Genų susiejimas: rekombinacija, genetinio žemėlapio kūrimas ir centimorganas

Genetinis ryšys atsiranda tada, kai skirtingų lokusų aleliai nesiskirsto atsitiktinai. Taip pažeidžiamas antrasis Mendelio dėsnis – nepriklausomo alelių pasiskirstymo dėsnis. Praktikoje genai yra susiję, kai jie lokalizuoti toje pačioje chromosomoje ir todėl mejozės metu linkę paveldėti kartu.

Rekombinacija ir kryžminimas

Mejozės profazės metu homologinės chromosomos gali keistis segmentais per vadinamąjį kryžminimą (crossing-over). Šis procesas – homologinės rekombinacijos forma – susidaro chiazmos taškuose ir priveda prie alelių persimetimo tarp kromosomų. Todėl net jei du genai yra toje pačioje chromosomoje, jų aleliai gali būti atskirti ir patekti į skirtingas dukterines ląsteles.

Kryžminimo tikimybė priklauso nuo fizinio atstumo tarp genų: kuo toliau vienas nuo kito, tuo didesnė tikimybė, kad tarp jų įvyks kryžminimas. Tačiau reikia atsižvelgti į papildomus veiksnius:

rekombinacijos karščio taškai (hotspots) – genomo sritys su padidėjusia rekombinacijos dažniu,
interferencija – vieno kryžminimo įvykis gali sumažinti tikimybę, kad netoli įvyks antrasis,
chromosominės struktūros pokyčiai (pvz., inversijos) gali slopinti rekombinaciją.

Kaip apskaičiuojama rekombinacijos dažnis (RF)

Genetinį atstumą tarp dviejų žymenų nustatoma pagal palikuonių, kurių poveikiai rodo rekombinaciją, dalį. Rekombinacijos dažnis (RF) skaičiuojamas taip:

RF = (rekombinantinių palikuonių skaičius / bendras palikuonių skaičius) × 100 %

Pavyzdys: jei iš 200 palikuonių 20 yra rekombinantai, tai RF = (20/200) × 100 % = 10 %. Tai interpretuojama kaip 10 žemėlapio vienetų.

Genetinio žemėlapio vienetas ir centimorganas

Istoriškai atstumas tarp genų žymimas genetinio žemėlapio vienetu (m.u.), dažniau vartojamas terminas – centimorganas (cM). Centimorganas apibrėžiamas kaip toks atstumas tarp genų, kurio rezultatui 1 iš 100 mejozės produktų yra rekombinantinis (t. y. 1 % rekombinacijos dažnis ≈ 1 cM).

Svarbu pabrėžti, kad 1 cM nėra fiksuotas fizinis atstumas nukleotidais; jis skiriasi tarp organizmų ir net skirtingose to paties organizmo chromosomos vietose. Pavyzdžiui, žmogaus genome vidutiniškai ~1 cM atitinka maždaug 1 Mb, tačiau ši koreliacija labai kinta dėl hotspotų, centromerinių regionų ir kt.

Genetinio žemėlapio kūrimas

Pirmasis istorinis metodas genams chromosomose kartografuoti buvo remiantis dviejų požymių kryžminimu ir rekombinacijos dažnio skaičiavimu. Vėliau atsirado patikimesni metodai:

dviejų taškų (two-point) analizė – nustato atstumą tarp poros žymenų;
trijų taškų (three-point) testas – leidžia nustatyti genų eiliškumą ir aptikti dvigubus kryžminimus, kurie kitu atveju gali būti nepastebėti;
molekuliniai žymenys (SNP, RFLP, microsatellites) leidžia didesnį tikslumą ir platesnį genų žemėlapio aprėptį;
skaitmeninės (sequencing-based) ir statistinės programos (pvz., MSTmap, JoinMap) – automatizuoja didelių žemėlapių sudarymą.

Sudarant susiejimo žemėlapį, paprastai stengiamasi vengti didelių tarpų tarp ženklų, nes ilgi intervalai padidina tikimybę, kad tarp didelių atstumų įvyks keli kryžminimo įvykiai (dvigubi ar trigubi kryžminimai), kurie ne visada bus pastebėti ir tuomet žemėlapio atstumas bus nepakankamai įvertintas.

Ribotumai ir papildomi faktoriai

Dvigubi kryžminimai sumažina stebimą rekombinacijos dažnį, todėl RF ne visada tiesiogiai atitinka tikrąjį fizinį atstumą. Tam naudojamos žemėlapių funkcijos (pvz., Haldane'o ar Kosambi), kad RF būtų transformuotas į atstumą, koreguojant dėl galimų daugkartinių kryžminimų.
Lytinis skirtumas: daugelyje rūšių moterų ir vyrų rekombinacijos dažnis skiriasi, todėl žemėlapiai gali skirtis pagal lytį.
Rekombinacijos nelygumas genomo atžvilgiu (hotspotai ir „šalčio“ sritys) – ne visur yra vienodas.
Struktūrinės chromosomos variacijos (inversijos, translokacijos) gali visiškai slopinti rekombinaciją tarp tam tikrų regionų.

Praktinė reikšmė

Susiejimo analizė ir genetiniai žemėlapiai yra esminiai genetikos ir genomikos sritys, naudojamos:

ligų genu lokalizacijai (linkage mapping), ypač šeimų/pedigrių analizėse,
augintinių ir pasėlių selekcijai (linkage mapping ir marker-assisted selection),
fundamentiniams tyrimams apie genų išsidėstymą, rekombinacijos mechanizmus ir genomo evoliuciją.

Apibendrinant: genų susiejimas kyla dėl jų buvimo toje pačioje chromosomoje, tačiau mejozės metu vykstantis kryžminimas (DNR rekombinacija) gali atskirti alelius. Genetinio žemėlapio vienetas – centimorganas (cM) – suteikia praktinį būdą matuoti genų atstumus remiantis rekombinacijos dažniu, tačiau šis matas privalo būti interpretuojamas atsižvelgiant į rekombinacijos nelygumus ir kitas biologines įtakas.

Susiję puslapiai

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra genetinis ryšys?

A: Genetinis susiejimas atsiranda tada, kai aleliai skirtinguose lokusuose nesegreguoja atsitiktinai, pažeidžiant antrąjį Mendelio dėsnį. Genai yra susiję, kai jie yra toje pačioje chromosomoje ir yra linkę likti kartu mejozės metu.

Klausimas: Kaip galima atskirti alelius toje pačioje chromosomoje?

A: Tos pačios chromosomos aleliai gali būti atskirti kryžminant DNR mejozės metu, kai chromosomos segreguojasi. Tikimybė, kad tai įvyks, padidėja, jei aleliai chromosomoje yra toli vienas nuo kito, nes didesnė tikimybė, kad tarp jų įvyks kryžminis susikirtimas.

K: Koks metodas buvo naudojamas genams chromosomose atvaizduoti?

A: Pirmasis chromosomose esančių genų kartografavimo metodas buvo apskaičiuoti santykinį atstumą tarp dviejų genų, naudojant organizmo palikuonis, kuriems būdingi du susiję genetiniai požymiai. Nustatomas procentas palikuonių, kurių abu požymiai nesutampa, o didesnis procentas rodo, kad genai chromosomoje yra arčiau vienas kito.

K: Kas yra genetinio žemėlapio vienetas (m.v.) arba centimetrinis organas?

A: Genetinio žemėlapio vienetas (m.v.) arba centimetrinis organas apibrėžiamas kaip atstumas tarp genų, kurių vienas iš 100 mejozės produktų yra rekombinantinis. Rekombinacijos dažnis (RF) 1 % atitinka 1 m.u.

Klausimas: Kaip sudaromas sąsajų žemėlapis?

A: Ryšių žemėlapį galima sudaryti nustatant žemėlapio atstumus tarp kelių požymių, esančių toje pačioje chromosomoje, idealiu atveju vengiant didelių tarpų tarp požymių, kad vienu metu neįvyktų daugybinis kryžminimasis.

K.: Kas atsitinka, jei kuriant susiejimo žemėlapį tarp požymių yra didelių tarpų?

A: Jei sudarant susiejimo žemėlapį tarp požymių yra didelių tarpų, padidėja tikimybė, kad vienu metu įvyks kelios kryžminimo operacijos, dėl kurių gali būti gauti netikslūs rezultatai, gauti nustatant genų buvimo vietas ir atstumus vienas nuo kito išilgai chromosomų.