Genetická vazba - Genetic linkage

Genetická vazba je tendence DNA sekvencí, které jsou blízko sebe na chromozomu , být společně zděděny během meiózové fáze sexuální reprodukce . Dva genetické markery, které jsou fyzicky blízko sebe, se během chromozomálního křížení pravděpodobně nerozdělí na různé chromatidy , a proto se říká, že jsou více propojeny než markery, které jsou daleko od sebe. Jinými slovy, čím blíže jsou dva geny na chromozomu, tím nižší je šance na rekombinaci mezi nimi a tím větší je pravděpodobnost, že budou zděděny společně. Markery na různých chromozomech jsou dokonale odpojeny .

Genetické vazby je nejvýraznějším výjimka Gregor Mendel ‚s právu vloh . První experiment, který prokázal propojení, byl proveden v roce 1905. V té době nebyl znám důvod, proč se určité rysy obvykle dědí společně. Pozdější práce odhalily, že geny jsou fyzické struktury související s fyzickou vzdáleností.

Typickou jednotkou genetické vazby je centimorgan (cM). Vzdálenost 1 cM mezi dvěma markery znamená, že jsou markery separovány na různé chromozomy v průměru jednou na 100 meiotických produktů, tedy jednou na 50 meióz.

Objev

Gregor Mendel ‚s Law nezávislých Sortiment se uvádí, že každý znak se dědí nezávisle na každé jiné zvláštnosti. Ale krátce poté, co byla Mendelova práce znovu objevena , byly nalezeny výjimky z tohoto pravidla. V roce 1905 britští genetici William Bateson , Edith Rebecca Saunders a Reginald Punnett křížili rostliny hrachu v experimentech podobných Mendelově. Zajímali se o dědičnost dědičnosti hrachu a studovali dva geny - gen pro barvu květu ( P , purpurový a p , červený) a gen ovlivňující tvar pylových zrn ( L , dlouhý a l , kulatý) . Překročili čisté linie PPLL a ppll a poté samostatně překřížily výsledné linie PpLl .

Podle mendelovské genetiky by se očekávané fenotypy vyskytovaly v poměru 9: 3: 3: 1 PL: Pl: pL: pl. K jejich překvapení pozorovali zvýšenou frekvenci PL a pl a sníženou frekvenci Pl a pL:

Bateson, Saunders a Punnett experimentují
Fenotyp a genotyp Pozorováno Očekává se od poměru 9: 3: 3: 1
Fialová, dlouhá ( P_L_ ) 284 216
Fialová, kulatá ( P_ll ) 21 72
Červená, dlouhá ( ppL_ ) 21 72
Červená, kulatá ( ppll ) 55 24

Jejich experiment odhalil vazbu mezi alelami P a L a alelami p a l . Četnost výskytu P společně s L a p vyskytujících se společně s l je větší než u rekombinantního Pl a pL . Rekombinace frekvence je mnohem obtížnější pro výpočet v F2 křížem než zpětného křížení, ale nedostatek uložení mezi pozorovanými a očekávanými počty potomstvo ve výše uvedené tabulce ukazují, že je menší než 50%. To naznačovalo, že dva faktory nějakým způsobem interagovaly, aby vytvořily tento rozdíl maskováním vzhledu dalších dvou fenotypů. To vedlo k závěru, že některé rysy spolu souvisí, protože jsou na chromozomu blízko sebe.

Pochopení vazby bylo rozšířeno dílem Thomase Hunta Morgana . Morganovo pozorování, že množství křížení mezi propojenými geny se liší, vedlo k myšlence, že frekvence křížení může indikovat vzdálenost genů oddělujících chromozom . Na jeho počest je pojmenován centimorgan , který vyjadřuje frekvenci přecházení.

Mapa propojení

Mapa genetické vazby Thomas Hunt Morgan Drosophila melanogaster . Jednalo se o první úspěšnou práci mapování genů a poskytuje důležitý důkaz pro chromozomovou teorii dědičnosti . Mapa ukazuje relativní polohy alel na druhém chromozomu Drosophila. Vzdálenosti mezi geny ( centimorgany ) se rovnají procentům událostí chromozomálního křížení , ke kterým dochází mezi různými alelami.

Mapa vazba (také známý jako genetické mapy ) je tabulka pro druhu nebo experimentální populace, která ukazuje polohu svých známých genů nebo genetických markerů ve vztahu k sobě navzájem z hlediska rekombinace frekvence, spíše než na konkrétní fyzickou vzdálenost podél každého chromozómu . Propojovací mapy nejprve vytvořil Alfred Sturtevant , student Thomase Hunta Morgana .

Určitá souvislost mapa je mapa na základě frekvence rekombinace mezi markerů během přechodu z homologních chromozomů . Čím větší je frekvence rekombinace (segregace) mezi dvěma genetickými markery, tím se předpokládá, že jsou od sebe dále. Naopak, čím nižší je frekvence rekombinace mezi markery, tím menší je fyzická vzdálenost mezi nimi. Historicky původně používané markery byly detekovatelné fenotypy (produkce enzymů, barva očí) odvozené z kódujících sekvencí DNA ; nakonec byly použity potvrzené nebo předpokládané nekódující sekvence DNA, jako jsou mikrosatelity nebo sekvence generující polymorfismy délky restrikčních fragmentů ( RFLP ).

Propojovací mapy pomáhají výzkumníkům lokalizovat další markery, například jiné geny, testováním genetické vazby již známých markerů. V raných fázích vývoje mapy vazeb se data používají k sestavení vazebných skupin , což je soubor genů, o nichž je známo, že jsou propojeny. Jak znalosti postupují, lze do skupiny přidat další markery, dokud skupina nepokryje celý chromozom. U dobře studovaných organismů odpovídají vazebné skupiny jedna ku jedné s chromozomy.

Vazebná mapa není fyzická mapa (například hybridní mapa se sníženým zářením ) nebo genová mapa .

Analýza propojení

Analýza propojení je genetická metoda, která hledá chromozomální segmenty, které se segregují s fenotypem onemocnění prostřednictvím rodin, a je analytickou technikou, která byla použita ke stanovení převážné části genů lipodystrofie . Lze jej použít k mapování genů pro binární i kvantitativní znaky. Analýza propojení může být buď parametrická (pokud známe vztah mezi fenotypovou a genetickou podobností), nebo neparametrická. Parametrická vazebná analýza je tradičním přístupem, kdy je pravděpodobnost, že gen důležitý pro nemoc je spojen s genetickým markerem, studována prostřednictvím LOD skóre, které hodnotí pravděpodobnost, že daný rodokmen, kde se nemoc a marker společně segregují, je kvůli existenci vazby (s danou hodnotou vazby) nebo náhodě. Neparametrická analýza vazeb zase studuje pravděpodobnost, že alela bude identická sestupem sama se sebou.

Rodokmen ilustrující parametrickou analýzu propojení

Parametrická analýza vazeb

LOD skóre (logaritmus (základ 10) kurzy), vyvinutý Newton Morton , je statistický test často používá pro vazebnou analýzu v populacích člověka, zvířat a rostlin. LOD skóre porovnává pravděpodobnost získání testovacích dat, pokud jsou obě lokusy skutečně spojeny, s pravděpodobností pozorování stejných dat čistě náhodou. Pozitivní skóre LOD upřednostňuje přítomnost vazby, zatímco negativní skóre LOD naznačuje, že propojení je méně pravděpodobné. Počítačová analýza skóre LOD je jednoduchý způsob analýzy složitých rodinných rodokmenů za účelem určení vazby mezi mendelovskými znaky (nebo mezi znakem a markerem nebo dvěma markery).

Metodu podrobněji popisují Strachan a Read. [1] Stručně to funguje následovně:

  1. Založte si rodokmen
  2. Proveďte řadu odhadů frekvence rekombinace
  3. Vypočítejte LOD skóre pro každý odhad
  4. Odhad s nejvyšším skóre LOD bude považován za nejlepší odhad

Skóre LOD se vypočítá následovně:

NR označuje počet nerekombinantních potomků a R označuje počet rekombinantních potomků. Důvod 0,5, který je použit ve jmenovateli, je ten, že všechny alely, které jsou zcela nespojené (např. Alely na samostatných chromozomech), mají 50% šanci na rekombinaci v důsledku nezávislého sortimentu. θ  je rekombinantní frakce, tj. frakce narození, ve které došlo ke rekombinaci mezi studovaným genetickým markerem a domnělým genem spojeným s nemocí. Je tedy rovna R / ( NR + R ) .

Podle konvence je skóre LOD větší než 3,0 považováno za důkaz vazby, protože naznačuje pravděpodobnost 1 000 až 1, že pozorované spojení nenastalo náhodou. Na druhé straně je skóre LOD nižší než −2,0 považováno za důkaz k vyloučení vazby. Ačkoli je velmi nepravděpodobné, že by z jednoho rodokmenu bylo získáno LOD skóre 3, matematické vlastnosti testu umožňují kombinovat data z řady rodokmenů sečtením jejich LOD skóre. Skóre LOD 3 se převádí na hodnotu p přibližně 0,05 a není nutná žádná vícenásobná testovací korekce (např. Korekce Bonferroni ).

Omezení

Analýza propojení má řadu metodologických a teoretických omezení, která mohou výrazně zvýšit chybovost typu 1 a snížit schopnost mapovat lokusy lidského kvantitativního znaku (QTL). Zatímco vazebná analýza byla úspěšně použita k identifikaci genetických variant, které přispívají ke vzácným poruchám, jako je Huntingtonova choroba , nefungovala tak dobře, když byla aplikována na běžnější poruchy, jako jsou srdeční choroby nebo různé formy rakoviny . Vysvětlení je, že genetické mechanismy ovlivňující běžné poruchy se liší od těch, které způsobují některé vzácné poruchy.

Rekombinační frekvence

Rekombinační frekvence je měřítkem genetické vazby a používá se při vytváření mapy genetických vazeb. Rekombinační frekvence ( θ ) je frekvence, s níž během meiózy proběhne jeden chromozomální crossover mezi dvěma geny . Centimorgan (cm) je jednotka, která popisuje rekombinační frekvenci 1%. Tímto způsobem můžeme měřit genetickou vzdálenost mezi dvěma lokusy na základě jejich rekombinační frekvence. To je dobrý odhad skutečné vzdálenosti. Dvojité crossovery by se změnily v žádnou rekombinaci. V tomto případě nemůžeme říci, zda došlo k přechodům. Pokud jsou místa, která analyzujeme, velmi blízko (méně než 7 cM), je dvojitý crossover velmi nepravděpodobný. Když jsou vzdálenosti vyšší, zvyšuje se pravděpodobnost dvojitého crossoveru. Jak se zvyšuje pravděpodobnost dvojitého křížení, systematicky podceňujeme genetickou vzdálenost mezi dvěma lokusy.

Během meiózy se chromozomy náhodně třídí do gamet , takže segregace alel jednoho genu je nezávislá na alelách jiného genu. To je uvedeno v Mendelově druhém zákoně a je známé jako zákon nezávislého sortimentu . Zákon nezávislého sortimentu vždy platí pro geny, které jsou umístěny na různých chromozomech, ale pro geny, které jsou na stejném chromozomu, neplatí vždy.

Jako příklad nezávislého sortimentu zvažte křížení čistokrevného homozygotního rodičovského kmene s genotypem AABB s jiným čistokrevným kmenem s genotypem aabb . A a a a B a b představují alely genů A a B. Křížení těchto homozygotních rodičovských kmenů povede k potomkům generace F1, kteří jsou dvojitými heterozygoty s genotypem AaBb. Potomci F1 AaBb produkují gamety, které jsou AB , Ab , aB a ab se stejnými frekvencemi (25%), protože alely genu A se během meiózy sdružují nezávisle na alelách genu B. Všimněte si, že 2 ze 4 gamet (50%) - Ab a aB - nebyly přítomny v rodičovské generaci. Tyto gamety představují rekombinantní gamety . Rekombinantní gamety jsou gamety, které se liší od obou haploidních gamet, které tvořily původní diploidní buňku. V tomto případě je frekvence rekombinace 50%, protože 2 ze 4 gamet byly rekombinantní gamety.

Frekvence rekombinace bude 50%, pokud jsou dva geny umístěny na různých chromozomech nebo když jsou široce odděleny na stejném chromozomu. Je to důsledek nezávislého sortimentu.

Když jsou dva geny blízko sebe na stejném chromozomu, neslučují se samostatně a jsou údajně spojeny. Zatímco geny lokalizované na různých chromozomech se dělí nezávisle a mají rekombinační frekvenci 50%, spojené geny mají rekombinační frekvenci nižší než 50%.

Jako příklad propojení lze uvést klasický experiment Williama Batesona a Reginalda Punnetta . Zajímali se o dědičnost dědičnosti hrachu a studovali dva geny - gen pro barvu květu ( P , purpurový a p , červený) a gen ovlivňující tvar pylových zrn ( L , dlouhý a l , kulatý) . Překročili čisté linie PPLL a ppll a poté samostatně překřížily výsledné linie PpLl . Podle mendelovské genetiky by se očekávané fenotypy vyskytovaly v poměru 9: 3: 3: 1 PL: Pl: pL: pl. K jejich překvapení pozorovali zvýšenou frekvenci PL a pl a sníženou frekvenci Pl a pL (viz tabulka níže).

Bateson a Punnett experimentují
Fenotyp a genotyp Pozorováno Očekává se od poměru 9: 3: 3: 1
Fialová, dlouhá ( P_L_ ) 284 216
Fialová, kulatá ( P_ll ) 21 72
Červená, dlouhá ( ppL_ ) 21 72
Červená, kulatá ( ppll ) 55 24
Nespojené geny vs. propojené geny

Jejich experiment odhalil vazbu mezi alelami P a L a alelami p a l . Četnost výskytu P společně s L a p vyskytujících se společně s l je větší než u rekombinantního Pl a pL . Rekombinační frekvenci je obtížnější vypočítat v křížení F2 než zpětném křížení, ale nedostatek souladu mezi pozorovaným a očekávaným počtem potomků ve výše uvedené tabulce naznačuje, že je menší než 50%.

Potomstvo v tomto případě dostalo dvě dominantní alely spojené na jednom chromozomu (označováno jako vazba nebo cis uspořádání ). Po zkřížení však některé potomstvo mohlo získat jeden rodičovský chromozom s dominantní alelou pro jeden znak (např. Purpurový) spojený s recesivní alelou pro druhý znak (např. Kulatý), přičemž pro druhý rodičovský chromozom (např. Červený) platí opak a dlouhý). Toto se označuje jako odpuzování nebo trans uspořádání . Fenotyp zde bude stále fialové a dlouhý, ale test cross tohoto jedince s recesivní rodiče by produkovat potomstvo s mnohem větším podílem obou křížení fenotypu. Zatímco z tohoto příkladu se takový problém nemusí zdát pravděpodobný, při šlechtění na odolnost vůči chorobám v některých plodinách se objevují nepříznivé odpuzující vazby.

Dvě možná uspořádání, cis a trans, alel ve dvojité heterozygotě se označují jako gametické fáze a fázování je proces určování, která z těchto dvou je u daného jedince přítomna.

Když jsou dva geny umístěny na stejném chromozomu, šance na zkřížení produkující rekombinaci mezi geny souvisí se vzdáleností mezi těmito dvěma geny. Proto bylo k vývoji vazebných map nebo genetických map použito použití rekombinačních frekvencí .

Je však důležité poznamenat, že frekvence rekombinace má tendenci podceňovat vzdálenost mezi dvěma propojenými geny. Důvodem je, že jak jsou tyto dva geny umístěny dále od sebe, zvyšuje se také šance na dvojí nebo sudý počet křížení mezi nimi. Dvojitý nebo sudý počet křížení mezi těmito dvěma geny má za následek jejich segregaci na stejnou gametu, čímž se získá rodičovské potomstvo namísto očekávaného rekombinantního potomstva. Jak již bylo uvedeno výše, transformace Kosambi a Haldane se pokoušejí opravit několik crossovers.

Propojení genetických míst v genu

Na počátku padesátých let převládal názor, že geny v chromozomu jsou diskrétní entity, nedělitelné genetickou rekombinací a uspořádané jako korálky na provázku. V letech 1955 až 1959 provedl Benzer experimenty s genetickou rekombinací pomocí mutantů rII bakteriofága T4 . Zjistil, že na základě rekombinačních testů lze místa mutace mapovat v lineárním pořadí. Tento výsledek poskytl důkaz pro klíčovou myšlenku, že gen má lineární strukturu ekvivalentní délce DNA s mnoha místy, která mohou nezávisle mutovat.

Edgar a kol. provedli mapovací experimenty s r mutanty bakteriofága T4, které ukázaly, že frekvence rekombinace mezi mutanty rII nejsou přísně aditivní. Frekvence rekombinace z křížení dvou rII mutantů (axd) je obvykle menší než součet frekvencí rekombinace pro sousední interní dílčí intervaly (axb) + (bxc) + (cxd). Ačkoli to není přísně aditivní, byl pozorován systematický vztah, který pravděpodobně odráží základní molekulární mechanismus genetické rekombinace .

Variace frekvence rekombinace

Zatímco rekombinace chromozomů je zásadním procesem během meiózy, existuje velký rozsah četností křížení mezi organismy a uvnitř druhů. Sexuálně dimorfní míry rekombinace se nazývají heterochiasmy a jsou pozorovány častěji než běžná míra mezi muži a ženami. U savců mají ženy často vyšší míru rekombinace než muži. Předpokládá se, že existují jedinečné výběry působící nebo meiotické ovladače, které ovlivňují rozdíl v sazbách. Rozdíl v sazbách může také odrážet značně odlišná prostředí a podmínky meiózy v oogenezi a spermatogenezi.

Geny ovlivňující frekvenci rekombinace

Mutace v genech, které kódují proteiny zapojené do zpracování DNA, často ovlivňují frekvenci rekombinace . U bakteriofága T4 mutace, které snižují expresi replikační DNA polymerázy [genový produkt 43 (gp43)], několikanásobně zvyšují rekombinaci (snižují vazbu). Zvýšení rekombinace může být způsobeno chybami replikace defektní DNA polymerázou, které jsou samy o sobě rekombinačními událostmi, jako jsou templátové přepínače, tj. Rekombinační události s volbou kopírování. Rekombinace je také zvýšena mutacemi, které snižují expresi DNA ligázy (gp30) a dCMP hydroxymethylázy (gp42), dvou enzymů používaných při syntéze DNA .

Rekombinace je redukována (vazba zvýšena) mutacemi v genech, které kódují proteiny s nukleázovými funkcemi (gp46 a gp47) a protein vázající DNA (gp32). Mutace v genu uvsX bakteriofága také podstatně snižuje rekombinaci. Gen uvsX je analogický dobře studovanému genu recA Escherichia coli, který hraje hlavní roli v rekombinaci.

Indikátory meiózy

S velmi velkými rodokmeny nebo s velmi hustými daty genetických markerů, například z sekvenování celého genomu, je možné přesně lokalizovat rekombinace. U tohoto typu genetické analýzy je indikátor meiózy přiřazen ke každé poloze genomu pro každou meiózu v rodokmenu. Indikátor udává, která kopie rodičovského chromozomu přispívá k přenášené gametě v dané poloze. Pokud je například přenesena alela z „první“ kopie rodičovského chromozomu, může být této meióze přiřazeno „0“. Pokud je alela z „druhé“ kopie rodičovského chromozomu přenesena, bude k této meióze přiřazeno „1“. Dvě alely v rodiči pocházely, každá po jedné, od dvou prarodičů. Tyto indikátory se pak používají ke stanovení stavů identického podle původu (IBD) nebo stavů dědičnosti, které se zase používají k identifikaci genů odpovědných za nemoci.

Viz také

Reference