Tema 7: Cartografía genética

Transcripción

b 5,9 pr
25,4
19,5
c
23,7
Antonio Barbadilla
1
Objetivos tema 8:
Cartografía (mapas) genéticos
Deberán quedar bien claros los siguientes puntos
•En qué se fundamenta un mapa genético
•Cómo calcular las frecuencias de recombinación en loci
ligados
•Construcción de mapas genéticos a partir de
cruzamientos pruebas de 2 y 3 factores (puntos)
•Interferencia y coeficiente de coincidencia
•Análisis de tétradas en hongos ascomicetos
Cartografía genética
•Cartografía genética Tema
en 8:humanos
Antonio Barbadilla
2
Dos mapas mejor que uno. Mapa del metro y de calles de Londres
Antonio Barbadilla
3
Mapas genéticos y físicos
Antonio Barbadilla
4
Cartografía genética:
La cartografía genética asigna el lugar
cromosómico de un gen (o locus) y su relación de
distancia con otros genes (o loci) en un cromosoma
dado
A. Sturtevant (1913). La distribución y
el orden lineal de los genes se pueden
establecer experimentalmente
mediante el análisis genético
Antonio Barbadilla
5
Gametos resultantes de doble heterocigoto de genes no ligados
50% parentales y 50% recombinantes
AB
Ab
aB
ab
A B
-- --a b
25 %
25 %
25 %
25 %
Gametos resultantes de doble heterocigoto de genes ligados
AB
Ab
aB
ab
AB
----ab
x%
y%
y%
x %
La fracción de gametos recombinantes es impredecible a priori
X e Y dependen de los genes considerados
Antonio Barbadilla
6
Supuesto: las frecuencias de
entrecruzamiento, y por tanto la
frecuencia de recombinación, depende de
la distancia entre genes
A
B
C
Unidad de distancia: La unidad de mapa (u.m.) o el
centimorgan (cM) --> La distancia entre genes (loci) en los
que la frecuencia de recombinación es del 1%
Antonio Barbadilla
7
Meiosis
A
C
B
C
1
2
3
4
Antonio Barbadilla
8
•Mayor distancia entre loci --> Mayor número de
entrecruzamientos
•Más Entrecruzamientos ---> Más Recombinación
A mayor frecuencia de recombinación
mayor la distancia entre loci
El número de entrecruzamientos por meiosis y por
cromosoma se puede representar por una distribución
aleatoria de Poisson, con media 

e 
f (i) 
i!
Antonio Barbadilla
i
1
FR  (1  e  )
2
   ln(1  2 FR )
9
Mapa a partir de cruzamientos prueba de
dos puntos (dos loci en el mismo
cromosomas)
Se determina la distancia 2 a 2 entre loci y éstas
se suman para estimar la distancia genética total
de un cromosoma
A
B
Antonio Barbadilla
10
Cruzamiento de T. Morgan
Ejemplo:
pr = Ojos Púrpura
vg = Alas vestigiales
Ambos alelos son recesivos respecto al salvaje
P
F1
pr+ pr+ vg+ vg+ X pr pr vg vg
pr+ pr vg+ vg X
pr pr vg vg
Fenotipos F 2
pr+ vg+
pr vg
pr+ vg
pr vg+
1339
1195
151
154
2839
Antonio Barbadilla
11
Metodología
1.
Normalmente heterocigoto X homocigoto recesivo (cruzamiento
prueba) -> AB/ab X ab/ab
2.
No se observa en la F2 la proporción fenotípica 1:1:1:1, y la
proporción no es predecible a priori porque depende de la
distancia entre los genes estudiados
3.
Las dos clases mayoritarias corresponden a los gametos no
recombinantes (parentales), y las minoritarias a los
recombinantes (no parentales)
4.
La frecuencia de recombinación (recombinantes/total X 100)
refleja la distancia genética entre los dos genes. Una unidad de
mapa o centimorgan (1cM) = 1% de recombinantes
5.
Se pueden ordenar tres genes o más genes cuyas distancias se
han medido dos a dos
Antonio Barbadilla
12
Fenotipos F 2
pr+ vg+
pr vg
pr+ vg
pr vg+
1339
parentales
1195
151
305 recombinantes
154
____
2839
Proporción no igual a 1:1:1:1. Un test de 2 = 1037,18 es
muy significativo, p < 0.0000001
FR (frecuencia de rec) = 305/2839 = 0,107 = 10,7 cM
pr
vg
10,7 cM
Antonio Barbadilla
13
The first genetic linkage map
(A.H. Sturtevant 1913 Journal experimental Zoology)
¿Cuál es la distancia
entre ambos genes?
Antonio Barbadilla
14
Orden de los genes
Se han estudiado tres pares de genes en experimentos de
dos puntos y éstas son las distancias entre ellos (los genes
se comparten entre experimentos):
distancia A-B = 12;
distancia B-C = 7;
distancia A-C = 5
y
¿Cuál es el orden de los genes? Las distancias deben ser
aditivas y consistentes entre sí
Supongamos las tres ordenaciones posibles
Antonio Barbadilla
15
Orden de los genes
Ordenaciones posibles
Caso 1: Marcador A está en el medio:
B
12
B
7
A A
C
Caso 2: Marcador B está en el medio:
A
B B
12
A
C
5
Caso 3: Marcador C está en el medio:
A
A
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5
12
C
C
C
5
7
C
B
7
Aditividad
B
16
Las distancias de mapa no son completamente
aditivas
B
A
A
FR = x
C
FR = y
C
FR < x + y
25,4
b 5,9 pr
La mejor estima distancia,
suma (b-pr) + (pr-c)
19,5
Antonio Barbadilla
c
17
23,7 Distancia experimento dos puntos b-c
Relación entre frecuencia de recombinación y
entrecruzamiento (o distancia real de mapa)
Las distancias de mapa no son completamente aditivas porque los
dobles recombinantes entre dos marcadores A y C no se detectan
en un cruce de dos puntos, subestimándose la distancia A y C
A
A
B
B
C
C
A
A
B
b
C
C
a
a
b
b
c
c
a
a
B
b
c
c
•La relación entre la distancia real de mapa (número de
entrecruzamientos) y la frecuencia de recombinación entre dos
marcadores o loci no es lineal. Cuanto más lejos están los marcadores
peor es la estima
•La frecuencia de recombinación (FR) entre dos marcadores no puede
superar el 50%
FR  0,5
18
Antonio Barbadilla
Función de mapa
Es una función que permite estimar la distancia de mapa mejor que
empleando solamente la frecuencia de recombinación, pues corrige
los intercambios (entrecruzamientos) no detectados
50
FR
observada
(%)
40
1

FR  (1  e )
2
30
20
10
=1
=2
=3
=4
Número medio de entrecruzamientos por meiosis
Zona de linealidad
Antonio Barbadilla
50
100
150
200
Unidades de mapa reales
19
¿Por qué la frecuencia de recombinación (FR)
entre dos marcadores no puede superar el 50%?
Demostración 1: Muchos entrecruzamientos entre a y b
Es igual de probable cualquier combinación,
++,
ab,
a+,
+b,
es como si segregaran independientemente ambos
Tema 8: Cartografía
20
loci. Luego, la FR máxima
esgenética
50%
Antonio Barbadilla
Mapa a partir de cruzamientos prueba de tres
puntos (tres loci en el mismo cromosomas)
Metodología
1. Triple heterocigoto X homocigoto recesivo
(cruzamiento prueba) -> ABC/abc X abc/abc
A
B
C
2. Si hay ligamiento, no se observa en la F2 la
proporción fenotípica 1/8 para cada tipo de gameto
3. Se agrupan las clases recíprocas (aquellas
que tienen un fenotipo mutante en el par recíproco, como el par de fenotipos fenotipos
ABC-abc ó Abc-aBC. Las clases recíprocas deben ser de frecuencia parecida
4. Orden de los genes:
• Los fenotipos no recombinantes (parentales) son los más frecuentes
• Los fenotipos menos frecuentes resultan de un doble entrecruzamiento
• Al comparar los fenotipos no recombinantes con los doble entrecruzados, el
gen del medio es el que está cambiado
5. Distancias de mapa: a la distancia entre genes consecutivos debe sumarse las
frecuencias de los dobles entrecruzamientos
Antonio Barbadilla
22
Ejemplo:
1. Triple heterocigoto X homocigoto recesivo
(cruzamiento prueba) -> ABC/abc X abc/abc
2. Si hay ligamiento, no se observa en la F2 la proporción fenotípica 1/8 para
cada tipo de gameto
Tres mutantes marcadores
pr = Ojos Púrpura; b = Cuerpo negro; c = curved, alas curvadas
Los tres alelos son recesivos respecto al salvaje
P
pr+ pr+ b+ b+ c+ c+ X prpr bb cc
F1
pr+ pr b+b c+ c X pr pr bb vg vg
Si no están ligados
F2
Antonio Barbadilla
1/8
1/8
1/8
1/8
1/8
1/8
1/8
1/8
prpr bb cc
prpr bb c+c
pr+pr bb cc
pr+pr bb c+c
prpr b+b cc
prpr b+b c+c
pr+pr b+b cc
pr+pr b+b c+c
Si están ligados completamente
1/2 prpr bb cc
1/2 pr+pr b+b c+c
23
Resultados del cruzamiento prueba, F2
3. Se agrupan las clases recíprocas (aquellas que tienen un fenotipo
mutante en el par recíproco, como el par de fenotipos fenotipos ABCabc ó Abc-aBC. Las clases recíprocas deben ser de frecuencia
parecida
Fenotipo
Salvaje
Black, purp, cur
Purp,curved
Black
Curved
Black,purp
Purp
Black,curved
Total
Genotipo
Número
pr+pr b+b c+c
prpr bb cc
prpr b+b cc
pr+pr bb c+c
pr+pr b+b cc
prpr bb c+c
prpr b+b c+c
pr+pr bb cc
5701
5617
388
367
1412
1383
60
72
15 000
Número de
recombinantes entre
b-pr
pr-c
b-c
388
367
60
72
1412
1383
60
72
887
2927
Antonio Barbadilla
388
367
1412
1383
3550
24
• Al comparar los fenotipos no recombinantes con los doble entrecruzados
(los que difieren sólo en un fenotipo), el gen del medio es el que está
cambiado
A
A
B
B
C
C
A
A
B
b
C
C
a
a
b
b
c
c
a
a
B
b
c
c
Antonio Barbadilla
25
• Al comparar los fenotipos no recombinantes con los doble entrecruzados
(los que difieren sólo en un fenotipo), el gen del medio es el que está
cambiado
Fenotipo
Salvaje
Black, purp, cur
Purp,curved
Black
Curved
Black,purp
Purp
Black,curved
Genotipo
Número
pr+pr b+b c+c
prpr bb cc
prpr b+b cc
pr+pr bb c+c
pr+pr b+b cc
prpr bb c+c
prpr b+b c+c
pr+pr bb cc
5701
5617
388
367
1412
1383
60
72
Número de
recombinantes entre
b-pr
pr-c
b-c
388
367
60
72
1412
1383
60
72
388
367
1412
1383
El gen pr está en el medio
Antonio Barbadilla
26
• Al comparar los fenotipos no recombinantes con los doble entrecruzados, el
gen del medio es el que está cambiado
Fenotipo
Salvaje
Black, purp, cur
Purp,curved
Black
Curved
Black,purp
Purp
Black,curved
Genotipo
Número
b+b pr+pr c+c
bb prpr cc
b+b prpr cc
bb pr+pr c+c
b+b pr+pr cc
bb prpr c+c
b+b prpr c+c
bb pr+pr cc
5701
5617
388
367
1412
1383
60
72
Número de
recombinantes entre
b-pr
pr-c
b-c
388
367
60
72
1412
1383
60
72
388
367
1412
1383
El gen pr está en el medio
Antonio Barbadilla
27
5. Distancias de mapa: a la distancia entre genes consecutivos debe sumarse
las frecuencias de los dobles entrecruzamientos
Fenotipo
Salvaje
Black, purp, cur
Purp,curved
Black
Curved
Black,purp
Purp
Black,curved
Total
Porcentaje
Antonio Barbadilla
Genotipo
Número
b+b pr+pr c+c
bb prpr cc
b+b prpr cc
bb pr+pr c+c
b+b pr+pr cc
bb prpr c+c
b+b prpr c+c
bb pr+pr cc
5701
5617
388
367
1412
1383
60
72
15 000
Número de
recombinantes entre
b-pr
pr-c
b-c
388
367
388
367
1412
1383
60
72
1412
1383
60
72
887
2927
3550
5,9%
19,5%
23,7%
28
Tetrada meiótica
Gametos
Distancia b-pr = frec rec sencillos + frec rec dobles
Entrecruzamiento entre b y pr
b
b
b+
b+
pr
pr
pr+
pr+
c
c
c+
c+
388
367
b
b
b+
b+
pr
pr+
pr
pr+
c
c+
c
c+
Doble entrecruzamiento en la región b-pr-c
b
b
b+
b+
pr
pr
pr+
pr+
c
c
c+
c+
60
72
b
b
b+
b+
pr
pr+
pr
pr+
c
c
c+
c+
887
Distancia b-pr = 887/1500 = 0,059 = 5,9 % = 5,9 cM
Antonio Barbadilla
29
Mapa genético de los marcadores
La mejor estima distancia
entre los extremos es la
suma (b-pr) + (pr-c)
25,4
b 5,9 pr
19,5
23,7
Distancia b-c sin considerar los
dobles recombinantes
Antonio Barbadilla
c
30
Coeficiente de coincidencia: mide si los
entrecruzamientos son independientes entre sí
•Si los múltiples entrecruzamientos suceden
independiemente los unos de los otros, la frecuencia de
los dobles entrecruzamientos será al producto de la
frecuencia de los intercambios sencillos
•Coeficiente coincidencia (CC) = (número de dobles
entrecruzamientos observados)/(número de dobles
entrecruzamientos esperados)
•Si CC < 1, dobles disminuidos
•Si CC > 1, dobles incrementados
•Interferencia: 1 - CC
Antonio Barbadilla
31
Mapa de
ligamiento parcial
de los 4
cromosomas
de Drosophila
melanogaster
Antonio Barbadilla
32
Antonio Barbadilla
33
Mapas genéticos (de recombinación)
versus mapas físicos
Antonio Barbadilla
34
Importancia mapas de recombinación
• Describir Ias tasas de recombinación a lo largo del
genoma
• Predecir la transmisión genética de un gameto
• Localización de genes que influyen el fenotipo (QTLs)
• Marco de referencia para cartografía física
• Marco de referencia para la cartografía de genes
35
asociados a enfermedades
Antonio Barbadilla
Mapas genéticos versus mapas físicos
Frecuencia de recombinación por unidad de DNA
Especies Tamaño haploide Unidades de mapa
del genoma
Fago T4
1.6 x 105 pb
E. coli
4.2 x 106 pb
Levadura
2.0 x 107 pb
Hongo
2.7 x 107 pb
Nemátodo 8.0 x 107 pb
Mosca de la
fruta
1.4 x 108 pb
Ratón
3.0 x 109 pb
Humanos
Varón
3.3 x 109 pb
Mujer
3.3 x 109 pb
Tamaño de la unidad mapa
800
1750
4200
1000
320
200 pb
2400 pb
5000 pb
27000 pb
250000 pb
1.0 x 104 pb
1.2 x 105 pb
2.5 x 105 pb
1.3 x 106 pb
1.2 x 107 pb
280
1700
500000 pb
1800000 pb
2.5 x 107 pb
9.0 x 107 pb
2809
4782
1200000 pb
700000 pb
6.0 x 107 pb
3.5 x 107 pb
Antonio Barbadilla
Distancia media
entrecruzamientos consecutivos
36
Análisis de tétradas
Los hongos
ascomicetos
retienen los cuatro
productos
haploides de cada
meiosis en un saco
denominado asca
Antonio Barbadilla
37
Hongos ascomicetos
Estos organismos son únicos porque se puede analizar meiosis individuales,
permitiendo estudiar aspectos básicos de la genética de la meiosis (un proceso
central de la biología de los eucariotas)
•Cartografiar los centrómeros como si fuesen loci
•Investigar la posibilidad de interferencia de cromátida
•Examinar los mecanismos de entrecruzamiento
Aspergillus
nidulans
Coprinus
lagopus
Saccharomyces
cerevisiae
Tétradas
Octadas
No ordenadas
Antonio Barbadilla
Ustigalo
hordei
Ascobolus
immersus
Neurospora
crassa
Tétradas Octadas
Lineales
Patrones distintos de
ascosporas y ascas en
38
Neurospora
Crecimiento de las hifas en N. crassa
Fenotipos mutantes de Neurospora crassa
Antonio Barbadilla
39
Meiosis y mitosis postmeiótica en la tétrada lineal de Neurospora
Antonio Barbadilla
40
Distancia de un locus al centrómero en
Neurospora
No recombinación entre el
locus y el centrómero
4:4
Antonio Barbadilla
41
Recombinación entre el locus
y el centrómero
2:2:2:2
Antonio Barbadilla
42
Distancia de un locus al centrómero: estímese el porcentaje de
tétradas que muestran patrones de segregación en la segunda división para
ese locus y divídase por 2
Patrones MII = 9 + 11 + 10 + 12 = 42 o sea 14%
Puesto que sólo la mitad de los cromosomas que sufren entrecruzamiento son
recombinantes, la distancia de mapa (medida como frecuencia de
8: Cartografía genética
43
recombinación) será 14/2 = 7Tema
unidades
de mapa ó cM
Antonio Barbadilla
Cartografía
genética en
humanos
Antonio Barbadilla
45
Cartografía a través de la herencia ligada al cromosoma X
Xg Proteína grupo sanguíneo
Ictiosis (un efermedad de la piel)
Albinismo ocular
Angioqueratoma (crecto celular)
Centrómero
Fosfoglicerato-quinasa
Alfa-galactosidasa
Xm
Deutan (ceguera color rojo-verde)
G6PD
Protano (ceguera color rojo-verde)
Hemofilía A
Antonio Barbadilla
46
Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos
46
Cartografía genética en humanos
Estudios familias
•Herencia ligada al cromosoma X
marcadores clásicos
•Autosómicos marcadores clásicos
• Cartografía marcador-enfermedad (estudios
de asociación)
•La caza de genes asociados a enfermedades
• Cartografía marcador-marcador
•Estudios marcadores polimórficos asignados a
colecciones de familias (CEPH).
(SNPs, Microsatélites, RFLPs, RAPDs,...)
Antonio Barbadilla
47
Mapa genético
de alta
resolución del
Cromosoma 1
Homo
sapiens.
The Cooperative
Human Linkage
Center
http://lpg.nci.nih.gov/CHLC/
Antonio Barbadilla
49

Tema 7: Cartografía genética

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