Síla vazby genů a mapování

Příklad výpočtu c a p

U kukuřice (Zea mays) je pár alel C/c řídící zbarvení aleuronové vrstvy obilek ve vazbě s párem alel S/s, řídící tvar obilek. Mezi alelami jednotlivých genů platí vztah dominance. C – fialové zbarvení alleuronu, c - nezbarvený aleuron S – hladké obilky, s – svrasklé obilky   Provede-li se klasický genetický pokus pro vznik hybridní generace a její testování zpětným křížením získáme všechny možné kombinace alel a fenotypů, jako by šlo o volnou kombinovatelnost. Oba geny jsou však na jednom chromozomu. Podíl jednotlivých fenotypů není roven poměru 1:1:1:1, jako při volné kombinovatelnosti.

Křížené rodičovské komponenty jsou ve fázi cis. Dihybrid F₁ generace tvoří nerekombinované gamety CS a cs s větším podílem a s menším podílem gamety rekombinované Cs a cS. Po zpětném křížení s recesivním homozygotem ccss byly zjištěny tyto hodnoty:

Batesonovo číslo:

c = (a₁ + a₄)/(a₂ + a₃) = (4 032 + 4 035)/(149 + 152) = 8 067/301 = 26,8

Gamety s rodičovskou sestavou vznikají 26,8krát častěji než rekombinované gamety.

Morganovo číslo:

p = (a₂ + a₃)/(a₁ + a₂ + a₃ + a₄) = (149 + 152)/(4 032 + 149 + 152 + 4035) = 301/8 368 = 0,035 M = 3,5 cM

Podíl rekombinovaných gamet je 3,5 % a vzdálenost mezi lokusy C a S je tedy 3,5 cM.

Při mapování dvou genů můžeme zjistit jejich vzájemnou vzdálenost, jako v tomto příkladě (3,5 cM mezi geny C a S). Nelze však určit v jakém pořadí se geny vyskytují od centromery. Nevíme tedy, zda jejich pořadí je S-C (a) nebo C-S (b).

Konstrukce genetických map

Genetická mapa vyjadřuje:

• vazbou skupinu,
• symboly mutantních genů,
• vzdálenost genů v centimorganech z jednoho konce chromozomu, který je považovaný za nulový bod,
• označení centromery.

Cílem genetického mapování je určit pořadí genů a jejich vzdálenosti na chromozomech. Kromě genetických (rekombinačních) map, využívající rekombinační frekvence a popisující vzdálenosti genů v cM, se konstruují i fyzické mapy založené na sekvencování a jednotkami jsou přímo nukleotidy (lidský genom byl osekvencován na jaře roku 2001). Jejich informace se sjednocují v nejpřesnějším mapování genů ve spojení s cytogenetickými technikami.

Pro genetické mapovaní je výhodnější použít tříbodový test, kdy současně sledujeme dílčí vazbové vztahy (rekombinační frekvence) 3 různých genů, např. A, B, C.

  Postup:

1. Určíme rodičovské genotypy. Jsou to vždy ty, s největší frekvencí. Zde se jedná o genotypy ABC a abc. 
2. Určíme pořadí genů. Vycházíme ze znalosti dvojitého crossing-overu, který určíme z nejnižší frekvence genotypů - zde AbC a aBc. Je nutné si uvědomit, že dvojitý crossing-over přesunuje prostřední alelu mezi nesesterskými chromatidami. Můžeme vidět, že gen B musí být uprostřed, protože recesivní alela b je nyní na stejném chromozomu jako alely A a C a dominantní alela B je na stejném chromozomu jako recesivní alely a a c. Pořadí genů na chromozomu je ABC.
3. Určíme vazbové vzdálenosti mezi geny. Určíme vazbové vzdálenosti mezi geny A-C a C-B. Vazba se vypočítá jako podíl celkového počtu rekombinantních gamet k celkovému počtu gamet (~ Morganovo číslo p). Je třeba vzít v úvahu dvojitý crossing-over. Do obou výpočtů vzdálenosti se proto začlení jeho hodnota.

• A-B vzdálenost: (89+94+3+5)/1448 = 0,1319 ~ 13,19 cM
• B-C vzdálenost: (45+40+3+5)/1448 = 0,0642 ~ 6,42 cM
• Jestliže je správné konstatování, že překřížení je funkcí vzdálenosti mezi geny, pak můžeme stanovit mezi geny A a C, jako součet dvou frekvencí jednoduchých c.-o.: 13,19 + 6,42 = 19,61 cM. V daném případě však celkový počet jednotlivých c.o. mezi geny A a C činí (89+94+45+40)/1448 = 0,1851 ~ 18,51 cM. Vzdálenost mezi geny A a C vyjádřena součtem jednotlivých c.o. je větší o 1,1 cM než celá vzdálenost A-C.
• Určení vzdálenosti mezi geny A a C: 18,51 + 2x0,55 = 19,61 cM. Zdvojení procenta dvojitých c.o. je nutné proto, že každý dvojitý c.o. vzniká na základě dvou nezávislých jednoduchých zlomů ve dvou bodech.   

4. Nakreslení mapy.

Proč se hodnota celého úseku AC nerovná součtu dílčích úseků AB a BC?

Interference a koeficient koincidence

Mapování genů je tím přesnější, čím jsou vzájemně v silnější vazbě a čím méně se uplatňuje tzv. interference. Do asi 20 - 25 cM je mapová vzdálenost shodná s rekombinační frekvencí. Nad 20 - 25 cM se vzdálenosti "prodlužují" (vzrůstá počet vícenásobných rekombinací) a sčítání dílčích mapových vzdáleností je více nepřesné a nad 0,35 cM nespolehlivé.  

Interference (I) se měří mezi crossing-overy v dané oblasti chromozomu. Vyskytne-li se dvojitý crossing-over, lze uvažovat o interferenci. Dané specifické rekombinační poměry ve dvou sousedních chromozomových vzdáleností, pak poměr dvojitých crossing-overů je v této oblasti roven součinu jednoduchých crossing-overů: (0,1319 x 0,0642)*100 = 0,847 % dvojitých rekombinací. V našem případě by se jednalo o  12,3 dvojitých rekombinantů (1448 * 0,00847). Ve skutečnosti jich bylo odhaleno jen 8.  

K měření interference je nutné nejdříve vypočítat koeficient koincidence (c.o.c.), který je dán poměrem pozorovaných k očekávaným dvojitým crossing-overům (2c.o.). Interference je pak rovna 1- c.o.c.

Pro náš případ je hodnota interference 33 % [(1 - 8/12)*100].

Vazbová nerovnováha

Při neúplné vazbě dvou genů na homologních chromozomech se předpokládá jejich rovnoměrné rozložení v populaci - frekvence všech 4 kombinací ve stejném poměru (AB, Ab, aB, ab). Často dochází k odchylkám a nerovnoměrnému rozložení - určité kombinace se vyskytují častěji než jiné. Tomuto stavu nerovnoměrné frekvenci alel vázaných genů se říká vazbová nerovnováha. Vysvětlení možných příčin: 

• populace se vyvíjí v izolaci s inbridingem a náhodným genetickým driftem,
• asociace více alel je dána jejich evoluční výhodností,
• od vzniku alel neuplynula delší doba, aby dosáhly rovnováhy.

Využití vazbové nerovnováhy se v současné době hledá v mapování lokusů kvantitativních vlastností (QTL) pomocí genetických markerů a její možné využití ve šlechtění.