Картирование генома

Министерство  сельского хозяйства РФ

ФГОУ ВПО  Костромская ГСХА

Кафедра: «Частной зоотехнии, разведения и генетики»

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Картирование генома»

 

 

 

 

 

 

                                              Выполнил: студент 6 группы 2 курса

Аксенов А. С.

Руководитель: доцент Белокуров С. Г.

 

Кострома 2011

ПЛАН:

1)Введение

2) Стратегические подходы к картированию геномов

3) Методы картирования геномов млекопитающих

     1.1. Генетическое картирование.

     1.2. Цитогенетическое картирование.

     1.3. Физическое картирование.

4)Генетическое картирование генома  крупного рогатого скота

5) Словарь

6) Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)Введение

Картирование — установление порядка  расположения генов и  относительного расстояния между ними в группе сцепления. На сегодняшний день не существует четкой классификации методов картирования. Так, например, одни авторы относят цитогенетические методы (FISH, PRINS и т.п.) к генетическим методам, другие к физическим. Однако, следует помнить, что по сути все методы являются генетическими, так как конечный результат картирования - получение максимально подробной карты взаимного расположения структурных, функциональных и полиморфных последовательностей генома и определение расстояний между ними. Поэтому разделение методов картирования на генетические, цитогенетические и физические, предложенное в этой статье, основано исключительно на методических подходах, используемых для построения генетических карт.

Генетическое картирование - это  картирование, основанное на методах  классической генетики - определении  групп сцепления, частоты рекомбинации и построении генетических карт, где  единицей измерения служат проценты рекомбинации, или сантиморганы (сМ).  Цитогенетическое картирование осуществляется с применением методов цитогенетики, когда для локализации каких-либо нуклеотидных последовательностей  и определения их взаимного расположения используются цитологические препараты. И, наконец,  физическое картирование  - это обширная группа методов, позволяющая  строить карты генома (обычно их называют физическими) высокого уровня разрешения и определять расстояния между локализуемыми нуклеотидными  последовательностями с точностью  от нескольких десятков тысяч п.н. до одной нуклеотидной пары.

2)Стратегические подходы к картированию геномов

В настоящее время выделяют три  основных подхода к картированию геномов, различающихся временем появления, необходимой методической базой и спектром возможностей: функциональный, кандидатный и позиционный (рис. 1).

Рис. 1

Вплоть до последнего времени в  картировании доминировал  функциональный подход, основанный на априорном наличии  некоторой информации о биохимическом  полиморфизме, лежащем в основе того или иного наследственного признака. Методически такое картирование начинается с выделения в чистом виде белкового продукта гена. Далее  к нему по аминокислотной последовательности подбирают вырожденные праймеры и проводят ПЦР-скрининг геномных библиотек. Однако список генов, для которых  эта информация была достаточно полной к настоящему времени практически  исчерпан и большинство генов, функция  которых была известна, уже клонированы  и локализованы.

Близко к функциональному и  кандидатное картирование. В этом случае информация о функциональном изменении недостаточно полна, чтобы  точно указать ген, однако достаточна для того, чтобы выдвинуть более  или менее обоснованные предположения  о возможных кандидатах либо по их функции, либо по положению на хромосоме. Важно подчеркнуть, что и при  функциональном, и при кандидатном  подходе клонирование гена, как правило, предшествует его точной локализации  в геноме, т.е. картированию. В рамках этих подходов локализовать ген означало пройти путь от его функции к локализации  на хромосоме (позиции). Такой путь принято  считать выражением стратегии "прямой генетики", он характерен и для  традиционных методов генетического и цитогенетического картирования. До недавнего времени другой путь был практически невозможен.

Появление в конце 80-х годов множества  высокополиморфных ДНК-маркеров дало возможность пойти в обратном направлении - от хромосомной карты  к функции. Стратегия "обратной генетики", применительно к поиску генов, получила воплощение в  позиционном картировании, которое подразумевает локализацию  гена при отсутствии всякой функциональной информации о нем . При этом его место на карте устанавливают по результатам анализа сцепления гена с ранее локализоваными генетическими маркерами и далее детально исследуется уже область генома рядом с маркером.

Главным ограничением позиционного подхода  является низкая разрешающая способность  генетических карт - интервал между  двумя соседними маркерами, в  котором локализован ген, может  оказаться слишком велик и  недоступен физическому картированию.

Для большинства генов, которые  были локализованы, характерны структурные  аномалии (как правило, это гены, ответственные за наследственные заболевания  человека), что существенно облегчает  заключительную стадию поиска гена - выделение и локализацию гена.

Способом, который позволяет преодолеть ограничения позиционного картирования, является объединение стратегии "обратной генетики" с преимуществами кандидатного подхода. Такой способ картирования, называемый позиционно-кандидатным, постепенно приходит на смену позиционному и  заключается в поиске на выявленном участке генома подходящих кандидатных генов.

Важным условием успешного позиционного картирования является создание генетических карт высокого разрешения и подробной  транскрипционной карты. Эти карты  создаются методами физического  картирования, которые будут описаны  ниже.

3) Методы картирования геномов млекопитающих

Методы картирования геномов млекопитающих  разрабатывались и применялись  в первую очередь для изучения генома человека. Позже, эти же подходы  и методы были использованы для картирования геномов других млекопитающих. Поэтому в этом обзоре большинство методов построения генетических карт будет описано на примере картирования генома человека.

Метод картирования генов комплексных  признаков (QTL) с помощью анализа  компонент дисперсии был расширен для анализа родословных животных, полученных при скрещивании представителей двух разных популяций (пород). Более  того, была создана комбинация этого  метода с широко известным в животноводстве регрессионным методом Хэйли (C. Haley), применяемым при анализе данных, полученных при скрещивании представителей двух пород. Этот метод предполагает, что, хотя по маркерам наблюдается внутрипородный полиморфизм , породы гомозиготные по альтернативным аллелям QTL. Ясно, что это предположение верно не всегда. Предложенный нами комбинированный метод не делает такого предположения и, таким образом, позволяет проводить более корректный анализ. Кроме того, когда предположение о гомозиготности пород по аллелям QTL нарушается, предложенный метод является достаточно мощным, в то время как мощность метода Хэйли быстро падает.

Метод Хэйли

Метод Хэйли основан на подсчете QTL-коэффициентов - апостериорных вероятностей того, что во втором поколении гибридов межжпородного скрещивания особь  несет 2, 1 или 0 аллелей одной из родительских пород. Был предложен простой  и быстрый метод подсчета этих коэффициентов. Однако, указанный метод  использует только информацию о прямых предках особи и не рассматривает  более комплексные ситуации. Кроме  того, коэффициенты рассчитываются для  каждого маркера по отдельности, далее результаты экстраполируются на межмаркерные интервалы. В то же время родословные животных зачастую обладают весьма сложной и информативной  структурой; хорошо известно, что многоточечтный анализ имеет много преимуществ  по сравнению с анализом типа +один маркер за раз-. Для подсчета QTL-коэффициентов  с использованием всей имеющейся  информации нами был разработан метод, основанный на использовании марковских цепей (Markov Chain Monte Carlo, MCMC). Было показано, что в ряде ситуаций предложенный нами метод позволяет значительно  повысить мощность анализа (вплоть до двукратного увеличения мощности). Более того, существуют ситуации, когда  алгоритм Хэйли не дает решения, в  то время как метод, пердложенный нами, хорошо работает.

 

       Рис.2Сопоставление локусов количественных признаков по Расширение Хейли-Нотт регрессии метода с помощью оценочных уравнений.

 

Метод картирования ЛКП - метод QTL

(Quantitative Trait Loci - локусы количественных признаков - ЛКП). Метод картирования ЛКП основывается на исследовании ДНК у пар близких родственников, чаще всего сибсов. Сибсы имеют в среднем примерно 50% общих аллелей. В каждой конкретной паре сибсов совпадающие аллели будут отличаться. Предположим, мы выявили пару сибсов, которые имеют два общих аллеля. Эти сибсы оказались более похожими по какому-либо количественному признаку, чем сибсы, имеющие один общий аллель. Последние, в свою очередь, обнаружили большее сходство, чем те сибсы, у которых общих аллелей в этом локусе не было совсем. На основании этих наблюдений, мы можем предполагать, что этот ген влияет на интересующий нас количественный признак. Если разница в количестве совпадающих аллелей никак не отражается на количественных соотношениях признака у сибсов, значит тестированный ген не имеет отношения к изучаемому признаку.

 

 

 

1.1Генетическое картирование

До недавнего времени изучение геномов как человека, так и  других млекопитающих, было возможно только путем генетического анализа - построения генетических карт или карт сцепления. Генетической картой хромосомы называют относительное положение генов, находящихся в одной группе сцепления. Первым шагом на пути построения генетических карт является формирование групп сцепления генов и исследование их взаимного расположения. Основным методом построения карт сцепления является классический генетический анализ, т.е. анализ наследования признаков в родословной, а также изучение частоты рекомбинации генных локусов в мейозе. Карты сцепления показывают порядок линейного расположения генов и маркеров на хромосоме и генетическое расстояние между ними, выраженное в процентах рекомбинации - сантиморганах (сМ). Считается, что два гена на хромосоме находятся на расстоянии 1 сМ, если вероятность рекомбинации между ними в процессе мейоза составляет 1%. Карта генетического сцепления составляет около 2809 сМ для мужчин и 4782 сМ для женщин. Меньший "размер" мужского генома объясняется тем, что частота рекомбинации в сперматогенезе меньше, чем в оогенезе. Средняя длина генома человека в единицах генетического расстояния составляет около 3300 сМ. Сопоставив эту величину с размером гаплоидного генома человека, оцениваемым примерно в 2,91 млрд.п.н., можно заключить, что на 1 сМ генетической карты приходится в среднем немногим менее 1 млн.п.н. ДНК на физической карте генома.

Однако, ввиду того, что частота  рекомбинации в разных точках генома различна ("горячие точки" рекомбинации, районы генома, где рекомбинация подавлена - центромерные и теломерные участки  хромосом, блоки конститутивного  гетерохроматина и др.) эта величина может существенно варьировать  и, в результате карты сцеплений  не отражают реальных физических расстояний между маркерами и генами на хромосомах.

До начала 70-х годов ХХ века построение генетических карт человека продвигалось очень медленными темпами. Небольшой  размер семей, длительный период одного поколения, ограниченное число информативных  родословных и отсутствие методов  эффективного цитогенетического анализа  всех пар хромосом затрудняло целенаправленное картирование хромосом человека. Так, первый ген человека был локализован  на Х-хромосоме в 1911 г., а первый аутосомный ген - только в 1968 г. К середине 70-х  годов на хромосомах человека было локализовано менее 100 генов, значительная часть которых была локализована в Х-хромосоме.

Важная роль в прогрессе картирования генома человека принадлежит мутантным  генетическим линиям животных (в большинстве  случаев это мутантные линии  мышей), моделирующим различные наследственные заболевания человека. Хорошо разработаны  экспериментальные основы целенаправленного  конструирования генетических моделей  на базе культивирования эмбриональных  стволовых клеток, сайт-специфического разрушения генов или введения в  них определенных мутантных аллелей in vitro, отбора клонов с генетическими  модификациями и пересадки их в ранние зародыши. В результате подобных манипуляций удается получить линии животных, в частности мышей, с мутациями в определенных генах. В настоящее время разработаны  достаточно эффективные подходы  для локализации и идентификации  генов экспериментальных животных. Высокий процент сходства по нуклеотидным последовательностям между кодирующими  областями гомологичных генов млекопитающих  и человека, а также большое  число консервативных групп сцепления  с идентичным расположением генов, так называемых синтенных групп  сцепления, позволяет проводить  параллельные исследования на модельных  объектах, значительно ускоряющие эффективность  картирования и молекулярного анализа  индивидуальных генов человека.

Дальнейший прогресс в области  генетического картирования в значительной мере связан с деятельностью крупных  научно-исследовательских центров  по созданию банков клеточных культур, представляющих наиболее интересные и  обширные родословные. Так, в Центре по Изучению Полиморфизма Человека - CEPH (от фр. Centre d'Etudes du Polymorphysme Humain) - была создана  уникальная коллекция перевиваемых клеточных культур, полученных от членов семей, многоступенчатые родословные  которых насчитывают десятки  и даже сотни индивидуумов. Перевиваемые линии клеток получали путем трансформации  их вирусом Эпштейн-Барра. Такие  лимфобластозные линии клеток способны к неограниченному росту в  условиях культивирования.

 

СЕРН-коллекции родословных представляют собой идеальные системы для  генетического анализа наследственных признаков. Эти коллекции были использованы исследователями во всем мире для  локализации генов человека и  различных типов маркеров. В результате исследования этих клеточных линий  определены генотипы членов СЕРН-семей  одновременно по тысячам полиморфных  локусов и построены соответствующие  генетические карты. Материал таких  линий в виде клеточных клонов или образцов ДНК используется, в  частности, для анализа сцепления  сегрегирующих генов друг с другом или с вновь описанными полиморфными локусами.