¿Cómo se mapea un genoma?

  • Un mapa del genoma destaca los «hitos» clave en la genoma?.
  • Un poco como el mapa del metro de Londres muestra las diferentes paradas en una línea de metro para ayudarlo a moverse por la ciudad, un mapa del genoma ayuda a los científicos a navegar por el genoma.
  • Los puntos de referencia en un mapa del genoma pueden incluir ADN? secuencias, sitios reguladores que giran genes? encendido y apagado o los propios genes.
  • El mapeo del genoma proporcionó la base para el genoma completo secuenciación? y el Proyecto Genoma Humano?.
  • Los fragmentos de ADN secuenciados se pueden alinear con el mapa del genoma para ayudar con el ensamblaje del genoma.
  • Con el tiempo, a medida que los científicos aprenden más sobre un genoma en particular, su mapa se vuelve más preciso y detallado. Un mapa del genoma no es un producto final, sino un trabajo en progreso.

Diferentes tipos de mapeo del genoma

  • Hay dos tipos generales de mapeo del genoma llamados mapeo genético y mapeo físico.
  • Ambos tipos de mapeo genómico guían a los científicos hacia la ubicación de un gen (o sección de ADN) en un cromosoma?, sin embargo, se basan en información muy diferente.
    • El mapeo genético analiza cómo se baraja la información genética entre cromosomas o entre diferentes regiones en el mismo cromosoma durante meiosis? (un tipo de división celular). Un proceso llamado recombinación o «cruce».
    • El mapeo físico analiza la distancia física entre secuencias de ADN conocidas (incluidos los genes) calculando el número de pares de bases? (A-T, C-G) entre ellos.

Ilustración que muestra la diferencia entre las dos formas básicas de mapear un genoma: mapeo genético y mapeo físico.
Crédito de la imagen: Genome Research Limited.

Mapeo genético

Primeros mapas genéticos

  • Alfred Sturtevant creó el primer mapa genético de un cromosoma de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) en 1913.
    • Determinó que los genes estaban dispuestos en cromosomas de manera lineal, como cuentas en un collar, y que los genes para Rasgos? están ubicados en lugares particulares.
    • Propuso que la frecuencia de «cruce» (recombinación) entre dos genes podría ayudar a determinar su ubicación en un cromosoma.
    • Se dio cuenta de que los genes que estaban muy separados en un cromosoma tienen más probabilidades de heredarse por separado simplemente porque hay una región más grande sobre la cual puede ocurrir la recombinación.
    • De la misma manera, los genes que están cerca uno del otro en el cromosoma tienen más probabilidades de heredarse juntos.

Ilustración que muestra el cruce de cromosomas durante la meiosis y cómo esto afecta la probabilidad de que los genes se hereden juntos.
Crédito de la imagen: Genome Research Limited.

  • Al averiguar con qué frecuencia se heredan varias características juntas, es posible estimar la distancia entre los genes. Luego se puede dibujar un mapa de dónde están los genes en relación entre sí en los cromosomas. Esto se denomina mapa de vinculación.
  • Se dice que los genes que están en el mismo cromosoma están «vinculados» y la distancia entre estos genes se denomina «distancia de enlace». Cuanto menor sea la distancia, más probable es que dos genes se hereden juntos.
  • El mismo concepto de estudiar cómo se transmiten los rasgos se aplicó para desarrollar el primer mapa del genoma humano.
  • Si se observaba que dos (o más) características se heredaban con frecuencia juntas en una familia, por ejemplo, cabello rubio y ojos azules, sugería que los genes para las dos características estaban muy juntos en un cromosoma particular.

Ilustración que muestra un mapa genético de los cromosomas de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster). Los nombres de los genes se muestran a la derecha de cada cromosoma. Los números a la izquierda de cada cromosoma representan la distancia entre estos genes.
Crédito de la imagen: Genome Research Limited.

Mapas genéticos modernos

  • Con técnicas de mapeo genético más recientes, la posición de los genes se calcula a partir de encontrar la frecuencia exacta de recombinación genética que ha ocurrido.
  • Para producir un mapa genético, los investigadores recolectan muestras de sangre o tejido de miembros de una familia, algunos de los cuales tienen una determinada enfermedad o característica.
  • Luego, los investigadores aíslan el ADN de muestras tomadas de cada individuo y lo examinan de cerca para encontrar patrones únicos en el ADN de aquellos individuos con la enfermedad / característica, que no están presentes en el ADN de los individuos que no tienen la enfermedad / característica.
  • Estos se conocen como marcadores y son extremadamente valiosos para rastrear la herencia de características o enfermedades a través de varias generaciones de una familia.
  • Un tipo de Marcador de ADN?, llamado microsatélite, se encuentra en todo el genoma y consiste en una secuencia repetida específica de bases.
  • Si un gen en particular está cerca de un marcador de ADN en el cromosoma, es más probable que el gen y el marcador permanezcan juntos durante el proceso de recombinación y, por lo tanto, es más probable que se transmitan juntos a lo largo de la línea familiar (heredados).
  • De la misma manera, si un marcador de ADN y un gen se separan con frecuencia por el proceso de recombinación, sugiere que están muy separados en el cromosoma y es menos probable que se hereden juntos.
  • Cuantos más marcadores de ADN haya en un mapa genético, más probable es que uno de ellos se encuentre cerca de la enfermedad o el gen asociado al rasgo.
  • Si bien los mapas genéticos son buenos para darle una imagen más amplia, tienen una precisión limitada y, por lo tanto, deben complementarse con más información obtenida de otras técnicas de mapeo, como el mapeo físico.

Mapeo físico

  • El mapeo físico da una estimación de la distancia (física) entre secuencias específicas de ADN conocidas en un cromosoma.
  • La distancia entre estas secuencias de ADN conocidas en un cromosoma se expresa como el número de pares de bases entre ellas.
  • Hay varias técnicas diferentes utilizadas para el mapeo físico. Estos incluyen:
    • Mapeo de restricciones (mapeo de huellas dactilares y mapeo óptico)
    • Mapeo fluorescente de hibridación in situ (FISH)
    • Asignación de sitios etiquetados con secuencia (STS).

Mapeo de restricciones

  • Esto utiliza una restricción específica enzimas? para cortar un segmento desconocido de ADN en secuencias de bases cortas y conocidas llamadas sitios de restricción.
  • Las enzimas de restricción siempre cortan el ADN en una secuencia específica de ADN (sitio de restricción). Por ejemplo, la enzima de restricción EcoRI (tomada de Escherichia coli?) siempre corta en la secuencia GAATTC/CTTAAG. Por lo tanto, si usamos EcoRI para cortar el ADN, sabemos que la secuencia de ADN a cada lado del corte será AATT (ver figura a continuación).
  • Un mapa de restricción muestra todas las ubicaciones de ese sitio de restricción en particular (GAATTC) a lo largo del genoma.
  • Se genera un mapa físico alineando los diferentes mapas de restricción a lo largo de los cromosomas.
  • Hay dos tipos específicos de mapeo de restricción: óptico y de huellas dactilares.

Ilustración que muestra el sitio de restricción para la enzima de restricción EcoRI. Las enzimas de restricción siempre cortan el ADN en una secuencia específica de ADN.
Crédito de la imagen: Genome Research Limited.

Mapeo de huellas dactilares

  • En el mapeo de huellas dactilares, el genoma se divide en fragmentos que luego se copian en gérmenes? células?.
  • Las copias de ADN (clones) son cortadas por enzimas de restricción y las longitudes de los fragmentos resultantes se estiman utilizando un método de laboratorio llamado electroforesis?.
  • La electroforesis separa los fragmentos de ADN de acuerdo con el tamaño, lo que resulta en un patrón de bandas distinto.

Ilustración que muestra cómo se crea una huella digital de ADN por electroforesis.
Crédito de la imagen: Genome Research Limited.

  • El mapa de huellas dactilares se construye comparando los patrones de todos los fragmentos de ADN para encontrar áreas de similitud. Aquellos con patrones similares se agrupan para formar un mapa.
  • El mapeo de huellas dactilares formó la base para la secuenciación de los genomas humano, ratón, pez cebra y cerdo.

Ilustración que muestra cómo se pueden comparar las huellas dactilares de ADN para producir un mapa del genoma.
Crédito de la imagen: Genome Research Limited.

Mapeo óptico

  • El mapeo óptico utiliza moléculas individuales de ADN que se estiran y se mantienen en su lugar en una diapositiva.
  • Se agregan enzimas de restricción para cortar el ADN en puntos específicos dejando huecos.
  • Los fragmentos se tiñen con tinte y los huecos se visualizan bajo un fluorescencia? microscopio.
  • La intensidad de la fluorescencia se utiliza para construir un mapa óptico de moléculas individuales.
  • Estos se pueden combinar y superponer para dar una visión global del genoma y ayudar a ensamblar un genoma secuenciado.

Ilustración que muestra el proceso de mapeo óptico.
Crédito de la imagen: Genome Research Limited.

Mapeo fluorescente de hibridación in situ (FISH)

  • Esto utiliza sondas fluorescentes para detectar la ubicación de secuencias de ADN en los cromosomas.
  • Primero, se preparan las sondas. Estas son secuencias cortas de ADN monocatenario, que coinciden con la secuencia de ADN que el científico quiere encontrar.
  • Luego, las sondas se marcan con tinte fluorescente antes de mezclarse con el ADN cromosómico para que pueda unirse a una cadena complementaria de ADN en el cromosoma.
  • La etiqueta fluorescente permite al científico ver la ubicación de la secuencia de ADN en el cromosoma.

Ilustración que muestra cómo se puede utilizar FISH para producir un mapa genético. La fotografía de la izquierda muestra el cromosoma 17 de cuatro polillas salpicadas británicas con sondas fluorescentes que indican las posiciones físicas de genes específicos. La ilustración de la derecha muestra las posiciones relativas de los genes en el cromosoma.
Crédito de la imagen: Adaptado de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia (DOI: 10.1126/science.1203043)

Asignación de sitios etiquetados con secuencia (STS)

  • Esta técnica mapea las posiciones de secuencias cortas de ADN (entre 200-500 pares de bases de longitud) que son fácilmente reconocibles y solo ocurren una vez en el genoma. Estas secuencias cortas de ADN se denominan sitios marcados con secuencia (STS).
  • Para mapear un conjunto de STS se requiere una colección de fragmentos de ADN superpuestos de un solo cromosoma o del genoma completo.
  • Para hacer esto, el genoma primero se divide en fragmentos.
  • Los fragmentos se replican hasta 10 veces en células bacterianas para crear una biblioteca de clones de ADN.
  • El reacción en cadena de la polimerasa (PCR)? se utiliza para determinar qué fragmentos contienen STS. Especial Imprimaciones? están diseñados para unirse a ambos lados del STS para garantizar que solo se copie esa parte del ADN.
  • Si se encuentra que dos fragmentos de ADN contienen el mismo STS, entonces deben representar partes superpuestas del genoma.
  • Si un fragmento de ADN contiene dos STS diferentes, entonces esos dos STS deben estar cerca uno del otro en el genoma.

Ilustración que muestra el proceso de asignación de STS.
Crédito de la imagen: Genome Research Limited.