Картирование генов - Gene mapping

Томас Хант Морган с Drosophila melanogaster генетическая связь карта. Это была первая успешная работа по картированию генов, которая предоставляет важные доказательства Хромосомная теория Бовери – Саттона из наследство. На карте показано взаимное расположение аллельный характеристики на второй хромосоме дрозофилы. Расстояние между генами (единицы карты) равно проценту пересекая события, происходящие между разными аллелями. [1]

Картирование генов описывает методы, используемые для определения локус гена и расстояния между генами.[2] Ген картирование также может описывать расстояния между разными сайтами в гене.

Суть всего геном картирование заключается в размещении набора молекулярных маркеров на их соответствующих позициях в геноме. Молекулярные маркеры бывают во всех формах. Гены можно рассматривать как особый тип генетических маркеров при построении геномных карт, и их можно картировать так же, как и любые другие маркеры.

Генетическое картирование против физического картирования

Существует два различных типа «карт», используемых в области картирования генома: генетические карты и физические карты. Хотя обе карты представляют собой набор генетические маркеры и локусы генов,[3] Расстояния генетических карт основаны на информации о генетической связи, 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 отношение генетического расстояния к физическому расстоянию сильно варьируется в разных областях генома, что отражает разные скорости рекомбинации, и такая скорость часто указывает на эухроматические (обычно богатые генами) и гетерохроматические (обычно бедные генами) области генома.

Картирование генов

Исследователи начинают генетическую карту, собирая образцы крови, слюны или тканей у членов семьи, у которых есть заметное заболевание или признак, и у членов семьи, у которых 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 действительно переносят болезнь, которых нет в ДНК тех, кто не переносит болезнь. Эти уникальные молекулярные структуры в ДНК называются полиморфизмами или маркерами.[4]

Первые шаги построения генетической карты - это разработка генетические маркеры и составление карт населения. Чем ближе два маркера находятся на хромосоме, тем больше вероятность их совместной передачи следующему поколению. Следовательно, паттерны «совместной сегрегации» всех маркеров могут использоваться для восстановления их порядка. Имея это в виду, генотипы каждого генетического маркера регистрируются для обоих родителей и каждого человека в следующих поколениях. Качество генетических карт в значительной степени зависит от следующих факторов: количества генетических маркеров на карте и размера популяции картографии. Эти два фактора взаимосвязаны, так как большее количество картографов может увеличить «разрешение» карты и предотвратить «насыщение» карты.

При картировании генов любой признак последовательности, который можно точно отличить от двух родительских, можно использовать в качестве генетического маркера. В этом отношении гены представлены «чертами», которые можно точно различить между двумя родителями. Их сцепление с другими генетическими маркерами рассчитывается таким же образом, как если бы они были общими маркерами, а затем фактические локусы гена заключаются в скобки в области между двумя ближайшими соседними маркерами. Затем весь процесс повторяется, просматривая больше маркеров, нацеленных на эту область, для картирования соседства гена с более высоким разрешением, пока не будет идентифицирован конкретный причинный локус. Этот процесс часто называют "позиционное клонирование ", и он широко используется при изучении видов растений. Один вид растений, в частности, в котором используется позиционное клонирование, находится в кукуруза.[5] Большим преимуществом генетического картирования является то, что оно может идентифицировать 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, скорее всего, рекомбинирует, исходя из расстояния между двумя генами. Расстояние между двумя генами измеряется в единицах, известных как сантиморганы. Сантиморган - это расстояние между генами, для которого один продукт мейоза из ста является рекомбинантным. Чем дальше друг от друга находятся два гена, тем больше вероятность их рекомбинации. Если бы он был ближе, произошло бы обратное.[нужна цитата ]

Физическое отображение

Поскольку фактические расстояния между парами оснований, как правило, трудно или невозможно измерить напрямую, физические карты фактически строятся путем разбиения генома на иерархически меньшие части. Характеризуя каждую отдельную часть и собирая вместе, перекрывающийся путь или «мозаичный путь» этих небольших фрагментов позволил бы исследователям сделать вывод о физических расстояниях между геномными особенностями. Фрагментация генома может быть достигнута рестрикционный фермент разрезание или физическое разрушение генома с помощью таких процессов, как обработка ультразвуком. После разрезания фрагменты ДНК разделяются электрофорез.[6] Результирующий паттерн миграции ДНК (т.е. генетический отпечаток пальца ) используется для определения того, какой участок ДНК находится в клон. Анализируя отпечатки пальцев, контиги собираются автоматическими (FPC) или ручными средствами (следопыты) в перекрывающиеся участки ДНК. Теперь можно сделать хороший выбор клонов для эффективного секвенирования клонов и определения последовательности ДНК изучаемого организма.

В физическом картировании нет прямых способов пометить конкретный ген, 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 нового генетического маркера и идентификации причинных локусов.

Макрорестрикция представляет собой тип физического картирования, при котором высокомолекулярная ДНК переваривается рестрикционным ферментом, имеющим небольшое количество сайтов рестрикции.

Есть альтернативные способы определить, как ДНК в группе клонов перекрывается без полного секвенирования клонов. После определения карты клоны можно использовать в качестве ресурса для эффективного содержания больших участков генома. Этот тип карт более точен, чем генетические карты.

Картирование мутационных сайтов в гене

В начале 1950-х гг. Преобладала точка зрения, что гены хромосома дискретные сущности, неделимые генетическая рекомбинация и расположены как бусы на веревочке. С 1955 по 1959 год Бензер выполнил генетическая рекомбинация эксперименты с использованием rII мутанты бактериофаг Т4. Он обнаружил, что на основе тестов рекомбинации сайты мутация могут быть отображены в линейном порядке.[7][8] Этот результат подтвердил ключевую идею о том, что ген имеет линейную структуру, эквивалентную длине ДНК со многими сайтами, которые могут самостоятельно видоизменяться.

В 1961 году Фрэнсис Крик, Лесли Барнетт, Сидней Бреннер и Ричард Уоттс-Тобин провели генетические эксперименты, которые продемонстрировали основную природу генетический код для белков.[9] Эти эксперименты, включающие картирование мутационных сайтов в гене rIIB бактериофага Т4, продемонстрировали, что три последовательных азотистые основания ДНК гена определяют каждую последующую аминокислоту его кодируемого белка. Таким образом, было показано, что генетический код представляет собой триплетный код, где каждый триплет (называемый кодоном) определяет конкретную 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.[10] провели эксперименты по картированию с r мутантами бактериофага Т4, показав, что частоты рекомбинации между мутантами rII не являются строго аддитивными. Частота рекомбинации от скрещивания двух мутантов rII (a x d) обычно меньше суммы частот рекомбинации для соседних внутренних подинтервалов (a x b) + (b x c) + (c x d). Систематическая взаимосвязь была продемонстрирована, хотя и не строго аддитивно[11] что, вероятно, отражает основной молекулярный механизм генетическая рекомбинация.

Секвенирование генома

Иногда небиологи ошибочно называют секвенирование генома «картированием генома». Процесс «секвенирования дробовика»[12] напоминает процесс физического картирования: он разбивает геном на мелкие фрагменты, характеризует каждый фрагмент, а затем снова собирает их вместе (более современные технологии секвенирования кардинально отличаются). Хотя объем, цель и процесс совершенно разные, сборку генома можно рассматривать как «окончательную» форму физической карты, поскольку она обеспечивает гораздо лучший способ предоставления всей информации, которую может предложить традиционная физическая карта.

Использовать

Идентификация генов обычно является первым шагом в понимании генома вида; картирование гена обычно является первым этапом идентификации гена. Картирование генов обычно является отправной точкой многих важных последующих исследований.

Ассоциация болезней

Процесс идентификации генетического элемента, ответственного за болезнь также называется «отображение». Если локус, в котором выполняется поиск, уже значительно ограничен, поиск называется точное отображение гена. Эта информация получена в результате исследования проявлений болезни в многодетных семьях (генетическая связь ) или от популяций генетическая ассоциация исследования.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Мадер, Сильвия (2007). Биология девятое издание. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. п. 209. ISBN  978-0-07-325839-3.
  2. ^ «Картирование генов - запись в глоссарии». Домашний справочник по генетике. Bethesda, MD: Национальный центр биомедицинских коммуникаций Листера Хилла, отдел внутренних исследований Национальная медицинская библиотека США. 2013-09-03. Получено 2013-09-06. Внешняя ссылка в | работа = (Помогите)
  3. ^ Aguilera-Galvez, C .; Champouret, N .; Rietman, H .; Lin, X .; Wouters, D .; Чу, З .; Jones, J.D.G .; Vossen, J.H .; Visser, R.G.F .; Wolters, P.J .; Влешхауэрс, В.Г.А.А. (2018). «Два разных локуса гена R совместно эволюционировали с Avr2 Phytophthora infestans и придают различные специфичности устойчивости картофеля». Исследования в области микологии. 89: 105–115. Дои:10.1016 / j.simyco.2018.01.002. ЧВК  6002340. PMID  29910517.
  4. ^ «Информационный бюллетень по генетическому картированию».
  5. ^ Галльветти, Андреа; Уиппл, Клинтон Дж. (2015). «Позиционное клонирование кукурузы (Zea mays subsp. Mays, Poaceae)». Приложения в науках о растениях. 3 (1): 1400092. Дои:10.3732 / apps.1400092. ЧВК  4298233. PMID  25606355.
  6. ^ Камеяма, А .; Ямакоши, К .; Ватанабэ, А. (2019). «Быстрое отделение и характеристика муцинов из подчелюстных желез мышей с помощью электрофореза на молекулярной матрице». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика. 1867 (1): 76–81. Дои:10.1016 / j.bbapap.2018.05.006. PMID  29753090.
  7. ^ Бензер С. Тонкая структура генетической области бактериофага. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1955; 41 (6): 344-354. DOI: 10.1073 / pnas.41.6.344
  8. ^ Бензер С. К топологии тонкой генетической структуры. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1959; 45 (11): 1607-1620. DOI: 10.1073 / pnas.45.11.1607
  9. ^ Крик Ф.Х., Барнетт Л., Бреннер С., Уоттс-Тобин Р.Дж. Общая природа генетического кода белков. Природа. 1961 30 декабря; 192: 1227-1232. PMID  13882203
  10. ^ Эдгар Р.С., Фейнман Р.П., Кляйн С., Лиелавис I, Штейнберг С.М. Эксперименты по картированию с r-мутантами бактериофага T4D. Генетика. 1962; 47: 179–186. PMC 1210321. PMID  13889186
  11. ^ Фишер К.М., Бернштейн Х. Аддитивность интервалов в цистроне RIIA фага T4D. Генетика. 1965. 52 (6): 1127–1136. PMC 1210971. PMID  5882191
  12. ^ Сандри, Миса; Ликастро, Данило; Даль Монего, Симеоне; Сгорлон, Сэнди; Стефанон, Бруно (2018). «Исследование метагенома рубца у коров итальянской симментальской породы и итальянской голштинской породы с использованием методики полногеномного секвенирования с дробовиком». Итальянский журнал зоотехники. 17 (4): 890–898. Дои:10.1080 / 1828051X.2018.1462110.

внешние ссылки