Mapeo genético

El mapeo genético o cartografía genética describe los métodos utilizados para identificar el lugar geométrico de un gen y las distancias entre los genes. El mapeo de genes también puede describir las distancias entre diferentes sitios dentro de un gen.

La esencia de todo mapeo del genoma es colocar una colección de marcadores moleculares en sus respectivas posiciones en el genoma. Los marcadores moleculares vienen en todas las formas. Los genes pueden verse como un tipo especial de marcadores genéticos en la construcción de mapas genómicos y mapearse de la misma manera que cualquier otro marcador.

Mapeo genético vs mapeo físico

Hay dos tipos distintivos de "mapas" utilizados en el campo del mapeo del genoma: mapas genéticos y mapas físicos. Si bien ambos mapas son una colección de marcadores genéticos y loci de genes, las distancias de los mapas genéticos se basan en la información de vinculación genética, mientras que los mapas físicos usan distancias físicas reales que generalmente se miden en número de pares de bases. Si bien el mapa físico podría ser una representación más "precisa" del genoma, los mapas genéticos a menudo ofrecen información sobre la naturaleza de las diferentes regiones del cromosoma, por ejemplo, la relación entre la distancia genética y la distancia física varía mucho en diferentes regiones genómicas, lo que refleja diferentes tasas de recombinación., y tal tasa a menudo es indicativa de regiones eucromáticas (generalmente ricas en genes) frente a heterocromáticas (generalmente pobres en genes) del genoma.

Mapeo de genes

Los investigadores comienzan un mapa genético recolectando muestras de sangre, saliva o tejido de miembros de la familia que portan una enfermedad o rasgo prominente y miembros de la familia que no lo son. La muestra más común utilizada en el mapeo de genes, especialmente en pruebas genómicas personales, es la saliva. Luego, los científicos aíslan el ADN de las muestras y lo examinan de cerca, buscando patrones únicos en el ADN de los miembros de la familia que sí portan la enfermedad que el ADN de los que no portan la enfermedad no tienen. Estos patrones moleculares únicos en el ADN se denominan polimorfismos o marcadores.

Los primeros pasos para construir un mapa genético son el desarrollo de marcadores genéticos y una población de mapeo. Cuanto más cerca estén dos marcadores en el cromosoma, es más probable que se transmitan juntos a la siguiente generación. Por lo tanto, los patrones de "cosegregación" de todos los marcadores pueden usarse para reconstruir su orden. Con esto en mente, se registran los genotipos de cada marcador genético para ambos padres y cada individuo en las siguientes generaciones. La calidad de los mapas genéticos depende en gran medida de estos factores: la cantidad de marcadores genéticos en el mapa y el tamaño de la población mapeada. Los dos factores están interrelacionados, ya que una población cartográfica más grande podría aumentar la "resolución" del mapa y evitar que el mapa se "sature".

En el mapeo de genes, cualquier característica de secuencia que pueda distinguirse fielmente de los dos padres puede usarse como marcador genético. Los genes, en este sentido, están representados por "rasgos" que pueden distinguirse fielmente entre dos padres. Su vinculación con otros marcadores genéticos se calcula de la misma manera que si fueran marcadores comunes y los loci de genes reales se colocan entre paréntesis en una región entre los dos marcadores vecinos más cercanos. Luego, todo el proceso se repite al observar más marcadores que se dirigen a esa región para mapear el vecindario del gen a una resolución más alta hasta que se pueda identificar un locus causal específico. Este proceso a menudo se denomina "clonación posicional" y se usa ampliamente en el estudio de especies de plantas. Una especie de planta, en particular en la que se utiliza la clonación posicional, es el maíz.La gran ventaja del mapeo genético es que puede identificar la posición relativa de los genes basándose únicamente en su efecto fenotípico.

El mapeo genético es una forma de identificar exactamente qué cromosoma tiene qué gen y señalar exactamente dónde se encuentra ese gen en ese cromosoma en particular. El mapeo también actúa como un método para determinar qué gen tiene más probabilidades de recombinarse en función de la distancia entre dos genes. La distancia entre dos genes se mide en unidades conocidas como centimorgan o unidades de mapa, estos términos son intercambiables. Un centimorgan es una distancia entre genes para los cuales un producto de la meiosis en cien es recombinante. Cuanto más separados estén los dos genes, más probable será que se recombinen. Si estuviera más cerca, ocurriría lo contrario.

Mapeo físico

Dado que las distancias reales de pares de bases son generalmente difíciles o imposibles de medir directamente, los mapas físicos en realidad se construyen fragmentando primero el genoma en piezas jerárquicamente más pequeñas. Al caracterizar cada pieza individual y volver a ensamblarlas, la ruta de superposición o "ruta de mosaico" de estos pequeños fragmentos permitiría a los investigadores inferir distancias físicas entre las características genómicas. La fragmentación del genoma se puede lograr mediante el corte de enzimas de restricción o mediante la destrucción física del genoma mediante procesos como la sonicación. Una vez cortados, los fragmentos de ADN se separan mediante electroforesis.El patrón resultante de la migración del ADN (es decir, su huella genética) se utiliza para identificar qué tramo de ADN hay en el clon. Al analizar las huellas dactilares, los contigs se ensamblan por medios automáticos (FPC) o manuales (buscadores) en tramos de ADN superpuestos. Ahora se puede hacer una buena elección de clones para secuenciar eficientemente los clones para determinar la secuencia de ADN del organismo bajo estudio.

En el mapeo físico, no hay formas directas de marcar un gen específico, ya que el mapeo no incluye ninguna información relacionada con rasgos y funciones. Los marcadores genéticos se pueden vincular a un mapa físico mediante procesos como la hibridación in situ. Mediante este enfoque, los cóntigos del mapa físico pueden "anclarse" en un mapa genético. Los clones utilizados en los contigs del mapa físico se pueden secuenciar a escala local para ayudar al diseño de nuevos marcadores genéticos y la identificación de los loci causales.

La macrorrestricción es un tipo de mapeo físico en el que el ADN de alto peso molecular se digiere con una enzima de restricción que tiene un bajo número de sitios de restricción.

Existen formas alternativas de determinar cómo se superpone el ADN en un grupo de clones sin secuenciar completamente los clones. Una vez que se determina el mapa, los clones se pueden utilizar como un recurso para contener eficientemente grandes tramos del genoma. Este tipo de mapeo es más preciso que los mapas genéticos.

Mapeo de sitios mutacionales 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.

En 1961, Francis Crick, Leslie Barnett, Sydney Brenner y Richard Watts-Tobin realizaron experimentos genéticos que demostraron la naturaleza básica del código genético de las proteínas. Estos experimentos, que involucran el mapeo de sitios mutacionales dentro del gen rIIB del bacteriófago T4, demostraron que tres nucleobases secuenciales del ADN del gen especifican cada aminoácido sucesivo de su proteína codificada. Así, se demostró que el código genético es un código triplete, donde cada triplete (llamado codón) especifica un aminoácido particular. También obtuvieron evidencia de que los codones no se superponen entre sí en la secuencia de ADN que codifica una proteína, y que dicha secuencia se lee desde un punto de partida fijo.

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 demostró una relación sistemática que probablemente refleja el mecanismo molecular subyacente de la recombinación genética.

Secuenciación del genoma

La secuenciación del genoma a veces se denomina erróneamente "mapeo del genoma" por personas que no son biólogos. El proceso de "secuenciación instantánea" se asemeja al proceso de mapeo físico: rompe el genoma en pequeños fragmentos, caracteriza cada fragmento y luego los vuelve a unir (las tecnologías de secuenciación más recientes son drásticamente diferentes). Si bien el alcance, el propósito y el proceso son totalmente diferentes, un ensamblaje de genoma puede verse como la forma "última" de mapa físico, ya que proporciona de una manera mucho mejor toda la información que puede ofrecer un mapa físico tradicional.

Usar

La identificación de genes suele ser el primer paso para comprender el genoma de una especie; el mapeo del gen suele ser el primer paso de la identificación del gen. El mapeo de genes suele ser el punto de partida de muchos estudios posteriores importantes.

Asociación de enfermedades

El proceso para identificar un elemento genético responsable de una enfermedad también se denomina "mapeo". Si el locus en el que se realiza la búsqueda ya está considerablemente restringido, la búsqueda se denomina mapeo fino de un gen. Esta información se deriva de la investigación de las manifestaciones de la enfermedad en familias numerosas (ligamiento genético) o de estudios de asociación genética basados ​​en poblaciones.