Główna zawartość
Kurs: Biologia > Rozdział 16
Lekcja 3: Podstawy genetyki w oparciu o chromosomySprzężenie genów & mapowanie
Co znaczy, że geny są sprzężone. Jak określić częstość rekombinacji dla pary genów. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".
Kluczowe punkty:
- Kiedy geny znajdują się na innych chromosomach lub są daleko od siebie na tym samym chromosomie, segregują niezależnie od siebie i są nazywane niesprzężonymi.
- Kiedy geny są bliżej siebie na tym samym chromosomie, są określane jako sprzężone. To znaczy, że allele, warianty genów, już będące razem na chromosomie będą dziedziczone częściej jako jednostka niż nie.
- Możemy zobaczyć czy dwa geny są sprzężone i jak bardzo korzystając z danych z krzyżówek genetycznych, aby obliczyć częstość rekombinacji.
- Poprzez określanie częstości rekombinacji dla wielu par genów, możemy stworzyć mapy genetyczne, które pokazują kolejność oraz względne odległości między genami na chromosomie.
Wprowadzenie
Ogólnie rzecz biorąc, organizmy mają wiele więcej genów niż chromosomów. Na przykład, ludzie mają mniej więcej
Jak jest tego konsekwencja? Każdy gen nie otrzyma swojego własnego chromosomu. W rzeczywistości, jest kompletnie nie tak! Sporo genów zostanie ustawionych liniowo na chromosomie i niektóre z nich zostaną stłoczone bardzo blisko siebie.
Czy wpłynie to na to jak dziedziczone są geny? W niektórych przypadkach odpowiedź brzmi tak. Geny, które są wystarczająco blisko siebie na chromosomie mają tendencję do "sklejania się ze sobą" i wersje (allele) tych genów, które są ze sobą na chromosomie raczej częściej niż rzadziej będą miały skłonność do bycia dziedziczonymi jako para.
To zjawisko nazywamy genetycznym sprzężeniem. Kiedy geny są sprzężone, krzyżówki genetyczne obejmujące te geny, prowadzą do otrzymania stosunków klas gamet (komórek jajowych i plemników) i potomstwa, innych niż te przewidywane przez prawo niezależnej segregacji cech Mendla. Przyjrzyjmy się bliżej, dlaczego tak się dzieje.
Czym jest sprzężenie genów?
Kiedy geny są na oddzielnych chromosomach lub są bardzo odległe od siebie na tych samych chromosomach, segregują niezależnie. To znaczy, kiedy geny wędrują do gamet, allele otrzymane dla jednego genu nie wpływają na allele otrzymane dla innego. W organizmie podwójnej heterozygoty (AaBb), skutkuje to utworzeniem
Dlaczego tak jest? Geny na oddzielnych chromosomach rozdzielają się niezależnie z powodu przypadkowej orientacji homologicznych par chromosomów podczas mejozy. Chromosomy homologiczne są chromosomami sparowanymi, które niosą te same geny, ale mogą mieć różne allele tych genów. Jeden członek każdej homologicznej pary pochodzi z organizmu matki a drugi od jego ojca.
Jak pokazano na poniższym rysunku, homologi każdej pary oddzielają się na pierwszym etapie mejozy. W tym procesie strona, w którą chromosomy "taty" i "mamy" każdej pary powędrują, jest losowa. Kiedy śledzimy dwa geny, skutkuje to czterema rodzajami gamet, które są wytwarzane z jednakową częstością.
Kiedy geny znajdują się na tym samym chromosomie, ale bardzo daleko od siebie, rozdzielają się niezależnie z powodu crossing-over (rekombinacji homologicznej). Jest to proces, który dzieje się na samym początku mejozy, w której chromosomy homologiczne losowo wymieniają się swoimi fragmentami. Crossing over może połączyć nowe allele na tym samym chromosomie, powodując, że powędrują one do tej samej gamety. Kiedy geny są daleko od siebie, crossing over ma miejsce wystarczająco często, aby wszystkie rodzaje gamet były wytwarzane z częstością
Kiedy geny są bardzo blisko siebie na tym samym chromosomie, crossing-over nadal ma miejsce, ale jego rezultat (jeżeli chodzi o rodzaje wytwarzanych gamet) jest inny. Zamiast niezależnego segregowania chromosomów, geny mogą być "razem sklejone" podczas mejozy. To znaczy, allele genów, które już są razem na chromosomie będą przekazywane jako zestaw do gamet. W tym wypadku, geny są sprzężone. Na przykład, dwa sprzężone geny mogą zachowywać się tak:
Teraz widzimy rodzaje gamet, które są obecne w bardzo nierównych proporcjach. Częste rodzaje gamet zawierają rodzicielskie zestawienia alleli - to jest, te, które były już razem na chromosomie w organizmie przed mejozą (np. na chromosomie, który został otrzymany od rodziców). Rzadkie rodzaje gamet zawierają zrekombinowane zestawienia alleli, to jest tych, które mogą powstawać tylko, jeśli zdarzy się rekombinacja pomiędzy genami.
Dlaczego gamety zrekombinowane są rzadkie? Podstawowa przyczyna jest taka, że miejsca crossing-over pomiędzy dwoma genami, które są blisko siebie nie występują tak często. Crossing-over podczas mejozy zachodzi w mniej lub bardziej przypadkowych lokalizacjach na chromosomie, więc częstość crossing-over pomiędzy dwoma genami zależy od odległości między nimi. Bardzo mała odległość jest faktycznie bardzo małym "celem" dla crossing-over, co znaczy, że niewiele takich zdarzeń będzie miało miejsce (w porównaniu do ich liczby dla dwóch dalej oddalonych od siebie genów).
Dzięki tej zależności, możemy użyć częstość rekombinacji pomiędzy dwoma genami (np. ich stopień sprzężenia genów), aby oszacować ich względną odległość od siebie na chromosomie. Dwa bardzo blisko położone od siebie geny będą miały bardzo mało miejsc rekombinacji i będą silnie sprzężone, gdy dwa geny, które są niewiele dalej od siebie będą miały więcej miejsc rekombinacji i będą mniej sprzężone. W kolejnej części zobaczymy jak obliczać częstość rekombinacji pomiędzy dwoma genami, wykorzystując informacje z krzyżówek genetycznych.
Określanie częstości rekombinacji
Załóżmy, że jesteśmy ciekawi czy dwa geny muszki owocowej (Drosophila) są ze sobą sprzężone i jeśli tak, to jak bardzo. W naszym przykładzie, genami są
- Gen fioletowy, z dominującym allelem pr
- Gen szczątkowości, z dominującym allelem vg
Jeśli chcielibyśmy mierzyć częstość rekombinacji pomiędzy tymi genami, po pierwsze potrzebowalibyśmy skonstruować muchę, w której moglibyśmy zaobserwować rekombinację. To znaczy, potrzebujemy stworzyć muszkę, która nie tylko jest heterozygotyczna względem obu genów, ale taką w której dokładnie wiedzielibyśmy, które geny są razem na chromosomie. Aby tak zrobić, moglibyśmy zacząć od skrzyżowania dwóch heterozygotycznych much, jak pokazano poniżej:
Ta krzyżówka daje man dokładnie to, co potrzebujemy do zaobserwowania rekombinacji: muszka, która jest heterozygotyczna wzgędem genów fioletowego i szczątkowego, dla których wiemy jasno, które allele są razem na pojedynczym chromosomie.
Teraz potrzebujemy sposobu, dzięki któremu "zobaczymy" rekombinacje. Najbardziej bezpośrednim podejściem byłoby zajrzenie do gamet wytworzonych przez heterozygotyczne muchy i zobaczenie, które allele mają one na swoich chromosomach. Praktycznie jednak jest dużo łatwiej użyć te gamety w krzyżówce i zobaczyć jak wygląda ich potomstwo!
Aby to zrobić, możemy skrzyżować podwójną heterozygotę muszki z muszką testową, która jest homozygotą recesywną względem wszystkich interesujących nas genów (w tym wypadku alleli pr i vg). Celem wykorzystania muszki testowej jest upewnienie się, że allele dostarczone przez "nietestowego rodzica" w pełni określają fenotyp potomstwa, inaczej wygląd. Kiedy skrzyżujemy interesującą nas muszkę z homozygotą recesywną, możemy bezpośrednio "odczytać" genotyp każdej gamety z fizycznego wyglądu potomstwa.
Poniżej możemy zobaczyć zmodyfikowaną szachownicę Punneta pokazującą wynik krzyżówki pomiędzy naszą podwójnie heterozygotyczną muszką i muszką podwójnie recesywną, każda z nich obejmuje plemnik od samca muszki testowej. Cztery różne klasy fenotypowe (na podstawie wyglądu) zostały utworzone w tej krzyżówce, każda odpowiadająca poszczególnym gametom od samicy:
Cztery klasy potomstwa nie są wytwarzane w takiej samej ilości, co mówi nam, że geny fioletowy i szczątkowy są sprzężone. Jak oczekujemy dla sprzężonych genów, konfiguracje chromosomów rodzicielskich są nadmiernie reprezentowane, gdy konfiguracje chromosomów zrekombinowanych są niedostatecznie obecne. Aby zmierzyć sprzężenie ilościowo, możemy policzyć częstość rekombinacji (RF) pomiędzy genami fioletowym i szczątkowym:
W naszym przypadku, klasami zrekombinowanego potomstwa są muszki czerwonookie, ze szczątkowymi skrzydłami i muszki o fioletowych oczach, z długimi skrzydłami. Możemy zidentyfikować te muszki jako klasy zrekombinowane z dwóch powodów: pierwszego - wiemy z serii przeprowadzonych krzyżówek, że musiały odziedziczyć od matki chromosom, który przeszedł rekombinację; drugiego - są klasami nielicznymi (w porównaniu do licznych klas rodzicielskich).
Zatem dla powyższej krzyżówki możemy napisać następujące równanie:
Częstość rekombinacji pomiędzy genami fioletowym i szczątkowym wynosi
Częstość rekombinacji i mapy genetyczne
Jakie są korzyści z obliczania częstości rekombinacji? Jednym sposobem, dla którego była historycznie obliczana rekombinacja, jest konstruowanie map genetycznych, opartych na częstości rekombinacji. W rzeczywistości badanie sprzężeń pomogło pierwszym genetykom stwierdzić, że chromosomy są w zasadzie liniowe i że każdy gen ma swoje określone miejsce na chromosomie.
Częstość rekombinacji nie jest bezpośrednim pomiarem tego, jak fizycznie są od siebie oddalone geny na chromosomie. Jednakże, dostarcza oceny i przybliżenia rzeczywistej odległości. Zatem możemy powiedzieć, że para genów z większą częstością rekombinacji jest prawdopodobnie bardziej oddalona, gdy para z mniejszą częstością rekombinacji jest prawdopodobnie bliżej siebie.
Co ważne, częstość rekombinacji "kończy się" na
Porównanie częstości rekombinacji może być także wykorzystywane do ustalenia kolejności genów na chromosomie. Na przykład, przypuśćmy, że mamy trzy geny, A, B oraz C, i chcemy poznać ich kolejność na chromosomie (ABC? ACB? CAB?) Jeśli spojrzymy na częstości rekombinacji pomiędzy wszystkimi trzema możliwymi parami genów (AC, AB, BC), możemy dowiedzieć się, które geny leżą najdalej od siebie i który gen leży pośrodku. W szczególności para genów z największą częstością rekombinacji musi otaczać trzeci gen:
Poprzez wykonywanie tego typu analiz z coraz większą liczbą genów (np. dodając geny D, E i F oraz określając ich relację względem genów A, B i C), możemy zbudować mapę genetyczną całego chromosomu. Na mapach genetycznych możesz zobaczyć raczej odległości wyrażane jako centymorgany lub jednostki mapowe niż częstości rekombinacji. Na szczęście jest bezpośredni związek pomiędzy tymi wartościami:
Czy odległości na mapie zawsze są takie same jak częstość rekombinacji? Czasami bezpośrednio mierzona rekombinacja pomiędzy dwoma genami nie jest najbardziej dokładnym sposobem pomiaru odległości na mapie. Jest tak, ponieważ oprócz pojedynczych crossing over, które omawialiśmy w tym artykule, podwójne crossing over (dwa oddzielne crossing over pomiędzy dwoma genami) może również się zdarzać:
Podwójne crossing over są "niewidoczne", jeśli tylko kontrolujemy dwa geny, ponieważ sprawiają one, że dwa geny wracają na ten sam chromosom w oryginalne miejsce (ale z delikatnie zamienionym fragmentem na środku). Na przykład, podwójne crossing over pokazane poniżej byłoby nie do wykrycia, gdybyśmy tylko patrzyli na geny A i C, ponieważ te geny ostatecznie wracają do swojego oryginalnego ułożenia.
W związku z tym, podwójne crossing over nie jest wliczane w bezpośrednio mierzoną częstość rekombinacji, co skutkuje niewielkim niedoszacowaniem rzeczywistej liczby rekombinacji. To dlatego w poniższym przykładzie częstość rekombinacji bezpośrednio mierzona pomiędzy genami A i C jest nieco mniejsza niż suma częstości rekombinacji pomiędzy A-B i B-C. Kiedy B jest zawarte, podwójne crossing over pomiędzy A i C może być wykryte i wyliczone.
Przez pomiar częstości rekombinacji dla bliżej położonych par genów i dodawania ich, możemy zmniejszyć "niewidoczne" podwójne crossing over i otrzymać bardziej dokładne odległości na mapie.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji