Información

7.3: El enlace reduce la frecuencia de recombinación - Biología

7.3: El enlace reduce la frecuencia de recombinación - Biología



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Habiendo considerado los loci no vinculados anteriormente, pasemos a la situación opuesta, en la que dos loci están tan juntos en un cromosoma que las combinaciones parentales de alelos siempre se segregan juntas (Figura ( PageIndex {3} )). Este es completo (o absoluto) enlace y es raro, ya que los loci deben estar tan juntos que nunca se detecten cruces entre ellos.


7.3: El enlace reduce la frecuencia de recombinación - Biología

Cuando se descubrió la naturaleza química del gen, la genética ya era una ciencia madura. De hecho, la formulación de Mendel de los principios básicos de la herencia ni siquiera dependía de la comprensión del hecho de que los genes existían dentro de los cromosomas. Más bien, la existencia de genes se infirió únicamente a partir de la expresión en la descendencia de rasgos visibles en las frecuencias predichas en función de los rasgos presentes en las generaciones de los padres y abuelos. Hoy, por supuesto, el campo de la genética abarca un amplio espectro de investigación, desde estudios moleculares sobre regulación genética hasta análisis de frecuencias alélicas en poblaciones naturales, con muchos subcampos intermedios. Para distinguir la versión original de la genética & # 151 la de Mendel y sus seguidores & # 151 de los diversos campos relacionados que se desarrollaron más tarde, se han acuñado varios términos incluyendo & # 034formal & # 034 genética, & # 034 transmisión & # 034 genética, o & # 034classical & # 034 genética. La genética de transmisión es el término más informativo ya que habla directamente de la característica que mejor caracteriza el proceso por el cual se obtienen los datos mendelianos, a través de un análisis de la transmisión de genotipos y fenotipos de padres a hijos.

El propio Mendel solo formuló dos de las tres características generales que subyacen a todos los estudios de la genética de transmisión de organismos que se reproducen sexualmente. Sus formulaciones se han codificado en dos leyes. La primera ley establece, en términos modernos, que cada individuo porta dos copias de cada gen y que solo una de estas dos copias se transmite a cada niño. En el otro extremo de esta ecuación, un niño recibirá un conjunto completo de genes de cada padre, lo que conducirá a la restauración de un genotipo que contiene dos copias de cada gen. Los individuos (y células) que portan dos copias de cada gen se consideran & # 034diploides. & # 034

La primera ley de Mendel entra en funcionamiento cuando los individuos diploides producen & # 034haploides & # 034 gametos & # 151 espermatozoides u óvulos & # 151, que cada uno tiene un único conjunto completo de genes. En los animales, sólo un cierto tipo de célula altamente especializada, conocida como célula germinal, es capaz de sufrir la transformación del estado diploide al haploide a través de un proceso conocido como meiosis. En la división celular en la que se produce esta transformación, las dos copias de cada gen se separarán o segregar unos de otros y pasar a diferentes células hijas (o hermanas). Este evento proporciona el nombre de la primera ley de Mendel: & # 034la ley de la segregación. & # 034 La segregación solo puede observarse a partir de loci que son heterocigotos con dos alelos distinguibles. Como resultado de la segregación, la mitad de los gametos de un individuo contendrá uno de estos alelos y la mitad contendrá el otro. Por tanto, un niño puede recibir cualquiera de los alelos con la misma probabilidad. 43

Si bien la primera ley de Mendel se ocupa de la transmisión de genes individuales aislados entre sí, su segunda ley se formuló en un intento de codificar la forma en que los diferentes genes se transmiten entre sí. En términos modernos, la segunda ley de Mendel establece que la segregación de alelos de cualquier locus no tendrá influencia en la segregación de alelos de cualquier otro locus. En el lenguaje de la probabilidad, esto significa que cada evento de segregación es independiente de todos los demás y esto proporciona el nombre de la segunda ley de Mendel: & # 034la ley del surtido independiente & # 034.

Surtido independiente de alelos en dos loci & # 151 diferentes, por ejemplo, A y B & # 151 solo se puede observar en un individuo heterocigoto en ambos con un genotipo de la forma A/a, B/B como se ilustra en la Figura 7.2. Cada gameto producido por tal individuo llevará solo un alelo del A locus y solo un alelo del B lugar. Dado que los dos alelos se adquieren independientemente el uno del otro, es posible calcular la probabilidad de cualquier combinación alélica en particular simplemente multiplicando la probabilidad de aparición de cada uno solo. Por ejemplo, la probabilidad de que un gameto reciba la A alelo es 0.5 (de la ley de segregación) y la probabilidad de que este mismo gameto reciba el B alelo es similarmente 0.5. Por tanto, la probabilidad de que un gameto tenga una combinación A b el genotipo es 0.5 x 0.5 & # 061 0.25. Se obtienen las mismas probabilidades para las cuatro posibles combinaciones alélicas (A B, a b, A b, a B). Dado que el número de gametos producidos por un individuo es muy grande, estas probabilidades se traducen directamente en las frecuencias en las que cada tipo de gameto está realmente presente y, a su vez, en la frecuencia con la que cada uno se transmitirá a la descendencia (Figura 7.2).

Como todos sabemos hoy, la segunda ley de Mendel es válida solo para genes que no están unidos en el mismo cromosoma. 44 Cuando los genes A y B están vinculados, los números esperados para cada uno de los cuatro conjuntos de alelos se desvían del 25% (Figura 7.3). Dos combinaciones de alelos representarán los arreglos de ligamiento en los cromosomas parentales (por ejemplo, A B y a b), y estas combinaciones se transmitirán cada una a una frecuencia superior al 25%. Las dos clases restantes representarán arreglos recombinantes que se transmitirán a una frecuencia inferior al 25%. En el caso extremo de vinculación absoluta, solo se transmitirán las dos clases parentales, cada una con una frecuencia del 50%. En niveles intermedios de vinculación, la transmisión de las dos clases parentales juntas será superior al 50% pero inferior al 100%.

En 1905, cuando se encontró por primera vez evidencia de vinculación en forma de loci cuyos alelos no se clasificaban de forma independiente, no se apreció su importancia (Bateson et al., 1905). Los términos acoplamiento y repulsión fueron acuñados para explicar este hallazgo inusual a través de algún tipo de fuerza física subyacente. En un libro de genética de 1911, Punnett imaginaba que los alelos de diferentes genes podrían repelerse entre sí, negándose, por así decirlo, a entrar en el mismo cigoto, o podrían atraerse entre sí y, al unirse, pasar al mismo gameto. , por así decirlo de preferencia & # 034 (Punnett, 1911). Lo que esta hipótesis no pudo explicar es por qué los alelos encontrados en repulsión entre sí en una generación podrían acoplarse entre sí en la próxima generación. Pero incluso cuando se publicó el texto de genética de Punnett, tenía una explicación a mano. En 1912, Morgan y sus colegas propusieron que el acoplamiento y la repulsión eran en realidad una consecuencia de la colocalización de genes en el mismo cromosoma: los alelos acoplados son los presentes en el mismo homólogo parental y los alelos en repulsión son los presentes en homólogos alternativos (Morgan y Cattell, 1912 y Figura 7.3). A través del proceso de cruce, los alelos que están en repulsión en una generación (por ejemplo, el A y B alelos en la Figura 7.3) se pueden juntar en el mismo homólogo & # 151 y así acoplarse & # 151 en la próxima generación. En 1913, Sturtevant utilizó las velocidades a las que se producía el cruzamiento entre diferentes pares de loci para desarrollar el primer mapa de ligamiento con seis genes en el cromosoma X de Drosophila (Sturtevant, 1913). Aunque la justificación original de los términos acoplamiento y repulsión se eliminó con esta nueva comprensión, los términos mismos se han conservado en el lenguaje de los genetistas (especialmente los genetistas humanos). Si los alelos en dos loci enlazados están acoplados o en repulsión se conoce como fase de vinculación.

El propósito de este capítulo es desarrollar los conceptos de genética de transmisión tal como se aplican a los estudios contemporáneos del ratón. Esta discusión no pretende ser exhaustiva. Más bien, se centrará en los protocolos y problemas específicos que son más relevantes para los investigadores que buscan colocar genes en el mapa de ligamiento del ratón y aquellos que desean determinar la base genética de varios rasgos que se expresan de manera diferente por diferentes animales o cepas.

7.2.2 Vinculación y recombinación

7.2.2.1 El retrocruzamiento

Genético vinculación es una consecuencia directa de la físico enlace de dos o más loci dentro del mismo par de moléculas de ADN que definen un conjunto particular de homólogos cromosómicos dentro del genoma diploide. El enlace genético se demuestra en ratones a través de experimentos de reproducción en los que uno o ambos padres son detectablemente heterocigotos en cada uno de los loci bajo investigación. En la forma más simple de análisis de ligamiento & # 151 denominado retrocruzamiento & # 151 sólo un padre es heterocigoto en cada uno de dos o más loci, y el otro padre es homocigoto en estos mismos loci. Como resultado, la segregación de alelos alternativos ocurre solo en los gametos que derivan de uno de los padres, y los genotipos de la descendencia proporcionan una determinación directa de la constitución alélica de estos gametos. El retrocruzamiento simplifica enormemente la interpretación de los datos genéticos porque permite saltar directamente de los genotipos de la descendencia a las frecuencias con las que el progenitor heterocigoto forma diferentes productos meióticos.

Para cada locus bajo investigación en el retrocruzamiento, se deben elegir genotipos heterocigotos y homocigotos apropiados para que la segregación de alelos de los padres heterocigotos pueda seguirse en cada una de las crías. Para los loci que no han sido clonados, el genotipo de la descendencia solo puede determinarse mediante un análisis fenotípico. En este caso, si los dos alelos presentes en el padre heterocigoto muestran una relación dominante / recesiva completa, entonces el otro padre debe ser homocigótico para el alelo recesivo. Por ejemplo, el A alelo en el locus agutí hace que un ratón tenga un color de pelaje "agutí" con bandas, mientras que el a El alelo determina un color de pelaje sólido "no agutí". Desde el A alelo es dominante para a, el padre homocigoto debe ser un / a. En un A / a x a / a retrocruzamiento, la aparición de crías agutí indicaría la transmisión de la A alelo del progenitor heterocigoto, y la aparición de descendencia no agutí indicaría la transmisión de la a alelo.

En el caso que se acaba de describir, el alelo de tipo salvaje (A) es dominante y el alelo mutante (a) es recesivo. Por tanto, el padre homocigoto debe portar el alelo mutante (a / a) y expresan un color de pelaje no agutí. En otros casos, sin embargo, la situación se invierte con mutaciones que son dominantes y alelos de tipo salvaje que son recesivos. Por ejemplo, el T mutación en el T locus provoca un acortamiento dominante de la cola. Por tanto, si el T locus fueran incluidos en un retrocruzamiento, el genotipo heterocigoto sería T / & # 043 y el genotipo homocigoto sería de tipo salvaje (+/+) para permitir distinguir la transmisión de la T alelo (dentro de la descendencia de cola corta) del + alelo (dentro de la descendencia de cola normal).

Como se discutió en el Capítulo 8, la mayoría de los loci ahora se tipifican directamente mediante técnicas basadas en ADN. Siempre que ambos alelos de ADN en un locus particular puedan distinguirse entre sí, 45 no importa cuál se elija para su inclusión en el genotipo general del parental homocigoto. Lo mismo es válido para todos los loci fenotípicamente definidos en los que los pares de alelos actúan de forma codominante o incompletamente dominante. En todos estos casos, el heterocigoto (A 1 / A 2 por ejemplo) se puede distinguir de ambos homocigotos (A 1 / A 1 y A 2 / A 2 ).

7.2.2.2 Distancias del mapa

En el ejemplo presentado en la Figura 7.3, un animal es heterocigoto en los dos loci enlazados, lo que da como resultado dos conjuntos complementarios de alelos acoplados & # 151 A B y a b. El genotipo de este animal se escribiría de la siguiente manera: AB/ab. 46 En ausencia de un cruce entre homólogos durante la meiosis, uno u otro conjunto acoplado & # 151 A B o a b & # 151 se transmitirá a cada gameto. Sin embargo, si ocurre un evento cruzado entre el A y B loci, se transmitirá una combinación de alelos no parental a cada gameto. En el ejemplo que se muestra en la Figura 7.3, la frecuencia de recombinación entre loci A y B se puede calcular directamente determinando el porcentaje de descendencia formada a partir de gametos que contienen una de las dos combinaciones de alelos no parentales o recombinantes. En este ejemplo, la frecuencia de recombinación es del 10%.

En un primer grado, el cruzamiento ocurre en sitios aleatorios a lo largo de todos los cromosomas del genoma. Una consecuencia directa de esta aleatoriedad es que cuanto más separados estén dos loci enlazados de cada uno, más probable es que ocurra un evento de cruce en algún lugar dentro de la longitud del cromosoma que se encuentra entre ellos. Por tanto, la frecuencia de recombinación proporciona una estimación relativa de la distancia genética. Las distancias genéticas se miden en centimorgans (cM) con un centimorgan definido como la distancia entre dos loci que se recombinan con una frecuencia del 1%. Por tanto, como un ejemplo adicional, si dos loci se recombinan con una frecuencia del 2,5%, esto representaría una distancia genética aproximada de 2,5 cM. En el ratón, las correlaciones entre distancias genéticas y físicas han demostrado que un centimorgan es, de media, equivalente a 2.000 kilobases. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la tasa de equivalencia puede variar mucho debido a los numerosos factores que se analizan en la Sección 7.2.3.

Aunque la frecuencia de recombinación entre dos loci es aproximadamente proporcional a la longitud del ADN que los separa, cuando esta longitud se vuelve demasiado grande, la frecuencia se acercará al 50%, lo que es indistinguible de lo esperado con loci no ligados. El tamaño medio de un cromosoma de ratón es de 75 cM. Por lo tanto, incluso cuando los genes se encuentran en el mismo cromosoma, no son necesariamente vinculados entre sí según la definición formal del término. Sin embargo, un grupo de vinculación incluye todos los genes que se han vinculado por asociación. Por tanto, si el gen A está relacionado con el gen By gen B está relacionado con el gen C, los tres genes juntos & # 151 A B C & # 151 forman un grupo de vinculación incluso si los miembros más distantes del grupo no muestran vinculación entre sí.

7.2.2.3 Interferencia genética

A priori, se podría suponer que todos los eventos de recombinación dentro de la misma célula meiótica deberían ser independientes entre sí. Una consecuencia directa de esta suposición es que la relación lineal entre la frecuencia de recombinación y la distancia genética (aparente en el rango de centimorgan de un solo dígito) debería degenerar al aumentar las distancias. La razón de esta degeneración es que a medida que aumenta la distancia entre dos loci, también lo hace la probabilidad de que ocurran múltiples eventos de recombinación entre ellos. Desafortunadamente, si ocurren dos, cuatro o cualquier otro número par de cruces, los gametos resultantes aún retendrán la combinación parental de alelos acoplados en los dos loci bajo análisis, como se muestra en la Figura 7.4. Los recombinantes dobles (así como cuádruples) no serán detectablemente diferentes de los no recombinantes. Como consecuencia, la frecuencia de recombinación observada será menor que la frecuencia de recombinación real.

Considere, por ejemplo, dos loci que están separados por una distancia genética real de 20 cM. De acuerdo con la teoría de la probabilidad simple, la probabilidad de que ocurran dos eventos de recombinación independientes en este intervalo es el producto de las frecuencias predichas con las que cada uno ocurrirá solo, que es 0.20 para una distancia de 20 cM. Por tanto, la probabilidad de un evento de doble recombinación es 0,2 x 0,2 = 0,04. El hecho de no detectar la recombinación en el 4% de los gametos significa que dos loci separados por 20 cM solo show recombinación a una frecuencia de 0,16. 47 Un cálculo similar indica que a 30 cM, la frecuencia observada de productos recombinantes se eliminará aún más a 0,21. En 1919, Haldane simplificó este tipo de cálculo al desarrollar una ecuación general que podría proporcionar valores para las fracciones de recombinación en todas las distancias del mapa basándose en la formulación que se acaba de describir. Esta ecuación se conoce como la & # 034 función de mapeo de Haldane & # 034 y relaciona la fracción esperada de la descendencia con los cromosomas recombinantes detectables (r) a la distancia real del mapa en morgans (metro) 48 que separa los dos loci (Haldane, 1919):

Después de trabajar en este ajuste hipotético de las tasas de recombinación, ha llegado el momento de afirmar que múltiples eventos de recombinación en el mismo cromosoma no son independientes entre sí. En particular, un evento de recombinación en una posición de un cromosoma actuará para interferir con el inicio de otros eventos de recombinación en su vecindad. Este fenómeno se conoce, apropiadamente, como & # 034interferencia & # 034. La interferencia se observó por primera vez en el contexto de un número significativamente menor de cruces dobles de lo esperado en los datos obtenidos de algunos de los primeros estudios de vinculación realizados en Drosophila (Muller, 1916). Desde entonces, se ha demostrado la interferencia en todos los organismos eucariotas superiores para los que se han generado suficientes datos genéticos.

Se ha descubierto que una interferencia significativa se extiende a distancias muy largas en los mamíferos. El análisis cuantitativo más extenso de interferencia se ha realizado en marcadores del cromosoma 9 humano que se tipificaron en los productos de 17.316 eventos meióticos (Kwiatkowski et al., 1993). Dentro de intervalos de 10 cM, solo se encontraron dos eventos de doble cruce; esta frecuencia observada de 0,0001 es 100 veces más baja de lo esperado en ausencia de interferencia. Dentro de intervalos de 20 cM, hubo 10 eventos de doble cruce (incluidos los dos anteriores), esta frecuencia observada de 0,0005 es todavía 80 veces menor que la predicha sin interferencia.A medida que las distancias de los mapas aumentan más allá de los 20 cM, la fuerza de la interferencia disminuye, pero incluso a distancias de hasta 50 cM, sus efectos aún se pueden observar (Povey et al., 1992). 49

Si se supone que el cromosoma 9 humano no es único en sus propiedades recombinantes, la implicación de este análisis es que para los experimentos en los que se tipifican menos de 1000 eventos meióticos humanos, los cruces múltiples dentro de intervalos de 10 cM serán extremadamente improbables, y dentro de los 25 cM. intervalos, todavía serán bastante raros. Los datos que evalúan los cruces dobles en el ratón no son tan extensos, pero sugieren un grado similar de interferencia (King et al., 1989). Por lo tanto, para todos los propósitos prácticos, es apropiado convertir fracciones de recombinación de 0.25, o menos, directamente en distancias centimorgánicas mediante una simple multiplicación por 100.

Cuando sea necesario trabajar con fracciones de recombinación que sean mayores que 0,25, es útil utilizar una función de mapeo que incorpore la interferencia en una estimación de la distancia del mapa. Dado que los efectos de la interferencia solo pueden determinarse empíricamente, no se puede derivar tal función de mapeo a partir de los primeros principios.

En cambio, se han desarrollado ecuaciones que se ajustan a los resultados observados en varias especies (Crow, 1990). La función de mapeo más conocida y más utilizada es una de las primeras desarrolladas por Kosambi (1944):

Al resolver la Ecuación 7.2 para la fracción de recombinación observada, r, se obtiene el & # 034Kosambi estimado & # 034 de la distancia del mapa, m K , que se convierte en centimorgans mediante la multiplicación por 100. Posteriormente, Carter y Falconer (1951) desarrollaron una función de mapeo que asume niveles de interferencia aún mayores en base a los resultados obtenidos con estudios de ligamiento en el ratón: 50

Aunque está claro que la función de mapeo de Carter-Falconer es la más precisa para los datos del ratón, la ecuación de Kosambi era más fácil de resolver en los días antes de que estuvieran disponibles las calculadoras de mano sofisticadas y económicas. Aunque la función Carter-Falconer se puede resolver fácilmente hoy en día, no es tan conocida ni tan utilizada.

La interferencia beneficia a los genetistas que realizan estudios de ligamiento por dos razones. Primero, la linealidad aproximada entre la frecuencia de recombinación y la distancia genética se extiende mucho más allá de lo anticipado por eventos estrictamente independientes. 51 En segundo lugar, la muy baja probabilidad de múltiples eventos de recombinación puede servir como un medio para distinguir el orden correcto de los genes en un cruce de tres locus, ya que cualquier orden que requiera recombinantes dobles entre marcadores dentro de un intervalo de 20 cM es sospechoso. Cuando todos los posibles órdenes de genes requieren un evento de cruce doble o triple, le corresponde al investigador volver y volver a analizar la muestra o muestras en las que supuestamente ocurrió el evento. Finalmente, si se demuestra que los genotipos son correctos, se debe considerar la posibilidad de que se haya producido un evento aislado de conversión de genes en el locus único que difiere de los que lo flanquean.

7.2.3 Los sitios de cruce no se distribuyen aleatoriamente

7.2.3.1 Consideraciones teóricas en la situación ideal

Aunque la interferencia genética restringirá la aleatoriedad con la que se distribuyen los eventos cruzados entre sí dentro de los gametos individuales, no afectará la distribución aleatoria de los sitios cruzados observados en un gran número de productos meióticos independientes. Por lo tanto, a priori, todavía se esperaría que la resolución de un mapa de ligamiento aumentara linealmente con el número de descendientes tipificados en un cruce genético. Suponiendo sitios aleatorios de recombinación, la distancia promedio, en centimorgans, entre los eventos cruzados observados entre la descendencia de un cruce se puede calcular de acuerdo con la fórmula simple (100 / N) donde N es el número de eventos meióticos que se tipifican. Por ejemplo, en un análisis de 200 eventos meióticos (200 crías retrocruzadas o 100 crías entrecruzadas), se observará, en promedio, un evento de recombinación cada 0,5 cM. Con 1,000 eventos meióticos, la distancia promedio será de solo 0.1 cM, lo que equivale aproximadamente a 200 kb de ADN. Yendo más allá de acuerdo con esta fórmula, con 10,000 descendientes, se obtendría una resolución genética que se acercaba a los 20 kb. Esto sería suficiente para separar y mapear la mayoría de los genes de tamaño promedio en el genoma entre sí.

Una vez más, sin embargo, los resultados obtenidos en experimentos reales no coinciden con las predicciones teóricas. De hecho, la distribución de los sitios de recombinación puede desviarse significativamente de la aleatoriedad en varios niveles diferentes. Primero, en general, las porciones teloméricas de todos los cromosomas son mucho más recombinogénicas que las regiones más cercanas al centrómero tanto en ratones (de Boer y Groen, 1974) como en humanos (Laurie y Hulten, 1985). Este efecto es más pronunciado en los machos y conduce a un efecto como una goma elástica cuando se intenta orientar los mapas de ligamiento de machos y hembras entre sí (Donis-Keller et al., 1987). En segundo lugar, diferentes sitios a lo largo de todo el cromosoma son más o menos propensos a sufrir recombinación. En tercer lugar, incluso dentro de la misma región genómica, las tasas de recombinación pueden variar mucho dependiendo de las cepas particulares de ratones que se utilicen para producir el híbrido utilizado para el análisis (Seldin et al., 1989 Reeves et al., 1991 Watson et al., 1992). . Finalmente, el sexo del híbrido también puede tener un efecto dramático en las tasas de recombinación (Reeves et al., 1991).

7.2.3.2 Diferencias específicas de género en las tasas de recombinación

Las diferencias específicas de género en las tasas de recombinación son bien conocidas. En general, se puede afirmar que la recombinación ocurre con menos frecuencia durante la meiosis masculina que durante la meiosis femenina. Un ejemplo extremo de esta regla general se ve en Drosophila melanogaster donde la recombinación se elimina completamente en el macho. En el ratón, la situación no es tan extrema, ya que los machos muestran una tasa de recombinación que es, en promedio, 50-85% de la observada en las hembras (Davisson et al., 1989). Sin embargo, la proporción de tasas de recombinación de machos y hembras puede variar mucho entre las diferentes regiones del genoma del ratón. En unas pocas regiones, las tasas de recombinación son indistinguibles entre sexos, y aún en menos regiones, las tasas de recombinación masculinas superan las tasas femeninas. Sin embargo, la regla general de tasas de recombinación más altas en hembras se puede utilizar para maximizar la generación de datos eligiendo el género de manera apropiada para un animal heterocigoto F1 en un retrocruzamiento. Por ejemplo, para maximizar las posibilidades de encontrar evidencia inicial de vinculación, se podrían elegir machos como animales F1, pero para maximizar la resolución de un mapa genético en una región definida, sería mejor usar hembras. Estas consideraciones se analizan con más detalle en la Sección 9.4.

7.2.3.3 Hotspots recombinacionales

El golpe más serio al poder ilimitado del análisis de ligamiento ha venido de los resultados de cruces en los que se han tipificado muchos miles de descendientes para la recombinación dentro de pequeñas regiones genómicas bien definidas. Cuando se examinaron los cromosomas recombinantes generados en estos cruces a nivel de ADN, se encontró que la distribución de los sitios de cruzamiento distaba mucho de ser aleatoria (Steinmetz et al., 1987). En su lugar, tendían a agruparse en & # 034 hotspots recreativos & # 034 muy pequeños de unas pocas kilobases o menos en tamaño (Zimmerer y Passmore, 1991 Bryda et al., 1992) Los datos acumulados sugieren que estos pequeños hotspots pueden estar distribuidos a distancias medias de varios cientos de kilobases separados entre sí con el 90% o más de todos los eventos cruzados restringidos a estos sitios.

El hallazgo de puntos calientes recombinacionales en ratones es sorprendente porque no se predijo a partir de estudios de mapeo de muy alta resolución realizados previamente en Drosophila que mostró una excelente correspondencia entre el vínculo y las distancias físicas hasta el nivel de kilobase de análisis (Kidd et al., 1983). Por lo tanto, este fenómeno genético, como la impronta genómica (sección 5.5), podría ser exclusivo de los mamíferos. Sin embargo, a diferencia de la impronta, las ubicaciones de puntos calientes recombinacionales particulares no parecen conservarse entre diferentes subespecies o incluso entre diferentes cepas de ratones de laboratorio.

La Figura 7.5 ilustra las consecuencias del cruce preferencial de puntos calientes sobre la relación entre el enlace y los mapas físicos. En este ejemplo, se analizaron 2000 descendientes de un retrocruzamiento en busca de eventos de recombinación entre los ficticios A y F loci. Estos loci están separados por una distancia física de 1.500 kb y, en nuestro ejemplo, se observaron 17 eventos de cruce (indicados por líneas verticales cortas en el mapa de vinculación) entre los 2.000 descendientes. Una frecuencia de recombinación de 17/2000 se traduce en una distancia de enlace de 0,85 cM. Esta distancia de enlace está muy cerca del 0,75 cM predicho a partir de la equivalencia determinada empíricamente de 2.000 kb a 1 cM. Sin embargo, cuando uno mira más a fondo a los loci entre A y F, la situación cambia drásticamente. los B y C los loci están a solo 20 kb de cada uno en el mapa físico, pero están a 0,4 cM entre sí en el mapa de enlace porque se produce un punto de acceso en la región entre ellos. Con sitios aleatorios de cruce, el valor de enlace de 0,4 cM habría predicho una distancia física de 800 kb. La situación recíproca ocurre para los loci D y mi que están separados por una distancia física de 400 kb pero que no muestran recombinación en 2000 descendientes. En este caso, el cruce aleatorio habría predicho una distancia física de menos de 100 kb.

La existencia y las consecuencias de los puntos calientes recombinacionales pueden verse en analogía con la naturaleza cuantificada de la materia. Para experimentos llevados a cabo a bajos niveles de resolución, por ejemplo, en las mediciones de gramos o centimorgans, la distribución de la materia y los sitios de cruce aparecerán continuos. Sin embargo, a niveles muy altos de resolución, la naturaleza discontinua de ambos se hará evidente. En términos prácticos, las consecuencias negativas de los hotspots en la resolución de un mapa de vinculación del mouse solo comenzarán a aparecer a medida que uno desciende por debajo del nivel de análisis de 0,2 cM.

Con el número limitado de estudios de ligamiento de muestras muy grandes realizados hasta la fecha, no es posible estimar la parte del genoma del ratón que está dominada por la recombinación dirigida por puntos calientes. Además, todavía es posible que algunas regiones genómicas permitan la recombinación sin restricciones como en Drosophila. Sin embargo, los datos disponibles sugieren que para gran parte del genoma, habrá un límite superior para la resolución que se puede lograr en estudios de ligamiento basados ​​en un solo cruce. Este límite se alcanzará en el momento en que la densidad de los sitios de cruce supere la densidad de los puntos calientes en la región bajo análisis. A partir de los datos actualmente disponibles, parece probable que este punto se cruce antes de que se alcancen 500 eventos meióticos correspondientes a 0,2 cM o 400 kb. Una estrategia que se puede utilizar para superar esta limitación es combinar la información obtenida de varios cruces con diferentes parejas consanguíneas no relacionadas, cada una de las cuales probablemente esté asociada con diferentes ubicaciones de puntos calientes. Este enfoque se analiza con más detalle en la Sección 9.4.

7.2.3.4 Las frecuencias de recombinación pueden variar mucho entre diferentes regiones cromosómicas.

Como se mencionó anteriormente, las porciones teloméricas de los cromosomas muestran tasas más altas de recombinación por longitud de ADN que las regiones cromosómicas ubicadas más centralmente. Sin embargo, todavía existe una gran variación en las tasas de recombinación incluso entre diferentes regiones no teloméricas. Algunas regiones de 1 mb producen recombinantes a una velocidad equivalente a 2 cM o más, mientras que otras regiones de tamaño equivalente solo se recombinan con una velocidad equivalente a 0,5 cM o menos en animales del mismo género. Esta variación podría deberse a diferencias en el número y la densidad de los puntos calientes de recombinación. Además, la "fuerza" de los puntos calientes individuales, en términos de recombinogenicidad, puede diferir de un sitio a otro. Tales diferencias podrían especificarse por las secuencias de ADN en los puntos calientes individuales o por la estructura de la cromatina que abarca múltiples puntos calientes en un intervalo más grande. Una última variable pueden ser las diferencias generalizadas en las velocidades a las que puede producirse la recombinación en las regiones entre puntos críticos. Se necesitarán muchos más estudios empíricos para clasificar estas diversas explicaciones.

7.2.4 Historia del mapeo del ratón

7.2.4.1 La era clásica

Aunque su importancia no se reconoció de inmediato, la primera demostración de ligamiento en el ratón fue publicada en 1915 por el gran genetista del siglo XX J.B.S. Haldane (1915). Lo que Haldane encontró fue evidencia de acoplamiento entre mutaciones en el albino (C) y dilución de ojos rosados ​​(pag) loci, que ahora sabemos que se encuentran a 15 cM de distancia en Chr 7. Desde ese momento, el mapa de vinculación del ratón se ha expandido de manera constante a un ritmo casi exponencial. Durante los primeros 65 años de trabajo en el mapa del ratón, esta expansión se llevó a cabo en un lugar a la vez. Primero, cada nueva mutación tenía que ser cruzada en una cepa con otros marcadores fenotípicos. Luego, se prosiguió con la reproducción para determinar si la nueva mutación mostraba vinculación con alguno de estos otros marcadores. Este proceso tuvo que repetirse con diferentes grupos de marcadores fenotípicos hasta que se estableciera la vinculación con otro marcador previamente mapeado. En este punto, se podrían realizar más estudios de reproducción con marcadores fenotípicos adicionales del mismo grupo de ligamiento para establecer una posición de mapa más refinada.

En el primer compendio de datos genéticos de ratones publicado en el Biología del ratón de laboratorio En 1941 (Snell, 1941), se enumeraron un total de 24 loci independientes, de los cuales 15 podrían ubicarse en siete grupos de ligamiento que contienen dos o tres loci, cada uno de los cuales se encontró que los nueve loci restantes no estaban ligados entre sí ni a ningún otro. de los siete grupos de ligamiento confirmados. Para cuando la segunda edición del Biología del ratón de laboratorio se publicó en 1966, el número de loci mapeados había aumentado a 250 y el número de grupos de ligamiento había aumentado a 19, aunque en cuatro casos, estos incluían sólo dos o tres loci (Green, 1966).

Con la publicación en 1989 de la segunda edición del Variantes genéticas y cepas del ratón de laboratorio (Lyon y Searle, 1989), se habían mapeado 965 loci en los 20 cromosomas recombinantes. Sin embargo, incluso en el momento en que este mapa se preparó para su publicación (hacia finales de 1987), todavía era cierto que la gran mayoría de los loci mapeados estaban definidos por mutaciones que habían sido cuidadosamente incorporadas en todo el mapa del genoma a través de extensos estudios de reproducción. .

7.2.4.2 La edad media: cepas puras recombinantes

El primer avance conceptual importante destinado a reducir el tiempo, el esfuerzo y los ratones necesarios para mapear los loci individuales se produjo con la conceptualización y el establecimiento de cepas endogámicas recombinantes (abreviado RI) por Donald Bailey y Benjamin Taylor en el Laboratorio Jackson (Bailey, 1971 Taylor, 1978 Bailey, 1981). Como se discutió en detalle en la Sección 9.2, un conjunto de cepas RI proporciona una colección de muestras en las que los eventos de recombinación entre homólogos de dos cepas consanguíneas diferentes se conservan dentro del contexto de nuevas cepas consanguíneas. El poder del enfoque RI es que los loci se pueden mapear entre sí dentro de la misma & # 034cross & # 034 aunque los análisis en sí pueden realizarse con muchos años de diferencia. Dado que las cepas RI son esencialmente preformadas e inmortales, la tipificación de un locus recién definido requiere solo tanto tiempo como el propio ensayo de tipificación.

Aunque el enfoque de mapeo de RI fue extremadamente poderoso en teoría, durante las dos primeras décadas después de su aparición, su uso fue bastante limitado debido a dos problemas importantes. Primero, el análisis solo fue posible con loci presentes como alelos alternativos en las dos cepas parentales endogámicas utilizadas para formar cada conjunto de RI. Esto descartó casi todos los muchos loci que se definieron por efectos fenotípicos graves. Sólo un puñado de tales loci, principalmente los que afectan el color del pelaje, fueron polimórficos entre diferentes cepas endogámicas. De hecho, en la era del ADN prerrecombinante, los únicos otros loci que eran susceptibles de análisis de RI eran los que codificaban: (1) enzimas polimórficas (llamadas aloenzimas o isoenzimas) que se observaron como bandas de migración diferencial en geles de almidón procesados ​​para la enzima específica. actividad bajo análisis (Womack, 1979) (2) polimorfismos inmunológicos detectados en loci menores de histocompatibilidad (Graff, 1978) y (3) otros antígenos polimórficos de la superficie celular (llamados aloantígenos o isoantígenos) que podrían distinguirse con & # 034 alo-antisueros & # 034 especialmente desarrollados Nº 034 (Boyse et al., 1968). En retrospectiva, ahora está claro que las cepas de RI se desarrollaron antes de su tiempo, su poder y utilidad en la genética del ratón recién ahora, en la década de 1990, se han desatado por completo.

7.2.4.3 Marcadores de ADN y la era del panel de mapeo

Dos eventos que ocurrieron durante la década de 1980 permitieron el desarrollo inicial de un mapa del genoma completo del ratón que se basó completamente en loci de marcadores de ADN. El primer evento fue la globalización de la tecnología para obtener clones de ADN del genoma del ratón y todos los demás organismos. Aunque las técnicas de clonación de ADN se habían desarrollado durante la década de 1970, las estrictas regulaciones en los EE. UU. Y otros países habían impedido su aplicación generalizada a especies de mamíferos como el ratón (Watson y Tooze, 1981). El alcance de estas regulaciones se redujo considerablemente durante los primeros años de la década de 1980 para que los investigadores de las instalaciones típicas de investigación biológica pudieran comenzar a clonar y caracterizar genes de ratones. La globalización de la tecnología de clonación se aceleró enormemente en 1982 con la publicación del primer manual de clonación muy detallado del Laboratorio Cold Spring Harbor, titulado oficialmente Clonación molecular: un manual de laboratorio, pero conocido extraoficialmente como & # 034The Bible & # 034 (Maniatis et al., 1982). 52

Aunque los clones de ADN se recuperaron a un ritmo rápido durante la década de 1980, a partir de loci a lo largo del genoma del ratón, su utilización general en el mapeo de enlaces no fue sencilla. La única técnica viable disponible en ese momento para mapear loci clonados fue la tipificación de polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción (RFLP). Desafortunadamente, como se discutió anteriormente en este libro (Secciones 2.3 y 3.2), la ascendencia común de las cepas endogámicas tradicionales hizo difícil, si no imposible, identificar RFLP entre ellos en la mayoría de los loci clonados.

El atolladero en el mapeo no se rompió mediante el desarrollo de una nueva técnica molecular, sino más bien, mediante el desarrollo de un nuevo enfoque genético. Este fue el segundo evento significativo en términos de mapeo de ratones durante la década de 1980 y la introducción del retrocruzamiento interespecífico. Fran & # 231ois Bonhomme y sus colegas franceses habían descubierto que dos especies de ratones muy distintas & # 151 M. musculus y M. spretus & # 151 podrían criarse juntas en el laboratorio para formar híbridos femeninos F 1 fértiles (Bonhomme et al., 1978). Con los tres millones de años que separan a estos dos Mus especies (Sección 2.3), las sustituciones de pares de bases se han acumulado hasta el punto en que los RFLP se pueden identificar rápidamente para casi todas las sondas de ADN que se prueban. Por tanto, retrocruzando una hembra F1 superheterocigótica interespecífica con una de sus cepas parentales, es posible seguir la segregación de la gran mayoría de loci que son identificados por clones de ADN mediante el uso de análisis RFLP.

Aunque el retrocruzamiento de & # 034spretus & # 034 no pudo inmortalizarse de la misma manera que un conjunto de cepas RI, cada una de las crías de retrocruzamiento podría convertirse en una cantidad de ADN suficiente para los análisis RFLP con cientos de sondas de ADN. En esencia, fue posible pasar de un retrocruzamiento clásico de tres locus a un retrocruzamiento de varios cientos de locus. Además, el número de loci podría seguir creciendo a medida que se usaran nuevas sondas de ADN para seleccionar a los miembros del & # 034mapping panel & # 034 establecido (hasta que se agotaron las muestras de ADN). los spretus El retrocruzamiento revolucionó el estudio de la genética del ratón porque proporcionó el primer mapa de ligamiento completo del genoma del ratón basado en marcadores de ADN y porque proporcionó paneles de mapeo que podrían usarse para mapear rápidamente esencialmente cualquier nuevo locus definido a nivel de ADN.

7.2.4.4 Microsatélites

El gran avance más reciente en el análisis genético no se debe al desarrollo de nuevos tipos de cruces, sino al descubrimiento y la utilización de marcadores de ADN basados ​​en PCR que son extremadamente polimórficos y se pueden tipificar rápidamente en un gran número de animales con cantidades mínimas de muestra. material. Estos nuevos y poderosos marcadores & # 151 especialmente microsatélites & # 151 han disminuido en gran medida la necesidad esencial de spretus retrocruzamiento y han dado nueva vida a la utilidad de las venerables cepas de RI. Más importante aún, ahora es posible que investigadores individuales con recursos limitados lleven a cabo análisis de mapeo sofisticados e independientes de genes mutantes o rasgos de enfermedades complejas. Como afirma Philip Avner, del Institut Pasteur de París: & # 034Si la década de 1980 fuera la década de Mus spretus & # 151 cuyo uso junto con polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción revolucionó el análisis de ligamiento del ratón y convirtió al ratón en un sistema formidablemente eficiente para el mapeo del genoma & # 151 los primeros años de la década de 1990 parecen ser los años del microsatélite & # 034 (Avner, 1991) . Los microsatélites y otros loci polimórficos tipificables por PCR se analizan en detalle en la Sección 8.3.


Vínculo de la genética: características, ejemplos, tipos y significado

Cuando dos o más caracteres de los padres se transmiten a los descendientes de pocas generaciones como F1, F2, F3 etc., sin ninguna recombinación, se denominan como los caracteres vinculados y el fenómeno se denomina vinculación.

Esta es una desviación del principio mendeliano de surtido independiente.

La ley de distribución independiente de Mendel # 8217 es aplicable a los genes que están situados en cromosomas separados. Cuando los genes de diferentes caracteres se encuentran en el mismo cromosoma, están vinculados entre sí y se dice que están vinculados.

Son heredados juntos por la descendencia y no se clasificarán de forma independiente. Por tanto, la tendencia de dos o más genes del mismo cromosoma a permanecer juntos en el proceso de herencia se denomina ligamiento. Bateson y Punnet (1906), mientras trabajaban con guisantes de olor (Lathyrus odoratus), observaron que el color de la flor y la forma del polen tienden a permanecer juntos y no se clasifican de forma independiente según la ley de distribución independiente de Mendel.

Cuando se cruzaron dos variedades diferentes de guisante de olor, una con flores rojas y grano de polen redondo y otra con flor azul y grano de polen largo, la F1 las plantas tenían flores azules con polen largo (los caracteres largos azules eran respectivamente dominantes sobre los caracteres rojos y redondos). Cuando estos híbridos azules largos (heterocigotos) se cruzaron con individuos rojos recesivos dobles y redondos (homocigotos) (cruce de prueba), no lograron producir la relación esperada 1: 1: 1: 1 en F2 Generacion. Estos en realidad se produjeron siguiendo cuatro combinaciones en la proporción de 7: 1: 1: 7 (7 azules largos: 1 azul redondo: 1 rojo largo: 7 rojo redondo) (Fig. 5.6).

El resultado anterior de la prueba cruzada indica claramente que las combinaciones parentales (azul, larga y roja, redonda) son siete veces más numerosas que las combinaciones no parentales. Bateson y Punnet sugirieron que los genes (como B y L) que provienen del mismo padre (BBLL × bbll) tienden a ingresar al mismo gameto y a heredarse juntos (acoplamiento). De manera similar, los genes (B y 1) que provienen de dos padres diferentes (como BBLL x bbll), tienden a ingresar a diferentes gametos y a heredarse por separado e independientemente (repulsión).

Punto de vista de Morgan sobre la vinculación:

Morgan (1910), mientras trabajaba en Drosophila, afirmó que el acoplamiento y la repulsión son dos aspectos del enlace. Definió la vinculación como la tendencia de los genes, presentes en el mismo cromosoma, a permanecer en su combinación original y entrar juntos en el mismo gameto ".

Los genes ubicados en el mismo cromosoma y que se heredan juntos se conocen como genes vinculados, y los caracteres controlados por estos se conocen como caracteres vinculados. Su frecuencia de recombinación es siempre inferior al 50%. Todos los genes que se encuentran en un solo cromosoma forman un grupo de ligamiento. El número total de grupos de ligamiento en un organismo corresponde al número de pares de cromosomas. Por ejemplo, hay 23 grupos de ligamiento en el hombre, 7 en el guisante de olor y 4 en Drosophila melanogaster.

Características de la teoría del vínculo:

Morgan y Castle formularon & # 8216La teoría del enlace cromosómico & # 8217.

Tiene las siguientes características destacadas:

1. Los genes que muestran ligamiento están situados en el mismo cromosoma.

2. Los genes están dispuestos de forma lineal en el cromosoma, es decir, el enlace de los genes es lineal.

3. La distancia entre los genes enlazados es inversamente proporcional a la fuerza del enlace. Los genes que están ubicados cerca muestran un vínculo fuerte, mientras que aquellos que están muy separados tienen más posibilidades de separarse por cruzamiento (vínculo débil).

4. Los genes ligados permanecen en su combinación original durante el transcurso de la herencia.

5. Los genes ligados muestran dos tipos de disposición en el cromosoma. Si los alelos dominantes de dos o más pares de genes ligados están presentes en un cromosoma y sus alelos recesivos de todos ellos en el otro homólogo (AB / ab), esta disposición se conoce como disposición cis. Sin embargo, si el alelo dominante de un par y el alelo recesivo del segundo par están presentes en un cromosoma y los alelos recesivos y dominantes en el otro cromosoma de un par homólogo (Ab / aB), esta disposición se denomina disposición trans (figura 5.7). .

Ejemplos de vinculación:

El maíz es un buen ejemplo de vinculación. Hutchinson cruzó una variedad de maíz que tiene semillas coloreadas y llenas (CCSS) con una variedad que tiene semillas incoloras y encogidas (ccss). El gen C para el color es dominante sobre su alelo c incoloro y el gen S para la semilla completa es dominante sobre sus alelos encogidos s. Toda la f1 las plantas produjeron semillas llenas y coloreadas. Pero en un cruce de prueba, cuando tal F1 las hembras (heterocigotas) se polinizan de forma cruzada con el polen de una planta que tiene semillas incoloras y encogidas (doble recesiva), se producen cuatro tipos de semillas (Fig. 5.8).

A partir del resultado mencionado anteriormente, queda claro que las combinaciones parentales son más numerosas (96,4%) que la nueva combinación (3,6%). Esto indica claramente que los personajes parentales están vinculados entre sí. Sus genes se encuentran en el mismo cromosoma y solo en el 3,6% de los individuos estos genes se separan cruzando. Este es un ejemplo de vinculación incompleta.

Morgan (1911) cruzó una Drosophila ordinaria de tipo salvaje con cuerpo gris y alas largas (BB VV) con otra Drosophila (tipo mutante) con cuerpo negro y alas vestigiales (bbvv). Todos los híbridos en F1 La generación es con cuerpos grises y alas largas (BbVv), es decir, fenotípicamente como el tipo salvaje de los padres. Si ahora un macho de F, generación (Bb Vv) se vuelve a cruzar con una hembra doble recesiva (cruz de prueba) que tiene cuerpo negro y alas vestigiales (bbvv), solo se forman combinaciones parentales en F2 generación sin la aparición de nuevas combinaciones. Los resultados indican que el carácter del cuerpo gris se hereda junto con las alas largas.

Implica que estos genes están vinculados entre sí. De manera similar, el carácter de cuerpo negro está asociado con el ala vestigial. Dado que solo las combinaciones parentales de carácter aparecen en la descendencia de F2 generación y no aparecen combinaciones nuevas o no parentales, esto muestra una vinculación completa. Se observa un enlace completo en los machos de Drosophila.

Tipos de vinculación:

Dependiendo de la presencia o ausencia de nuevas combinaciones o combinaciones no parentales, la vinculación puede ser de dos tipos:

Si dos o más caracteres se heredan juntos y aparecen consistentemente en dos o más generaciones en sus combinaciones originales o parentales, se denomina vínculo completo. Estos genes no producen combinaciones no parentales.

Los genes que muestran un enlace completo están ubicados cerca del mismo cromosoma. Los genes del cuerpo gris y las alas largas en los machos de Drosophila muestran un vínculo completo.

(ii) Vinculación incompleta:

Los genes que producen algún porcentaje de combinaciones no parentales presentan un enlace incompleto. Dichos genes se encuentran distantes en el cromosoma. Se debe a la rotura accidental u ocasional de segmentos cromosómicos durante el cruzamiento.

Importancia del vínculo:

(i) La vinculación juega un papel importante en la determinación de la naturaleza del alcance de los programas de hibridación y selección.

(ii) El enlace reduce la posibilidad de recombinación de genes y, por lo tanto, ayuda a mantener unidas las características de los padres. Por lo tanto, ayuda al organismo a mantener sus caracteres parentales, raciales y de otro tipo. Por esta razón, a los criadores de plantas y animales les resulta difícil combinar varios personajes.


El análisis del panorama de la recombinación del trigo harinero hexaploide revela genes que controlan la recombinación y la frecuencia de conversión de genes

Fondo: El intercambio de secuencias entre cromosomas homólogos a través del cruzamiento y la conversión de genes está muy conservado entre eucariotas, lo que contribuye a la estabilidad del genoma y la diversidad genética. La falta de recombinación limita los esfuerzos de mejoramiento en los cultivos, por lo tanto, el aumento de las tasas de recombinación puede reducir el arrastre del enlace y generar nuevas combinaciones genéticas.

Resultados: Usamos análisis computacional de 13 poblaciones de mapeo endogámicas recombinantes para evaluar la frecuencia de conversión de genes y cruces en el genoma hexaploide del trigo (Triticum aestivum). Observamos que los sitios de cruce de alta frecuencia se comparten entre poblaciones y que los padres estrechamente relacionados conducen a poblaciones con patrones de cruce más similares. Demostramos que la conversión de genes es más frecuente y cubre más del genoma en el trigo que en otras plantas, lo que lo convierte en un proceso crítico en la generación de nuevos haplotipos, particularmente en regiones centroméricas donde los cruces son raros. Identificamos loci de rasgos cuantitativos para la conversión de genes alterados y la frecuencia de cruce y confirmamos la funcionalidad de un nuevo gen de helicasa RecQ que pertenece a un clado antiguo que falta en algunos linajes de plantas, incluida Arabidopsis.

Conclusiones: Este es el primer gen que se ha demostrado que participa en la conversión de genes en el trigo. Aprovechar la helicasa RecQ tiene el potencial de romper el arrastre de enlace utilizando conversiones genéticas generalizadas.

Palabras clave: Conversión de genes cruzados, recombinación QTL, trigo.

Declaracion de conflicto de interes

Aprobación ética y consentimiento para participar

Todas las plantas utilizadas en este estudio se cultivaron en cámaras de crecimiento controladas que cumplían con las pautas del Parque de Investigación Norwich. El material vegetal se suministró desde la Unidad de Recursos de Germoplasma del Centro John Innes, Norwich, Reino Unido.

Consentimiento para la publicación
Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en competencia.

Nota del editor

Springer Nature permanece neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Cifras

Paisaje de recombinación de trigo. a…

Paisaje de recombinación de trigo. a El número de CO registrados para cada RIL ...

Análisis a escala fina del intercambio de secuencias ...

Análisis a escala fina de eventos de intercambio de secuencias. a El número de OC y / o GC ...

Resultado del análisis QTL de…

Resultado del análisis QTL de la población Paragon × Chinese Spring. Análisis QTL…

Examen de genes candidatos de ...

Examen de genes candidatos a partir del análisis QTL RecQ-7 y RuvB . a Caja…


Genética Capítulo 7

A. hay una gran distancia en el mapa entre uno de los genes externos en el gen heterocigoto y el gen medio, mientras que hay una distancia corta en el mapa entre el gen medio y el otro gen externo.

B. la distancia física entre dos genes es muy corta en comparación con la distancia del mapa genético entre estos dos genes.

El cruce de C. se ha mejorado para los genes que se encuentran cerca del centrómero de los cromosomas porque hay menos interferencia de un cruce en la ocurrencia de un segundo evento de cruce.

D. se recuperó mucha menos progenie recombinante de doble cruzamiento a partir de un cruzamiento de prueba de lo que cabría esperar a partir del mapa de distancias de los genes implicados.

A. un padre que es homocigoto recesivo para un par de genes y un segundo padre que es homocigoto recesivo para un segundo par de genes.

B. dos padres que son heterocigotos para dos o más genes.

C. un padre que muestra el fenotipo dominante para uno o más genes y un segundo padre que es homocigoto recesivo para estos genes.

D. un padre que muestra el fenotipo recesivo para uno o más genes y un segundo padre que es homocigoto dominante para estos genes.

A. la ubicación de los cromosomas en el núcleo cuando se alinean en la metafase durante la mitosis

B. la distancia en número de nucleótidos entre dos genes

C. el orden lineal de genes en un cromosoma

D. la ubicación de los cruces dobles que ocurren entre dos genes

R. Los estudios de asociación permiten mapear con precisión genes que no tienen un fenotipo obvio.

B. La recombinación genética de alelos está asociada con el intercambio físico entre cromosomas.

C. El cruce no ocurre en los machos de Drosophila, por lo que no hay recombinación genética.

D. Los genes están ubicados en los cromosomas y la distancia del mapa entre ellos a menudo se puede medir por la cantidad de nucleótidos en el ADN.

B. ligamiento completo e interferencia cromosómica.

C. hibridación de células somáticas e interferencia cromosómica.

D. interferencia cromosómica y surtido independiente.

A. Los cruces dobles y otros eventos de cruces múltiples ocurren con más frecuencia cuando los genes están cerca unos de otros y pueden detectarse fácilmente, por lo que estas distancias en el mapa son más precisas que las de los genes que están muy separados.

B. La interferencia entrecruzada hará que ocurran más dobles cruces y otros eventos de cruces múltiples de lo que se esperaría y, por lo tanto, dará como resultado un mayor número de progenie recombinante de lo que se espera que ocurra con genes que están muy separados.

C. cuando los genes están muy separados, las clases recombinantes de un solo cruzamiento son más difíciles de detectar que cuando los genes están muy juntos.

D. con genes que están muy separados, los cruces dobles y otros eventos de cruces múltiples a menudo conducen a recombinantes letales que reducen el número de progenie recombinante.


Fondo

La variación en las tasas de recombinación en humanos y otros organismos diploides puede ser moldeada por procesos evolutivos y moleculares [1], pero estas fuerzas solo se comprenden parcialmente. Se han estimado mapas de recombinación humana de alta resolución utilizando tanto la transmisión entre padres e hijos [2, 3] como patrones de desequilibrio de ligamiento (LD) [4, 5, 6, 7]. Estos han revelado regiones localizadas con tasas de recombinación más altas o más bajas, conocidas como puntos calientes de recombinación y puntos fríos, respectivamente [5]. El análisis de secuencias ha demostrado que los puntos calientes de recombinación humana están asociados con una serie de características de la secuencia, como los motivos de unión de PRDM9 [8], islas CpG y repeticiones ricas en GC [4, 5, 9], y que los puntos fríos de recombinación están asociados con elementos repetitivos. , regiones transcritas y telómeros [5, 6].

Fuera de los puntos calientes de recombinación, las diferencias en las firmas epigenómicas se asocian con diferencias en la tasa de recombinación [10, 11]. En particular, se informa que el nivel de metilación del ADN, establecido principalmente en la profase I cuando se produce la recombinación [12], se correlaciona positivamente con la tasa de recombinación [11]. Se estableció un efecto causal de la metilación del ADN sobre la tasa de recombinación utilizando una cepa deficiente en metilación de Arabidopsis, que mostró una reducción de la tasa de recombinación en regiones eucromáticas [13, 14].


Referencias

Bernstein K, Gangloff S, Rothstein R. Las helicasas de ADN RecQ en la reparación del ADN. Annu Rev Genet. 201044: 393–417.

Borrill P, Ramirez-Gonzalez R, Uauy C. expVIP: una plataforma de visualización y análisis de datos RNA-seq personalizable. Plant Physiol. 2016170: 2172–86.

Brachet E, Beneut C, Serrentino M, Borde V. Las chaperonas de histonas CAF-1 y Hir se asocian con sitios de roturas meióticas de doble hebra en levaduras en gemación. Más uno. 201510: 5.

Brenchley R y col. Análisis del genoma del trigo harinero mediante secuenciación de escopeta de genoma completo. Naturaleza. 2012491: 705–10.

Burridge A, Wilkinson P, Winfield M, Barker G, Allen A, Coghill J, Waterfall C, Edwards K.Conversión de marcadores polimórficos de un solo nucleótido basados ​​en matrices para su uso en genotipificación dirigida mediante secuenciación en trigo hexaploide (Tritium aestivum). Plant Biotechnol J. 201716 (4): 867–76.

Cesario J, McKim KS. Se requiere RanGTP para la organización del huso meiótico y el inicio del desarrollo embrionario en Drosophila. J Cell Sci. 2011124 (22): 3797–810.

Chen J, Cooper D, Chuzhanova N, Ferec C, Patrinos GP. Conversión genética: mecanismos, evolución y enfermedad humana. Nat Rev Genet. 20078: 762–75.

Clavijo BJ, et al. Un ensamblaje y anotación mejorados del genoma del trigo alohexaploide identifica familias completas de genes agronómicos y proporciona evidencia genómica de translocaciones cromosómicas. Genome Res. 201727 (5): 885–96.

Darrier B y col. El mapeo de alta resolución de los eventos de CO en el genoma del trigo hexaploide sugiere un mecanismo de recombinación universal. Genética. 2017206 (3): 1373–88.

Duroc Y, et al. La acción concertada del heterodímero MutLβ y la helicasa Mer3 regula la extensión global de la conversión génica meiótica. eLife. 20176: e21900.

Esch E, Szymaniak JM, Yates H, Pawlowski WP, Buckler ES. Uso de cruces en líneas endogámicas recombinantes para identificar loci de rasgos cuantitativos que controlan la frecuencia de recombinación global. Genética. 2007177 (3): 1851–8.

Fernandes JB, Séguéla-Arnaud M, Larcheveque C, Lloyd AH, Mercier R. Desatando cruces meióticos en plantas híbridas. PNAS.2018115 (10): 2431–6.

Gardiner, L., Brabbs, T. y Hall, A. Paisaje de recombinación del trigo harinero hexaploide. Conjuntos de datos. https://www.ebi.ac.uk/ena/data/view/PRJEB28231 (2019).

Girard C, Chelysheva L, Choinard S, Froger N, Macaisne N, et al. Corrección: AAA-ATPasa FIDGETIN-LIKE 1 y helicasa FANCM antagonizan los cruces meióticos mediante distintos mecanismos. PLoS Genet. 201511 (9): e1005448.

Griffiths S, Sharp R, Foote T, Bertin I, Wanous M, Reader S, Colas I, Moore G. Caracterización molecular de Ph1 como un locus principal de apareamiento de cromosomas en el trigo poliploide. Naturaleza. 2006439:749–52.

Griffiths S, Wingen L, Edwards K.Datos de SNP del axioma de las poblaciones - John Innes Center, hdl: 11529/10996, CIMMYT Research Data & amp Software Repository Network, V6 2017.

Halldorsson BV y col. La tasa de conversión de genes meióticos varía según el sexo y la edad. Nat Genet. 201648 (11): 1377–84.

Hartung F, Puchta H. La familia de genes RecQ en plantas. J Plant Physiol. 2006163 (3): 287–96.

Hartung F, Suer S, Puchta H. Dos helicasas RecQ estrechamente relacionadas tienen funciones antagónicas en la recombinación homóloga y la reparación del ADN en Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad Sci. 2007104 (47): 18836–41.

Higgins JD, Wright KM, Bomblies K, Franklin FCH. Técnicas citológicas para analizar la meiosis en Arabidopsis arenosa para investigar la adaptación a la poliploidía. Front Plant Sci. 20134: 546.

Hoek M, Myers M, Stillman B. Un análisis de las proteínas que interactúan con CAF-1 revela interacciones dinámicas y directas con el complejo KU y las proteínas 140303. J Biol Chem. 2011286 (12): 10876–87.

Huang F, Mazina OM, Zentner IJ, Cocklin S, Mazin AV. Inhibición de la recombinación homóloga en células humanas dirigidas a la recombinasa RAD51. J Med Chem. 201255 (7): 3011–20.

Jordan KW y col. La arquitectura genética de la variación de la tasa de recombinación de todo el genoma en el trigo alopoliploide revelada por el mapeo de asociación anidado. Plant J. 2018. https://doi.org/10.1111/tpj.14009.

Kalab P, Heald R. El gradiente de RanGTP: un GPS para el huso mitótico. J Cell Sci. 2008121: 1577–86.

Karow, J., Constantinou, A., Li, Ji-Liang, L., West, S. & amp Hickson, I. El producto del gen del síndrome de Bloom promueve la migración de ramas de las uniones de Holliday. PNAS, 97 (12): 6504–6508 (2000).

Krasileva KV y col. Descubriendo variaciones ocultas en el trigo poliploide. Proc Natl Acad Sci. 2017114 (6): 913–21.

Letunic I, Bork P. Interactive tree of life (iTOL) v3: una herramienta en línea para la visualización y anotación de árboles filogenéticos y de otro tipo. Ácidos nucleicos Res. 201644: W242–5.

Li H, Durbin R. Alineación de lectura corta rápida y precisa con la transformada de Burrows-Wheeler. Bioinformática. 200925: 1754–60.

Li H y col. El formato de alineación / mapa de secuencia y SAMtools. Bioinformática. 200925: 2078–9.

Li HQ, Terada R, Li MR, Lida S. RecQ helicase mejora la recombinación homóloga en plantas. FEBS Lett. 2004574 (1–3): 151–5.

Li X, Tyler J. Desmontaje de nucleosomas durante la unión de extremos no homólogos humanos seguido de reensamblaje concertado dependiente de HIRA y CAF-1. eLife. 20165: e15129.

Löytynoja A, Goldman N.Un modelo de evolución y estructura para alineación de secuencias múltiples. Philos Trans R Soc Lond Ser B Biol Sci. 2008363: 3913–9.

Mascher M y col. Una secuencia ordenada de captura de conformación cromosómica del genoma de la cebada. Naturaleza. 2017544: 427–33.

McKenna A y col. El kit de herramientas de análisis del genoma: un marco MapReduce para analizar datos de secuenciación de ADN de próxima generación. Genome Res. 201020: 1297–303.

Mercier R, Mézard C, Jenczewski E, Macaisne N, Grelon M. La biología molecular de la meiosis en plantas. Annu Rev Plant Biol. 201566: 297–327.

Pardo-Manuel De Villena F, Sapienza C. La recombinación es proporcional al número de brazos cromosómicos en mamíferos. Mamm Genome. 200112: 318–22.

Qi J, Chen Y, Copenhaver G, Ma H. Detección de variaciones genómicas y polimorfismos de ADN e impacto en el análisis de recombinación meiótica y mapeo genético. PNAS. 2014111 (27): 10007–12.

Schnable PS, Hsia A, Nikolau B. Recombinación genética en plantas. Curr Opin Plant Biol. 19981: 123–9.

Séguéla-Arnaud M, et al. Múltiples mecanismos limitan los cruces meióticos: TOP3α y dos homólogos de BLM antagonizan los cruces en paralelo a FANCM. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015112 (15): 4713–8.

Shalev G, Sitrit Y, Avivi-Ragolski N, Lichtenstein C, Levy A. Estimulación de la recombinación homóloga en plantas mediante la expresión de la resolvasa bacteriana RuvC. PNAS. 199996 (13): 7398–402.

Shi W y col. El papel de la fosforilación de RPA2 en la recombinación homóloga en respuesta a la detención de la replicación. Carcinogénesis. 201031 (6): 994–1002.

Stamatakis A. RAxML versión 8: una herramienta para el análisis filogenético y el posanálisis de grandes filogenias. Bioinformática. 201430: 1312–3.

Sun Y y col. Medición profunda de todo el genoma de la conversión de genes meióticos mediante análisis de tétrada en Arabidopsis Thaliana. PLoS Genet. 20128 (10): e1002968.

Szostak JW, Orr-Weaver TL, Rothstein RJ, Stahl FW. El modelo de reparación de rotura de doble cadena para recombinación. Celda. 198333: 25–35.

Talbert PB, Henikoff S. Centromeres se convierten pero no se cruzan. PLoS Biol. 20108 (3): e1000326.

El Consorcio Internacional de Secuenciación del Genoma del Trigo (IWGSC) et al. Cambiando los límites en la investigación y el mejoramiento del trigo utilizando un genoma de referencia completamente anotado. Ciencias. 2018361 (6403): eaar7191.

Waterhouse AM, Procter JB, Martin DMA, Clamp M, Barton GJ. Jalview versión 2: un editor de alineación de secuencias múltiples y un banco de trabajo de análisis. Bioinformática. 2009. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btp033.

Wiedemann G y col. Las helicasas de RecQ funcionan en el desarrollo, la reparación del ADN y la selección de genes en Physcomitrella patens. Célula vegetal. 201830: 717–36.

Wilkinson PA, Winfield MO, Barker GLA, Allen AM, Burridge A, Coghill JA, Burridge A, Edwards KJ. CerealsDB 2.0: un recurso integrado para fitomejoradores y científicos. BMC Bioinformática. 201213: 219.

Wingen LU y col. Diversidad del genoma de la variedad local de trigo. Genética. 2017205 (4): 1657–76.

Wijnker E y col. El panorama genómico de cruces meióticos y conversiones de genes en Arabidopsis thaliana. eLife. 20132: e01426.

Yang S y col. La gran mayoría de los eventos de recombinación en Arabidopsis son eventos de conversión de genes. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012109 (51): 20992–7.

Zhao Q, Brkljacic J, Meier I.Se requieren dos clases distintas de interacción de proteínas en espiral asociadas a la envoltura nuclear para que la envoltura nuclear específica de tejido se dirija a Arabidopsis RanGAP. Célula vegetal. 200820 (6): 1639–51.

Ziolkowski PA, Underwood CJ, Lambing C, Martinez-Garcia M, Lawrence EJ, et al. Variación natural y dosificación del control de ligasa meiótica E3 HEI10 Arabidopsis recombinación cruzada. Genes Dev. 201731: 306–17.


Resultados y discusión

Los paisajes de recombinación están altamente conservados entre cebada silvestre y domesticada

La distribución física y la frecuencia de los eventos de recombinación, es decir, el paisaje de recombinación, juegan un papel en la adaptación de las plantas, ya que es más probable que algunos genes se recombinen que otros. El genoma de la cebada está altamente compartimentado, con, por ejemplo, genes de resistencia a enfermedades ubicados en regiones distales de los cromosomas altamente recombinantes y genes involucrados en la fotosíntesis en regiones intersticiales de baja recombinación (Mascher et al. 2017). Las caracterizaciones anteriores del panorama de recombinación de la cebada se centraron en la cebada domesticada (Künzel et al.2000 Higgins et al.2012 Phillips et al.2012, 2015 Dreissig et al.2015, 2017), excepto los estudios citológicos que revelaron un número ligeramente mayor de quiasmas en la cebada domesticada que en la cebada silvestre (Ross-Ibarra 2004). Aquí, preguntamos si la distribución física a escala fina de los eventos de recombinación difiere entre cebadas domesticadas y silvestres. Presumimos que diferentes paisajes de recombinación podrían ser una consecuencia de la adaptación a diferentes entornos, por ejemplo, hábitats naturales versus agricultura posneolítica.

Para estimar las tasas de recombinación en cebada silvestre (H. vulgare spp. espontaneo (K. Koch) Thell), aplicamos la teoría coalescente a un conjunto de datos de polimorfismo de un solo nucleótido (SNP) que comprende 26,417 posiciones en una población natural de 74 accesiones georreferenciadas (fig.1) (Milner et al.2019). El programa Interval del paquete LDhat se utilizó para estimar la tasa de recombinación a escala poblacional (ρ) a lo largo de los siete cromosomas de la cebada. Validamos las tasas de recombinación ancestral estimadas a partir de datos genéticos poblacionales comparándolos con mediciones experimentales obtenidas mediante la secuenciación de núcleos de polen de un F1 híbrido entre dos cultivares de cebada modernos (Dreissig et al.2017). Observamos una correlación positiva de 0,81 entre el paisaje de recombinación ancestral y experimental a través de intervalos cromosómicos relativos de 0,01 (% de la longitud total del cromosoma, PAG = 1,48 × 10 −24). Estas correlaciones son comparables a trabajos anteriores en Arabidopsis (Choi et al. 2013) y trigo (Darrier et al. 2017), lo que demuestra que los métodos basados ​​en coalescentes proporcionan estimaciones confiables de paisajes de recombinación. A continuación, intentamos comparar cebada silvestre y razas locales domesticadas para probar si el proceso de domesticación tuvo un impacto en sus respectivos paisajes de recombinación. Estimamos la tasa de recombinación a escala poblacional en las variedades locales de cebada utilizando un gran conjunto de datos de SNP que comprende 26,334 SNP y 100 variedades locales de cebada georreferenciadas seleccionadas al azar (fig.1, Milner et al.2019). Tanto para la cebada silvestre como para las variedades locales, ρ se sumó en intervalos cromosómicos relativos y se promedió en los siete cromosomas. Según la correlación de rango de Spearman, los dos paisajes de recombinación son muy similares (r = 0.91, PAG = 2,08 × 10 −39). Las tasas de recombinación elevadas se limitan estrictamente a las regiones cromosómicas distales, dejando aproximadamente el 80% de los cromosomas casi desprovistos de recombinación (fig. 2). En ambos, la extensión de la región de recombinación es menor en el brazo corto y mayor en el brazo largo de todos los cromosomas. Sin embargo, a escala fina, las diferencias se hicieron visibles. En el brazo largo, se detectan tasas elevadas de recombinación en más regiones intersticiales en la cebada silvestre (fig.2, 80-90% de la longitud relativa del cromosoma), que es más pronunciada en los cromosomas 2H, 3H, 5H, 6H y 7H (fig. Complementaria .2, Material complementario en línea). En las razas locales domesticadas, las tasas elevadas de recombinación están confinadas más distalmente en el brazo largo (90-100% de la longitud relativa del cromosoma), sin diferencias notables entre los cromosomas excepto para el 7H (figura complementaria 2, material complementario en línea). En el brazo corto, sin embargo, este no parece ser el caso, ya que las tasas elevadas de recombinación se limitan estrictamente al primer 5% del cromosoma en ambos grupos.

RYT2EruNI95QzM7IknjG1lESeOoUIPHUD4sYvGxYgAyvjALHRnjpeg "/>

Origen de las accesiones de cebada silvestre y variedades locales. Se muestran los sitios de recolección de accesiones de cebada silvestre (azul) y variedades locales de cebada (rojo). La coloración representa la temperatura media anual en las condiciones actuales (° C). Dentro de la ensenada, que se amplía en el Creciente Fértil, la flecha negra indica la dirección en la que se muestrearon las subpoblaciones de cebada silvestre.

RYT2EruNI95QzM7IknjG1lESeOoUIPHUD4sYvGxYgAyvjALHRnjpeg "/>

Origen de las accesiones de cebada silvestre y variedades locales. Se muestran los sitios de recolección de accesiones de cebada silvestre (azul) y variedades locales de cebada (rojo). La coloración representa la temperatura media anual en las condiciones actuales (° C). Dentro de la ensenada, que se amplía en el Creciente Fértil, la flecha negra indica la dirección en la que se muestrearon las subpoblaciones de cebada silvestre.

Comparación de paisajes de recombinación entre cebada silvestre y variedades locales domesticadas. Tasa de recombinación normalizada (0 = valor más bajo, 1 = valor más alto dentro de una población) de cebada silvestre (azul) y variedades locales domesticadas (rojo) a lo largo de posiciones cromosómicas relativas (0 = extremo distal del brazo corto, 1 = extremo distal del brazo largo brazo) derivado del promedio de los siete cromosomas. En el brazo corto, los valores más altos de cebada silvestre y domesticada se superponen dentro de la punta distal (5%) del cromosoma. En el brazo largo, los valores más altos de cebada silvestre se encuentran dentro del 80-90% de la longitud del cromosoma, mientras que los valores más altos de la cebada domesticada residen dentro de la punta distal (90-100% de la longitud del cromosoma). Los términos Enriquecimiento de Ontología Genética (GO) en compartimentos genómicos se adoptaron de Mascher et al. (2017). Los rectángulos de colores indican −log10-transformado PAG-valores de 1,3 (verde) a 18,4 (rojo).

Comparación de paisajes de recombinación entre cebada silvestre y variedades locales domesticadas. Tasa de recombinación normalizada (0 = valor más bajo, 1 = valor más alto dentro de una población) de cebada silvestre (azul) y variedades locales domesticadas (rojo) a lo largo de posiciones cromosómicas relativas (0 = extremo distal del brazo corto, 1 = extremo distal del brazo largo brazo) derivado del promedio de los siete cromosomas. En el brazo corto, los valores más altos de cebada silvestre y domesticada se superponen dentro de la punta distal (5%) del cromosoma. En el brazo largo, los valores más altos de cebada silvestre se encuentran dentro del 80-90% de la longitud del cromosoma, mientras que los valores más altos de la cebada domesticada residen dentro de la punta distal (90-100% de la longitud del cromosoma). Los términos Enriquecimiento de Ontología Genética (GO) en compartimentos genómicos se adoptaron de Mascher et al. (2017). Los rectángulos de colores indican −log10-transformado PAG-valores de 1,3 (verde) a 18,4 (rojo).

Se estimó que la cebada silvestre divergió de su ancestro común más reciente aproximadamente 4 Ma (Brassac y Blattner 2015), y la domesticación comenzó hace aproximadamente 10,000 años (Badr et al. 2000). Al comparar el paisaje de recombinación de la cebada silvestre con el de las variedades locales de cebada domesticada, mostramos que los paisajes de recombinación están altamente conservados durante la domesticación. Nuestros datos proporcionan evidencia de una separación estricta entre las regiones cromosómicas que permiten la recombinación y las regiones cromosómicas que suprimen la recombinación, incluso en los datos de recombinación ancestral a largo plazo. Trabajos anteriores demostraron que la recombinación meiótica se suprime en gran medida en regiones heterocromáticas enriquecidas en la metilación del ADN CG, CHG y CHH (Melamed-Bessudo y Levy 2012 Mirouze et al. 2012 Yelina et al. 2012), y modificaciones de histonas como H3K27me3, H3K9me3, H3K27me1 y H3K9me2 (Aliyeva-Schnorr et al. 2015 Baker et al. 2015). Una posible explicación de nuestras observaciones podría ser que el entorno de cromatina que inhibe la recombinación está altamente conservado a lo largo de escalas de tiempo evolutivas. Sin embargo, a escala fina, las tasas elevadas de recombinación se desplazan hacia regiones más distales en el brazo largo de los cromosomas en la cebada domesticada. Las regiones distales e intersticiales muestran diferentes contextos genéticos, con regiones distales enriquecidas para genes de respuesta de defensa y regiones intersticiales más bien enriquecidas para genes involucrados en procesos celulares básicos, como el metabolismo de ácidos nucleicos, reparación de ADN, fotosíntesis y procesamiento de ARNm (fig.2). Como consecuencia de esta compartimentación, las diferencias en la tasa de recombinación podrían deberse a la selección de tasas elevadas de recombinación en regiones que albergan genes de respuesta de defensa durante la domesticación de la cebada, ya que los puntos críticos de recombinación tienden a encontrarse cerca de los genes de resistencia a enfermedades (Serra et al. 2018). La cebada silvestre, que no está expuesta a una alta presión de patógenos y no muestra una fuerte selección de genes de resistencia (Stukenbrock y McDonald 2008 Ma et al. 2019), por lo tanto, puede mostrar un panorama de recombinación ancestral diferente.

Variación natural en la tasa de recombinación

Las tasas de recombinación son muy variables en múltiples escalas, como a lo largo de cromosomas, sexos, individuos, poblaciones y especies (Stapley et al. 2017). En una especie estrictamente endogámica como la cebada (Brown et al. 1978), la recombinación puede estar bajo selección para contrarrestar las depresiones endogámicas y mantener la aptitud (Charlesworth et al. 1977). Estudios previos han demostrado una mayor frecuencia de quiasmas en plantas endogámicas (Stebbins 1950 Rees y Ahmad 1963 Zarchi et al. 1972 Gibbs et al. 1975). En este estudio, preguntamos si las tasas de recombinación difieren entre las poblaciones naturales de cebada silvestre.

Para analizar la variación en la tasa de recombinación dentro de una población de cebada silvestre, era necesario definir subpoblaciones para las cuales se podrían estimar las tasas de recombinación. Primero realizamos un análisis de componentes principales (PCA) para probar la estructura de la población. Los dos primeros componentes principales explicaron el 8,28% de la varianza observada y revelaron un gradiente continuo a lo largo del Creciente Fértil, que se asemeja a su forma en el espacio PCA (figura suplementaria 3 A, Material complementario en línea). Analizamos la mezcla de poblaciones utilizando sNMF (Frichot et al.2014) con el número de poblaciones ancestrales (K) que van de 1 a 20. Como K aumentó, el criterio de entropía cruzada disminuyó y no se alcanzó ningún mínimo local (fig.3 complementario) B y C, Material complementario en línea). Esto sugirió un gradiente genético continuo a lo largo del Creciente Fértil, que está respaldado por la ausencia de obstáculos geográficos importantes.

Dado que no era factible definir subpoblaciones basadas en coeficientes de ascendencia, en su lugar definimos subpoblaciones superpuestas basadas en la distribución geográfica de la cebada silvestre de acuerdo con su distribución en el espacio PCA. Las subpoblaciones se definieron siguiendo un enfoque de ventana deslizante que comprende 20 accesiones por ventana con un tamaño de paso de 1 accesión. Se movieron ventanas corredizas a lo largo de la distribución geográfica de la cebada silvestre en el Creciente Fértil (fig.1, Russell et al. 2014, 2016). En total, las tasas de recombinación a escala poblacional (ρ) se estimaron en 55 subpoblaciones y se promediaron en los 7 cromosomas. Nuestro análisis reveló una variación sustancial entre las subpoblaciones (fig. 3A). Es importante destacar que se observaron tendencias similares entre los cromosomas individuales (figura complementaria 4, Material complementario en línea). Por ejemplo, el ρ promedio más bajo y más alto en todo el genoma varió en un factor de 5,3. Dado que ρ se ve afectado por el tamaño efectivo de la población (ρ = 4nortemi× r), estimamos 4nortemi basado en la diversidad de nucleótidos (thetaW, Theta de Watterson) en cada subpoblación y una tasa de mutación asumida (mu) de 3,5 × 10 −9 por pb por año (Lin et al. 2002). El tamaño efectivo de la población varió entre subpoblaciones en un factor de 1,33 y se correlacionó positivamente con ρ (fig. 3B, r = 0.79, PAG = 4,85 × 10 −13). Usamos las estimaciones de 4nortemi para obtener la tasa de recombinación efectiva por generación en cada subpoblación (rmi = ρ / 4nortemi). Después de corregir las diferencias en el tamaño de población efectivo, la variación en la tasa de recombinación efectiva (rmi) se mantuvo prácticamente sin cambios, con el promedio más bajo y más alto en todo el genoma rmi variando por un factor de 4,54 (fig. 3C, prueba de Kruskal-Wallis, PAG & lt 2,2 × 10 −16).Por lo tanto, parece poco probable que la variación en la tasa de recombinación a escala poblacional se deba en su totalidad a diferencias en el tamaño efectivo de la población. Sin embargo, no se puede excluir que diferentes poblaciones puedan experimentar diferentes tasas de mutación. También probamos si el patrón observado se explica por la distancia geográfica dentro de las subpoblaciones, lo que puede resultar en una mayor diversidad genética en subpoblaciones que abarcan rangos geográficos más amplios (Owuor et al. 1997 Hübner et al. 2009 Russell et al. 2014) que afecta las estimaciones de la población. -tasa de recombinación escalada. Para cada subpoblación, calculamos el rango longitudinal, latitudinal y altitudinal como una medida de la distancia geográfica. Por ejemplo, casi todo el rango de valores de la tasa de recombinación se encontró dos veces en distintos rangos geográficos (por ejemplo, 50-70 y 300-400 km, figura complementaria 5, Material complementario en línea). Un número bajo de haplotipos en poblaciones reducidas y la falta de contacto en poblaciones extremadamente dispersas podrían causar bajas tasas de recombinación en poblaciones extremadamente reducidas o dispersas. Por otro lado, la ausencia de una asociación lineal y nuestra observación del rango completo de valores de tasa de recombinación en rangos geográficos similares sugieren que la distancia geográfica no explica principalmente la variación en la tasa de recombinación efectiva. Por último, la selección puede influir en las estimaciones de las tasas de recombinación efectivas. Basándonos en trabajos anteriores que muestran que la cebada silvestre no está sujeta a una selección fuerte y más bien se encuentra en un estado de deriva genética aleatoria (Russell et al.2016 Milner et al.2019), concluimos que es poco probable que las diferencias observadas sean causadas por patrones de selección. En conjunto, las tasas de recombinación efectivas se ven potencialmente afectadas por una multitud de factores genéticos poblacionales, así como por las diferencias reales en la tasa de recombinación meiótica.

Análisis de subpoblaciones de ρ, 4nortemi, y r en accesiones de cebada silvestre geo-referenciadas. Setenta y cuatro accesiones de cebada silvestre georreferenciadas se dividieron en 55 subpoblaciones de 20 accesiones por subpoblación de acuerdo con un enfoque de ventana deslizante con un tamaño de paso de 1 accesión. Las ventanas corredizas se mueven a lo largo de la distribución geográfica de la cebada silvestre a lo largo del Creciente Fértil. (A) Estimación de la tasa de recombinación a escala poblacional media de todo el genoma (ρ). (B) Correlación entre el tamaño efectivo de la población (4nortemi), basado en estimaciones de theta de Watterson (thetaW) y una tasa de mutación asumida (mu) de 3,5 × 10 −9, y la tasa de recombinación a escala poblacional (ρ). (C) Tasa de recombinación efectiva media en todo el genoma (rmi) corregido por las diferencias en el tamaño efectivo de la población.

Análisis de subpoblaciones de ρ, 4nortemi, y r en accesiones de cebada silvestre geo-referenciadas. Setenta y cuatro accesiones de cebada silvestre georreferenciadas se dividieron en 55 subpoblaciones de 20 accesiones por subpoblación de acuerdo con un enfoque de ventana deslizante con un tamaño de paso de 1 accesión. Las ventanas corredizas se mueven a lo largo de la distribución geográfica de la cebada silvestre a lo largo del Creciente Fértil. (A) Estimación de la tasa de recombinación a escala poblacional media de todo el genoma (ρ). (B) Correlación entre el tamaño efectivo de la población (4nortemi), basado en estimaciones de theta de Watterson (thetaW) y una tasa de mutación asumida (mu) de 3,5 × 10 −9, y la tasa de recombinación a escala poblacional (ρ). (C) Tasa de recombinación efectiva media en todo el genoma (rmi) corregido por las diferencias en el tamaño efectivo de la población.

Los factores ambientales dan forma a la tasa de recombinación efectiva en poblaciones naturales

Existe una gran cantidad de evidencia experimental que muestra correlaciones entre las tasas de recombinación y las condiciones ambientales. En particular, el efecto de la temperatura sobre la recombinación meiótica se estudió en varios sistemas experimentales, como Drosophila, Arabidopsis, cebada y otras plantas (Dowrick 1957 Mange 1968 Zhuchenko et al. 1985 Jackson et al. 2015 Phillips et al. 2015 Lloyd et al.2018 Modliszewski et al.2018). Sin embargo, como mencionan Lloyd et al. (2018), una pregunta interesante es si estas observaciones reflejan lo que ocurre en las poblaciones naturales. Por lo tanto, buscamos explorar la relación entre la tasa de recombinación efectiva y las condiciones ambientales en poblaciones naturales.

Para abordar esta cuestión en las poblaciones naturales de cebada silvestre, extrajimos los valores de temperatura media anual para 74 accesiones de cebada silvestre georreferenciadas en el presente (1970-2000), Holoceno medio (MH, aproximadamente 6.000 años AP) y Último máximo glacial (LGM , alrededor de 22.000 años AP). Después del LGM y en todo el MH, la cebada silvestre mostró una expansión de rango a través del Creciente Fértil que refleja su distribución geográfica actual (Russell et al. 2014). Por lo tanto, nos enfocamos en las condiciones ambientales durante el MH. El trazado de la tasa de recombinación frente a la temperatura media anual reveló una relación no lineal entre la temperatura y la tasa de recombinación (figura 4A). En un rango de temperatura media anual de 15,6 a 19,5 ° C, la tasa de recombinación fue más baja en las subpoblaciones en cualquier extremo de la escala y más alta en el rango intermedio, mostrando una curva en forma de U inversa. Se observó la misma tendencia correlacionando la recombinación con diferentes condiciones de temperatura, es decir, las condiciones actuales, las condiciones de MH y las condiciones de LGM (figuras complementarias 6 y 7, material complementario en línea). Teniendo en cuenta la contribución de la recombinación meiótica a la tasa de recombinación efectiva, es importante considerar el momento de la meiosis. La meiosis suele tener lugar en primavera a temperaturas que pueden ser distintas a la media anual. Por lo tanto, usamos los datos climáticos actuales para probar si la tendencia observada para la temperatura anual es similar a la observada para las temperaturas aproximadas de primavera, que consideramos la media de marzo y abril. Una correlación positiva significativa indicó que los valores de temperatura media anual revelan una tendencia similar a la de las temperaturas primaverales que oscilan entre 12 y 16 ° C (Pearson's r = 0.978, PAG = 1.28 × 10 −37 ).

Correlación entre la tasa de recombinación y las variables ambientales. La tasa de recombinación estimada en 55 subpoblaciones de cebada silvestre se representa frente a variables ambientales. La línea negra representa una curva suavizada sobre los datos y el área gris representa el intervalo de confianza del 95% de la curva suavizada. (A) Relación entre la tasa de recombinación y la temperatura media anual en condiciones del Holoceno medio. (B) Relación en forma de U inversa entre la tasa de recombinación y la isotermalidad en condiciones del Holoceno medio. (C) Relación en forma de U inversa entre la tasa de recombinación y la radiación solar media anual en las condiciones actuales. (D) Correlación entre la tasa de recombinación y la precipitación anual en condiciones del Holoceno medio.

Correlación entre la tasa de recombinación y las variables ambientales. La tasa de recombinación estimada en 55 subpoblaciones de cebada silvestre se representa frente a variables ambientales. La línea negra representa una curva suavizada sobre los datos y el área gris representa el intervalo de confianza del 95% de la curva suavizada. (A) Relación entre la tasa de recombinación y la temperatura media anual en condiciones del Holoceno medio. (B) Relación en forma de U inversa entre la tasa de recombinación y la isotermalidad en condiciones del Holoceno medio. (C) Relación en forma de U inversa entre la tasa de recombinación y la radiación solar media anual en las condiciones actuales. (D) Correlación entre la tasa de recombinación y la precipitación anual en condiciones del Holoceno medio.

Curiosamente, la variación en la tasa de recombinación se explicó mejor por la isotermalidad (figura 4B), que describe la variabilidad de temperatura basada en el rango de temperatura de día a noche en relación con el rango de temperatura de verano a invierno (es decir, valores más altos que indican una mayor variación de temperatura y viceversa). Observamos una curva en forma de U inversa, que muestra tasas de recombinación más altas en un rango de isotermalidad intermedio y tasas de recombinación más bajas en ambos extremos de la escala. Para probar un sesgo sistemático en nuestro enfoque de ventana deslizante, realizamos el mismo análisis en un conjunto de 55 subpoblaciones aleatorias, es decir, accesiones agrupadas al azar contrariamente a las agrupadas según la distribución geográfica, centrándonos en un cromosoma representativo. Cuando las subpoblaciones se eligieron al azar, no se encontró correlación con la temperatura o isotermalidad (MH temperatura media anual: PAG = Isotermalidad 0,11 MH: PAG = 0,11 suplementario fig. 8, Material complementario en línea).

Además de la temperatura, también observamos una relación no lineal entre la tasa de recombinación y la radiación solar anual (fig. 4C). Se observó una relación lineal positiva con la precipitación anual en las tres diferentes condiciones climáticas (fig. 4D, presente: r = 0.298, PAG = 0,027 MH: r = 0.572, PAG = 5,1 × 10 −6 LGM: r = 0.765, PAG = 1,1 × 10 −11). A lo largo del tiempo, desde las condiciones pasadas (LGM) hasta las presentes, la precipitación anual generalmente disminuyó en el Creciente Fértil. Curiosamente, una mayor precipitación en condiciones de LGM parece ser más adecuada para explicar las diferencias en la tasa de recombinación. Esto está de acuerdo con una correlación positiva entre la tasa de cruzamiento externo y la precipitación anual (Abdel-Ghani et al. 2004), que también da como resultado tasas de recombinación efectiva más altas (Nordborg 2000). En la cebada, la autofecundación ocurre mientras la espiga todavía está encerrada en la vaina de la hoja bandera (Alqudah y Schnurbusch 2017), lo que da como resultado un alto coeficiente de consanguinidad en nuestros datos (F = 0,978, CV = 0,02%). Por lo tanto, aunque el cruzamiento exterior juega un papel, concluimos que es probable que tenga un efecto menor en la cebada estrictamente endogámica.

Las diferencias en la tasa de recombinación efectiva entre subpoblaciones se limitaron estrictamente a las regiones distales del cromosoma y no se observaron diferencias en las regiones intersticiales (figura 5). Teniendo en cuenta la contribución de la tasa de recombinación meiótica a la tasa de recombinación efectiva, es tentador especular sobre los mecanismos moleculares que conducen a un aumento de las regiones de los cromosomas confinadas físicamente. En plantas, Drosophila y levaduras, se demostró que la temperatura afecta la frecuencia y distribución del cruce de clase I, así como el eje cromosómico meiótico y la longitud del complejo sinaptonemal (Börner et al.2004 Higgins et al.2012 Aggarwal et al.2015 Phillips et al. .2015 Lloyd et al.2018 Modliszewski et al.2018). Esto implica un papel mecanicista de algunas proteínas involucradas en el eje cromosómico meiótico, el complejo sinaptonémico y / o la formación de CO en la mediación de la plasticidad dependiente de la temperatura del paisaje de recombinación que podría ser en parte de origen biofísico como varias proteínas involucradas en estos procesos y su actividad. son sensibles a la temperatura (Morgan et al.2017). Además, la radiación UV y el estado nutricional de la planta afectan la formación de roturas de doble hebra del ADN y la recombinación meiótica (Grant 1952 Griffing y Langridge 1963 Ries et al.2000 Knoll et al.2014 Aggarwal et al.2015 Mercier et al. 2015 Si et al.2015 Martín et al.2017 Rey et al.2018 Aggarwal DD, Rybnikov SR, Cohen I, Rashkovetsky E, Michalak P, Korol AB, datos no publicados).

Paisajes de recombinación de diferentes subpoblaciones. Tasas de recombinación de diferentes subpoblaciones (rojo = # 27, azul = # 4, verde = # 55) a lo largo de la longitud física del cromosoma 5H. Estas tres subpoblaciones se seleccionaron para representar los mínimos y máximos observados entre todas las subpoblaciones. La variación en la tasa de recombinación se limita estrictamente a las regiones distales del cromosoma y no se observa variación en la región pericentromérica de baja recombinación.

Paisajes de recombinación de diferentes subpoblaciones. Tasas de recombinación de diferentes subpoblaciones (rojo = # 27, azul = # 4, verde = # 55) a lo largo de la longitud física del cromosoma 5H. Estas tres subpoblaciones se seleccionaron para representar los mínimos y máximos observados entre todas las subpoblaciones. La variación en la tasa de recombinación se limita estrictamente a las regiones distales del cromosoma y no se observa variación en la región pericentromérica de baja recombinación.

Nuestras observaciones sugieren que las tasas de recombinación efectivas son más altas en poblaciones sujetas a temperatura anual intermedia, isotermalidad y radiación solar en lugar de extremos. Esto parece contradecir lo observado en estudios experimentales en Arabidopsis y cebada (Phillips et al.2015 Lloyd et al.2018 Modliszewski et al.2018), donde las temperaturas extremas se asociaron con una mayor tasa de recombinación. Sin embargo, las diferencias clave entre nuestras observaciones y los estudios experimentales son el número de generaciones analizadas, la multitud de condiciones ambientales consideradas y los factores genéticos de la población. Las tasas de recombinación efectivas estimadas por patrones de desequilibrio de ligamiento (LD) son el resultado de miles de rondas de recombinación y patrones de selección, cruzamiento y mezcla ancestral. Por otro lado, los estudios experimentales a menudo se limitan a una generación debido al tiempo que lleva cultivar plantas. Por lo tanto, pensamos en nuestras observaciones como tasas de recombinación efectivas a largo plazo, que pueden diferir de las respuestas a corto plazo de la maquinaria de recombinación al estrés ambiental. Estas diferencias entre los efectos a largo y corto plazo pueden estar influenciadas por diferentes alelos de reguladores meióticos, lo que lleva a diferencias en las tasas de recombinación (Sidhu et al.2017 Ziolkowski et al.2017). Sin embargo, dado que los reguladores meióticos clave generalmente muestran una conservación de secuencia alta (Villeneuve y Hillers 2001 Sidhu et al. 2017), nuestras observaciones pueden explicarse por la plasticidad meiótica hacia el medio ambiente. Nuestros datos no nos permiten analizar las condiciones ambientales precisas que cada población / individuo enfrentó durante cada ciclo meiótico a lo largo del tiempo dentro del Creciente Fértil. Sin embargo, nos permiten describir amplios efectos ambientales sobre el paisaje de recombinación de poblaciones naturales. Para una especie estrictamente endogámica como la cebada, el patrón observado se puede interpretar como una medida para equilibrar la pérdida de aptitud causada por la endogamia. Curiosamente, Morrell et al. (2005) observaron niveles sorprendentemente bajos de LD en la cebada silvestre, comparables a los de Zea mays, una especie exógena. Nuestros datos proporcionan evidencia de altas tasas de recombinación efectivas en condiciones ambientales específicas, lo que podría explicar la rápida desintegración de LD observada por Morrell et al. (2005).

En conjunto, nuestras observaciones implican diferencias en la forma en que las tasas de recombinación efectivas se correlacionan con las condiciones ambientales durante largos períodos de tiempo frente a las respuestas a corto plazo de la maquinaria de recombinación al estrés ambiental. En condiciones naturales, las poblaciones de plantas están sujetas a condiciones ambientales variables, que están estrechamente vinculadas, como la temperatura, la luz y la precipitación. Sin embargo, en experimentos controlados, a menudo solo se cambia un único parámetro de interés para estudiar sus efectos. Nuestras observaciones sugieren una interacción entre la variación de la temperatura, la luz y la precipitación en la tasa de recombinación efectiva en la cebada silvestre. Una tasa de recombinación efectiva máxima en condiciones de luz y temperatura intermedias, así como una alta precipitación, pueden interpretarse como un medio de generar diversidad genética sobre la que puede actuar la selección (Presgraves 2005). En una especie estrictamente endogámica, esto podría ser un mecanismo para contrarrestar los efectos negativos de la endogamia y mantener la aptitud.


13.1 Teoría cromosómica y vínculos genéticos

En esta sección, explorará la siguiente pregunta:

Conexión para cursos AP ®

Propuesta de forma independiente por Sutton y Boveri a principios del siglo XX, la Teoría Cromosómica de la Herencia establece que los cromosomas son vehículos de herencia genética. Como hemos descubierto, los patrones de herencia son más complejos de lo que Mendel podría haber imaginado. Mendel estaba investigando el comportamiento de los genes. Tuvo la suerte de elegir rasgos codificados por genes que estaban en diferentes cromosomas o muy separados en el mismo cromosoma. Cuando los genes están vinculados o cerca uno del otro en el mismo cromosoma, los patrones de segregación y el surtido independiente cambian. En 1913, Sturtevant ideó un método para evaluar la frecuencia de recombinación e inferir las posiciones relativas y distancias de genes enlazados en un cromosoma basándose en el número promedio de cruces entre ellos durante la meiosis.

El contenido presentado en esta sección apoya los Objetivos de aprendizaje descritos en la Gran Idea 3 del Marco del Currículo de Biología AP ®. Los objetivos de aprendizaje de AP ® fusionan el contenido de conocimientos esenciales con una o más de las siete prácticas científicas. Estos objetivos proporcionan una base transparente para el curso de Biología AP ®, junto con experiencias de laboratorio basadas en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP ®.

Gran idea 3 Los sistemas vivos almacenan, recuperan, transmiten y responden a información esencial para los procesos de la vida.
Comprensión duradera 3.A La información heredable asegura la continuidad de la vida.
Conocimiento esencial 3.A.2 En eucariotas, la información hereditaria se transmite a la siguiente generación a través de procesos que incluyen el ciclo celular y la mitosis o meiosis más fertilización.
Práctica de la ciencia 7.1 El estudiante puede conectar fenómenos y modelos a través de escalas espaciales y temporales.
Objetivo de aprendizaje 3.10 El estudiante es capaz de representar la conexión entre la meiosis y el aumento de la diversidad genética necesaria para la evolución.
Conocimiento esencial 3.A.3 La base cromosómica de la herencia proporciona una comprensión del patrón de paso (transmisión) de genes de padres a hijos.
Práctica de la ciencia 1.1 El estudiante puede crear representaciones y modelos de fenómenos y sistemas naturales o artificiales en el dominio.
Práctica de la ciencia 7.2 El estudiante puede conectar conceptos en y entre dominios para generalizar o extrapolar en y / o a través de entendimientos duraderos y / o grandes ideas.
Objetivo de aprendizaje 3.12 El estudiante es capaz de construir una representación que conecta el proceso de meiosis con el paso de rasgos de padres a hijos.

Apoyo a los profesores

Presente el vínculo genético utilizando elementos visuales como este video.

Los estudiantes pueden leer sobre la genética del maíz en este artículo de revisión.

Los estudiantes pueden leer sobre genes vinculados y el trabajo de Mendel en este artículo.

Haga que los estudiantes trabajen en escenarios de herencia donde los genes están vinculados y dónde se encuentran en diferentes cromosomas usando la siguiente hoja de actividades.

Las notas de preparación del maestro para esta actividad están disponibles aquí.

Las preguntas del desafío de práctica científica contienen preguntas de prueba adicionales para esta sección que lo ayudarán a prepararse para el examen AP. Estas preguntas abordan los siguientes estándares:
[APLO 3.2] [APLO 3.11] [APLO 3.14] [APLO 3.15] [APLO 3.28] [APLO 3.26] [APLO 3.17] [APLO 4.22]

Mucho antes de que los cromosomas fueran visualizados bajo un microscopio, el padre de la genética moderna, Gregor Mendel, comenzó a estudiar la herencia en 1843.Con la mejora de las técnicas microscópicas a fines del siglo XIX, los biólogos celulares pudieron teñir y visualizar estructuras subcelulares con tintes y observar sus acciones durante la división celular y la meiosis. Con cada división mitótica, los cromosomas se replicaron, condensaron a partir de una masa nuclear amorfa (sin forma constante) en distintos cuerpos en forma de X (pares de cromátidas hermanas idénticas) y migraron a polos celulares separados.

Teoría cromosómica de la herencia

La especulación de que los cromosomas podrían ser la clave para comprender la herencia llevó a varios científicos a examinar las publicaciones de Mendel y reevaluar su modelo en términos del comportamiento de los cromosomas durante la mitosis y la meiosis. En 1902, Theodor Boveri observó que el desarrollo embrionario adecuado de los erizos de mar no ocurre a menos que los cromosomas estén presentes. Ese mismo año, Walter Sutton observó la separación de cromosomas en células hijas durante la meiosis (Figura 13.2). Juntas, estas observaciones llevaron al desarrollo de la Teoría Cromosómica de la Herencia, que identificó a los cromosomas como el material genético responsable de la herencia mendeliana.

La Teoría Cromosómica de la Herencia fue consistente con las leyes de Mendel y fue apoyada por las siguientes observaciones:

  • Durante la meiosis, los pares de cromosomas homólogos migran como estructuras discretas que son independientes de otros pares de cromosomas.
  • La clasificación de cromosomas de cada par homólogo en pre-gametos parece ser aleatoria.
  • Cada padre sintetiza gametos que contienen solo la mitad de su complemento cromosómico.
  • Aunque los gametos masculinos y femeninos (espermatozoides y óvulos) difieren en tamaño y morfología, tienen el mismo número de cromosomas, lo que sugiere contribuciones genéticas iguales de cada padre.
  • Los cromosomas gaméticos se combinan durante la fertilización para producir descendencia con el mismo número de cromosomas que sus padres.

A pesar de las convincentes correlaciones entre el comportamiento de los cromosomas durante la meiosis y las leyes abstractas de Mendel, la Teoría Cromosómica de la Herencia se propuso mucho antes de que existiera alguna evidencia directa de que los rasgos se transmitieran en los cromosomas. Los críticos señalaron que los individuos tenían rasgos de segregación mucho más independientes que cromosomas. Fue solo después de varios años de realizar cruces con la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, que Thomas Hunt Morgan proporcionó evidencia experimental para apoyar la Teoría Cromosómica de la Herencia.

Vínculos genéticos y distancias

El trabajo de Mendel sugirió que los rasgos se heredan independientemente unos de otros. Morgan identificó una correspondencia 1: 1 entre un rasgo de segregación y el cromosoma X, lo que sugiere que la segregación aleatoria de cromosomas era la base física del modelo de Mendel. Esto también demostró que los genes vinculados alteran los resultados previstos por Mendel. El hecho de que cada cromosoma pueda portar muchos genes vinculados explica cómo los individuos pueden tener muchos más rasgos que cromosomas. Sin embargo, las observaciones de los investigadores del laboratorio de Morgan sugirieron que los alelos ubicados en el mismo cromosoma no siempre se heredaban juntos. Durante la meiosis, los genes vinculados de alguna manera se desvincularon.

Recombinación homóloga

En 1909, Frans Janssen observó quiasmas, el punto en el que las cromátidas están en contacto entre sí y pueden intercambiar segmentos, antes de la primera división de la meiosis. Sugirió que los alelos se desvinculan y los cromosomas intercambian segmentos físicamente. A medida que los cromosomas se condensaron y emparejaron con sus homólogos, parecieron interactuar en puntos distintos. Janssen sugirió que estos puntos correspondían a regiones en las que se intercambiaban segmentos cromosómicos. Ahora se sabe que el emparejamiento y la interacción entre cromosomas homólogos, conocido como sinapsis, hace más que simplemente organizar los homólogos para la migración a células hijas separadas. Cuando se hace sinapsis, los cromosomas homólogos experimentan intercambios físicos recíprocos en sus brazos en un proceso llamado recombinación homóloga, o más simplemente, "cruzamiento".

Para comprender mejor el tipo de resultados experimentales que los investigadores estaban obteniendo en este momento, considere un individuo heterocigoto que heredó alelos maternos dominantes para dos genes en el mismo cromosoma (como AB) y dos alelos paternos recesivos para esos mismos genes (como ab). Si los genes están vinculados, uno esperaría que este individuo produzca gametos que son AB o ab con una proporción de 1: 1. Si los genes están desvinculados, el individuo debe producir AB, Ab, aB, y ab gametos con frecuencias iguales, de acuerdo con el concepto mendeliano de surtido independiente. Debido a que corresponden a nuevas combinaciones de alelos, los genotipos Ab y aB son tipos no parentales que resultan de la recombinación homóloga durante la meiosis. Los tipos parentales son progenie que exhiben la misma combinación alélica que sus padres. Morgan y sus colegas, sin embargo, encontraron que cuando tales individuos heterocigotos fueron cruzados a un progenitor homocigótico recesivo (AaBb × aabb), ocurrieron casos tanto parentales como no parentales. Por ejemplo, se podrían recuperar 950 crías que fueran AaBb o aabb, pero también se obtendrían 50 crías que fueran Aabb o aaBb. Estos resultados sugirieron que la vinculación se produjo con mayor frecuencia, pero una minoría significativa de la descendencia fue el producto de la recombinación.

Conexión visual

  1. Sí, las frecuencias de descendencia previstas oscilan entre 0 \% y 100 \%
  2. No, las frecuencias de descendencia previstas no pueden ser superiores al 30 \%.
  3. Sí, las frecuencias de descendencia previstas oscilan entre 0 \% y 60 \%.
  4. No, las frecuencias de descendencia previstas oscilan entre 0 \% y 50 \%.

Conexión de práctica científica para cursos AP®

Piénsalo

Un cruce de prueba que involucra a F1 Las moscas dihíbridas producen más descendientes de tipo parental que de tipo recombinante. ¿Cómo puede explicar estos resultados observados?

Apoyo a los profesores

La pregunta es una aplicación del Objetivo de aprendizaje 3.12 y las Prácticas científicas 1.1 y 7.2, y el Objetivo de aprendizaje 3.10 y la Práctica científica 7.1 porque los estudiantes están explicando cómo la meiosis puede resultar en gametos con variación genética a su vez, estos gametos pueden introducir variación en la descendencia.

Respuesta

Se producen más descendientes de tipo parental porque los genes que se están examinando en el cruzamiento dihíbrido están vinculados. Los genes cuyos loci están más cerca entre sí tienen menos probabilidades de separarse en diferentes cromátidas durante la meiosis como resultado del cruce cromosómico. Por tanto, habrá más descendencia con el fenotipo parental que con el fenotipo recombinante.

Puede encontrar más información sobre genes vinculados en los siguientes recursos:

Conexión diaria para cursos AP®

Marcadores genéticos para cánceres

Los científicos han utilizado el enlace genético para descubrir la ubicación en el genoma humano de muchos genes que causan enfermedades. Localizan genes de enfermedades rastreando la herencia de rasgos a través de generaciones de familias y creando mapas de vinculación que miden la recombinación entre grupos de "marcadores" genéticos. Los dos genes BRCA, mutaciones que pueden conducir a cánceres de mama y de ovario, fueron algunos de los primeros genes descubiertos por mapeo genético. Las mujeres que tienen antecedentes familiares de estos cánceres ahora pueden someterse a pruebas de detección para determinar si uno o ambos genes portan una mutación. Si es así, pueden optar por extirpar quirúrgicamente los senos y los ovarios. Esto disminuye sus posibilidades de desarrollar cáncer más adelante en la vida. La actriz Angelia Jolie señaló esto a la atención del público cuando optó por la cirugía en 2014 y nuevamente en 2015 después de que los médicos descubrieron que portaba un gen BRCA1 mutado.

  1. Los genes responsables del temperamento están en el mismo cromosoma que los genes responsables de ciertos rasgos faciales.
  2. Un solo gen codifica tanto el temperamento como ciertos rasgos faciales, como el tamaño de la mandíbula.
  3. Los genes responsables del temperamento suave solo se expresan cuando también están presentes genes que codifican una cara linda.
  4. Los productos de los genes que codifican el temperamento interactúan con los productos de los genes que codifican los rasgos faciales.

Mapas genéticos

Janssen no tenía la tecnología para demostrar el cruce, por lo que siguió siendo una idea abstracta que no fue ampliamente aceptada. Los científicos pensaban que los quiasmas eran una variación de la sinapsis y no podían entender cómo los cromosomas podían romperse y reunirse. Sin embargo, los datos eran claros en el sentido de que la vinculación no siempre ocurría. En última instancia, se necesitó un joven estudiante universitario y una "noche entera" para dilucidar matemáticamente el problema del enlace y la recombinación.

En 1913, Alfred Sturtevant, un estudiante del laboratorio de Morgan, reunió los resultados de los investigadores en el laboratorio y se los llevó a casa una noche para reflexionar sobre ellos. A la mañana siguiente, había creado el primer "mapa cromosómico", una representación lineal del orden de los genes y la distancia relativa en un cromosoma (Figura 13.4).

Conexión visual

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?
  1. La recombinación del ojo rojo / marrón y los alelos aristae largos / cortos ocurrirá con más frecuencia que la recombinación de los alelos para la longitud del ala y el color del cuerpo.
  2. La recombinación del color del cuerpo y los alelos del ojo rojo / cinabrio ocurrirá con más frecuencia que la recombinación de los alelos para la longitud del ala y la longitud de las aristas.
  3. La recombinación del color del cuerpo y los alelos de la longitud de las aristas ocurrirá con más frecuencia que la recombinación de los alelos del ojo rojo / marrón y los alelos de la longitud de las aristas.
  4. No se producirá la recombinación del color del cuerpo gris / negro y los alelos aristae largos / cortos.

Como se muestra en la Figura 13.4, al utilizar la frecuencia de recombinación para predecir la distancia genética, se podría inferir el orden relativo de los genes en el cromosoma 2. Los valores mostrados representan distancias de mapas en centimorgans (cM), que corresponden a frecuencias de recombinación (en porcentaje). Por lo tanto, los genes para el color del cuerpo y el tamaño de las alas estaban separados entre 65,5 y 48,5 = 17 cM, lo que indica que los alelos materno y paterno de estos genes se recombinan en el 17 por ciento de la descendencia, en promedio.

Para construir un mapa cromosómico, Sturtevant asumió que los genes se ordenaron en serie en cromosomas filiformes. También asumió que la incidencia de recombinación entre dos cromosomas homólogos podría ocurrir con la misma probabilidad en cualquier lugar a lo largo del cromosoma. Operando bajo estos supuestos, Sturtevant postuló que los alelos que estaban muy separados en un cromosoma tenían más probabilidades de disociarse durante la meiosis simplemente porque había una región más grande sobre la que podía ocurrir la recombinación. Por el contrario, era probable que los alelos que estaban próximos entre sí en el cromosoma se heredaran juntos. El número promedio de cruces entre dos alelos, es decir, su frecuencia de recombinación, se correlaciona con su distancia genética entre sí, en relación con las ubicaciones de otros genes en ese cromosoma. Considerando el ejemplo de cruce entre AaBb y aabb anterior, la frecuencia de recombinación podría calcularse como 50/1000 = 0,05. Es decir, la probabilidad de un cruce entre genes Automóvil club británico y Cama y desayuno fue de 0,05, o 5 por ciento. Tal resultado indicaría que los genes estaban definitivamente ligados, pero que estaban lo suficientemente separados como para que ocurrieran cruces de vez en cuando. Sturtevant dividió su mapa genético en unidades de mapa, o centimorgans (cM), en las que una frecuencia de recombinación de 0.01 corresponde a 1 cM.

Al representar alelos en un mapa lineal, Sturtevant sugirió que los genes pueden variar desde estar perfectamente vinculados (frecuencia de recombinación = 0) a estar perfectamente desvinculados (frecuencia de recombinación = 0,5) cuando los genes están en diferentes cromosomas o los genes están muy separados en el mismo cromosoma. Los genes perfectamente desvinculados corresponden a las frecuencias predichas por Mendel para clasificar independientemente en un cruce dihíbrido. Una frecuencia de recombinación de 0,5 indica que el 50 por ciento de la descendencia son recombinantes y el otro 50 por ciento son tipos parentales. Es decir, cada tipo de combinación de alelos se representa con la misma frecuencia. Esta representación permitió a Sturtevant calcular de forma aditiva distancias entre varios genes en el mismo cromosoma. Sin embargo, a medida que las distancias genéticas se acercaban a 0,50, sus predicciones se volvieron menos precisas porque no estaba claro si los genes estaban muy separados en el mismo cromosoma o en diferentes cromosomas.

En 1931, Barbara McClintock y Harriet Creighton demostraron el cruce de cromosomas homólogos en plantas de maíz. Semanas después, recombinación homóloga en Drosophila fue demostrado microscópicamente por Curt Stern. Stern observó varios fenotipos ligados al X que estaban asociados con un par de cromosomas X estructuralmente inusual y diferente en el que a un X le faltaba un pequeño segmento terminal y al otro X se fusionó con una parte del cromosoma Y. Al cruzar moscas, observar a su descendencia y luego visualizar los cromosomas de la descendencia, Stern demostró que cada vez que la combinación de alelos de la descendencia se desviaba de cualquiera de las combinaciones parentales, había un intercambio correspondiente de un segmento del cromosoma X. El uso de moscas mutantes con cromosomas X estructuralmente distintos fue la clave para observar los productos de la recombinación porque la secuenciación de ADN y otras herramientas moleculares aún no estaban disponibles. Ahora se sabe que los cromosomas homólogos intercambian regularmente segmentos en la meiosis al romper y reunirse recíprocamente su ADN en ubicaciones precisas.

Enlace al aprendizaje

Revise el proceso de Sturtevant para crear un mapa genético sobre la base de las frecuencias de recombinación aquí.

  1. El cruce cromosómico es un proceso específico y no aleatorio durante el cual los cromosomas se unen e intercambian ADN, lo que contribuye a la diversidad genética.
  2. El cruce cromosómico ocurre durante la meiosis cuando los pares de cromosomas se unen e intercambian ADN. Por lo tanto, el cruce aumenta la variación de las combinaciones genéticas en la célula de gametos haploides.
  3. El cruce cromosómico da como resultado la herencia de material genético mejorado por la descendencia, y el evento de recombinación posterior no es variable en frecuencia o ubicación.
  4. El cruce cromosómico ocurre durante el proceso mitótico cuando los cromosomas se unen y se produce la recombinación, lo que aumenta la variación de las combinaciones genéticas en las células mitóticas haploides formadas a partir de la mitosis.

Rasgos mapeados de Mendel

La recombinación homóloga es un proceso genético común, pero Mendel nunca lo observó. Si hubiera investigado genes vinculados y no vinculados, le habría resultado mucho más difícil crear un modelo unificado de sus datos sobre la base de cálculos probabilísticos. Los investigadores que desde entonces han mapeado los siete rasgos investigados por Mendel en los siete cromosomas del genoma de la planta del guisante han confirmado que todos los genes que examinó están en cromosomas separados o están lo suficientemente separados como para estar desvinculados estadísticamente. Algunos han sugerido que Mendel tuvo una enorme suerte al seleccionar solo genes no vinculados, mientras que otros cuestionan si Mendel descartó algún dato que sugiera vinculación. En cualquier caso, Mendel observó sistemáticamente el surtido independiente porque examinó genes que estaban efectivamente desvinculados.

Como Asociado de Amazon, ganamos con las compras que califican.

¿Quiere citar, compartir o modificar este libro? Este libro es Creative Commons Attribution License 4.0 y debe atribuir OpenStax.

    Si está redistribuyendo todo o parte de este libro en formato impreso, debe incluir en cada página física la siguiente atribución:

  • Utilice la siguiente información para generar una cita. Recomendamos utilizar una herramienta de citas como esta.
    • Autores: Julianne Zedalis, John Eggebrecht
    • Editor / sitio web: OpenStax
    • Título del libro: Biología para cursos AP®
    • Fecha de publicación: 8 de marzo de 2018
    • Ubicación: Houston, Texas
    • URL del libro: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/1-introduction
    • URL de la sección: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/13-1-chromosomal-theory-and-genetic-linkages

    © 12 de enero de 2021 OpenStax. El contenido de los libros de texto producido por OpenStax tiene una licencia Creative Commons Attribution License 4.0. El nombre de OpenStax, el logotipo de OpenStax, las portadas de libros de OpenStax, el nombre de OpenStax CNX y el logotipo de OpenStax CNX no están sujetos a la licencia Creative Commons y no pueden reproducirse sin el consentimiento previo y expreso por escrito de Rice University.


    Cruce de genes: mecanismo, teorías y tipos

    El vínculo se debe a genes vinculados que se encuentran en el mismo cromosoma. Morgan señaló que el fenómeno de la vinculación completa ocurre raramente porque a veces los genes vinculados muestran la tendencia a separarse durante la meiosis y se forman nuevas combinaciones.

    Esto se debe al intercambio de partes entre dos cromosomas homólogos para los que se usa el término & # 8220crossing over & # 8221.

    Por tanto, el cruzamiento puede definirse como un mecanismo de recombinación de los genes debido al intercambio de segmentos cromosómicos en el momento del emparejamiento.

    En el experimento de ligamiento con maíz, se ve que los genes para el color de la semilla C y la semilla completa S permanecen asociados en la combinación parental en aproximadamente el 96 por ciento, pero se separan en aproximadamente el 4 por ciento (ver Fig. 5.8). Esta recombinación de genes ligados para intercambiar partes entre cromosomas homólogos se denomina cruzamiento.

    El cruce tiene lugar en el segmento del cromosoma entre los loci de los genes C y S en algunas células pero no en otras, de modo que alrededor del 96 por ciento de los gametos contienen la combinación de genes parentales y el 4 por ciento contienen recombinación & # 8217s.

    Mecanismo de cruce:

    Durante la etapa de cigoteno de la primera profase de la meiosis, los cromosomas maternos y paternos homólogos comienzan a emparejarse y se encuentran uno al lado del otro. Este fenómeno se llama sinapsis. Este emparejamiento de cromosomas homólogos se produce por la atracción mutua entre los genes alélicos. Los cromosomas emparejados se conocen como bivalentes. Un estudio reciente revela que la formación de sinapsis y quiasmas se ve facilitada por una estructura altamente organizada de filamentos llamada complejo sinaptonémico. La sinapsis es seguida por la duplicación de cromosomas que cambian la naturaleza bivalente del par de cromosomas en tetravalente.

    Durante esto, cada uno de los cromosomas homólogos en una división bivalente longitudinalmente en dos cromátidas hermanas unidas al centrómero indiviso. Así, se forman cuatro cromátidas que permanecen una al lado de la otra como dos pares. Más tarde, en la etapa de paquiteno se produce el cruzamiento, durante el cual las cromátidas no hermanas del par homólogo se retuercen entre sí, y el punto de contacto de las cromátidas cruzadas se denomina quiasma (Fig. 5.9).

    En el cruce intervienen dos o tres cromátidas y, en consecuencia, se forman dos o más quiasmas. En cada quiasma, la cromátida se rompe y el segmento roto vuelve a unirse a una nueva cromátida (Fig. 5.10A & amp B). Por tanto, el intercambio de partes de cromátidas produce la alteración de la secuencia original de genes en el cromosoma.

    Una vez completado el cruce, las cromátidas no hermanas se repelen entre sí debido a la falta de atracción entre ellas.La repulsión o separación de las cromátidas comienza desde el centrómero hacia el final como una cremallera y este proceso de separación se denomina terminalización. El proceso de terminalización continúa a través de diploteno, diaquinesis y finaliza en la metafase I.

    Al final de la terminalización, las cromátidas retorcidas se separan de modo que los cromosomas homólogos se separan por completo y se mueven a polos opuestos en la anafase I. El cruce provoca así la alteración de la secuencia lineal de genes en los cromosomas que producen gametos y, por lo tanto, añaden una nueva combinación de carácter en la progenie.

    Teorías del cruce:

    (i) Teoría del contacto primero (por Serebrovsky):

    Según esta teoría, las dos cromátidas internas de los cromosomas homólogos que se cruzan primero se tocan y luego se cruzan. En el punto de contacto se produce la rotura. Los segmentos rotos se vuelven a unir para formar nuevas combinaciones (Fig. 5.11).

    (ii) La teoría de la rotura primero (por Muller):

    Según esta teoría, las cromátidas que se cruzan primero se rompen en dos sin ningún cruce y después los segmentos rotos se reúnen para formar las nuevas combinaciones (Fig. 5.11).

    (iii) Teoría de la deformación (por Darlington):

    Según esta teoría, la rotura de los cromosomas o cromátidas se debe a la tensión provocada por el emparejamiento y posteriormente las partes rotas vuelven a reunirse.

    Tipos de cruce:

    (I) Cruce único:

    En este tipo de cruzamiento, solo se forma un quiasma a lo largo de un par de cromosomas. Los gametos formados por este tipo de cruzamiento se denominan gametos cruzados simples (Fig. 5.10A y B).

    (ii) Cruce doble:

    En este tipo, se forman dos quiasmas a lo largo de toda la longitud del cromosoma, lo que provoca la rotura y la unión de las cromátidas en dos puntos. Los gametos producidos se denominan gametos de doble cruce (figura 5.14B).

    (iii) Cruce múltiple:

    En este tipo se forman más de dos quiasmas y, por lo tanto, se produce un cruce en más de dos puntos del mismo par de cromosomas. Es un fenómeno poco común.

    Factores que influyen en el cruce:

    En Drosophila, el cruzamiento está completamente suprimido en los machos pero muy alto en las hembras. También existe una tendencia a la reducción del cruzamiento en los mamíferos machos.

    Gowen descubrió por primera vez que la mutación reduce el cruce en todos los cromosomas de Drosophila.

    La inversión es un cambio intersegmental en el cromosoma. En un segmento dado de cromosomas, el cruce se suprime debido a inversiones.

    Plough ha demostrado experimentalmente que cuando Drosophila se somete a variaciones de temperatura altas y bajas, aumenta el porcentaje de cruzamiento en ciertas partes del cromosoma.

    Muller demostró que las irradiaciones de rayos X aumentan el cruce cerca del centrómero. De manera similar, Hanson ha demostrado que el radio aumenta el cruce.

    Bridges ha demostrado que la edad también influye en la tasa de cruzamiento en Drosophila. Cuando la hembra envejece, aumenta la tasa de cruzamiento.

    La dieta alta en calcio en Drosophila joven disminuye la tasa de cruzamiento mientras que la dieta deficiente en iones metálicos aumenta el cruzamiento.

    8. La frecuencia de cruce es menor en los extremos del cromosoma y también cerca del centrómero en comparación con otras partes.

    Importancia de cruzar:

    1. El cruce proporciona una prueba directa de la disposición lineal de los genes.

    2. A través del cruce, los segmentos de cromosomas homólogos se intercambian y, por lo tanto, dan origen a nuevos caracteres y variaciones genéticas.

    3. El cruce ha llevado a la construcción de mapas de ligamiento o mapas genéticos de cromosomas.

    4. El grupo de ligamiento y el orden lineal de los genes ayudan a revelar el mecanismo y la naturaleza de los genes.

    5. El cruce juega un papel muy importante en el campo de la cría para mejorar las variedades de plantas y animales.


    Ver el vídeo: Recombinación y ligamiento (Agosto 2022).