczy krzyż wystąpi z częstotliwością 0,2, to podwójny krzyż - z częstotliwością 0,2 × 0,2 \u003d 0,04. Później, wraz z podwójnym przejściem, odkryto również zjawisko wielokrotnego krzyżowania: chromatydy homologiczne mogą wymieniać regiony w trzech, czterech lub więcej punktach.
Ingerencja - jest to zniesienie przejazdów na terenach bezpośrednio przylegających do punktu wymiany, która miała miejsce.
Rozważmy przykład opisany w jednej z wczesnych prac Morgana. Badał częstotliwość krzyżowania się genów w (biało - białe oczy), y (żółto - żółte ciało) i m (miniaturowe - małe skrzydła) zlokalizowanych na chromosomie X D. melanogaster. Odległość między genami w i y jako procent krzyżowania wyniosła 1,3, a między genami y i m - 32,6. Jeśli przypadkowo zaobserwuje się dwa zdarzenia krzyżowania, to oczekiwana częstotliwość podwójnego skrzyżowania powinna być równa iloczynowi częstotliwości krzyżowania między genami y i w a genami w i m. Innymi słowy, współczynnik podwójnej krzyżowania wyniesie 0,43%. W rzeczywistości w eksperymencie stwierdzono tylko jedno podwójne przejście na 2205 much, czyli 0,045%. Student Morgana, G. Möller, zaproponował ilościowe określenie intensywności interferencji poprzez podzielenie faktycznie zaobserwowanego podwójnego przejścia przez częstotliwość przez teoretycznie oczekiwaną (przy braku interferencji) częstotliwość. Nazwał ten wskaźnik współczynnikiem koincydencji, czyli koincydencją. Möller wykazał, że interferencja w chromosomie X Drosophila jest szczególnie duża na krótkich dystansach; wraz ze wzrostem odstępu między genami jego intensywność maleje, aw odległości około 40 morganidów i więcej współczynnik współwystępowania osiąga 1 (jego wartość maksymalna).
Cytologiczne dowody przejścia
Bezpośrednie dowody cytologiczne na wymianę części chromosomów podczas krzyżowania uzyskano na początku lat trzydziestych u Drosophila i kukurydzy.
Rozważmy eksperyment Sterna na D. melanogaster. Zwykle dwa homologiczne chromosomy są morfologicznie nierozróżnialne. Stern zbadał chromosomy X, które wykazywały różnice morfologiczne, a zatem nie były całkowicie homologiczne. Jednak homologia między tymi chromosomami została zachowana przez większość ich długości, co umożliwiło im normalne łączenie się w pary i segregację w mejozie (to znaczy normalną dystrybucję między komórkami potomnymi). Jeden z chromosomów X samicy w wyniku translokacji, czyli ruchu fragmentu chromosomu Y, przyjął postać w kształcie litery L. Drugi chromosom X był krótszy niż normalny, ponieważ jego część została przeniesiona na chromosom IV. Uzyskano samice heterozygotyczne pod względem wskazanych dwóch, odmiennych morfologicznie chromosomów X, a także heterozygotyczne pod względem dwóch genów zlokalizowanych na chromosomie X: Bar (B) i goździka (cr). Gen Bar Jest genem półdominującym, który wpływa na liczbę faset, a tym samym na kształt oka (mutanty z allelem B mają oczy w paski). Gen cr kontroluje kolor oczu (allel cr + określa normalne zabarwienie oczu, a allel cr określa kolor czerwonych oczu goździka). Chromosom X w kształcie litery L zawiera allele B + i cr + typu dzikiego, a chromosom skrócony zawiera allele zmutowane B i cr. Samice o wskazanym genotypie krzyżowano z samcami z morfologicznie prawidłowym chromosomem X z allelami cr i B +. Potomstwo samic zawierało dwie klasy much z chromosomami niekrzyżowanymi (crB / crB + i cr + B + / crB +) oraz dwie klasy much, których fenotyp odpowiadał krzyżówkom (crB + / crB + i cr + B / crB +). Badanie cytologiczne wykazało, że osoby krzyżujące się wymieniły sekcje chromosomów X i odpowiednio zmienił się ich kształt. Wszystkie cztery klasy samic miały jeden normalny, to znaczy pręcik, chromosom otrzymany od ojca. Samice skrzyżowane zawarte w chromosomach X kariotypu uległy transformacji w wyniku skrzyżowania - długiego pręcika lub dwuramiennego z krótkimi ramionami. Eksperymenty te, a także jednoczesne uzyskanie podobnych wyników na kukurydzy, potwierdziły hipotezę Morgana i jego współpracowników, że krzyżowanie jest wymianą regionów homologicznych chromosomów i że geny są rzeczywiście zlokalizowane na chromosomach.
Przejście somatyczne (mitotyczne).
W komórkach somatycznych czasami dochodzi do wymiany między chromatydami homologicznych chromosomów, w wyniku których obserwuje się zmienność kombinacyjną, podobną do tej, która jest regularnie generowana przez mejozę. Często, zwłaszcza u Drosophila i niższych eukariotów, podczas mitozy następuje synapsy homologiczne chromosomy. Jednej z autosomalnych mutacji recesywnych u ludzi, w stanie homozygotycznym, prowadzącej do poważnej choroby zwanej zespołem Bluma, towarzyszy obraz cytologiczny, który przypomina synapsę homologów, a nawet tworzenie się chiasmata.
Dowody na mitotyczne przejście uzyskano na Drosophila poprzez analizę zmienności cech określonych przez geny y (żółto - żółte ciało) i sn (przypalone - przypalone włosie), które znajdują się na chromosomie X. Samica z genotypem y sn + / y + sn jest heterozygotyczna pod względem genów y i sn, w związku z czym przy braku krzyżowania mitotycznego jej fenotyp będzie normalny. Jeśli jednak skrzyżowanie nastąpiło na etapie czterech chromatyd między chromatydami o różnych homologach (ale nie między chromatydami siostrzanymi), a miejsce wymiany znajduje się między genem sn a centromerem, to powstają komórki z genotypami y sn + / y + sn + i y + sn / y + sn. W tym przypadku szary korpus muchy z normalnym włosiem będzie miał podwójne mozaiki, z których jedna będzie żółta z normalnym włosiem, a druga szara z przypalonym włosiem. W tym celu konieczne jest, aby po skrzyżowaniu oba chromosomy (dawne chromatydy każdego z homologów) y + sn przesunęły się do jednego bieguna komórki, a chromosomy y sn + do drugiego. Potomkowie komórek potomnych, rozmnażając się na etapie poczwarki, doprowadzą do pojawienia się plam mozaikowych. W ten sposób plamy mozaikowe powstają, gdy dwie grupy (a dokładniej dwa klony) komórek znajdują się obok siebie, różniąc się fenotypowo od siebie i od komórek innych tkanek danego osobnika.
Nierówne przejście
Zjawisko to zostało szczegółowo zbadane na przykładzie genu Bar (B - oczy pręgowe) zlokalizowanego na chromosomie X D. melanogaster. Nierówne krzyżowanie jest związane z duplikacją miejsca w jednym z homologów i jego utratą w innym homologu. Stwierdzono, że gen B może występować w postaci tandemu, czyli następujących po sobie powtórzeń składających się z dwóch, a nawet trzech kopii. Analiza cytologiczna potwierdziła przypuszczenie, że nierówne krzyżowanie może prowadzić do duplikacji tandemowych. W regionie odpowiadającym lokalizacji genu B na preparatach chromosomów polietylenowych odnotowano wzrost liczby krążków proporcjonalny do dawki genu. Zakłada się, że w ewolucji nierówne krzyżowanie stymuluje tworzenie duplikacji tandemowych różnych sekwencji i ich wykorzystanie jako surowego materiału genetycznego do tworzenia nowych genów i nowych systemów regulacyjnych.
Regulacja zwrotnicy
Krzyżowanie Jest złożonym procesem fizjologicznym i biochemicznym, który znajduje się pod kontrolą genetyczną komórki i podlega wpływom czynników środowiskowych. Dlatego w prawdziwym eksperymencie możemy mówić o częstotliwości przejścia, mając na uwadze wszystkie warunki, w których została wyznaczona. Praktycznie nie ma krzyżówki między heteromorficznymi chromosomami X i Y. Gdyby tak się stało, chromosomalny mechanizm determinacji płci byłby stale niszczony. Blokowanie krzyżowania się tych chromosomów jest związane nie tylko z różnicą w ich wielkości (nie zawsze jest to obserwowane), ale także z sekwencjami nukleotydowymi specyficznymi dla Y. Warunkiem koniecznym dla synapsy chromosomów (lub ich odcinków) jest homologia sekwencji nukleotydów.
Bezwzględna większość wyższych eukariontów charakteryzuje się w przybliżeniu taką samą częstotliwością krzyżowania zarówno u płci homogametycznej, jak i heterogametycznej. Są jednak gatunki, u których Crossingover nie występuje u osobników płci heterogametycznej, podczas gdy u osobników płci homogametycznej przebiega normalnie. Sytuację tę obserwuje się u heterogametycznych samców Drosophila i samic jedwabników. Istotne jest, aby częstość krzyżowań mitotycznych u tych gatunków u samców i samic była praktycznie taka sama, co wskazuje na różne elementy kontroli poszczególnych etapów rekombinacji genetycznej w komórkach zarodkowych i somatycznych. W regionach heterochromatycznych, w szczególności w regionach pericentromerycznych, częstotliwość krzyżowania jest zmniejszona, a zatem rzeczywista odległość między genami w tych regionach może ulec zmianie.
Stwierdzono, że geny działają jako blokery krzyżowania, ale są też geny, które zwiększają jego częstotliwość. Czasami mogą wywoływać zauważalną liczbę krzyżówek u samców Drosophila. Przegrupowania chromosomów, w szczególności inwersje, mogą również działać jako blokery przejścia. Zakłócają normalną koniugację chromosomów w zygotenie.
Stwierdzono, że na częstotliwość krzyżowania ma wpływ wiek organizmu, a także czynniki egzogenne: temperatura, promieniowanie, stężenie soli, mutageny chemiczne, leki, hormony. W przypadku większości tych czynników częstotliwość przekraczania linii wzrasta.
Ogólnie rzecz biorąc, krzyżowanie jest jednym z regularnych procesów genetycznych kontrolowanych przez wiele genów, zarówno bezpośrednio, jak i poprzez stan fizjologiczny komórek mejotycznych lub mitotycznych. Częstotliwość różnych typów rekombinacji (mejotyczna, mitotyczna i siostrzana wymiana chromatyd) może służyć jako miara działania mutagenów, czynników rakotwórczych, antybiotyków itp.
Biologiczne znaczenie przejścia
Dzięki powiązanemu dziedziczeniu udane kombinacje alleli są stosunkowo stabilne. W rezultacie powstają grupy genów, z których każdy jest jak pojedynczy supergen kontrolujący kilka cech. W tym samym czasie podczas przeprawy dochodzi do rekombinacji - tj. nowe kombinacje alleli. W ten sposób krzyżowanie zwiększa kombinacyjną zmienność organizmów.
Ewolucyjne znaczenie powiązanego dziedziczenia. W wyniku połączenia jeden chromosom może zawierać zarówno korzystne allele (na przykład A), jak i obojętne lub stosunkowo niekorzystne (na przykład N). Jeśli pewien haplotyp (na przykład AN) zwiększa przystosowanie swoich nosicieli ze względu na obecność korzystnych alleli A, wówczas zarówno korzystne allele, jak i neutralny lub stosunkowo niekorzystny związany z nimi N będą się kumulować w populacji.
Przykład. Haplotyp AN ma przewagę nad haplotypem typu dzikiego (++) ze względu na obecność korzystnego allelu A, a następnie allel N będzie się kumulował w populacji, jeśli jest wybiórczo neutralny lub nawet stosunkowo niekorzystny (ale jego negatywny wpływ na przystosowanie jest kompensowany przez pozytywny wpływ allelu A ).
Ewolucyjne znaczenie przejścia. W wyniku krzyżowania niekorzystne allele, początkowo połączone z korzystnymi, mogą przejść do innego chromosomu. Następnie powstają nowe haplotypy, które nie zawierają niekorzystnych alleli, a te niekorzystne allele są eliminowane z populacji.
Przykład. Haplotyp Al okazuje się niekorzystny w porównaniu z haplotypem „dzikiego” (++) z powodu obecności śmiertelnego allelu l. Dlatego allel A (korzystny, obojętny wyciek nieznacznie zmniejszający przystosowanie) nie może przejawiać się w fenotypie, ponieważ ten haplotyp (Al) zawiera śmiertelny allel l. W wyniku krzyżowania pojawiają się rekombinowane haplotypy A + i + l. Haplotyp + l jest eliminowany z populacji, a haplotyp A + jest utrwalony (nawet jeśli allel A nieco zmniejsza przydatność jego nosicieli).
WZBOGACENIE
Zasady mapowania genetycznego
Alfred Sturtevant (współpracownik Morgana) zasugerował, że częstotliwość krzyżowania się między genami znajdującymi się na tym samym chromosomie może służyć jako miara odległości między genami. Innymi słowy, częstotliwość krzyżowania, wyrażona jako stosunek liczby osobników krzyżujących się do całkowitej liczby osobników, jest wprost proporcjonalna do odległości między genami. Częstotliwość podziału może być następnie wykorzystana do określenia względnej pozycji genów i odległości między genami.
Mapowanie genetyczne to określenie pozycji genu w stosunku do (przynajmniej) dwóch innych genów. Stałość procentu krzyżowania się między określonymi genami pozwala na ich lokalizację. Jednostką odległości między genami jest 1% przecinający; na cześć Morgana jednostka ta nazywa się morganida (M).
W pierwszym etapie mapowania konieczne jest określenie przynależności genu do grupy łączników. Im więcej znanych jest genów danego gatunku, tym dokładniejsze są wyniki mapowania. Wszystkie geny są podzielone na grupy łączników. Liczba grup wiązań odpowiada haploidalnemu zestawowi chromosomów. Na przykład D. melanogaster ma 4 grupy łącznikowe, kukurydza 10, myszy 20, a ludzie 23 grupy łącznikowe. Z reguły liczba genów w grupach sprzężonych zależy od liniowych wymiarów odpowiednich chromosomów. Zatem muszka owocowa ma jeden chromosom (IV) punkt (analizowany pod mikroskopem świetlnym). W związku z tym liczba zawartych w nim genów jest wielokrotnie mniejsza niż w pozostałych, znacznie przekraczając ją pod względem długości. Należy również zauważyć, że w heterochromatycznych regionach chromosomów nie ma genów lub prawie ich nie ma, dlatego rozszerzone regiony konstytutywnej heterochromatyny mogą nieco zmienić proporcjonalność liczby genów i długość chromosomu.
Mapy genetyczne opracowywane są na podstawie mapowania genetycznego. Na mapach genetycznych skrajny gen (tj. Ten najbardziej oddalony od centromeru) odpowiada zerowemu (początkowemu) punktowi. Oddalenie genu od punktu zerowego jest wskazywane w morganidach.
Jeśli chromosomy są dostatecznie długie, to usunięcie genu z punktu zerowego może przekroczyć 50 M - wtedy powstaje sprzeczność między zaznaczonymi na mapie odległościami przekraczającymi 50%, a postulowaną powyżej pozycją, zgodnie z którą 50% uzyskanych w eksperymencie skrzyżowań w rzeczywistości powinno oznaczać brak sprzężenia. tj. e. lokalizacja genów w różnych chromosomach. Tę sprzeczność tłumaczy fakt, że podczas tworzenia map genetycznych sumowane są odległości między dwoma najbliższymi genami, które przekraczają obserwowany eksperymentalnie procent krzyżowania.
Mapowanie cytogenetyczne
Ta metoda opiera się na wykorzystaniu rearanżacji chromosomów. W przypadku olbrzymich chromosomów politenu pozwala na bezpośrednie porównanie wyników analizy genetycznej odległości między badanymi loci i ich względnego położenia z danymi dotyczącymi fizycznych rozmiarów określonych regionów chromosomowych. Napromienianie i działanie innych mutagenów w chromosomach często powoduje utratę (delecje) lub insercje małych fragmentów o wielkości porównywalnej z jednym lub więcej loci. Na przykład, możesz użyć heterozygot dla chromosomów, z których jeden będzie nosił grupę kolejnych alleli dominujących, podczas gdy homologiczny do niego będzie nosił grupę form recesywnych tych samych genów. Jeśli chromosom z dominującymi genami konsekwentnie traci poszczególne loci, wówczas u heterozygoty pojawią się cechy recesywne. Kolejność, w jakiej pojawiają się cechy recesywne, wskazuje na sekwencję, w której zlokalizowane są geny.
W kolejności genów AbC, w przypadku delecji wychwytującej gen C, u muszek ze skróconym chromosomem, który utracił fragment równy genowi C, w fenotypie pojawią się allele c, b i A.
Ogólnie, porównanie map genetycznych (krzyżujących) i cytologicznych pokazuje ich zgodność: im większy procent krzyżowania rozdziela parę genów, tym większa odległość fizyczna między nimi. Jednak na rozbieżność między odległościami wyznaczonymi tymi dwiema metodami mogą wpływać dwa czynniki. Po pierwsze, są to obszary, w których przejście jest trudne lub nieobecne (na przykład w obszarach heterochromatycznych); po drugie, odległość fizyczna będzie większa niż genetyczna, jeśli geny będą oddzielone strefą „cichego” DNA. Obliczenia Bridgesa wykazały, że każda jednostka krzyżowania na mapie chromosomów politenu gruczołów ślinowych D. melanogaster odpowiada 4,2 μm długości chromosomów politenu. Ta długość jest co najmniej równa dwóm do trzem przeciętnym genom.
Cechy konstruowania map genetycznych u prokariotów
Do konstruowania map genetycznych u prokariotów wykorzystuje się zjawisko koniugacji - przeniesienia materiału genetycznego z jednej komórki do drugiej za pomocą specjalnych kolistych cząsteczek DNA (w szczególności plazmidów za pomocą plazmidu F).
Prawdopodobieństwo przeniesienia określonego genu do komórki biorcy zależy od jego usunięcia z DNA plazmidu F, a raczej z punktu O, w którym rozpoczyna się replikacja DNA plazmidu F. Im dłuższy czas koniugacji, tym większe prawdopodobieństwo przeniesienia danego genu. Umożliwia to stworzenie mapy genetycznej bakterii w ciągu kilku minut koniugacji. Na przykład u E. coli gen thr (operon trzech genów kontrolujących biosyntezę treoniny) znajduje się w punkcie zerowym (czyli bezpośrednio obok DNA plazmidu F), gen lac jest przenoszony po 8 minutach, gen recE - po 30 minutach, gen argR - po 70 minutach itd.
Kwestia ta zostanie rozważona bardziej szczegółowo podczas badania genetyki prokariotów.
Mapowanie ludzkich chromosomów
Mapowanie genów opiera się na grupowaniu powiązań. Im bardziej znane mutacje i mniejsza liczba chromosomów, tym łatwiej jest je zmapować. Pod tym względem osoba (poza tym, że nie może mieć klasycznej analizy hybrydologicznej) jako obiekt jest podwójnie niekorzystna do mapowania: ma stosunkowo mało znanych genów (przynajmniej tak było do końca lat 70.), a haploidalna liczba chromosomów jest dość duża. - 22 (bez płci). Oznacza to, że prawdopodobieństwo, że dwa nowo odkryte geny zostaną połączone, wynosi 1/22. Z tych powodów analiza rodowodów, która w pewnym stopniu zastępuje analizę hybrydologiczną, dostarcza raczej ograniczonych informacji o naturze związku.
Bardziej obiecujące w mapowaniu ludzkich genów okazały się metody genetyki komórek somatycznych. Istota jednego z nich jest następująca. Techniki inżynierii komórkowej pozwalają na łączenie różnych typów komórek. Fuzja komórek należących do różnych gatunków biologicznych nazywana jest hybrydyzacją somatyczną. Istotą hybrydyzacji somatycznej jest otrzymanie syntetycznych kultur poprzez fuzję protoplastów różnych typów organizmów. Do fuzji komórek stosuje się różne metody fizykochemiczne i biologiczne. Po fuzji protoplastów powstają wielojądrowe komórki heterokariotyczne. Następnie, podczas fuzji jąder, powstają komórki synkariotyczne zawierające w jądrach chromosomalne zestawy różnych organizmów. Kiedy takie komórki dzielą się in vitro, powstają hybrydowe kultury komórkowe. Obecnie otrzymywane i hodowane hybrydy komórek „człowiek × mysz”, „człowiek × szczur” i wiele innych.
W komórkach hybrydowych uzyskanych z różnych szczepów różnych gatunków jeden z rodzicielskich zestawów chromosomów z reguły replikuje szybciej niż drugi. Dlatego ten ostatni stopniowo traci chromosomy. Procesy te intensywnie zachodzą na przykład w hybrydach komórkowych myszy i ludzi - gatunków różniących się wieloma markerami biochemicznymi. Jeśli jednocześnie podążamy za jakimkolwiek markerem biochemicznym, np. Enzymem kinazą tymidynową, i jednocześnie przeprowadzamy kontrolę cytogenetyczną, identyfikując chromosomy w klonach powstałych po ich częściowej utracie, to ostatecznie zanik chromosomu można wiązać jednocześnie z cechą biochemiczną. Oznacza to, że gen kodujący tę cechę jest zlokalizowany na tym chromosomie. Zatem gen kinazy tymidynowej u ludzi znajduje się na chromosomie 17.
Pewne informacje na temat lokalizacji genów można uzyskać analizując mutacje numeryczne i strukturalne chromosomów, występując w rodzinach chromosomów ze zmianami morfologicznymi oraz biorąc pod uwagę cechy dziedziczne. W tym samym celu wykorzystuje się również częściowe monosomie wynikające z delecji. Jednak w takich przypadkach należy mieć na uwadze, że czasami badany gen pozostaje we fragmencie centrycznym, ale jego manifestacja może zostać dramatycznie osłabiona w wyniku efektu pozycji lub innych mechanizmów regulacyjnych (zmiana kolejności replikacji, oderwanie regionu promotora itp.) ... Pod koniec lat 60. opracowano metodę hybrydyzacji in situ, która opiera się na swoistości komplementarnych interakcji między genem a jego kopią (mRNA, a także komplementarny DNA uzyskany w drodze odwrotnej transkrypcji). Rozdzielczość tej metody jest znacznie wyższa na chromosomach politenu niż na ludzkich chromosomach mitotycznych, ale jest stale ulepszana.
Mapowanie genów mapowanie genów, mapowanie - mapowanie genów.
Określenie pozycji danego genu na chromosomie względem innych genów; stosować trzy główne grupy metod Kg. - fizyczne (oznaczanie za pomocą map restrykcyjnych, mikroskopii elektronowej i wybranych wariantów elektroforezy odległości międzygenowych - w nukleotydach), genetyczne (określenie częstości rekombinacji między genami, w szczególności w analizie rodzin itp.) oraz cytogenetyczne (hybrydyzacja in situ<hybrydyzacja in situ\u003e, otrzymując hybrydy komórek monosomalnych<hybryda komórek monochromosomalnych\u003e, metoda usuwania<mapowanie usunięcia\u003e itp.); w genetyce człowieka akceptowane są 4 stopnie wiarygodności lokalizacji tego genu - potwierdzone (ustalone w dwóch lub więcej niezależnych laboratoriach lub na materiale dwóch lub więcej niezależnych obiektów badawczych), wstępne (1 laboratorium lub 1 analizowana rodzina), sprzeczne (rozbieżność między danymi różnych badaczy), wątpliwe (nie sfinalizowane dane z jednego laboratorium); Dodatek 5 zawiera podsumowanie (od 1992-93) genów strukturalnych, onkogenów i pseudogenów w genomach człowieka oraz - w tym niektórych mutacji - u myszy.
(Źródło: „Angielsko-rosyjski słownik wyjaśniający terminów genetycznych”. Arefiev VA, Lisovenko LA, Moskwa: Wydawnictwo VNIRO, 1995)
Zobacz, co „mapowanie genów” znajduje się w innych słownikach:
mapowanie genów - Określenie pozycji danego genu na chromosomie względem innych genów; stosować trzy główne grupy metod K.g. fizyczne (oznaczanie za pomocą map restrykcyjnych, mikroskopii elektronowej i niektórych wariantów elektroforezy ... ...
Mapowanie genów - określenie pozycji danego genu na chromosomie w stosunku do innych genów. Mapowanie genetyczne polega na określeniu odległości na podstawie częstotliwości rekombinacji między genami. Mapowanie fizyczne wykorzystuje pewne techniki ... ... Słownik psychogenetyki
mapowanie [genów] za pomocą krzyżowania wstecznego - Metoda mapowania genetycznego polegająca na uzyskaniu krzyżówek wstecznych pokrewnych form i analizie rozszczepienia wariantów alleli, polimorficznych pod względem długości fragmentów restrykcyjnych; ta metoda jest najbardziej rozpowszechniona w mapowaniu genów w ... ... Podręcznik tłumacza technicznego
Mapowanie wstecznego krzyżowania [geny] z wykorzystaniem krzyżowania wstecznego. Metoda mapowania genetycznego polegająca na uzyskaniu krzyżówek wstecznych pokrewnych form i analizie rozszczepienia wariantów alleli polimorficznych pod względem długości restrykcyjnej ... ...
Mapowanie genów porównawczych u ssaków - * mapa paranalnych genów ssaków * mapowanie porównawcze genów ssaków informujące porównanie map genetycznych ludzi i innych gatunków ssaków). Muszą być dobrze przestudiowani i daleko od siebie ...
Mapowanie - * cartovanne * mapowanie ustalające pozycje genów lub niektórych określonych miejsc (patrz) wzdłuż nici DNA (.Mapa) ... Genetyka. Słownik encyklopedyczny
Mapowanie z napromieniowanymi hybrydami [komórki] - * mapa dapamogay zastosowanej hybrydy [cell] * radiowej modyfikacji mapowania hybrydowego metody mapowania genów z wykorzystaniem hybrydyzacji komórek somatycznych. Komórki klonu hybrydowego „gryzoń H ludzki” zawierające tylko chromosom 1…… Genetyka. Słownik encyklopedyczny
Mapowanie hybrydowe z użyciem napromieniowanych hybryd [komórek]. Modyfikacja metody mapowania genów z wykorzystaniem hybrydyzacji komórek somatycznych klonu hybrydowego „gryzoń ˟ człowiek” zawierającego tylko 1 chromosom ... ... Biologia molekularna i genetyka. Słownik wyjaśniający.
Ustalenie kolejności genów i względnej odległości między nimi w grupie sprzężeń ... Duży słownik medyczny
Mapowanie ludzkiego genomu
Nie musimy na próżno niepokoić bogów -
Są wnętrza ofiar, które można odgadnąć o wojnie,
Milczenie niewolników i budowanie kamieni!
Osip Mandelstam, „Natura to ten sam Rzym ...”
Genetyka to młoda nauka. Ewolucję gatunków tak naprawdę odkryto dopiero pod koniec lat 50. XIX wieku. W 1866 roku austriacki mnich Gregor Mendel opublikował wyniki swoich eksperymentów z zapylaniem grochu. Do końca stulecia nikt nie zwrócił uwagi na jego odkrycie. Na przykład Galton nigdy się o nich nie dowiedział. Nawet mechanizm zapłodnienia - fuzję jąder męskich i żeńskich komórek płciowych - odkryto dopiero w 1875 roku. W 1888 r. W jądrach komórek znaleziono małe ciałka zwane chromosomami, aw 1909 r. Mendlowskie czynniki dziedziczenia nazwano genami. Pierwszą sztuczną inseminację (królika, a następnie małp) przeprowadzono w 1934 r .; wreszcie w 1953 roku dokonano fundamentalnego odkrycia - ustalono podwójną helikalną strukturę DNA. Jak widać, wszystko to wydarzyło się całkiem niedawno, więc generalnie wczesni eugenicy byli bardzo mało świadomi techniki swojego rzemiosła.
Mapowanie ludzkiego genomu jest wciąż na wczesnym etapie. To, co wiemy, to niewielki ułamek tego, czego nie wiemy. Istnieją trzy miliardy sekwencji nukleotydów, tworzących od dwudziestu sześciu do trzydziestu ośmiu tysięcy genów, które bezpośrednio kodują białka. Jednak sposób interakcji genów i wytwarzanych przez nie białek jest nadal słabo poznany.
Jednak rola genów w społeczeństwie ludzkim jest szybko rozpoznawana. W 1998 roku Diana Paul (University of Massachusetts) przypomniała sobie, jak nazywała się czternaście lat temu
Pogląd „biologicznie deterministyczny”, zgodnie z którym geny wpływają na różnice w inteligencji i temperamencie - używając tych terminów tak, jakby ich znaczenie zostało sprecyzowane. Dziś ich użycie byłoby kontrowersyjne, ponieważ te etykiety wydają się kwestionować ten punkt widzenia, podczas gdy jest on powszechnie akceptowany zarówno przez naukowców, jak i społeczeństwo..
Tak czy inaczej, nasza wiedza jest uzupełniana dosłownie każdego dnia, aw najbliższej przyszłości będziemy mogli analizować z dużą dokładnością ładunek genetyczny,które narzucamy przyszłym pokoleniom.
Z książki Najnowsza księga faktów. Tom 1 [Astronomia i astrofizyka. Geografia i inne nauki o Ziemi. Biologia i medycyna] autor Z książki The Human Genome: An Encyclopedia, Written in Four Letters autor Z książki The Human Genome [Encyklopedia napisana czterema literami] autor Tarantul Wiaczesław Zalmanowicz Z książki Najnowsza księga faktów. Tom 1. Astronomia i astrofizyka. Geografia i inne nauki o Ziemi. Biologia i medycyna autor Kondrashov Anatoly Pavlovich Z książki Decrypted Life [My Genome, My Life] przez Venter Craig Z książki Biological Chemistry autor Lelevich Vladimir Valerianovich Z książki autora Z książki autoraCZĘŚĆ I. STRUKTURA GENOMU LUDZKIEGO CZYM JEST GENOM? Pytania są wieczne, odpowiedzi zależą od czasu. E. Chargaff W dialogu z życiem nie jej pytanie jest ważne, ale nasza odpowiedź. MI Cwietajewa Od samego początku zdefiniujemy, co rozumiemy tutaj przez słowo „gen”. Sam termin
Z książki autoraAnaliza całkowitego DNA - nowe informacje o budowie ludzkiego genomu W pierwszym etapie bezpośrednich badań struktury ludzkiego genomu, kiedy jeszcze nie istniała metodologia inżynierii genetycznej, do badania DNA zastosowano tradycyjne metody fizykochemiczne. W
Z książki autora Z książki autoraCZĘŚĆ DRUGA. FUNKCJA LUDZKIEGO GENOMU KRÓLOWA UMARŁA - CZCIŚĆ KRÓLOWĄ! To, co wiemy, jest ograniczone, a to, czego nie wiemy, jest nieskończone. P. Laplace Science zawsze się myli. Nigdy nie rozwiąże problemu bez podniesienia tuzina nowych. B. Shaw So,
Z książki autoraW jaki sposób komputer jest przydatny do badania ludzkiego genomu? Bez komputerowych technologii bioinformatycznych (genoinformatyki, czy szerzej bioinformatyki) rozwój badań genomicznych byłby w ogóle niemożliwy. Trudno sobie nawet wyobrazić, jak to zrobić
Z książki autoraCZĘŚĆ III. POCHODZENIE I EWOLUCJA LUDZKIEGO GENOMU
Z książki autoraCzym różni się genom ludzki od genomu szympansa? Genom to zbiór genów zawartych w haploidalnym (pojedynczym) zestawie chromosomów danego organizmu. Genom nie jest cechą osobnika, ale gatunku organizmów. W lutym 2001 w Ameryce
Z książki autoraRozdział 11 Rozszyfrowanie ludzkiego genomu Co powiesz, gdy wspinając się z ostatkiem sił na szczyt góry, której nikt nigdy nie odwiedził, nagle zobaczysz osobę wspinającą się po równoległej ścieżce? W nauce współpraca zawsze jest dużo bardziej owocna,
