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El mapeo genético o mapeo del genoma describe los métodos utilizados para identificar la ubicación de un gen en un cromosoma y las distancias entre genes. [ 2 ] [ 3 ] El mapeo genético también puede describir las distancias entre diferentes sitios dentro de un gen.
La esencia de todo mapeo genómico radica en ubicar un conjunto de marcadores moleculares en sus posiciones respectivas en el genoma. Los marcadores moleculares se presentan en diversas formas. Los genes pueden considerarse un tipo especial de marcadores genéticos en la construcción de mapas genómicos, y se mapean de la misma manera que cualquier otro marcador. En algunas áreas de estudio, el mapeo genético contribuye a la creación de nuevos recombinantes dentro de un organismo. [ 4 ]
Los mapas genéticos ayudan a describir la disposición espacial de los genes en un cromosoma . Los genes se asignan a una ubicación específica en un cromosoma, conocida como locus , y pueden utilizarse como marcadores moleculares para determinar la distancia entre otros genes en un cromosoma. Los mapas brindan a los investigadores la oportunidad de predecir los patrones de herencia de rasgos específicos, lo que puede conducir a una mejor comprensión de los rasgos asociados a enfermedades. [ 5 ]
La base genética de los mapas genéticos consiste en proporcionar un esquema que potencialmente puede ayudar a los investigadores a realizar la secuenciación del ADN . Un mapa genético ayuda a señalar las posiciones relativas de los genes y permite a los investigadores localizar regiones de interés en el genoma . De esta manera, los genes pueden identificarse y secuenciarse rápidamente. [ 6 ]
Existen dos enfoques para generar mapas genéticos ( mapeo genético ): el mapeo físico y el mapeo genético. El mapeo físico utiliza técnicas de biología molecular para examinar los cromosomas. Estas técnicas permiten a los investigadores observar los cromosomas directamente para construir un mapa con las posiciones relativas de los genes. Por otro lado, el mapeo genético utiliza técnicas genéticas para encontrar indirectamente la asociación entre genes. Estas técnicas pueden incluir experimentos de cruzamiento ( híbridos ) y el análisis de pedigríes . Permiten construir mapas para analizar las posiciones relativas de los genes y otras secuencias importantes. [ 6 ]
Enfoques de mapeo
En el campo del mapeo del genoma se utilizan dos enfoques de mapeo distintos: mapas genéticos (también conocidos como mapas de ligamiento) [ 7 ] y mapas físicos [ 3 ] . Si bien ambos mapas son una colección de marcadores genéticos y loci génicos [ 8 ] , las distancias de los mapas genéticos se basan en la información de ligamiento genético , mientras que los mapas físicos utilizan distancias físicas reales, generalmente medidas 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 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 dicha tasa suele ser indicativa de regiones eucromáticas (generalmente ricas en genes) frente a regiones heterocromáticas (generalmente pobres en genes) del genoma.
Mapeo genético
Los investigadores comienzan a elaborar un mapa genético recolectando muestras de sangre, saliva o tejido de familiares portadores de una enfermedad o rasgo prominente y de familiares no portadores. La muestra más común utilizada en el mapeo genético, especialmente en pruebas genómicas personales, es la saliva. Posteriormente, los científicos aíslan el ADN de las muestras y lo examinan minuciosamente, buscando patrones únicos en el ADN de los familiares portadores de la enfermedad y en el ADN de aquellos que no la portan. Estos patrones moleculares únicos en el ADN se denominan polimorfismos o marcadores. [ 9 ]
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, mayor será la probabilidad de que se transmitan juntos a la siguiente generación. Por lo tanto, los patrones de cosegregación de todos los marcadores pueden utilizarse para reconstruir su orden. Con esto en mente, se registran los genotipos de cada marcador genético para ambos progenitores y para cada individuo de las generaciones siguientes. La calidad de los mapas genéticos depende en gran medida de estos factores: el número de marcadores genéticos en el mapa y el tamaño de la población de mapeo. Ambos factores están interrelacionados, ya que una población de mapeo más grande podría aumentar la resolución del mapa y evitar su saturación.
En el mapeo genético, cualquier característica de secuencia que pueda distinguirse claramente de los dos progenitores puede utilizarse como marcador genético. En este sentido, los genes están representados por "rasgos" que pueden distinguirse claramente entre los dos progenitores. Su ligamiento con otros marcadores genéticos se calcula de la misma manera que si fueran marcadores comunes, y los loci génicos reales se delimitan en una región entre los dos marcadores vecinos más cercanos. Todo el proceso se repite analizando más marcadores que se dirigen a esa región para mapear el vecindario génico con mayor resolución hasta que se pueda identificar un locus causal específico. Este proceso se conoce a menudo como " clonación posicional " y se utiliza ampliamente en el estudio de especies vegetales. Una especie vegetal en particular en la que se utiliza la clonación posicional es el maíz . [ 10 ] 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 con precisión qué cromosoma contiene cada gen y determinar la ubicación exacta de dicho gen en ese cromosoma. El mapeo también sirve para determinar qué gen tiene mayor probabilidad de recombinarse, basándose en la distancia entre dos genes. Esta distancia se mide en unidades conocidas como centimorgan o unidades de mapeo; estos términos son intercambiables. Un centimorgan es la distancia entre genes para la cual un producto de la meiosis de cada cien es recombinante. [ 11 ] [ 4 ] Cuanto mayor sea la distancia entre dos genes, mayor será la probabilidad de que se recombinen. Si estuvieran más cerca, ocurriría lo contrario. [ 12 ]
análisis de ligamiento
La base del análisis de ligamiento es comprender la ubicación cromosómica e identificar los genes causantes de enfermedades. Ciertos genes que están genéticamente ligados o asociados entre sí se encuentran cerca unos de otros en el mismo cromosoma. Durante la meiosis , estos genes pueden heredarse juntos y pueden utilizarse como marcadores genéticos para ayudar a identificar el fenotipo de las enfermedades. Dado que el análisis de ligamiento permite identificar patrones de herencia, estos estudios suelen basarse en familias. [ 13 ]
Los primeros mapas genéticos se realizaron mediante análisis de ligamiento de moscas de la fruta, en el grupo de investigación de Thomas Hunt Morgan . El primero se publicó en 1913. [ 15 ]
análisis de asociación genética
El análisis de asociación genética se basa en la población; no se centra en los patrones de herencia, sino en la historia completa de una población. Este análisis examina una población específica e intenta identificar si la frecuencia de un alelo en individuos afectados difiere de la de un grupo de control de individuos no afectados de la misma población. Este método es particularmente útil para identificar enfermedades complejas que no siguen un patrón de herencia mendeliana . [ 16 ]
Cartografía física
Dado que las distancias reales entre pares de bases suelen ser difíciles o imposibles de medir directamente, los mapas físicos se construyen dividiendo primero el genoma en fragmentos jerárquicamente más pequeños. Al caracterizar cada fragmento y volver a unirlos, la trayectoria superpuesta o "trayectoria de teselado" de estos pequeños fragmentos permite a los investigadores inferir las distancias físicas entre las características genómicas.
El mapeo de restricción es un método que permite obtener información estructural sobre un segmento de ADN mediante enzimas de restricción . Estas enzimas cortan segmentos de ADN en secuencias de reconocimiento específicas. El mapeo de restricción se basa en la digestión (o corte) del ADN con enzimas de restricción. Los fragmentos de ADN digeridos se analizan mediante electroforesis en gel de agarosa , lo que proporciona información sobre su tamaño. El tamaño de estos fragmentos indica la distancia entre los sitios de restricción en el ADN analizado y brinda a los investigadores información sobre su estructura. [ 16 ] El patrón resultante de migración del ADN —su huella genética— se utiliza para identificar el segmento de ADN presente en el clon . Mediante el análisis de estas huellas genéticas, se ensamblan contigs, ya sea de forma automatizada (FPC) o manual (pathfinders), en segmentos de ADN superpuestos. De esta manera, se seleccionan los clones adecuados para su secuenciación eficiente y así determinar la secuencia de ADN del organismo en estudio.
En el mapeo físico, no existen métodos directos para marcar un gen específico, ya que el mapeo no incluye información sobre rasgos ni funciones. Los marcadores genéticos pueden vincularse a un mapa físico mediante procesos como la hibridación in situ . De esta manera, los contigs del mapa físico pueden anclarse a un mapa genético. Los clones utilizados en los contigs del mapa físico pueden secuenciarse a escala local para facilitar el 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 número reducido de sitios de restricción.
Existen métodos alternativos para determinar cómo se superpone el ADN en un grupo de clones sin necesidad de secuenciarlos por completo. Una vez determinado el mapa, los clones pueden utilizarse como recurso para delimitar de forma eficiente grandes segmentos del genoma. Este tipo de mapeo es más preciso que los mapas genéticos.
Mapeo de restricciones
El mapeo de restricción es un método que permite obtener información estructural sobre un segmento de ADN mediante enzimas de restricción . Estas enzimas cortan segmentos de ADN en secuencias de reconocimiento específicas. El mapeo de restricción se basa en la digestión (o corte) del ADN con enzimas de restricción. Los fragmentos de ADN digeridos se analizan mediante electroforesis en gel de agarosa , lo que proporciona información sobre su tamaño. El tamaño de estos fragmentos indica la distancia entre los sitios de restricción en el ADN analizado y proporciona a los investigadores información sobre su estructura. [ 16 ]
Hibridación fluorescente in situ
La hibridación fluorescente in situ (FISH) es un método utilizado para detectar la presencia (o ausencia) de una secuencia de ADN dentro de una célula. [ 17 ] Las sondas de ADN específicas para regiones cromosómicas o genes de interés se marcan con fluorocromos . Al unir fluorocromos a las sondas, los investigadores pueden visualizar múltiples secuencias de ADN simultáneamente. Cuando una sonda entra en contacto con el ADN de un cromosoma específico, se produce la hibridación. En consecuencia, se obtiene información sobre la ubicación de esa secuencia de ADN. La FISH analiza el ADN monocatenario ( ADNmc ). Una vez que el ADN se encuentra en su estado monocatenario, puede unirse a su sonda específica. [ 6 ]
Mapeo de sitios marcados por secuencia (STS).
Un sitio marcado por secuencia (STS) es una secuencia corta de ADN (de aproximadamente 100 a 500 pares de bases de longitud) que aparece varias veces en el genoma de un individuo. Estos sitios son fácilmente reconocibles, ya que suelen aparecer al menos una vez en el ADN analizado. Generalmente contienen polimorfismos genéticos , lo que los convierte en fuentes de marcadores genéticos viables (dado que difieren de otras secuencias). Los sitios marcados secuenciados pueden mapearse en nuestro genoma y requieren un grupo de fragmentos de ADN superpuestos. La PCR se utiliza generalmente para producir la colección de fragmentos de ADN. Una vez creados los fragmentos superpuestos, se puede analizar la distancia de mapeo entre los STS. Para calcular la distancia de mapeo entre los STS, los investigadores determinan la frecuencia con la que se producen rupturas entre los dos marcadores (véase secuenciación de escopeta ). [ 16 ]
Mapeo de sitios mutacionales
A principios de la década de 1950, la visión predominante era que los genes en un cromosoma eran entidades discretas, indivisibles por recombinación genética y dispuestas como cuentas en un collar. Entre 1955 y 1959, Benzer realizó experimentos de recombinación genética utilizando mutantes rII del bacteriófago T4 . Descubrió que, basándose en pruebas de recombinación, los sitios de mutación podían mapearse en un orden lineal. [ 18 ] [ 19 ] Este resultado proporcionó evidencia para la idea clave de que el gen tiene una estructura lineal equivalente a una longitud de ADN con muchos sitios que pueden mutar independientemente.
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. [ 20 ] Estos experimentos, que consistieron en 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 la proteína codificada. Así, se demostró que el código genético es un código de tripletes, 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.
Edgar et al. [ 21 ] realizaron experimentos de mapeo con mutantes r del bacteriófago T4 que demostraron 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 para subintervalos internos adyacentes (axb) + (bxc) + (cxd). Aunque no es estrictamente aditiva, se demostró una relación sistemática [ 22 ] 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 ajenas a la biología. El proceso de secuenciación aleatoria [ 23 ] se asemeja al mapeo físico: fragmenta el genoma en pequeños trozos, caracteriza cada uno y luego los vuelve a unir (las tecnologías de secuenciación más recientes son radicalmente diferentes). Si bien el alcance, el propósito y el proceso son totalmente distintos, un ensamblaje del genoma puede considerarse la forma "definitiva" de un mapa físico, ya que proporciona de una manera mucho mejor toda la información que un mapa físico tradicional puede ofrecer.
Usar
La identificación de genes suele ser el primer paso para comprender el genoma de una especie; el mapeo genético suele ser el primer paso para su identificación. El mapeo genético 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 genético". Si el locus donde se realiza la búsqueda ya está considerablemente delimitado, se denomina mapeo fino de un gen. Esta información se obtiene a partir del estudio de las manifestaciones de la enfermedad en familias numerosas ( ligamiento genético ) o de estudios de asociación genética basados en poblaciones .
Utilizando los métodos mencionados anteriormente, los investigadores pueden mapear genes causantes de enfermedades. Generar un mapa genético es el primer paso crucial para identificar dichos genes. Los mapas genéticos permiten identificar alelos variantes y realizar predicciones sobre los genes que se cree que causan el fenotipo mutante . Un ejemplo de trastorno identificado mediante análisis de ligamiento es la fibrosis quística . Por ejemplo, en el caso de la fibrosis quística (FQ), se analizaron muestras de ADN de cincuenta familias afectadas mediante análisis de ligamiento. Se analizaron cientos de marcadores relacionados con la FQ en todo el genoma hasta identificar el gen de la FQ en el brazo largo del cromosoma 7. Posteriormente, los investigadores realizaron un análisis de ligamiento en marcadores de ADN adicionales dentro del cromosoma 7 para identificar una ubicación aún más precisa del gen de la FQ. Descubrieron que el gen de la FQ se encuentra alrededor de 7q31-q32 (véase la nomenclatura cromosómica ). [ 16 ]
Véase también
Referencias
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Lecturas adicionales
- Brown TA (2007). Genomas 3. Nueva York, NY: Garland Science Publishing . ISBN 978-0-8153-4138-3OCLC 444522997
Enlaces externos
- "Hoja informativa sobre mapeo genético" . Bethesda, MD: Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano , Institutos Nacionales de Salud . Consultado el 6 de septiembre de 2013 .
- "Centro de Ciencias Genómicas Michael Smith de Canadá" . Vancouver, Columbia Británica . Consultado el 6 de septiembre de 2013 .
- Genética
