25,4 23,7. Tema 8: Cartografía genética 1. Antonio Barbadilla

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1 25,4 b 5,9 pr 19,5 c 23,7 Tema 8: Cartografía genética 1

2 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 Tema 8: Cartografía genética 2

3 Dos mapas mejor que uno. Mapa del metro y de calles de Londres Tema 8: Cartografía genética 3

4 Mapas genéticos y físicos Tema 8: Cartografía genética 4

5 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 Tema 8: Cartografía genética 5

6 Gametos resultantes de doble heterocigoto de genes no ligados 50% parentales y 50% recombinantes A B a b AB ab AB Ab ab ab AB Ab ab ab 25 % 25 % 25 % 25 % Gametos resultantes de doble heterocigoto de genes ligados x % y % y % x % La fracción de gametos recombinantes es impredecible a priori X e Y dependen de los genes considerados Tema 8: Cartografía genética 6

7 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% Tema 8: Cartografía genética 7

8 Meiosis A C B C Tema 8: Cartografía genética 8

9 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 f ( i) e i i! 1 FR (1 2 ln(1 2FR) Tema 8: Cartografía genética 9 e )

10 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 Tema 8: Cartografía genética 10

11 Cruzamiento de T. Morgan Ejemplo: pr = Ojos Púrpura vg = Alas vestigiales Ambos alelos son recesivos respecto al salvaje P pr + pr + vg + vg + X pr pr vg vg F 1 pr + pr vg + vg X pr pr vg vg Fenotipos F 2 pr + vg pr vg 1195 pr + vg 151 pr vg Tema 8: Cartografía genética 11

12 Metodología 1. Normalmente heterocigoto X homocigoto recesivo (cruzamiento prueba) -> AB/ab X ab/ab 2. No se observa en la F 2 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 Tema 8: Cartografía genética 12

13 Fenotipos F 2 pr + vg pr vg 1195 pr + vg 151 pr vg Proporción no igual a 1:1:1:1. Un test de 2 = 1037,18 es muy significativo, p < FR (frecuencia de rec) = 305/2839 = 0,107 = 10,7 cm pr vg parentales recombinantes 10,7 cm Tema 8: Cartografía genética 13

14 The first genetic linkage map (A.H. Sturtevant 1913 Journal experimental Zoology) Cuál es la distancia entre ambos genes? Tema 8: Cartografía genética 14

15 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 Tema 8: Cartografía genética 15

16 Orden de los genes Ordenaciones posibles Caso 1: Marcador A está en el medio: B B 7 A A 12 5 C C Caso 2: Marcador B está en el medio: A B B 12 A C 5 Caso 3: Marcador C está en el medio: 7 C A A 5 C 12 C 7 B Aditividad B Tema 8: Cartografía genética 16

17 Las distancias de mapa no son completamente aditivas A B C A FR = x FR = y C FR < x + y 25,4 La mejor estima distancia, suma (b-pr) + (pr-c) b 5,9 pr 19,5 c Tema 8: Cartografía genética 17 23,7 Distancia experimento dos puntos b-c

18 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 B C A B C a b c a b c A B C A b C a B c a b 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 Tema 8: Cartografía genética 18

19 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 FR observada (%) FR (1 e 2 ) Zona de linealidad =1 =2 =3 =4 Número medio de entrecruzamientos por meiosis Unidades de mapa reales Tema 8: Cartografía genética 19

20 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 loci. Luego, la FR máxima Tema 8: Cartografía es genética 50% 20

21 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 F 2 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 Tema 8: Cartografía genética 22

22 Ejemplo: 1. Triple heterocigoto X homocigoto recesivo (cruzamiento prueba) -> ABC/abc X abc/abc 2. Si hay ligamiento, no se observa en la F 2 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 F 1 pr + pr + b + b + c + c + X prpr bb cc pr + pr b + b c + c X pr pr bb vg vg Si no están ligados Si están ligados completamente F 2 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 Tema 8: Cartografía genética 23

23 Resultados del cruzamiento prueba, F 2 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 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 Black pr + pr bb c + c Curved pr + pr b + b cc Black,purp prpr bb c + c Purp prpr b + b c + c Black,curved pr + pr bb cc Total Tema 8: Cartografía genética 24

24 Resultados del cruzamiento prueba, F 2 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 Tema 8: Cartografía genética 25

25 Resultados del cruzamiento prueba, F 2 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 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 Black pr + pr bb c + c Curved pr + pr b + b cc Black,purp prpr bb c + c Purp prpr b + b c + c Black,curved pr + pr bb cc El gen pr está en el medio Tema 8: Cartografía genética 26

26 Resultados del cruzamiento prueba, F 2 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 Fenotipo Genotipo Número Número de recombinantes entre 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 Black bb pr + pr c + c Curved b + b pr + pr cc Black,purp bb prpr c + c Purp b + b prpr c + c Black,curved bb pr + pr cc El gen pr está en el medio Tema 8: Cartografía genética 27

27 Resultados del cruzamiento prueba, F 2 5. Distancias de mapa: a la distancia entre genes consecutivos debe sumarse las frecuencias de los dobles entrecruzamientos Fenotipo Genotipo Número Número de recombinantes entre 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 Black bb pr + pr c + c Curved b + b pr + pr cc Black,purp bb prpr c + c Purp b + b prpr c + c Black,curved bb pr + pr cc Total Porcentaje 5,9% 19,5% 23,7% Tema 8: Cartografía genética 28

28 Tetrada meiótica Distancia b-pr = frec rec sencillos + frec rec dobles Entrecruzamiento entre b y pr Gametos b pr c b pr c b pr c 388 b pr + c + b + pr + c b + pr c b + pr + c + b + pr + c + Doble entrecruzamiento en la región b-pr-c b pr c b pr c b pr c b pr + c b + pr + c + 60 b + pr + c + 72 b + pr c + b + pr + c Distancia b-pr = 887/1500 = 0,059 = 5,9 % = 5,9 cm Tema 8: Cartografía genética 29

29 Mapa genético de los marcadores 25,4 La mejor estima distancia entre los extremos es la suma (b-pr) + (pr-c) b 5,9 pr 19,5 c 23,7 Distancia b-c sin considerar los dobles recombinantes Tema 8: Cartografía genética 30

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 Tema 8: Cartografía genética 31

31 Mapa de ligamiento parcial de los 4 cromosomas de Drosophila melanogaster Tema 8: Cartografía genética 32

32 Tema 8: Cartografía genética 33

33 Mapas genéticos (de recombinación) versus mapas físicos Tema 8: Cartografía genética 34

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 asociados a enfermedades Tema 8: Cartografía genética 35

35 Mapas genéticos versus mapas físicos 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 10 5 pb pb 1.0 x 10 4 pb E. coli 4.2 x 10 6 pb pb 1.2 x 10 5 pb Levadura 2.0 x 10 7 pb pb 2.5 x 10 5 pb Hongo 2.7 x 10 7 pb pb 1.3 x 10 6 pb Nemátodo 8.0 x 10 7 pb pb 1.2 x 10 7 pb Mosca de la fruta 1.4 x 10 8 pb pb 2.5 x 10 7 pb Ratón 3.0 x 10 9 pb pb 9.0 x 10 7 pb Humanos Varón 3.3 x 10 9 pb pb 6.0 x 10 7 pb Mujer 3.3 x 10 9 pb pb 3.5 x 10 7 pb Tema 8: Cartografía genética 36

36 Análisis de tétradas Los hongos ascomicetos retienen los cuatro productos haploides de cada meiosis en un saco denominado asca Tema 8: Cartografía genética 37

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 Coprinus lagopus Saccharomyces cerevisiae Aspergillus nidulans Ascobolus immersus Ustigalo hordei Neurospora crassa Tétradas Octadas Tétradas Octadas No ordenadas Lineales Patrones distintos de ascosporas y ascas en Neurospora Tema 8: Cartografía genética 38

38 Crecimiento de las hifas en N. crassa Fenotipos mutantes de Neurospora crassa Tema 8: Cartografía genética 39

39 Meiosis y mitosis postmeiótica en la tétrada lineal de Neurospora Tema 8: Cartografía genética 40

40 Distancia de un locus al centrómero en Neurospora No recombinación entre el locus y el centrómero 4:4 Tema 8: Cartografía genética 41

41 Recombinación entre el locus y el centrómero 2:2:2:2 Tema 8: Cartografía genética 42

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 M II = = 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 Tema 8: Cartografía genética 43 recombinación) será 14/2 = 7 unidades de mapa ó cm

43 Cartografía genética en humanos Tema 8: Cartografía genética 45

44 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 Tema 8: Cartografía genética 46 Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos 46

45 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,...) Tema 8: Cartografía genética 47

46 Mapa genético de alta resolución del Cromosoma 1 Homo sapiens. The Cooperative Human Linkage Center Tema 8: Cartografía genética 49

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