17.2: Картування геномів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1855

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Визначте геноміку
Опишіть генетичні та фізичні карти
Опишіть методи геномного картографування

Геноміка - це вивчення цілих геномів, включаючи повний набір генів, їх нуклеотидну послідовність та організацію, а також їх взаємодію всередині виду та з іншими видами. Картування генома - це процес знаходження місць розташування генів на кожній хромосомі. Карти, створені картографуванням геному, можна порівняти з картами, які ми використовуємо для навігації по вулицях. Генетична карта - це ілюстрація, яка перераховує гени та їх розташування на хромосомі. Генетичні карти дають загальну картину (подібно до карти міждержавних автомагістралей) і використовують генетичні маркери (схожі на орієнтири). Генетичний маркер - це ген або послідовність на хромосомі, яка спільно відокремлює (показує генетичний зв'язок) зі специфічною ознакою. Ранні генетики називали цей аналіз зв'язків. Фізичні карти представляють інтимні деталі менших областей хромосом (подібно до детальної дорожньої карти). Фізична карта - це зображення фізичної відстані, в нуклеотидах, між генами або генетичними маркерами. Для побудови повної картини генома потрібні як карти генетичних зв'язків, так і фізичні карти. Наявність повної карти генома полегшує дослідникам вивчення окремих генів. Карти генома людини допомагають дослідникам у їх зусиллі визначити гени, що викликають захворювання людини, пов'язані з такими захворюваннями, як рак, хвороби серця та муковісцидоз. Картування генома може бути використано в різних інших додатках, таких як використання живих мікробів для очищення забруднюючих речовин або навіть запобігання забрудненню. Дослідження, що включають картографування геному рослин, можуть призвести до отримання більш високих врожаїв або розвитку рослин, які краще адаптуються до зміни клімату.

Генетичні карти

Вивчення генетичних карт починається з аналізу зв'язків, процедури, яка аналізує частоту рекомбінації між генами, щоб визначити, чи пов'язані вони або показати незалежний асортимент. Термін зв'язок використовувався до відкриття ДНК. Ранні генетики спиралися на спостереження фенотипічних змін, щоб зрозуміти генотип організму. Незабаром після того, як Грегор Мендель (батько сучасної генетики) запропонував, що риси визначаються тим, що зараз відомі як гени, інші дослідники спостерігали, що різні риси часто успадковуються разом, і тим самим вивели, що гени фізично пов'язані, розташовуючись на одній хромосомі. Картування генів відносно один одного на основі аналізу зв'язків призвело до розробки перших генетичних карт.

Спостереження за тим, що певні риси завжди були пов'язані, а певні інші не були пов'язані, випливали з вивчення потомства схрещувань між батьками з різними рисами. Наприклад, в експериментах, проведених на городньому гороху, було виявлено, що колір квітки і форма пилку рослини були пов'язаними ознаками, і тому гени, що кодують ці ознаки, знаходилися в безпосередній близькості на одній хромосомі. Обмін ДНК між гомологічними парами хромосом називається генетичною рекомбінацією, яка відбувається шляхом схрещування ДНК між гомологічними нитками ДНК, такими як несестрі хроматиди. Аналіз зв'язків передбачає вивчення частоти рекомбінації між будь-якими двома генами. Чим більше відстань між двома генами, тим вище ймовірність того, що між ними відбудеться подія рекомбінації, і тим вище частота рекомбінації між ними. Дві можливості рекомбінації між двома несестринними хроматидами під час мейозу показані на рис\(\PageIndex{1}\). Якщо частота рекомбінації між двома генами менше 50 відсотків, вони, як кажуть, пов'язані між собою.

Гомологічна пара хромосом має три гени, названі A, B, а C. Ген А розташований поблизу верхньої частини хромосоми, а гени B і C розташовані близько один до одного біля дна. Кожна хромосома має різні алелі A, B і C. Алелі можуть рекомбінуватися, якщо між ними відбувається кросовер, так що генетичний матеріал з однієї хромосоми міняється місцями з іншою. Гени A і B знаходяться далеко один від одного на хромосомі таким чином, що подія кросовера, що відбувається майже в будь-якому місці хромосоми, призведе до рекомбінації алелів для цих генів. Гени B і C набагато ближче один до одного, тому тільки кросовери, що відбуваються в дуже вузькій області, призведуть до рекомбінації цих генів. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Кросовер може виникати в різних місцях на хромосомі. Рекомбінація між генами A і B частіше, ніж рекомбінація між генами B і C, оскільки гени A і B знаходяться далі один від одного; тому між ними частіше відбувається кросовер.

Для створення генетичних карт потрібні маркери, так само, як дорожня карта вимагає орієнтирів (таких як річки та гори). Ранні генетичні карти базувалися на використанні відомих генів як маркерів. Більш складні маркери, в тому числі засновані на некодуючих ДНК, тепер використовуються для порівняння геномів особин в популяції. Хоча особини даного виду генетично схожі, вони не ідентичні; кожна особина має унікальний набір ознак. Ці незначні відмінності в геномі між особами в популяції корисні для цілей генетичного картографування. Взагалі хорошим генетичним маркером є область на хромосомі, яка показує мінливість або поліморфізм (множинні форми) в популяції.

Деякі генетичні маркери, що використовуються при створенні генетичних карт, - це поліморфізми довжини рестрикційних фрагментів (RFLP), змінна кількість тандемних повторів (ВНТР), мікросупутникові поліморфізми та поліморфізми одиночних нуклеотидів (SNP). RFLP (іноді виражені «риф-губи») виявляються, коли ДНК індивіда розрізається з рестрикційною ендонуклеазою, яка розпізнає специфічні послідовності в ДНК для генерації серії фрагментів ДНК, які потім аналізуються за допомогою гелевого електрофорезу. ДНК кожної людини породжує унікальний візерунок смуг при розрізі з певним набором рестрикційних ендонуклеаз; це іноді називають «відбитком пальця» ДНК людини. Певні ділянки хромосоми, які піддаються поліморфізму, призведуть до генерації унікальної смугастої картини. ВНТР - це повторювані набори нуклеотидів, присутніх в некодуючих областях ДНК. Некодуюча, або «небажана», ДНК не має відомої біологічної функції; однак дослідження показують, що значна частина цієї ДНК насправді транскрибується. Хоча його функція невизначена, вона, безумовно, активна, і вона може бути задіяна в регуляції генів кодування. Кількість повторів може змінюватися в окремих організмах популяції. Мікросателітні поліморфізми схожі на ВНТР, але одиниця повтору дуже мала. SNP - це варіації в одному нуклеотиді.

Оскільки генетичні карти повністю покладаються на природний процес рекомбінації, на картографування впливає природне збільшення або зниження рівня рекомбінації в будь-якій даній області генома. Деякі частини генома є рекомбінаційними гарячими точками, тоді як інші не виявляють схильності до рекомбінації. З цієї причини важливо дивитися на інформацію про картографування, розроблену декількома методами.

Фізичні карти

Фізична карта забезпечує деталізацію фактичної фізичної відстані між генетичними маркерами, а також кількості нуклеотидів. Для створення фізичної карти використовуються три методи: цитогенетичне картографування, радіаційне гібридне картування та послідовне картування. Цитогенетичне картування використовує інформацію, отриману шляхом мікроскопічного аналізу забарвлених ділянок хромосоми. Визначити приблизну відстань між генетичними маркерами можна за допомогою цитогенетичного картографування, але не точну відстань (кількість пар основ). Радіаційне гібридне картування використовує випромінювання, таке як рентгенівські промені, для розбиття ДНК на фрагменти. Кількість випромінювання можна регулювати для створення менших або більших фрагментів. Ця методика долає обмеження генетичного картографування і не впливає на збільшення або зниження частоти рекомбінації. Картування послідовностей було отримано за допомогою технології секвенування ДНК, яка дозволила створити детальні фізичні карти з відстанями, виміряними за кількістю пар основ. Створення геномних бібліотек та комплементарних бібліотек ДНК (кДНК) (колекцій клонованих послідовностей або всієї ДНК з генома) прискорило процес фізичного картографування. Генетичний сайт, який використовується для створення фізичної карти за допомогою технології секвенування (сайт з тегами секвенування, або STS) - це унікальна послідовність в геномі з відомим точним хромосомним розташуванням. Виражений тег послідовності (EST) та поліморфізм довжини однієї послідовності (SSLP) є загальними STS. EST - це короткий STS, який ідентифікується з бібліотеками кДНК, тоді як SSLP отримують з відомих генетичних маркерів і забезпечують зв'язок між генетичними картами та фізичними картами.

Показані цитогенетичні карти 22 аутосом людини та хромосом X і Y. Карта виглядає у вигляді чорної, білої та сірої смуги, унікального для кожної хромосоми. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Цитогенетична карта показує появу хромосоми після того, як її фарбують і досліджують під мікроскопом. (кредит: Національний науково-дослідний інститут геному людини)

Інтеграція генетичних і фізичних карт

Генетичні карти надають контури, а фізичні карти надають деталі. Легко зрозуміти, чому обидва типи методів картографування геному важливі, щоб показати загальну картину. Інформація, отримана з кожної методики, використовується в комплексі для вивчення генома. Геномне картографування використовується з різними модельними організмами, які використовуються для досліджень. Картування генома все ще є постійним процесом, і оскільки розробляються більш досконалі методи, очікується більше досягнень. Відображення геному схоже на завершення складної головоломки, використовуючи кожен шматок доступних даних. Картографічна інформація, що генерується в лабораторіях по всьому світу, вноситься до центральних баз даних, таких як GenBank при Національному центрі біотехнологічної інформації (NCBI). Робляться зусилля, щоб зробити інформацію більш доступною для дослідників і широкої громадськості. Подібно до того, як ми використовуємо глобальні системи позиціонування замість паперових карт для навігації по дорогах, NCBI створив інструмент перегляду геному для спрощення процесу інтелектуального аналізу даних.

Підключення наукового методу: як використовувати переглядач карт геному

Постановка проблеми: Чи містять геноми людини, макаки та миші загальні послідовності ДНК?

Розробити гіпотезу.

Щоб перевірити гіпотезу, натисніть тут.

У полі пошуку на лівій панелі введіть будь-яку назву гена або фенотипічну характеристику, наприклад пігментацію райдужної оболонки (колір очей). Виберіть вид, який потрібно вивчити, а потім натисніть клавішу Enter. Переглядач карт геному вкаже, яка хромосома кодує ген у вашому пошуку. Клацніть кожен удар у переглядачі геному для отримання більш детальної інформації. Цей тип пошуку є найбільш основним використанням переглядача генома; він також може бути використаний для порівняння послідовностей між видами, а також багатьох інших складних завдань.

Чи правильна гіпотеза? Чому чи чому ні?

Посилання на навчання

Онлайн-спадкування Менделя в людині (OMIM) - це доступний для пошуку онлайн-каталог генів людини та генетичних порушень. Цей веб-сайт показує інформацію про картографування геному, а також детально описує історію та дослідження кожної ознаки та розладу. Клацніть це посилання, щоб знайти ознаки (наприклад, передавання) та генетичні порушення (наприклад, діабет).

Резюме

Картографування геному схоже на вирішення великої, складної головоломки з фрагментами інформації, що надходить з лабораторій по всьому світу. Генетичні карти надають контури розташування генів всередині генома, і вони оцінюють відстань між генами та генетичними маркерами на основі частот рекомбінації під час мейозу. Фізичні карти надають детальну інформацію про фізичну відстань між генами. Найбільш детальна інформація доступна за допомогою відображення послідовностей. Інформація з усіх джерел картографування та секвенування об'єднується для вивчення цілого генома.

Глосарій

цитогенетичне картування: техніка, яка використовує мікроскоп для створення карти з забарвлених хромосом

виражений тег послідовності (EST): короткий STS, який ідентифікується з кДНК

генетична карта: контур генів і їх розташування на хромосомі

генетичний маркер: ген або послідовність на хромосомі з відомим місцем розташування, яке пов'язане з певною ознакою

генетична рекомбінація: обмін ДНК між гомологічними парами хромосом

картографування геному: процес знаходження розташування генів на кожній хромосомі

Бібліотека кДНК: колекція клонованих послідовностей кДНК

геномна бібліотека: колекція клонованої ДНК, яка представляє всі послідовності та фрагменти з генома

геноміки: вивчення цілих геномів, включаючи повний набір генів, їх нуклеотидну послідовність та організацію та їх взаємодію всередині виду та з іншими видами

аналіз зв'язків: процедура, яка аналізує рекомбінацію генів, щоб визначити, чи пов'язані вони

мікросателітний поліморфізм: варіація між особинами в послідовності та кількості повторів мікросупутникової ДНК

фізична карта: представлення фізичної відстані між генами або генетичними маркерами

радіаційне гібридне картування: інформація, отримана шляхом фрагментації хромосоми рентгенівськими променями

поліморфізм довжини рестрикційного фрагмента (RFLP): варіація між особами в довжині фрагментів ДНК, породжених рестрикційними ендонуклеазами

відображення послідовності: картографування інформації, отриманої після секвенування ДНК

однонуклеотидний поліморфізм (SNP): варіація між особинами в одному нуклеотиді

змінна кількість тандемних повторів (VNTRS): варіація числа тандемних повторів між особинами в популяції