Tema 7: Cartografía genéticagenetica.uab.cat/base/continguts/documents/documents.asp?link=... · Antonio Barbadilla Tema 8: Cartografía genética 2 Objetivos tema 8: Cartografía

Antonio Barbadilla

Tema 8: Cartografía genética 1

b pr c 19,5 5,9

23,7

25,4

http://biologia.uab.es/dgm/cv/barbadilla prados.asp

Antonio Barbadilla


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 en humanos


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Dos mapas mejor que uno. Mapa del metro y de calles de Londres

3 Tema 8: Cartografía genética


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Mapas genéticos y físicos


D:/SeminarioGenomaDrosophila/genomicseducation/index.html

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A

A

a

a

B

B

b

b


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Cartografía genética (gene mapping) 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


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AB ----- ab

AB Ab aB ab

x %

y %

x %

y %

La fracción de gametos recombinantes es impredecible a priori X e Y dependen de los genes considerados

A B -- --- a b

AB Ab aB ab

25 %

25 %

25 %

25 %

Gametos resultantes de doble heterocigoto de genes no ligados 50% parentales y 50% recombinantes

Gametos resultantes de doble heterocigoto de genes ligados


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Supuesto: las frecuencias de entrecruzamiento, y por tanto la frecuencia de recombinación, depende de la distancia entre genes

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%

A C B


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Meiosis

1

2

3

4

A C C B


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•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

!)(

i

eif

i

)21ln(

)1(2

1

FR

eFR

FRf )(Distancia


Antonio Barbadilla


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


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Ejemplo: Cruzamiento de T. Morgan pr = Ojos Púrpura

vg = Alas vestigiales Ambos alelos son recesivos respecto al salvaje P pr+ pr+ vg+ vg+ X pr pr vg vg F1 pr+ pr vg+ vg X pr pr vg vg Fenotipos F 2

pr+ vg+ 1339 pr vg 1195 pr+ vg 151 pr vg+ 154 2839


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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


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Fenotipos F 2

pr+ vg+ 1339 pr vg 1195 pr+ vg 151 pr vg+ 154 ____ 2839

305

FR (frecuencia de rec) = 305/2839 = 0,107 = 10,7 cM

Proporción no igual a 1:1:1:1. Un test de 2 = 1037,18 es muy significativo, p < 0.0000001

pr vg

10,7 cM

parentales

recombinantes


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The first genetic linkage map (A.H. Sturtevant 1913 Journal experimental Zoology)

¿Cuál es la distancia entre ambos genes?


http://www.google.es/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=4SqmbjwSqELSFM&tbnid=Pu2CJk9tqgxYqM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.lifesciencesfoundation.org%2Fevents-item-740.html&ei=luheUdjEAYjw0gWOtIH4Bg&bvm=bv.44770516,d.ZG4&psig=AFQjCNEHEjTOvlZ-uSkPYI9riymXrS5eig&ust=1365260785750021

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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; y distancia A-C = 5

¿Cuál es el orden de los genes? Las distancias deben ser aditivas y consistentes entre sí

Supongamos las tres ordenaciones posibles


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Orden de los genes

Ordenaciones posibles Caso 1: Marcador A está en el medio:

Caso 2: Marcador B está en el medio:

Caso 3: Marcador C está en el medio:

A A C

C B

B

7

12 5

A

B

C

A 12

5

C B 7

A

B

C

A 12

5 B C

7 Aditividad


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19

Las distancias de mapa no son completamente aditivas

A B C

FR = x FR = y

A C

FR < x + y

b pr c 19,5 5,9

23,7

25,4

Distancia experimento dos puntos b-c

La mejor estima distancia, suma (b-pr) + (pr-c)


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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

•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

A B C

a b c

A b C

a B c

A B C

a b c

A B C

a b c


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Función de mapa (de Haldane)

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

40

30

20

10

FR observada

(%)

=1 =2 =3 =4

Unidades de mapa reales

Número medio de entrecruzamientos por meiosis entre los dos loci

)1(2

1 eFR

Zona de linealidad 50 100 150 200


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22

)21ln(

)1(2

1

FR

eFR

Demostración función de mapa

)1( eProbabilidad uno o más

entrecruzamiento entre los dos loci

λ = Número medio de entrecruzamientos

por meiosis entre los dos loci

=

2

1)1(

2

1 eFR


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Demostración 1: caso completo para 1 ó 2 entrecruzamientos

¿Por qué la frecuencia de recombinación (FR) entre dos marcadores no puede superar el 50%?

FR promedio de un doble entrecruzamiento = 8/16 =

50%

3 entrecruzamientos pueden descomponerse en 1 + 2 entrecruzamientos y por tanto darán lugar también a 50% recombinantes. El razonamiento es generalizable a n entrecruzamientos


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Demostración 2: Muchos entrecruzamientos entre a y b

Es igual de probable cualquier combinación, ++, ab, a+, +b,

es como si segregaran independientemente ambos loci. Luego, la FR máxima es 50%

¿Por qué la frecuencia de recombinación (FR) entre dos marcadores no puede superar el 50%?


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

40

30

20

10

FR observada

(%)

=1 =2 =3 =4

Unidades de mapa reales

Número medio de entrecruzamientos por meiosis entre los dos loci

)1(2

1 eFR

Zona de linealidad 50 100 150 200

1 entrecruzamiento

≡ 50 cM reales (um)


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b pr c 19,5 5,9

25,4

Distancia experimento dos puntos b-c

La mejor estima distancia, suma (b-pr) + (pr-c)

23,7

Aplíquese la corrección de Haldane en este mapa de tres

marcadores

De la corrección efectuada, ¿a qué conclusión se llega si se quieren elaborar mapas genéticos fiables?

)21ln(

)1(2

1

FR

eFR

)21ln( FR


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Metodología 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

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


Mapa a partir de cruzamientos prueba de tres puntos (tres loci en el mismo cromosoma)

A B C


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Ejemplo:

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 Si están ligados completamente

1/8 prpr bb cc 1/2 prpr bb cc 1/8 prpr bb c+c 1/2 pr+pr b+b c+c 1/8 pr+pr bb cc 1/8 pr+pr bb c+c 1/8 prpr b+b cc 1/8 prpr b+b c+c 1/8 pr+pr b+b cc 1/8 pr+pr b+b c+c

F2

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


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Resultados del cruzamiento prueba, F2

Fenotipo Genotipo Número Número de recombinantes entre b-pr pr-c b-c Salvaje pr+pr b+b c+c 5701 Black, purp, cur prpr bb cc 5617 Purp,curved prpr b+b cc 388 388 388 Black pr+pr bb c+c 367 367 367 Curved pr+pr b+b cc 1412 1412 1412 Black,purp prpr bb c+c 1383 1383 1383 Purp prpr b+b c+c 60 60 60 Black,curved pr+pr bb cc 72 72 72 Total 15 000 887 2927 3550

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


Antonio Barbadilla



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 (los que difieren sólo en un fenotipo), el gen del medio es el que está cambiado

A B C

a b c

A b C

a B c

A B C

a b c

A B C

a b c


Antonio Barbadilla

Fenotipo Genotipo Número Número de recombinantes entre

b-pr pr-c b-c Salvaje pr+pr b+b c+c 5701 Black, purp, cur prpr bb cc 5617 Purp,curved prpr b+b cc 388 388 388 Black pr+pr bb c+c 367 367 367 Curved pr+pr b+b cc 1412 1412 1412 Black,purp prpr bb c+c 1383 1383 1383 Purp prpr b+b c+c 60 60 60 Black,curved pr+pr bb cc 72 72 72



El gen pr está en el medio

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 (los

que difieren sólo en un fenotipo), el gen del medio es el que está cambiado


Antonio Barbadilla


b-pr pr-c b-c Salvaje pr+pr b+b c+c 5701 Black, purp, cur prpr bb cc 5617 Purp,curved prpr b+b cc 388 388 388 Black pr+pr bb c+c 367 367 367 Curved pr+pr b+b cc 1412 1412 1412 Black,purp prpr bb c+c 1383 1383 1383 Purp prpr b+b c+c 60 60 60 Black,curved pr+pr bb cc 72 72 72



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 (los

que difieren sólo en un fenotipo), el gen del medio es el que está cambiado

El gen pr está en el medio


Antonio Barbadilla




b-pr pr-c b-c Salvaje b+b pr+pr c+c 5701 Black, purp, cur bb prpr cc 5617 Purp,curved b+b prpr cc 388 388 388 Black bb pr+pr c+c 367 367 367 Curved b+b pr+pr cc 1412 1412 1412 Black,purp bb prpr c+c 1383 1383 1383 Purp b+b prpr c+c 60 60 60 Black,curved bb pr+pr cc 72 72 72 Total 15 000 887 2927 3550 Porcentaje 5,9% 19,5% 23,7%

5. Distancias de mapa: a la distancia entre genes consecutivos debe sumarse las frecuencias de los dobles entrecruzamientos


Antonio Barbadilla Tema 8: Cartografía genética

34

b pr c

b pr+ c+

b+ pr+ c+ b+ pr c

b pr c

b+ pr+ c+ b+ pr+ c+

Tetrada meiótica Gametos

b pr c b pr c

b pr c b pr+ c b pr c

b+ pr+ c+ b+ pr+ c+ b+ pr+ c+

b+ pr c+

Entrecruzamiento entre b y pr

Doble entrecruzamiento en la región b-pr-c

Distancia b-pr = frec rec sencillos + frec rec dobles

388 367

60 72

887

Distancia b-pr = 887/15000 = 0,059 = 5,9 % = 5,9 cM


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b pr c 19,5 5,9

23,7

25,4

Distancia b-c sin considerar los dobles recombinantes

La mejor estima distancia entre los extremos es la

suma (b-pr) + (pr-c)

Mapa genético de los marcadores

¿Se podría hacer una corrección para mejorar la estima de las

distancias?


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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


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Mapa de ligamiento parcial

de los 4 cromosomas de Drosophila melanogaster


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Mapas genéticos (de recombinación) versus mapas físicos


Antonio Barbadilla


Importancia mapas de recombinación

• Describir las 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 asociados a enfermedades


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Frecuencia de recombinación por unidad de DNA

Especies Tamaño haploide Unidades de mapa Tamaño de la unidad mapa Distancia media del genoma entrecruzamientos consecutivos

Fago T4 1.6 x 105 pb 800 200 pb 1.0 x 104 pb E. coli 4.2 x 106 pb 1750 2400 pb 1.2 x 105 pb

Levadura 2.0 x 107 pb 4200 5000 pb 2.5 x 105 pb

Hongo 2.7 x 107 pb 1000 27000 pb 1.3 x 106 pb

Nemátodo 8.0 x 107 pb 320 250000 pb 1.2 x 107 pb

Mosca de la

fruta 1.4 x 108 pb 280 500000 pb 2.5 x 107 pb

Ratón 3.0 x 109 pb 1700 1800000 pb 9.0 x 107 pb Humanos Varón 3.3 x 109 pb 2809 1200000 pb 6.0 x 107 pb Mujer 3.3 x 109 pb 4782 700000 pb 3.5 x 107 pb

Mapas genéticos versus mapas físicos


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Análisis de tétradas

Los hongos ascomicetos retienen los cuatro productos haploides de cada meiosis en un saco denominado asca


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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

No ordenadas Lineales

Tétradas Octadas Tétradas Octadas Patrones distintos de ascosporas y ascas en

Neurospora

Coprinus lagopus

Saccharomyces cerevisiae

Aspergillus nidulans

Ascobolus immersus

Ustigalo hordei

Neurospora crassa

Basidiomiceto Basidiomiceto


Antonio Barbadilla

Crecimiento de las hifas en N. crassa

Fenotipos mutantes de Neurospora crassa

44 Tema 8: Cartografía genética


Antonio Barbadilla


Meiosis y mitosis postmeiótica en la tétrada lineal de Neurospora


Antonio Barbadilla


Distancia de un locus al centrómero en Neurospora

No recombinación entre el locus y el centrómero

4:4


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Recombinación entre el locus y el centrómero

2:2:2:2

Distancia de un locus al centrómero en Neurospora


Antonio Barbadilla


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 recombinación) será 14/2 = 7 unidades de mapa ó cM


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Cartografía genética en humanos


Antonio Barbadilla

Tema 8: Cartografía genética 51 Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

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

Cartografía a través de la herencia ligada al cromosoma X


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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,...)


http://www.google.es/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=hcfw6DtC6hClfM&tbnid=2iMYdOUJBOgitM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.mhhe.com%2Fbiosci%2Fgenbio%2Fmaderbiology7%2Fstudent%2Folc%2Fchap17-outline.mhtml&ei=MeheUdalOafV0QXi54HQBg&bvm=bv.44770516,d.ZG4&psig=AFQjCNFNa7mjKv3s2CyXKgyAE9Qhtm_Yhw&ust=1365260574787792

Antonio Barbadilla


Mapa genético de alta

resolución del Cromosoma 1

Homo sapiens.

http://lpg.nci.nih.gov/CHLC/

The Cooperative Human Linkage

Center


http://lpg.nci.nih.gov/CHLC/

Antonio Barbadilla


• ¿Por qué Mendel no encontró ligamiento? Blixt, S. 1975. Why didn't Gregor Mendel find linkage? Nature 256, 206 (1975) doi:10.1038/256206a0 (enlace al artículo)

• Clásicos de la genética: The linear arrangement of six sex-linked

factors in Drosophila, as shown by their mode of association. 1913. Alfred Sturtevant creates the world's first genetic map

• Vídeos •Genetic Recombination and Gene Mapping •Lecture on Linkage and Recombination, Genetic maps | MIT

7.01SC by Professor Eric Lander

• Lecturas de Scitable Nature Education •Thomas Hunt Morgan, Genetic Recombination, and Gene Mapping


http://www.nature.com/scitable/content/Why-didn-t-Gregor-Mendel-find-linkage-22544



http://www.esp.org/foundations/genetics/classical/holdings/s/ahs-13.pdf














https://www.youtube.com/watch?v=TU44tR0hJ8A






https://www.youtube.com/watch?v=o_1dTvszV4Y












http://www.nature.com/scitable/view-profile/nature-education-7938072



http://www.nature.com/scitable/topicpage/thomas-hunt-morgan-genetic-recombination-and-gene-496









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