El mapeo genético o mapeo del genoma describe los métodos utilizados para identificar la ubicación de un gen en un cromosoma y las distancias entre genes. [2] [3] El mapeo genético también puede describir las distancias entre diferentes sitios dentro de un gen.
La esencia de todo mapeo genómico es colocar una colección de marcadores moleculares en sus respectivas posiciones en el genoma. Los marcadores moleculares vienen en todas las formas. Los genes pueden considerarse un tipo especial de marcadores genéticos en la construcción de mapas genómicos y pueden mapearse de la misma manera que cualquier otro marcador. En algunas áreas de estudio, el mapeo genético contribuye a la creación de nuevos recombinantes dentro de un organismo. [4]
Los mapas genéticos ayudan a describir la disposición espacial de los genes en un cromosoma . Los genes se asignan a una ubicación específica en un cromosoma, conocida como locus , y pueden usarse como marcadores moleculares para encontrar la distancia entre otros genes en un cromosoma. Los mapas brindan a los investigadores la oportunidad de predecir los patrones de herencia de rasgos específicos, lo que eventualmente puede conducir a una mejor comprensión de los rasgos vinculados a las enfermedades. [5]
La base genética de los mapas genéticos es proporcionar un esquema que potencialmente pueda ayudar a los investigadores a llevar a cabo la secuenciación del ADN . Un mapa genético ayuda a señalar las posiciones relativas de los genes y permite a los investigadores localizar regiones de interés en el genoma . De este modo, los genes se pueden identificar y secuenciar rápidamente. [6]
Dos enfoques para generar mapas genéticos ( mapeo genético ) incluyen el mapeo físico y el mapeo genético. El mapeo físico utiliza técnicas de biología molecular para inspeccionar los cromosomas. Estas técnicas permiten a los investigadores observar los cromosomas directamente para que se pueda construir un mapa con las posiciones relativas de los genes. El mapeo genético, por otro lado, utiliza técnicas genéticas para encontrar indirectamente la asociación entre genes. Las técnicas pueden incluir experimentos de cruzamiento ( híbridos ) y el examen de pedigríes . Estas técnicas permiten construir mapas para que se puedan analizar las posiciones relativas de los genes y otras secuencias importantes. [6]
Hay dos enfoques de mapeo distintivos utilizados en el campo del mapeo del genoma: mapas genéticos (también conocidos como mapas de ligamiento) [7] y mapas físicos [3] . Si bien ambos mapas son una colección de marcadores genéticos y loci de genes , [8] las distancias de los mapas genéticos se basan en la información de ligamiento genético , mientras que los mapas físicos usan distancias físicas reales generalmente medidas en número de pares de bases . Si bien el mapa físico podría ser una representación más precisa del genoma, los mapas genéticos a menudo ofrecen información sobre la naturaleza de diferentes regiones del cromosoma, por ejemplo, la relación entre la distancia genética y la distancia física varía mucho en diferentes regiones genómicas, lo que refleja diferentes tasas de recombinación, y dicha tasa a menudo es indicativa de regiones eucromáticas (generalmente ricas en genes) frente a heterocromáticas (generalmente pobres en genes) del genoma.
Los investigadores comienzan a elaborar un mapa genético recogiendo muestras de sangre, saliva o tejido de miembros de la familia que son portadores de una enfermedad o rasgo importante y de miembros de la familia que no lo son. La muestra más común que se utiliza en el mapeo genético, especialmente en las pruebas genómicas personales, es la saliva. Luego, los científicos aíslan el ADN de las muestras y lo examinan detenidamente, buscando patrones únicos en el ADN de los miembros de la familia que sí son portadores de la enfermedad y en el ADN de los que no la son. Estos patrones moleculares únicos en el ADN se denominan polimorfismos o marcadores. [9]
Los primeros pasos para construir un mapa genético son el desarrollo de marcadores genéticos y una población cartográfica. Cuanto más cerca estén dos marcadores en el cromosoma, más probabilidades hay de que se transmitan juntos a la siguiente generación. Por lo tanto, los patrones de "cosegregación" de todos los marcadores se pueden utilizar para reconstruir su orden. Con esto en mente, se registran los genotipos de cada marcador genético tanto para los padres como para cada individuo en las siguientes generaciones. La calidad de los mapas genéticos depende en gran medida de estos factores: el número de marcadores genéticos en el mapa y el tamaño de la población cartográfica. Los dos factores están interrelacionados, ya que una población cartográfica más grande podría aumentar la "resolución" del mapa y evitar que el mapa se "sature".
En el mapeo genético, cualquier característica de secuencia que pueda distinguirse fielmente de los dos progenitores puede usarse como marcador genético. Los genes, en este sentido, están representados por "rasgos" que pueden distinguirse fielmente entre dos progenitores. Su vinculación con otros marcadores genéticos se calcula de la misma manera que si fueran marcadores comunes y los loci génicos reales se enmarcan en una región entre los dos marcadores vecinos más cercanos. Luego se repite todo el proceso observando más marcadores que se dirigen a esa región para mapear el vecindario del gen con una resolución más alta hasta que se pueda identificar un locus causal específico. Este proceso a menudo se conoce como " clonación posicional " y se usa ampliamente en el estudio de especies de plantas. Una especie de planta, en particular en la que se utiliza la clonación posicional es el maíz . [10] La gran ventaja del mapeo genético es que puede identificar la posición relativa de los genes basándose únicamente en su efecto fenotípico.
El mapeo genético es una forma de identificar exactamente qué cromosoma tiene qué gen y señalar con exactitud dónde se encuentra ese gen en ese cromosoma en particular. El mapeo también actúa como un método para determinar qué gen tiene más probabilidades de recombinarse en función de la distancia entre dos genes. La distancia entre dos genes se mide en unidades conocidas como centimorgan o unidades de mapeo, estos términos son intercambiables. Un centimorgan es una distancia entre genes para la cual un producto de la meiosis en cien es recombinante. [11] [4] Cuanto más lejos estén dos genes entre sí, más probabilidades habrá de que se recombinen. Si estuvieran más cerca, ocurriría lo contrario. [12]
La base del análisis de ligamiento es comprender la ubicación cromosómica e identificar los genes de las enfermedades. Ciertos genes que están genéticamente vinculados o asociados entre sí residen cerca unos de otros en el mismo cromosoma. Durante la meiosis , estos genes pueden heredarse juntos y pueden usarse como un marcador genético para ayudar a identificar el fenotipo de las enfermedades. Debido a que el análisis de ligamiento puede identificar patrones de herencia, estos estudios suelen basarse en la familia. [13]
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Los primeros mapas genéticos se realizaron mediante análisis de ligamiento de moscas de la fruta, en el grupo de investigación de Thomas Hunt Morgan . El primero se publicó en 1913. [15]
El análisis de asociación de genes se basa en la población; no se centra en los patrones de herencia, sino que se basa en la historia completa de una población. El análisis de asociación de genes examina una población en particular e intenta identificar si la frecuencia de un alelo en los individuos afectados es diferente de la de un grupo de control de individuos no afectados de la misma población. Este método es particularmente útil para identificar enfermedades complejas que no tienen un patrón de herencia mendeliano . [16]
Dado que las distancias reales entre pares de bases son generalmente difíciles o imposibles de medir directamente, los mapas físicos se construyen primero fragmentando el genoma en fragmentos jerárquicamente más pequeños. Al caracterizar cada fragmento individual y volver a ensamblarlo, la ruta superpuesta o "ruta de mosaico" de estos pequeños fragmentos permitiría a los investigadores inferir distancias físicas entre características genómicas.
El mapeo de restricción es un método en el que se obtiene información estructural sobre un segmento de ADN utilizando enzimas de restricción . Las enzimas de restricción son enzimas que ayudan a cortar segmentos de ADN en secuencias de reconocimiento específicas. La base del mapeo de restricción implica digerir (o cortar) ADN con enzimas de restricción. Los fragmentos de ADN digeridos luego se hacen pasar por un gel de agarosa mediante electroforesis , que proporciona información sobre el tamaño de estos fragmentos digeridos. Los tamaños de estos fragmentos ayudan a indicar la distancia entre los sitios de las enzimas de restricción en el ADN analizado y proporciona a los investigadores información sobre la estructura del ADN analizado. [16] El patrón resultante de migración de ADN, su huella genética , se utiliza para identificar qué tramo de ADN está en el clon . Al analizar las huellas, los contigs se ensamblan por medios automatizados (FPC) o manuales (pathfinders) en tramos de ADN superpuestos. Ahora se puede hacer una buena elección de clones para secuenciar eficientemente los clones para determinar la secuencia de ADN del organismo en estudio.
En el mapeo físico, no existen formas directas de marcar un gen específico, ya que el mapeo no incluye ninguna información relacionada con rasgos y funciones. Los marcadores genéticos se pueden vincular a un mapa físico mediante procesos como la hibridación in situ . Mediante este enfoque, los contigs del mapa físico se pueden "anclar" a un mapa genético. Los clones utilizados en los contigs del mapa físico se pueden secuenciar a escala local para ayudar al diseño de nuevos marcadores genéticos y la identificación de los loci causales.
La macrorestricción es un tipo de mapeo físico en el que el ADN de alto peso molecular se digiere con una enzima de restricción que tiene un número bajo de sitios de restricción.
Existen formas alternativas de determinar cómo se superpone el ADN en un grupo de clones sin secuenciar completamente los clones. Una vez que se determina el mapa, los clones se pueden utilizar como un recurso para contener de manera eficiente grandes tramos del genoma. Este tipo de mapeo es más preciso que los mapas genéticos.
El mapeo de restricción es un método en el que se obtiene información estructural sobre un segmento de ADN utilizando enzimas de restricción . Las enzimas de restricción son enzimas que ayudan a cortar segmentos de ADN en secuencias de reconocimiento específicas. La base del mapeo de restricción implica digerir (o cortar) ADN con enzimas de restricción. Los fragmentos de ADN digeridos se hacen pasar luego por un gel de agarosa mediante electroforesis , que proporciona información sobre el tamaño de estos fragmentos digeridos. Los tamaños de estos fragmentos ayudan a indicar la distancia entre los sitios de las enzimas de restricción en el ADN analizado y proporciona a los investigadores información sobre la estructura del ADN analizado. [16]
La hibridación in situ con fluorescencia (FISH) es un método utilizado para detectar la presencia (o ausencia) de una secuencia de ADN dentro de una célula. [17] Las sondas de ADN que son específicas para las regiones cromosómicas o los genes de interés se marcan con fluorocromos . Al unir fluorocromos a las sondas, los investigadores pueden visualizar múltiples secuencias de ADN simultáneamente. Cuando una sonda entra en contacto con el ADN en un cromosoma específico, se producirá la hibridación. En consecuencia, se obtendrá información sobre la ubicación de esa secuencia de ADN. La FISH analiza el ADN monocatenario ( ssDNA ). Una vez que el ADN está en su estado monocatenario, el ADN puede unirse a su sonda específica. [6]
Un sitio marcado con secuencia (STS, por sus siglas en inglés) es una secuencia corta de ADN (de aproximadamente 100 a 500 pares de bases de longitud) que aparece varias veces en el genoma de un individuo. Estos sitios son fácilmente reconocibles y suelen aparecer al menos una vez en el ADN que se analiza. Estos sitios suelen contener polimorfismos genéticos que los convierten en fuentes de marcadores genéticos viables (ya que difieren de otras secuencias). Los sitios marcados secuenciados se pueden mapear dentro de nuestro genoma y requieren un grupo de fragmentos de ADN superpuestos. La PCR se utiliza generalmente para producir la colección de fragmentos de ADN. Después de crear los fragmentos superpuestos, se puede analizar la distancia del mapa entre los STS. Para calcular la distancia del mapa entre los STS, los investigadores determinan la frecuencia con la que se producen las rupturas entre los dos marcadores (consulte la secuenciación shotgun ) [16].
A principios de la década de 1950, la opinión predominante era que los genes de un cromosoma son entidades discretas, indivisibles por recombinación genética y dispuestas como cuentas en un collar. Durante 1955 a 1959, Benzer realizó experimentos de recombinación genética utilizando mutantes rII del bacteriófago T4 . Descubrió que, sobre la base de pruebas de recombinación, los sitios de mutación podían mapearse en un orden lineal. [18] [19] Este resultado proporcionó evidencia de la idea clave de que el gen tiene una estructura lineal equivalente a una longitud de ADN con muchos sitios que pueden mutar independientemente.
En 1961, Francis Crick, Leslie Barnett, Sydney Brenner y Richard Watts-Tobin realizaron experimentos genéticos que demostraron la naturaleza básica del código genético de las proteínas. [20] Estos experimentos, que implicaban el mapeo de los sitios de mutación dentro del gen rIIB del bacteriófago T4, demostraron que tres nucleobases secuenciales del ADN del gen especifican cada aminoácido sucesivo de su proteína codificada. De este modo, se demostró que el código genético era un código de tripletes, donde cada triplete (llamado codón) especifica un aminoácido particular. También obtuvieron evidencia de que los codones no se superponen entre sí en la secuencia de ADN que codifica una proteína, y que dicha secuencia se lee desde un punto de partida fijo.
Edgar et al. [21] realizaron experimentos de mapeo con mutantes r del bacteriófago T4 mostrando que las frecuencias de recombinación entre mutantes rII no son estrictamente aditivas. La frecuencia de recombinación de un cruce de dos mutantes rII (axd) es usualmente menor que la suma de las frecuencias de recombinación para subintervalos internos adyacentes (axb) + (bxc) + (cxd). Aunque no es estrictamente aditiva, se demostró una relación sistemática [22] que probablemente refleja el mecanismo molecular subyacente de la recombinación genética .
A veces, los no biólogos se refieren erróneamente a la secuenciación del genoma como "mapeo genómico". El proceso de secuenciación shotgun [23] se parece al proceso de mapeo físico: divide el genoma en pequeños fragmentos, caracteriza cada fragmento y luego los vuelve a unir (las tecnologías de secuenciación más recientes son drásticamente diferentes). Si bien el alcance, el propósito y el proceso son totalmente diferentes, un ensamblaje del genoma puede considerarse la forma "definitiva" de mapa físico, ya que proporciona de una manera mucho mejor toda la información que puede ofrecer un mapa físico tradicional.
La identificación de genes suele ser el primer paso para comprender el genoma de una especie; el mapeo de genes suele ser el primer paso para la identificación de genes. El mapeo de genes suele ser el punto de partida de muchos estudios posteriores importantes.
El proceso de identificación de un elemento genético responsable de una enfermedad también se denomina "mapeo". Si el locus en el que se realiza la búsqueda ya está considerablemente limitado, la búsqueda se denomina mapeo fino de un gen. Esta información se deriva de la investigación de las manifestaciones de la enfermedad en familias numerosas ( ligamento genético ) o de estudios de asociación genética basados en poblaciones .
Utilizando los métodos mencionados anteriormente, los investigadores son capaces de mapear los genes de las enfermedades. Generar un mapa genético es el primer paso crítico para identificar los genes de las enfermedades. Los mapas genéticos permiten identificar alelos variantes y permiten a los investigadores hacer predicciones sobre los genes que creen que están causando el fenotipo mutante . Un ejemplo de un trastorno que fue identificado mediante análisis de ligamiento es la fibrosis quística . Por ejemplo, con la fibrosis quística (FQ), se analizaron muestras de ADN de cincuenta familias afectadas por FQ mediante análisis de ligamiento. Se analizaron cientos de marcadores pertenecientes a la FQ en todo el genoma hasta que se identificó la FQ en el brazo largo del cromosoma 7. Luego, los investigadores completaron el análisis de ligamiento en marcadores de ADN adicionales dentro del cromosoma 7 para identificar una ubicación aún más precisa del gen de la FQ. Encontraron que el gen de la FQ reside alrededor de 7q31-q32 (ver nomenclatura cromosómica ). [16]
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