Ligamiento y mapas genéticos Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Ligamiento y cartografía genética (mapas) Objetivos tema 5: Ligamiento y cartografía genética (mapas) Deberán quedar bien claros los siguientes puntos Los conceptos de ligamiento, recombinación y entrecruzamiento 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 Demostración citológica del entrecruzamiento Análisis de tétradas en hongos ascomicetos Recombinación mitótica Cartografía genética en humanos Ligamiento y recombinación en bacterias y virus Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Ligamiento: Asociación de genes en el mismo cromosoma formando grupos de ligamientos Ligamiento total B A B A A A B B b a b a a a b b Gametos (100% gametos parentales) 50 % AB 50 % ab Genotipo F1 AB / ab Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Segregación independiente (no ligamiento, 2a ley de Mendel) gametos Genotipos F1 A B -- -- a b A B AB A B b A Ab A b 50% recom- binan- tes A B A B a B aB a b a B a b a b ab a b Proporción 1:1:1:1 Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Mensaje: La frecuencia de gametos recombinantes (FR) debe estar entre el ligamiento total (0%) y la segregación independiente (50%) 0%  FR  50% Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Descubrimiento del ligamiento (Morgan con mutantes de Drosophila melanogater) Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Mutantes de Drosophila melanogater Estudio del ligamiento con mutantes +: salvaje Cy: Curly sd: scalloped +: salvaje w: white ap: aptera vg: vestigial dp: dumpy sepia Bar D: Dichaete c: curved Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Simbolismo del ligamiento Configuración en acoplamiento o cis -> AB/ab Configuración en repulsión o trans -> Ab/aB Prueba de ligamiento: desviación de la proporción 1:1:1:1 en un cruzamiento prueba de un dihíbrido Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Grupos de ligamiento en Drosophila Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Ligamiento a nivel del DNA Haplotipo Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Cruzamiento prueba: AA BB aa bb Genotipos P A B a b Gametos P Cruza- miento prueba Aa Bb aa bb F1 X Gametos ab AB Aa Bb Aa bb aa Bb aa bb A- B- Ab A- bb aB aa B- ab aa bb Genotipos Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Fenotipos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Mensaje: El cruzamiento prueba permite inferir las proporciones de los gametos que se forman en el doble heterocigoto Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Recombinación: la generación durante la meiosis de genotipos haploides distintos de los genotipos parentales A B a b Gametos P Aa Bb F1 AB Gametos parentales ab Gametos Ab Gametos recombinantes aB Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Recombinación: Recombinación intercromosómica: genes (loci) en diferentes cromosomas (leyes de Mendel) Recombinación intracromosómica: genes situados en el mismo cromosoma ---> Entrecruzamiento A B Genotipos F1 A B -- -- a b AB A B b A Ab 50% recom- binan- tes A b A B A B a B a b aB a a B b a b ab a b Proporción 1:1:1:1 Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Entrecruzamiento (Crossover): El intercambio de cromátidas no hermanas entre cromosomas homólogos durante la meiosis por un proceso de rotura y reunión del DNA Cromosomas en la meiosis Productos meióticos Meiosis sin entrecruzamiento entre los genes A B A B A B A B a b a b a b a b Meiosis con entrecruzamiento entre los genes A B A B b A B A Recombi- nantes a b a B a b a b Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Meiosis y entrecruzamiento Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Entrecruzamiento visto mediante microscopía electrónica Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Entrecruzamiento visto mediante microscopía electrónica Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Entrecruzamiento en el nivel del DNA Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Migración ramal Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Cartografía genética: 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 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos 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 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos B C Meiosis 1 2 3 4 Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Mayor distancia entre loci --> Mayor número de entrecruzamientos Más Entrecruzamientos ---> Más Recombinación A mayor frecuencia de recombinación mayor la distancia entre loci El número de etrecruzamientos por meiosis y por cromosoma se puede representar por una distribución aleatoria de Poisson, con media  Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos 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 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Ejemplo: Experimento de Morgan pr = Ojos Púrpura vg = Alas vestigiales Ambos alelos son recesivos respecto al salvaje P pr+ pr+ vg+ vg+ X pr pr vg vg F1 pr+ pr vg+ vg X pr pr vg vg Fenotipos F 2 pr+ vg+ 1339 pr vg 1195 pr+ vg 151 pr vg+ 154 ____ 2839 Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Metodología Normalmente heterocigoto X homocigoto recesivo (cruzamiento prueba) -> AB/ab X ab/ab 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 Las dos clases mayoritarias corresponden a los gametos no recombinantes (parentales), y las minoritarias a los recombinantes (no parentales) 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 Se ordernan tres genes cuyas distancias se han medido dos a dos Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Proporción no 1:1:1:1. Un test de 2 es muy significativo Fenotipos F 2 pr+ vg+ 1339 pr vg 1195 pr+ vg 151 pr vg+ 154 ____ 2839 305 Proporción no 1:1:1:1. Un test de 2 es muy significativo FR = 305/2839 = 0,107 = 10,7 cM pr vg 10,7 cM Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Orden de los genes Se han estudias tres pares de genes y estas son las distancias entre ellos: distancia A-B = 12; distancia B-C = 7; y distancia A-C = 5 ¿Cuál es el orden de los genes? Las distancias deben ser aditivas y consistentes entre sí Supongamos las tres ordenaciones posibles Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Orden de los genes Ordenaciones posibles Caso 1: Marcador A está en el medio: Caso 2: Marcador B está en el medio: Caso 3: Marcador C está en el medio: B A A C 12 5 B C 7 A B B C 12 7 A C 5 A B 12 Aditividad A C 5 7 C B Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Las distancias de mapa no son completamente aditivas B C FR = x FR = y A C FR < x + y La mejor estima distancia, suma (b-pr) + (pr-c) 25,4 b pr c 5,9 19,5 23,7 Distancia experimento dos puntos b-c Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos 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 B C A B C A b C a B c a b c a b 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 5: Ligamiento y mapas genéticos

Función de mapa FR observada (%) Zona de linealidad =1 =2 =3 =4 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 observada (%) 40 30 20 10 Zona de linealidad =1 =2 =3 =4 Número medio de entrecruzamientos por meiosis 50 100 150 200 Unidades de mapa reales Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Demostración 1: Muchos entrecruzamientos entre a y b ¿Por qué la frecuencia de recombinación (FR) entre dos marcadores no puede superar el 50%? Demostración 1: 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 5: Ligamiento y mapas genéticos

entrecruzamiento = 8/16 = 50% ¿Por qué la frecuencia de recombinación (FR) entre dos marcadores no puede superar el 50%? Demostración 2: caso completo para 1 ó 2 entrecruzamientos FR promedio de un doble entrecruzamiento = 8/16 = 50% Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Mapa a partir de cruzamientos prueba de tres puntos (tres loci en el mismo cromosomas) Metodología Triple heterocigoto X homocigoto recesivo (cruzamiento prueba) -> ABC/abc X abc/abc Si hay ligamiento, no se observa en la F2 la proporción fenotípica 1/8 para cada tipo de gameto 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 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 Distancias de mapa: a la distancia entre genes consecutivos debe sumarse las frecuencias de los dobles entrecruzamientos A B C Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Ejemplo: Tres mutantes marcadores b = Cuerpo negro; pr = Ojos Púrpura; c = curved, alas curvadas Los tres alelos son recesivos respecto al salvaje P b+ b+ pr+ pr+ c+ c+ X bb prpr cc F1 b+b pr+ pr c+ c X bb pr pr vg vg Si no están ligados Si están ligados 1/8 bb prpr cc 1/2 bb prpr cc 1/8 bb prpr c+c 1/2 b+b pr+pr c+c 1/8 bb pr+pr cc 1/8 bb pr+pr c+c 1/8 b+b prpr cc 1/8 b+b prpr c+c 1/8 b+b pr+pr cc 1/8 b+b pr+pr c+c F2 Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Resultados del cruzamiento prueba, F2 Fenotipo Genotipo Número Número de recombinantes entre b-pr pr-c b-c Salvaje b+b pr+pr c+c 5701 Black, purp, cur bb prpr cc 5617 Purp,curved b+b prpr cc 388 388 388 Black bb pr+pr c+c 367 367 367 Curved b+b pr+pr cc 1412 1412 1412 Black,purp bb prpr c+c 1383 1383 1383 Purp b+b prpr c+c 60 60 60 Black,curved bb pr+pr cc 72 72 72 Total 15 000 887 2927 3550 Porcentaje 5,9% 19,5% 23,7% El gen pr está en el medio Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tetrada meiótica Gametos Entrecruzamiento entre b y pr b pr c b pr c b pr c b pr+ c+ b+ pr+ c+ b+ pr c b+ pr+ c+ b+ pr+ c+ Doble entrecruzamiento en la región b-pr-c b pr c b pr c b pr c b pr+ c b+ pr+ c+ b+ pr c+ b+ pr+ c+ b+ pr+ c+ Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Mapa genético de los marcadores La mejor estima distancia entre los extremos es la suma (b-pr) + (pr-c) 25,4 b pr c 5,9 19,5 23,7 Distancia b-csin considerar los dobles recombinantes Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos 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 5: Ligamiento y mapas genéticos

Mapa de ligamiento parcial de los 4 cromosomas de Drosophila melanogaster Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Mapas genéticos (de recombinación) versus mapas físicos Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Importancia mapas de recombinación Describir Ias 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 5: Ligamiento y mapas genéticos

Mapas genéticos versus mapas físicos Frecuencia de recombinación por unidad de DNA Especies Tamaño haploide Unidades de mapa Tamaño de la unidad mapa Distancia media del genoma entrecruzamien- tos consecutivos Fago T4 1.6 x 105 pb 800 200 pb 1.0 x 104 pb E. coli 4.2 x 106 pb 1750 2400 pb 1.2 x 105 pb Levadura 2.0 x 107 pb 4200 5000 pb 2.5 x 105 pb Hongo 2.7 x 107 pb 1000 27000 pb 1.3 x 106 pb Nemátodo 8.0 x 107 pb 320 250000 pb 1.2 x 107 pb Mosca de la fruta 1.4 x 108 pb 280 500000 pb 2.5 x 107 pb Ratón 3.0 x 109 pb 1700 1800000 pb 9.0 x 107 pb Humanos Varón 3.3 x 109 pb 2809 1200000 pb 6.0 x 107 pb Mujer 3.3 x 109 pb 4782 700000 pb 3.5 x 107 pb Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Análisis de tétradas Los hongos ascomicetos retienen los cuatro productos haploides de cada meiosis en un saco denominado asca Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

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 Ustigalo hordei (basidiomiceto) Aspergillus nidulans Neurospora crassa Coprinus Lagopus (basidiomiceto) Ascobolus immersus Saccharomyces cerevisiae Tétradas Octadas Tétradas Octadas Patrones distintos de ascosporas y ascas en Neurospora No ordenadas Lineales Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Meiosis y mitosis postmeiótica en la tétrada lineal de Neurospora Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Distancia de un locus al centrómero en Neurospora No recombinación entre el locus y el centrómero 4:4 Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

2:2:2:2 Recombinación entre el locus y el centrómero Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

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 = 7 unidades de mapa ó cM Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Demostración citológica del entrecruzamiento Técnica de cromosomas arlequinados Demuestra el intercambio de cromátidas Coincidencia entre quiasma y lugar de intercambio La existencia de recombinación mitótica Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Retinoblastoma hereditario por entrecruzamiento mitótico Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Mitosis Retinoblastoma hereditario por entrecruzamiento mitótico R R r Célula normal R/R R r r r Célula retinoblastoma r/r Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Cartografía en humanos Mapas genéticos (de recombinación) Herencia ligada al cromosoma X Marcadores polimórficos asignados a colecciones de familias (CEPH). alozimas DNA (RFLPs, microsatélites, RAPDs,...) La caza de genes asociados a enfermedades Mapas físicos Métodos especiales de cultivo celular: hibridación de células somáticas Hibridación in situ de sondas de DNA en cromosomas metafásicos Secuenciación del DNA Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Cartografía genética en humanos Estudios familias Herencia ligada al cromosoma X marcadores clásicos Autosómicos marcadores clásicos Cartografía marcador-enfermedad La caza de genes asociados a enfermedades Cartografía marcador-marcador Estudios marcadores polimórficos asignados a colecciones de familias (CEPH). DNA (Microsatélites, RFLPs, RAPDs,...) Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Mapa genético de alta resolución del Cromosoma 1 Homo sapiens. The Cooperative Human Linkage Center http://lpg.nci.nih.gov/CHLC/ Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Cartografía a través de la herencia ligada al cromosoma X (359 loci se han asignado al 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 Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Ligamiento y recombinación en bacterias y virus Procesos sexuales en bacterias y virus: Transformación, conjugación, transducción y sexducción en bacterias y recombinación vírica Conjugación Ciclo biológico de fagos Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Procesos sexuales en bacterias y virus Proceso sexual: combinación del material genético de dos individuos distintos Sexducción Transducción Conjugación Transformación Recombinación vírica Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Incorporación del material genético por transformación Se requiere un doble entrecruzamiento para la transformación Ejemplo del uso de la fecuencia de transformación para estimar distancias genéticas: Una cepa his+ met+ se transforma con his- met- 34 hist- met+ 28 hist+ met- 194 hist- met- Distancia entre ambos genes = (transformantes sencillos/total transformantes) = (34 + 28 )/(34 + 28 + 194) = 0,24 Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Conjugación bacteriana Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Cinética conjugación bacteriana Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Conjugación, recombinación y mapas Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Mapa bacteriano por conjugación. Unidades en minutos Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Virus bacteriófagos: Fase lítica o infecciosa Fase lisogénica (la bacteria o huésped lisogénico y el fago temperado) Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos Virus bacteriófagos: Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos

Especializada o restringida Generalizada Transducción: Especializada o restringida Generalizada Recombinación bacteriana por transducción Tema 5: Ligamiento y mapas genéticos