Sprzężenie genów — definicja, mechanizm i mapowanie genetyczne

Sprzężenie genów — definicja, mechanizm i mapowanie genetyczne. Dowiedz się, jak rekombinacja, częstotliwość rekombinantów i jednostki mapowe (cM) ujawniają położenie genów.

Związek genetyczny występuje, gdy allele w różnych loci nie segregują się losowo. W ten sposób drugie prawo Mendla zostaje złamane. Związanie genów oznacza po prostu, że dwa (lub więcej) geny mają tendencję do dziedziczenia się razem częściej niż wynikałoby to z niezależnego rozdziału — dzieje się tak najczęściej dlatego, że znajdują się na tym samym chromosomie.

Mechanizm — dlaczego geny są sprzężone i kiedy ulegają rozdzieleniu

Geny są połączone, gdy znajdują się na tym samym chromosomie. Następnie mają tendencję do trzymania się razem podczas mejozy. Allele dla genów na różnych chromosomach zazwyczaj nie są połączone, ze względu na niezależny asortyment chromosomów podczas mejozy.

Podczas mejozy dochodzi do krzyżowania się DNA, gdy chromosomy homologiczne wymieniają fragmenty. Miejscami fizycznej wymiany są chiazmy; właśnie dzięki nim allele na tym samym chromosomie mogą zostać rozdzielone i trafić do różnych gamet. Prawdopodobieństwo takiego rozdzielenia rośnie z odległością między genami — im dalej są od siebie, tym większa szansa na wystąpienie krzyżowania między nimi.

Możemy wyróżnić podstawowe rodzaje sprzężenia:

• Sprzężenie zupełne — geny są tak blisko siebie, że rekombinacja między nimi jest praktycznie niewykrywalna w danym zbiorze danych.
• Sprzężenie niezupełne — występują rekombinanty, ale częściej obserwuje się układy rodzicielskie niż rekombinanty.
• Konfiguracja sprzężeń: układ cis (coupling) — allel dominujący dwóch genów na tym samym chromosomie; układ trans (repulsion) — allel dominujący jednego genu z allelemi recesywnymi drugiego na tym samym chromosomie — te konfiguracje wpływają na proporcje fenotypowe potomstwa.

Mapowanie genetyczne — jak mierzy się odległość między genami

Względna odległość pomiędzy dwoma genami może być obliczona przy użyciu potomstwa organizmu wykazującego dwie powiązane cechy genetyczne. Typowym podejściem jest krzyżówka testowa (np. testcross lub backcross), w której klasyfikuje się potomstwo na rodzicielskie i rekombinanty. Następnie oblicza się częstość rekombinacji (recombination frequency, RF):

RF = (liczba rekombinantów / całkowita liczba potomków) × 100%

Odsetek potomstwa, w którym te dwie cechy nie występują razem (czyli które są rekombinantami), daje bezpośrednią miarę odległości genetycznej w jednostkach mapy genetycznej. Im wyższy procent potomstwa wykazuje obie cechy oddzielnie (rekombinanty), tym dalej od siebie znajdują się geny na chromosomie.

Była to pierwsza technika wykorzystywana do mapowania genów na chromosomach. Dzięki opracowaniu liczby rekombinantów można uzyskać miarę odległości pomiędzy genami. Odległość ta nazywana jest jednostką mapy genetycznej (m.u.), czyli centymorganem i jest definiowana jako odległość pomiędzy genami, dla których jeden produkt mejozy w 100 jest rekombinowany. Częstotliwość rekombinowana (RF) wynosząca 1 % jest równoważna 1 j.m. Mapę powiązań tworzy się poprzez znalezienie na mapie odległości pomiędzy kilkoma cechami, które są obecne na tym samym chromosomie, najlepiej unikając znacznych odstępów pomiędzy cechami, aby uniknąć możliwości wielokrotnych krzyżowań.

Przykład prosty: jeśli w 200 potomkach stwierdzono 20 rekombinantów między dwoma markerami, RF = (20/200) × 100% = 10% → odległość = 10 cM (10 j.m.).

Metody i udoskonalenia mapowania

Aby dokładniej ustalić kolejność i odległości genów stosuje się:

• Krzyżówki trójpunktowe — pozwalają określić kolejność trzech genów i wykryć podwójne crossing-over, które w prostych dwu-genowych analizach często są niewidoczne.
• Funkcje mapujące (np. Haldane, Kosambi) — przeliczają obserwowaną częstość rekombinacji na odległość genetyczną z uwzględnieniem prawdopodobieństwa wielokrotnych crossing-over. Dzięki temu odległości większe niż ~10–20 cM są lepiej skorygowane niż przy prostym użyciu RF.
• Współczynnik interferencji i współczynnik zgodności — mierzą, jak wcześniejsze krzyżowania wpływają na występowanie kolejnych (interferencja często zmniejsza liczbę podwójnych crossing-over).
• Współczesne metody molekularne — użycie markerów molekularnych (SNP, mikrosatelity) oraz sekwencjonowania wysokoprzepustowego umożliwia tworzenie gęstych map genetycznych i map fizycznych oraz identyfikację tzw. hotspotów rekombinacji.

Ograniczenia i czynniki wpływające na mapowanie

Należy pamiętać o kilku ograniczeniach:

• Rekombinacja większa niż 50% oznacza, że geny segregują niezależnie — w praktyce odległości powyżej ~50 cM nie są rozróżnialne i wyglądają jak brak sprzężenia.
• Wielokrotne crossing-over między genami prowadzą do zaniżania obserwowanej częstości rekombinacji; funkcje mapujące korygują to częściowo, ale nie likwidują wszystkich błędów przy bardzo dużych odległościach.
• Interferencja może zmieniać oczekiwaną liczbę podwójnych crossoverów i skomplikować interpretację wyników.
• Rekombinacja nie jest jednorodna — występują hotspoty i coldspoty rekombinacyjne oraz różnice płciowe w częstości rekombinacji u wielu gatunków.
• Czynniki biologiczne (np. położenie względem centromeru, struktury chromosomowe) wpływają na prawdopodobieństwo krzyżowania.

Zastosowania

Mapowanie genetyczne i analiza sprzężenia mają praktyczne zastosowania w:

• hodowli roślin i zwierząt (selekcja cech korzystnych poprzez selekcję markerów sprzężonych z pożądanymi allelami),
• identyfikacji genów odpowiedzialnych za choroby dziedziczne u ludzi i modeli zwierzęcych,
• badaniach ewolucyjnych nad rekombinacją i strukturowaniem genomu,
• tworzeniu map fizycznych i porównawczych genomów oraz integracji danych molekularnych z danymi fenotypowymi.

Podsumowanie: Sprzężenie genów to efekt fizycznego sąsiedztwa genów na chromosomie i mechanizmu krzyżowania podczas mejozy. Analiza częstości rekombinacji pozwala budować mapy genetyczne, które są kluczowe w genetyce klasycznej i współczesnej genomice, lecz interpretacja takich map wymaga uwzględnienia zjawisk takich jak wielokrotne crossing-over, interferencja czy nierównomierne rozłożenie miejsc rekombinacji.

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest powiązanie genetyczne?

P: Jak można rozdzielić allele na tym samym chromosomie?

P: Jaką technikę zastosowano do mapowania genów na chromosomach?

P: Co to jest jednostka mapy genetycznej (m.u.) lub centymetr?

P: Jak tworzy się mapę powiązań?

P: Co się stanie, jeżeli podczas tworzenia mapy powiązań między cechami wystąpią znaczne luki?

Szukaj według litery