Mapas genéticos

b 5,9 pr
25,4
19,5
c
23,7
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
1
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
Antonio Barbadilla
2
Dos mapas mejor que uno. Mapa del metro y de calles de Londres
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
3
Mapas genéticos y físicos
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
4
A
A
B
a
b
a
B
b
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
5
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
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
6
Gametos resultantes de doble heterocigoto de genes no ligados
50% parentales y 50% recombinantes
A
-a
AB
Ab
aB
ab
B
--b
25 %
25 %
25 %
25 %
Gametos resultantes de doble heterocigoto de genes ligados
AB
----ab
AB
Ab
aB
ab
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
Antonio Barbadilla
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
Antonio Barbadilla
8
Meiosis
A
C
B
C
1
2
3
4
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
9
•Mayor distancia entre loci --> Mayor número de
entrecruzamientos
•Más Entrecruzamientos ---> Más Recombinación
A mayor frecuencia de recombinación
mayor la distancia entre loci
 f ( )  FR
Distancia
El número de entrecruzamientos por meiosis y por
cromosoma se puede representar por una
distribución aleatoria de Poisson, con media 

e 
f (i) 
i!
Antonio Barbadilla
1
(1  e  )
2
   ln(1  2 FR )
i
FR 
Tema 8: Cartografía genética
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
Antonio Barbadilla
12
Cruzamiento de T. Morgan
Ejemplo:
pr = Ojos Púrpura
vg = Alas vestigiales
Ambos alelos son recesivos respecto al salvaje
P
F1
pr+ pr+ vg+ vg+ X
pr pr vg vg
pr+ pr vg+ vg X
Fenotipos F
pr+ vg+
pr vg
pr+ vg
pr vg+
pr pr vg vg
2
1339
1195
151
154
2839
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
13
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
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
14
Fenotipos F
pr+ vg+
pr vg
pr+ vg
pr vg+
2
1339
1195
151
154
____
2839
parentales
305 recombinantes
Proporción no igual a 1:1:1:1. Un test de 2 = 1037,18 es
muy significativo, p < 0.0000001
FR (frecuencia de rec) = 305/2839 = 0,107 = 10,7 cM
pr
vg
10,7 cM
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
15
The first genetic linkage map
(A.H. Sturtevant 1913 Journal experimental Zoology)
¿Cuál es la distancia
entre ambos genes?
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
16
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
Antonio Barbadilla
17
Orden de los genes
Ordenaciones posibles
Caso 1: Marcador A está en el medio:
B
12
B
7
A A
C
C
5
Caso 2: Marcador B está en el medio:
A
A
B B
12
C
5
7
C
Caso 3: Marcador C está en el medio:
A
A
Antonio Barbadilla
5
12
C
C
B
7
Aditividad
B
Tema 8: Cartografía genética
18
Las distancias de mapa no son completamente aditivas
B
A
FR = x
C
FR = y
C
A
FR < x + y
La mejor estima distancia,
25,4
suma (b-pr) + (pr-c)
b 5,9 pr
Antonio Barbadilla
19,5
c
19
23,7 Distancia experimento dos puntos b-c
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
A
B
B
C
C
A
A
B
b
C
C
a
a
b
b
c
c
a
a
B
b
c
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
Antonio Barbadilla
20
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
FR
40
observada
30
(%)
1

FR  (1  e )
2
20
10
=1
=2
=3
=4
Número medio de entrecruzamientos
por meiosis entre los dos loci
Zona de linealidad
Antonio Barbadilla
50
100
150
200
Tema 8: Cartografía genética
Unidades de mapa reales
21
Demostración función de mapa
1

FR  (1  e )
2
   ln(1  2 FR )
λ = Número medio de entrecruzamientos
por meiosis entre los dos loci
Probabilidad uno o más
entrecruzamiento entre los dos
loci
1
FR  (1  e )
2
Antonio Barbadilla
=
1
2

(1  e )
22
¿Por qué la frecuencia de recombinación (FR)
entre dos marcadores no puede superar el 50%?
Demostración 1: caso completo para 1 ó 2 entrecruzamientos
3 entrecruzamientos
pueden descomponerse en 1 +
2 entrecruzamientos y por
tanto darán lugar también a
50% recombinantes. El
razonamiento es generalizable
a nAntonio
entrecruzamientos
Barbadilla
FR promedio de un doble
entrecruzamiento = 8/16 =
50%
Tema 8: Cartografía genética
23
¿Por qué la frecuencia de recombinación (FR)
entre dos marcadores no puede superar el 50%?
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%
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
24
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
FR
40
observada
30
(%)
1

FR  (1  e )
2
20
10
=1
=2
=3
=4
Número medio de entrecruzamientos
por meiosis entre los dos loci
Zona de linealidad
Antonio Barbadilla
50
100
150
200
Tema 8: Cartografía genética
Unidades de mapa reales
1
entrecruzamiento
≡
50 cM reales (um)
25
Aplíquese la corrección de
Haldane en este mapa de tres
marcadores
1
(1  e  )
2
   ln(1  2 FR )
FR 
La mejor estima distancia,
25,4
suma (b-pr) + (pr-c)
b 5,9 pr
(1  2 FR)
19,5
c
23,7 Distancia experimento dos puntos b-c
De la corrección efectuada, ¿a qué conclusión se llega si
se quieren elaborar mapas genéticos fiables?
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
26
Mapa a partir de cruzamientos prueba de tres
puntos (tres loci en el mismo cromosoma)
Metodología
A
B
C
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
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
27
Ejemplo:
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
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
F1
prpr bb cc
pr+ pr b+b c+ c X pr pr bb vg vg
Si no están ligados
F2
Antonio Barbadilla
1/8
1/8
1/8
1/8
1/8
1/8
1/8
1/8
prpr bb cc
prpr bb c+c
pr+pr bb cc
pr+pr bb c+c
prpr b+b cc
prpr b+b c+c
pr+pr b+b cc
pr+pr b+b c+c
Si están ligados completamente
1/2 prpr bb cc
1/2 pr+pr b+b c+c
Tema 8: Cartografía genética
28
Resultados del cruzamiento prueba, F2
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
Fenotipo
Salvaje
Black, purp, cur
Purp,curved
Black
Curved
Black,purp
Purp
Black,curved
Total
Genotipo
Número
pr+pr b+b c+c
prpr bb cc
prpr b+b cc
pr+pr bb c+c
pr+pr b+b cc
prpr bb c+c
prpr b+b c+c
pr+pr bb cc
Número de recombinantes
entre
b-pr pr-c
b-c
5701
5617
388
367
1412
1383
60
72
15 000
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
388
367
60
72
887
1412
1383
60
72
2927
388
367
1412
1383
3550
29
Resultados del cruzamiento prueba, F2
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
A
B
B
C
C
A
A
B
b
C
C
a
a
b
b
c
c
a
a
B
b
c
c
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
30
Resultados del cruzamiento prueba, F2
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
Salvaje
Black, purp, cur
Purp,curved
Black
Curved
Black,purp
Purp
Black,curved
Genotipo
pr+pr b+b c+c
prpr bb cc
prpr b+b cc
pr+pr bb c+c
pr+pr b+b cc
prpr bb c+c
prpr b+b c+c
pr+pr bb cc
Número
Número de
recombinantes entre
b-pr pr-c
b-c
5701
5617
388
367
1412
1383
60
72
388
367
60
72
1412
1383
60
72
Tema
El gen
pr8: Cartografía
está engenética
el medio
Antonio Barbadilla
388
367
1412
1383
31
Resultados del cruzamiento prueba, F2
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
Salvaje
Black, purp, cur
Purp,curved
Black
Curved
Black,purp
Purp
Black,curved
Genotipo
pr+pr b+b c+c
prpr bb cc
prpr b+b cc
pr+pr bb c+c
pr+pr b+b cc
prpr bb c+c
prpr b+b c+c
pr+pr bb cc
Número
Número de
recombinantes entre
b-pr pr-c
b-c
5701
5617
388
367
1412
1383
60
72
388
367
60
72
1412
1383
60
72
Tema
El gen
pr8: Cartografía
está engenética
el medio
Antonio Barbadilla
388
367
1412
1383
32
Resultados del cruzamiento prueba, F2
5. Distancias de mapa: a la distancia entre genes consecutivos debe
sumarse las frecuencias de los dobles entrecruzamientos
Fenotipo
Salvaje
Black, purp, cur
Purp,curved
Black
Curved
Black,purp
Purp
Black,curved
Total
Porcentaje
Antonio Barbadilla
Genotipo
b+b pr+pr c+c
bb prpr cc
b+b prpr cc
bb pr+pr c+c
b+b pr+pr cc
bb prpr c+c
b+b prpr c+c
bb pr+pr cc
Número
Número de
recombinantes entre
b-pr pr-c
b-c
5701
5617
388
367
1412
1383
60
72
15 000
388
367
388
367
1412
1383
60
72
1412
1383
60
72
887
2927
3550
5,9%
19,5%
23,7%
Tema 8: Cartografía genética
33
Tetrada meiótica
Distancia
b
b
b+
b+
b-pr
pr
pr
pr+
pr+
Gametos
= frec rec sencillos + frec rec dobles
Entrecruzamiento entre b y pr
c
c
c+
c+
388
367
b
b
b+
b+
pr
pr+
pr
pr+
c
c+
c
c+
Doble entrecruzamiento en la región b-pr-c
b
b
b+
b+
pr
pr
pr+
pr+
c
c
c+
c+
60
72
b
b
b+
b+
pr
pr+
pr
pr+
c
c
c+
c+
887
Distancia
Antonio Barbadilla
b-pr
=Tema
887/15000
= 0,059 = 5,9 % = 5,9 cM
8: Cartografía genética
34
Mapa genético de los marcadores
La mejor estima distancia
entre los extremos es la
suma (b-pr) + (pr-c)
25,4
b 5,9 pr
19,5
23,7
c
Distancia b-c sin considerar los
dobles recombinantes
¿Se podría hacer una corrección
para mejorar la estima de las
Tema
8: Cartografía genética
distancias?
Antonio Barbadilla
35
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
Antonio Barbadilla
36
Mapa de
ligamiento parcial
de los 4
cromosomas
de Drosophila
melanogaster
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
37
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
38
Mapas genéticos (de recombinación)
versus mapas físicos
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
39
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
Tema 8: Cartografía genética
40
Antonio Barbadilla
Mapas genéticos versus mapas físicos
Frecuencia de recombinación por unidad de DNA
Especies
Tamaño haploide
del genoma
Fago T4
1.6 x 105 pb
E. coli
4.2 x 106 pb
Levadura
2.0 x 107 pb
Hongo
2.7 x 107 pb
Nemátodo 8.0 x 107 pb
Mosca de la
fruta
1.4 x 108 pb
Ratón
3.0 x 109 pb
Humanos
Varón
3.3 x 109 pb
Mujer
3.3 x 109 pb
Unidades de mapa
Tamaño de la unidad mapa
800
1750
4200
1000
320
200 pb
2400 pb
5000 pb
27000 pb
250000 pb
1.0 x 104 pb
1.2 x 105 pb
2.5 x 105 pb
1.3 x 106 pb
1.2 x 107 pb
280
1700
500000 pb
1800000 pb
2.5 x 107 pb
9.0 x 107 pb
2809
4782
1200000 pb
700000 pb
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
Distancia media
entrecruzamientos
consecutivos
6.0 x 107 pb
3.5 x 107 pb
41
Análisis de tétradas
Los hongos
ascomicetos
retienen los cuatro
productos haploides
de cada meiosis en
un saco
denominado asca
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
42
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
Aspergillus
nidulans
Coprinus
lagopus
Saccharomyces
cerevisiae
Ustigalo
hordei
Ascobolus
immersus
Basidiomiceto
Basidiomiceto
Tétradas
Octadas
No ordenadas
Antonio Barbadilla
Neurospora
crassa
Tétradas Octadas
Lineales
Tema 8: Cartografía genética
Patrones distintos de
ascosporas y ascas en
43
Neurospora
Crecimiento de las hifas en N. crassa
Fenotipos mutantes de Neurospora crassa
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
44
Meiosis y mitosis postmeiótica en la tétrada lineal de Neurospora
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
45
Distancia de un locus al centrómero en
Neurospora
No recombinación entre el
locus y el centrómero
4:4
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
46
Distancia de un locus al centrómero en
Neurospora
Recombinación entre el
locus y el centrómero
2:2:2:2
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
47
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 = 7Tema
unidades
de mapa
8: Cartografía
genéticaó cM
48
Antonio Barbadilla
Cartografía
genética en
humanos
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
50
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
Antonio Barbadilla
Tema 8: Cartografía genética
Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos
51
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
Antonio Barbadilla
52
Mapa genético
de alta
resolución del
Cromosoma 1
Homo
sapiens.
The Cooperative
Human Linkage
Center
http://lpg.nci.nih.gov/CHLC/
Tema 8: Cartografía genética
Antonio Barbadilla
54
• ¿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.
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