Tema 8: Cartografía genética Mapas genéticos b pr c 19,5 5,9 23,7 25,4 Tema 8: Cartografía genética

Cartografía (mapas) genéticos 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

Dos mapas mejor que uno. Mapa del metro y de calles de Londres Tema 8: Cartografía genética

Mapas genéticos y físicos Tema 8: Cartografía genética

¿Cómo podemos predecir la transmisión genética de genes ligados? B A A B b a a b Tema 8: Cartografía genética

Tema 8: Cartografía genética 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

AB Ab aB ab AB Ab aB ab A B -- --- a b AB ----- ab Gametos resultantes de doble heterocigoto de genes no ligados 50% parentales y 50% recombinantes AB Ab aB ab 25 % 25 % A B -- --- a b Gametos resultantes de doble heterocigoto de genes ligados AB Ab aB ab x % y % x % AB ----- ab La fracción de gametos recombinantes es impredecible a priori X e Y dependen de los genes considerados Tema 8: Cartografía genética

Tema 8: Cartografía genética Supuesto: las frecuencias de entrecruzamiento, y por tanto la frecuencia de recombinación, depende de la distancia entre genes C A B 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

Tema 8: Cartografía genética B C Meiosis 1 2 3 4 Tema 8: Cartografía genética

A mayor frecuencia de recombinación mayor la distancia entre loci Mayor distancia entre loci --> Mayor número de entrecruzamientos Más Entrecruzamientos ---> Más Recombinación A mayor frecuencia de recombinación mayor la distancia entre loci Distancia El número de entrecruzamientos por meiosis y por cromosoma se puede representar por una distribución aleatoria de Poisson, con media  Tema 8: Cartografía genética

Tema 8: Cartografía genética 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

Tema 8: Cartografía genética Ejemplo: Cruzamiento de T. 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 8: Cartografía genética

Tema 8: Cartografía genética 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 pueden ordenar tres genes o más genes cuyas distancias se han medido dos a dos Tema 8: Cartografía genética

FR (frecuencia de rec) = 305/2839 = 0,107 = 10,7 cM Fenotipos F 2 pr+ vg+ 1339 pr vg 1195 pr+ vg 151 pr vg+ 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

¿Cuál es la distancia entre ambos genes? The first genetic linkage map (A.H. Sturtevant 1913 Journal experimental Zoology) ¿Cuál es la distancia entre ambos genes? Tema 8: Cartografía genética

Tema 8: Cartografía genética 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; 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 8: Cartografía genética

Tema 8: Cartografía genética 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 Tema 8: Cartografía genética B

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 5,9 19,5 c 23,7 Distancia experimento dos puntos b-c

Tema 8: Cartografía genética 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 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 8: Cartografía genética

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 observada (%) 40 30 20 10 Zona de linealidad =1 =2 =3 =4 Número medio de entrecruzamientos por meiosis entre los dos loci 50 100 150 200 Tema 8: Cartografía genética Unidades de mapa reales

Demostración función de mapa λ = Número medio de entrecruzamientos por meiosis entre los dos loci Probabilidad uno o más entrecruzamiento entre los dos loci =

entrecruzamiento = 8/16 = 50% ¿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 n entrecruzamientos FR promedio de un doble entrecruzamiento = 8/16 = 50% Tema 8: Cartografía genética

Demostración 2: Muchos entrecruzamientos entre a y b ¿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

Función de mapa FR observada (%) =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 entre los dos loci 50 100 150 200 Tema 8: Cartografía genética Unidades de mapa reales

Aplíquese la corrección de Haldane en este mapa de tres marcadores La mejor estima distancia, suma (b-pr) + (pr-c) 25,4 b pr 5,9 19,5 c 23,7 Distancia experimento dos puntos b-c Para la distancia 19,5 lamba es 0,494. Eso quiere decir que la distancia real es 0,494/2= 24,7 cM Para 5,9 -> es 0,063 Distancia total es: 31 cM Error: 31-25,4 =6,4 cM Relativo a la distancia real: 6,4/31 = 21% menos De la corrección efectuada, ¿a qué conclusión se llega si se quieren elaborar mapas genéticos fiables? Tema 8: Cartografía genética

Tema 8: Cartografía genética Mapa a partir de cruzamientos prueba de tres puntos (tres loci en el mismo cromosoma) 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 8: Cartografía genética

Tema 8: Cartografía genética Ejemplo: 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 prpr bb cc F1 pr+ pr b+b c+ c X pr pr bb vg vg Si no están ligados Si están ligados completamente 1/8 prpr bb cc 1/2 prpr bb cc 1/8 prpr bb c+c 1/2 pr+pr b+b c+c 1/8 pr+pr bb cc 1/8 pr+pr bb c+c 1/8 prpr b+b cc 1/8 prpr b+b c+c 1/8 pr+pr b+b cc 1/8 pr+pr b+b c+c 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 F2 Tema 8: Cartografía genética

Resultados del cruzamiento prueba, F2 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 Genotipo Número Número de recombinantes entre b-pr pr-c b-c Salvaje pr+pr b+b c+c 5701 Black, purp, cur prpr bb cc 5617 Purp,curved prpr b+b cc 388 388 388 Black pr+pr bb c+c 367 367 367 Curved pr+pr b+b cc 1412 1412 1412 Black,purp prpr bb c+c 1383 1383 1383 Purp prpr b+b c+c 60 60 60 Black,curved pr+pr bb cc 72 72 72 Total 15 000 887 2927 3550 Tema 8: Cartografía genética

Resultados del cruzamiento prueba, F2 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 B C a b c A b C a B c Tema 8: Cartografía genética

Resultados del cruzamiento prueba, F2 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 Genotipo Número Número de recombinantes entre b-pr pr-c b-c Salvaje pr+pr b+b c+c 5701 Black, purp, cur prpr bb cc 5617 Purp,curved prpr b+b cc 388 388 388 Black pr+pr bb c+c 367 367 367 Curved pr+pr b+b cc 1412 1412 1412 Black,purp prpr bb c+c 1383 1383 1383 Purp prpr b+b c+c 60 60 60 Black,curved pr+pr bb cc 72 72 72 El gen pr está en el medio Tema 8: Cartografía genética

Resultados del cruzamiento prueba, F2 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 Genotipo Número Número de recombinantes entre b-pr pr-c b-c Salvaje pr+pr b+b c+c 5701 Black, purp, cur prpr bb cc 5617 Purp,curved prpr b+b cc 388 388 388 Black pr+pr bb c+c 367 367 367 Curved pr+pr b+b cc 1412 1412 1412 Black,purp prpr bb c+c 1383 1383 1383 Purp prpr b+b c+c 60 60 60 Black,curved pr+pr bb cc 72 72 72 El gen pr está en el medio Tema 8: Cartografía genética

Resultados del cruzamiento prueba, F2 Distancias de mapa: a la distancia entre genes consecutivos debe sumarse las frecuencias de los dobles entrecruzamientos 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% Tema 8: Cartografía genética

Tetrada meiótica Gametos Distancia b-pr = frec rec sencillos + frec rec dobles Entrecruzamiento entre b y pr b pr c b pr c b pr c 388 367 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 60 72 b+ pr+ c+ b+ pr c+ b+ pr+ c+ b+ pr+ c+ 887 Distancia b-pr = 887/15000 = 0,059 = 5,9 % = 5,9 cM Tema 8: Cartografía genética

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-c sin considerar los dobles recombinantes ¿Se podría hacer una corrección para mejorar la estima de las distancias? Tema 8: Cartografía genética

Tema 8: Cartografía genética 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

Mapa de ligamiento parcial de los 4 cromosomas de Drosophila melanogaster Tema 8: Cartografía genética

Tema 8: Cartografía genética

Mapas genéticos (de recombinación) versus mapas físicos Tema 8: Cartografía genética

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

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 entrecruzamientos 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 8: Cartografía genética

Tema 8: Cartografía genética Análisis de tétradas Los hongos ascomicetos retienen los cuatro productos haploides de cada meiosis en un saco denominado asca Tema 8: Cartografía genética

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 Neurospora crassa Aspergillus nidulans Ustigalo hordei Coprinus lagopus Ascobolus immersus Saccharomyces cerevisiae Basidiomiceto Basidiomiceto Tétradas Octadas Tétradas Octadas Patrones distintos de ascosporas y ascas en Neurospora No ordenadas Lineales Tema 8: Cartografía genética

Crecimiento de las hifas en N. crassa Fenotipos mutantes de Neurospora crassa Tema 8: Cartografía genética

Meiosis y mitosis postmeiótica en la tétrada lineal de Neurospora Tema 8: Cartografía genética

Distancia de un locus al centrómero en Neurospora No recombinación entre el locus y el centrómero 4:4 Tema 8: Cartografía genética

Distancia de un locus al centrómero en Neurospora Recombinación entre el locus y el centrómero 2:2:2:2 Tema 8: Cartografía genética

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 8: Cartografía genética

Cartografía genética en humanos Tema 8: Cartografía genética

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 Tema 8: Cartografía genética 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 (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

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

Tema 8: Cartografía genética ¿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. 1913. Alfred Sturtevant creates the world's first genetic map Vídeos Genetic Recombination and Gene Mapping Lecture on Linkage and Recombination, Genetic maps | MIT 7.01SC by Professor Eric Lander Lecturas de Scitable Nature Education Thomas Hunt Morgan, Genetic Recombination, and Gene Mapping Tema 8: Cartografía genética