Ligamiento genético

El ligamiento genético es la tendencia de las secuencias de ADN que están muy juntas en un cromosoma a heredarse juntas durante la fase de meiosis de la reproducción sexual. Es poco probable que dos marcadores genéticos que están físicamente cerca uno del otro se separen en diferentes cromátidas durante el cruce cromosómico y, por lo tanto, se dice que están más vinculados que los marcadores que están más separados. En otras palabras, cuanto más cerca estén dos genes en un cromosoma, menor será la posibilidad de recombinación entre ellos y más probable es que se hereden juntos. Los marcadores en diferentes cromosomas están perfectamente desvinculados.

El enlace genético es la excepción más destacada a la ley de la distribución independiente de Gregor Mendel. El primer experimento para demostrar la vinculación se llevó a cabo en 1905. En ese momento, se desconocía la razón por la cual ciertos rasgos tienden a heredarse juntos. Trabajos posteriores revelaron que los genes son estructuras físicas relacionadas por la distancia física.

La unidad típica de ligamiento genético es el centimorgan (cM). Una distancia de 1 cM entre dos marcadores significa que los marcadores se separan en diferentes cromosomas en promedio una vez por 100 productos meióticos, por lo tanto, una vez por 50 meiosis.

Descubrimiento

La Ley de Surtido Independiente de Gregor Mendel establece que cada rasgo se hereda independientemente de cualquier otro rasgo. Pero poco después de que se redescubriera el trabajo de Mendel, se encontraron excepciones a esta regla. En 1905, los genetistas británicos William Bateson, Edith Rebecca Saunders y Reginald Punnett cruzaron plantas de guisantes en experimentos similares a los de Mendel. Estaban interesados ​​en la herencia de rasgos en el guisante de olor y estaban estudiando dos genes: el gen del color de la flor (P, púrpura y p, rojo) y el gen que afecta la forma de los granos de polen (L, largo y l, redondo). Cruzaron las líneas puras PPLL y ppll y luego autocruzaron el PpLl resultantelíneas.

Según la genética mendeliana, los fenotipos esperados ocurrirían en una proporción de 9:3:3:1 de PL:Pl:pL:pl. Para su sorpresa, observaron una frecuencia aumentada de PL y pl y una frecuencia disminuida de Pl y pL:

Su experimento reveló un vínculo entre los alelos P y L y los alelos p y l. La frecuencia de aparición de P junto con L y de p junto con l es mayor que la de Pl y pL recombinantes. La frecuencia de recombinación es más difícil de calcular en un cruce F2 que en un retrocruzamiento,pero la falta de ajuste entre el número de progenie observado y esperado en la tabla anterior indica que es menos del 50%. Esto indicó que dos factores interactuaron de alguna manera para crear esta diferencia al enmascarar la apariencia de los otros dos fenotipos. Esto llevó a la conclusión de que algunos rasgos están relacionados entre sí debido a su proximidad entre sí en un cromosoma.

La comprensión del vínculo se amplió con el trabajo de Thomas Hunt Morgan. La observación de Morgan de que la cantidad de entrecruzamiento entre genes vinculados difiere condujo a la idea de que la frecuencia de entrecruzamiento podría indicar la distancia que separa a los genes en el cromosoma. El centimorgan, que expresa la frecuencia de cruce, recibe su nombre en su honor.

Mapa de enlaces

Un mapa de ligamiento (también conocido como mapa genético) es una tabla para una especie o población experimental que muestra la posición de sus genes conocidos o marcadores genéticos entre sí en términos de frecuencia de recombinación, en lugar de una distancia física específica a lo largo de cada cromosoma.. Los mapas de ligamiento fueron desarrollados por primera vez por Alfred Sturtevant, un estudiante de Thomas Hunt Morgan.

Un mapa de ligamiento es un mapa basado en las frecuencias de recombinación entre marcadores durante el cruce de cromosomas homólogos. Cuanto mayor sea la frecuencia de recombinación (segregación) entre dos marcadores genéticos, más separados se supone que están. Por el contrario, cuanto menor sea la frecuencia de recombinación entre los marcadores, menor será la distancia física entre ellos. Históricamente, los marcadores utilizados originalmente eran fenotipos detectables (producción de enzimas, color de ojos) derivados de secuencias de ADN codificantes; finalmente, se han utilizado secuencias de ADN no codificantes confirmadas o supuestas, como microsatélites o aquellas que generan polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción (RFLP).

Los mapas de ligamiento ayudan a los investigadores a localizar otros marcadores, como otros genes, al probar el ligamiento genético de los marcadores ya conocidos. En las primeras etapas de desarrollo de un mapa de ligamiento, los datos se utilizan para ensamblar grupos de ligamiento, un conjunto de genes que se sabe que están vinculados. A medida que avanza el conocimiento, se pueden agregar más marcadores a un grupo, hasta que el grupo cubra un cromosoma completo. Para organismos bien estudiados, los grupos de enlace se corresponden uno a uno con los cromosomas.

Un mapa de ligamiento no es un mapa físico (como un mapa híbrido de radiación reducida) o un mapa genético.

Análisis de vinculación

El análisis de ligamiento es un método genético que busca segmentos cromosómicos que cosegregan con el fenotipo de la dolencia a través de familias y es la técnica de análisis que se ha utilizado para determinar la mayor parte de los genes de lipodistrofia. Se puede usar para mapear genes tanto para rasgos binarios como cuantitativos.El análisis de ligamiento puede ser paramétrico (si conocemos la relación entre similitud fenotípica y genética) o no paramétrico. El análisis de ligamiento paramétrico es el enfoque tradicional, mediante el cual la probabilidad de que un gen importante para una enfermedad esté vinculado a un marcador genético se estudia a través de la puntuación LOD, que evalúa la probabilidad de que un pedigrí determinado, donde la enfermedad y el marcador se cosegregan, sea debido a la existencia de enlace (con un valor de enlace dado) o al azar. El análisis de ligamiento no paramétrico, a su vez, estudia la probabilidad de que un alelo sea idéntico a sí mismo por descendencia.

Análisis de ligamiento paramétrico

El puntaje LOD (logaritmo (base 10) de probabilidades), desarrollado por Newton Morton, es una prueba estadística que se usa a menudo para el análisis de ligamiento en poblaciones humanas, animales y vegetales. La puntuación LOD compara la probabilidad de obtener los datos de prueba si los dos loci están realmente vinculados, con la probabilidad de observar los mismos datos por pura casualidad. Las puntuaciones LOD positivas favorecen la presencia de vinculación, mientras que las puntuaciones LOD negativas indican que la vinculación es menos probable. El análisis de puntaje LOD computarizado es una forma simple de analizar genealogías familiares complejas para determinar el vínculo entre los rasgos mendelianos (o entre un rasgo y un marcador, o dos marcadores).

Strachan y Read describen el método con mayor detalle.[1] Brevemente, funciona de la siguiente manera:

1. Establecer un pedigrí
2. Hacer una serie de estimaciones de la frecuencia de recombinación
3. Calcule una puntuación LOD para cada estimación
4. La estimación con la puntuación LOD más alta se considerará la mejor estimación

La puntuación LOD se calcula de la siguiente manera:

NR indica el número de descendientes no recombinantes y R indica el número de descendientes recombinantes. La razón por la que se usa 0,5 en el denominador es que cualquier alelo que esté completamente desvinculado (p. ej., alelos en cromosomas separados) tiene un 50 % de posibilidades de recombinación, debido a la distribución independiente. θ es la fracción recombinante, es decir, la fracción de nacimientos en los que ha ocurrido recombinación entre el marcador genético estudiado y el gen putativo asociado con la enfermedad. Por lo tanto, es igual a R / (NR + R).

Por convención, una puntuación LOD superior a 3,0 se considera evidencia de vinculación, ya que indica una probabilidad de 1000 a 1 de que la vinculación observada no se produjo por casualidad. Por otro lado, una puntuación LOD inferior a -2,0 se considera evidencia para excluir la vinculación. Aunque es muy poco probable que se obtenga una puntuación LOD de 3 a partir de un solo árbol genealógico, las propiedades matemáticas de la prueba permiten combinar datos de varios árboles genealógicos sumando sus puntuaciones LOD. Una puntuación LOD de 3 se traduce en un valor p de aproximadamente 0,05, y no se requiere corrección de prueba múltiple (p. ej., corrección de Bonferroni).

Limitaciones

El análisis de vinculación tiene una serie de limitaciones metodológicas y teóricas que pueden aumentar significativamente la tasa de error tipo 1 y reducir el poder para mapear loci de rasgos cuantitativos humanos (QTL). Si bien el análisis de ligamiento se usó con éxito para identificar variantes genéticas que contribuyen a trastornos raros como la enfermedad de Huntington, no funcionó tan bien cuando se aplicó a trastornos más comunes como enfermedades cardíacas o diferentes formas de cáncer. Una explicación de esto es que los mecanismos genéticos que afectan los trastornos comunes son diferentes de los que causan algunos trastornos raros.

Frecuencia de recombinación

La frecuencia de recombinación es una medida del enlace genético y se utiliza en la creación de un mapa de enlace genético. Frecuencia de recombinación (θ) es la frecuencia con la que se producirá un único cruce cromosómico entre dos genes durante la meiosis. Un centimorgan (cM) es una unidad que describe una frecuencia de recombinación del 1%. De esta forma podemos medir la distancia genética entre dos loci, en función de su frecuencia de recombinación. Esta es una buena estimación de la distancia real. Los cruces dobles se convertirían en ninguna recombinación. En este caso no podemos saber si se produjeron cruces. Si los loci que estamos analizando están muy cerca (menos de 7 cm), es muy poco probable que se produzca un cruce doble. Cuando las distancias aumentan, aumenta la probabilidad de un cruce doble. A medida que aumenta la probabilidad de un cruce doble, subestimamos sistemáticamente la distancia genética entre dos loci.

Durante la meiosis, los cromosomas se distribuyen aleatoriamente en gametos, de modo que la segregación de alelos de un gen es independiente de los alelos de otro gen. Esto se establece en la Segunda Ley de Mendel y se conoce como la ley de la distribución independiente. La ley de la distribución independiente siempre se cumple para los genes que se encuentran en diferentes cromosomas, pero para los genes que se encuentran en el mismo cromosoma, no siempre se cumple.

Como ejemplo de surtido independiente, considere el cruce de la cepa parental homocigota de raza pura con genotipo AABB con una cepa de raza pura diferente con genotipo aabb. A y a y B y b representan los alelos de los genes A y B. El cruce de estas cepas parentales homocigotas dará como resultado descendientes de la generación F1 que son heterocigotos dobles con genotipo AaBb. La descendencia F1 AaBb produce gametos que son AB, Ab, aB y ab con frecuencias iguales (25%) porque los alelos del gen A se distribuyen independientemente de los alelos del gen B durante la meiosis. Tenga en cuenta que 2 de los 4 gametos (50%)— Ab y aB— no estaban presentes en la generación de los padres. Estos gametos representan gametos recombinantes. Los gametos recombinantes son aquellos gametos que difieren de los dos gametos haploides que formaron la célula diploide original. En este ejemplo, la frecuencia de recombinación es del 50 % ya que 2 de los 4 gametos eran gametos recombinantes.

La frecuencia de recombinación será del 50% cuando dos genes estén situados en cromosomas diferentes o cuando estén muy separados en el mismo cromosoma. Esto es una consecuencia del surtido independiente.

Cuando dos genes están muy juntos en el mismo cromosoma, no se distribuyen de forma independiente y se dice que están vinculados. Mientras que los genes ubicados en diferentes cromosomas se clasifican de forma independiente y tienen una frecuencia de recombinación del 50 %, los genes vinculados tienen una frecuencia de recombinación inferior al 50 %.

Como ejemplo de vinculación, considere el experimento clásico de William Bateson y Reginald Punnett. Estaban interesados ​​en la herencia de rasgos en el guisante de olor y estaban estudiando dos genes: el gen del color de la flor (P, púrpura y p, rojo) y el gen que afecta la forma de los granos de polen (L, largo y l, redondo). Cruzaron las líneas puras PPLL y ppll y luego autocruzaron las líneas PpLl resultantes. Según la genética mendeliana, los fenotipos esperados ocurrirían en una proporción de 9:3:3:1 de PL:Pl:pL:pl. Para su sorpresa, observaron una mayor frecuencia de PL y pl y una disminución de la frecuencia de Pl y pL (ver tabla a continuación).

Su experimento reveló un vínculo entre los alelos P y L y los alelos p y l. La frecuencia de aparición de P junto con L y de aparición de p junto con l es mayor que la de Pl y pL recombinantes. La frecuencia de recombinación es más difícil de calcular en un cruce F2 que en un retrocruzamiento, pero la falta de ajuste entre el número de progenie observado y esperado en la tabla anterior indica que es inferior al 50 %.

La progenie en este caso recibió dos alelos dominantes unidos en un cromosoma (referido como acoplamiento o arreglo cis). Sin embargo, después del cruce, alguna progenie podría haber recibido un cromosoma parental con un alelo dominante para un rasgo (p. ej., Púrpura) vinculado a un alelo recesivo para un segundo rasgo (p. ej., redondo), siendo cierto lo contrario para el otro cromosoma parental (p. ej., rojo). y largo). Esto se conoce como repulsión o disposición trans.. El fenotipo aquí todavía sería morado y largo, pero un cruce de prueba de este individuo con el padre recesivo produciría una progenie con una proporción mucho mayor de los dos fenotipos cruzados. Si bien tal problema puede no parecer probable a partir de este ejemplo, los vínculos de repulsión desfavorables aparecen cuando se mejora la resistencia a enfermedades en algunos cultivos.

Los dos arreglos posibles, cis y trans, de alelos en un heterocigoto doble se conocen como fases gaméticas, y la fase es el proceso de determinar cuál de los dos está presente en un individuo dado.

Cuando dos genes están ubicados en el mismo cromosoma, la posibilidad de que un cruce produzca una recombinación entre los genes está relacionada con la distancia entre los dos genes. Así, el uso de frecuencias de recombinación se ha utilizado para desarrollar mapas de ligamiento o mapas genéticos.

Sin embargo, es importante señalar que la frecuencia de recombinación tiende a subestimar la distancia entre dos genes vinculados. Esto se debe a que, a medida que los dos genes están ubicados más separados, también aumenta la posibilidad de que se produzcan cruces dobles o iguales entre ellos. El doble o un número par de entrecruzamientos entre los dos genes da como resultado que se cosegreguen en el mismo gameto, produciendo una progenie parental en lugar de la progenie recombinante esperada. Como se mencionó anteriormente, las transformaciones de Kosambi y Haldane intentan corregir múltiples cruces.

Enlace de sitios genéticos dentro de un gen.

A principios de la década de 1950, la opinión predominante era que los genes de un cromosoma son entidades discretas, indivisibles por recombinación genética y dispuestos como cuentas en un hilo. Durante 1955 a 1959, Benzer realizó experimentos de recombinación genética utilizando mutantes rII del bacteriófago T4. Encontró que, sobre la base de las pruebas de recombinación, los sitios de mutación podían mapearse en un orden lineal. Este resultado proporcionó evidencia de la idea clave de que el gen tiene una estructura lineal equivalente a una longitud de ADN con muchos sitios que pueden mutar de forma independiente.

Édgar et al. realizaron experimentos de mapeo con mutantes r del bacteriófago T4 que mostraron que las frecuencias de recombinación entre mutantes rII no son estrictamente aditivas. La frecuencia de recombinación de un cruce de dos mutantes rII (axd) suele ser menor que la suma de las frecuencias de recombinación de los subintervalos internos adyacentes (axb) + (bxc) + (cxd). Aunque no es estrictamente aditivo, se observó una relación sistemática que probablemente refleja el mecanismo molecular subyacente de la recombinación genética.

Variación de la frecuencia de recombinación

Si bien la recombinación de cromosomas es un proceso esencial durante la meiosis, existe un amplio rango de frecuencia de cruces entre organismos y dentro de las especies. Las tasas de recombinación con dimorfismo sexual se denominan heteroquiasmia y se observan con más frecuencia que una tasa común entre hombres y mujeres. En los mamíferos, las hembras suelen tener una mayor tasa de recombinación en comparación con los machos. Se teoriza que existen selecciones únicas que actúan o impulsores meióticos que influyen en la diferencia de tasas. La diferencia en las tasas también puede reflejar los entornos y condiciones muy diferentes de la meiosis en la ovogénesis y la espermatogénesis.

Genes que afectan la frecuencia de recombinación

Las mutaciones en los genes que codifican proteínas involucradas en el procesamiento del ADN a menudo afectan la frecuencia de recombinación. En el bacteriófago T4, las mutaciones que reducen la expresión de la ADN polimerasa replicativa [producto génico 43 (gp43)] aumentan varias veces la recombinación (disminución del enlace). El aumento en la recombinación puede deberse a errores de replicación por parte de la ADN polimerasa defectuosa que son en sí mismos eventos de recombinación tales como cambios de plantilla, es decir, eventos de recombinación de elección de copia. La recombinación también aumenta por mutaciones que reducen la expresión de ADN ligasa (gp30) y dCMP hidroximetilasa (gp42), dos enzimas empleadas en la síntesis de ADN.

La recombinación se reduce (el enlace aumenta) por mutaciones en genes que codifican proteínas con funciones de nucleasa (gp46 y gp47) y una proteína de unión al ADN (gp32) La mutación en el gen del bacteriófago uvsX también reduce sustancialmente la recombinación. El gen uvsX es análogo al bien estudiado gen recA de Escherichia coli que juega un papel central en la recombinación.

Indicadores de meiosis

Con pedigríes muy grandes o con datos de marcadores genéticos muy densos, como los de la secuenciación del genoma completo, es posible ubicar con precisión las recombinaciones. Con este tipo de análisis genético, se asigna un indicador de meiosis a cada posición del genoma para cada meiosis en un pedigrí. El indicador indica qué copia del cromosoma parental contribuye al gameto transmitido en esa posición. Por ejemplo, si se transmite el alelo de la 'primera' copia del cromosoma parental, se podría asignar un '0' a esa meiosis. Si se transmite el alelo de la 'segunda' copia del cromosoma parental, se le asignaría un '1' a esa meiosis. Los dos alelos del progenitor procedían, uno cada uno, de dos abuelos. Estos indicadores se utilizan luego para determinar estados idénticos por descendencia (IBD) o estados de herencia.