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7.3: A ligação reduz a frequência de recombinação - Biologia

7.3: A ligação reduz a frequência de recombinação - Biologia



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Tendo considerado os loci desvinculados acima, vamos nos voltar para a situação oposta, na qual dois loci estão tão próximos em um cromossomo que as combinações parentais de alelos sempre segregam juntos (Figura ( PageIndex {3} )). Isto é completo (ou absoluto) ligação e é raro, já que os loci devem estar tão próximos uns dos outros que cruzamentos nunca são detectados entre eles.


7.3: A ligação reduz a frequência de recombinação - Biologia

Quando a natureza química do gene foi descoberta, a genética já era uma ciência madura. Na verdade, a formulação de Mendel dos princípios básicos da hereditariedade nem mesmo dependia da compreensão do fato de que os genes existiam dentro dos cromossomos. Em vez disso, a existência de genes foi inferida unicamente da expressão na descendência de traços visíveis em frequências previstas com base nos traços presentes nas gerações parentais e avós. Hoje, é claro, o campo da genética abrange um amplo espectro de investigação, desde estudos moleculares sobre a regulação gênica até análises de frequências de alelos em populações naturais, com muitos subcampos intermediários. Para distinguir a versão original da genética & # 151 daquela de Mendel e seus seguidores & # 151 dos vários campos relacionados desenvolvidos posteriormente, vários termos foram cunhados, incluindo & # 034formal & # 034 genética, & # 034transmission & # 034 genética, ou & # 034classical & # 034 genética. Genética de transmissão é o termo mais informativo, pois fala diretamente à característica que melhor caracteriza o processo pelo qual os dados de Mendel são obtidos & # 151 por meio de uma análise da transmissão de genótipos e fenótipos de pais para filhos.

O próprio Mendel formulou apenas duas das três características gerais que fundamentam todos os estudos na genética da transmissão de organismos que se reproduzem sexualmente. Suas formulações foram codificadas em duas leis. A primeira lei afirma, em termos modernos, que cada indivíduo carrega duas cópias de cada gene e que apenas uma dessas duas cópias é transmitida a cada filho. Na outra extremidade desta equação, uma criança receberá um conjunto completo de genes de cada pai, levando à restauração de um genótipo que contém duas cópias de cada gene. Indivíduos (e células) que carregam duas cópias de cada gene são considerados & # 034 diploides. & # 034

A primeira lei de Mendel entra em vigor quando indivíduos diplóides produzem gametas & # 034 haplóides & # 034 & # 151 espermatozóides ou óvulos & # 151, cada um carregando apenas um único conjunto completo de genes. Em animais, apenas um certo tipo de célula altamente especializada & # 151 conhecida como & # 034 célula germinativa & # 034 & # 151 é capaz de sofrer a transformação do estado diplóide para o haplóide por meio de um processo conhecido como meiose. Na divisão celular em que ocorre essa transformação, as duas cópias de cada gene irão se separar ou segregar umas das outras e se movem para células filhas (ou irmãs) diferentes. Este evento fornece o nome da primeira lei de Mendel: & # 034a lei da segregação. & # 034 A segregação só pode ser observada em loci que são heterozigotos com dois alelos distinguíveis. Como resultado da segregação, metade dos gametas de um indivíduo conterá um desses alelos e a outra metade conterá o outro. Assim, uma criança pode receber qualquer um dos alelos com igual probabilidade. 43

Enquanto a primeira lei de Mendel se preocupa com a transmissão de genes individuais isolados uns dos outros, sua segunda lei foi formulada na tentativa de codificar a maneira pela qual genes diferentes são transmitidos uns em relação aos outros. Em termos modernos, a segunda lei de Mendel afirma que a segregação de alelos de qualquer locus não terá influência na segregação de alelos de qualquer outro locus. Na linguagem da probabilidade, isso significa que cada evento de segregação é independente de todos os outros e isso fornece o nome para a segunda lei de Mendel: & # 034 a lei da variedade independente. & # 034

Variedade independente de alelos em dois loci diferentes & # 151, por exemplo, UMA e B & # 151 só pode ser observado a partir de um indivíduo que é heterozigoto em ambos com um genótipo da forma UMA/uma, B/b conforme ilustrado na Figura 7.2. Cada gameta produzido por tal indivíduo carregará apenas um alelo do UMA locus e apenas um alelo do B locus. Uma vez que os dois alelos são adquiridos independentemente um do outro, é possível calcular a probabilidade de qualquer combinação alélica particular simplesmente multiplicando a probabilidade de ocorrência de cada um sozinho. Por exemplo, a probabilidade de um gameta receber o UMA alelo é 0,5 (da lei da segregação) e a probabilidade de que este mesmo gameta receba o b alelo é similarmente 0,5. Assim, a probabilidade de que um gameta tenha uma combinação A b o genótipo é 0,5 x 0,5 & # 061 0,25. As mesmas probabilidades são obtidas para todas as quatro combinações alélicas possíveis (A B, a b, A b, a B) Como o número de gametas produzidos por um indivíduo é muito grande, essas probabilidades se traduzem diretamente nas frequências em que cada tipo de gameta está realmente presente e, por sua vez, na frequência com que cada um será transmitido à descendência (Figura 7.2).

Como todos sabemos hoje, a segunda lei de Mendel é válida apenas para genes que não estão ligados no mesmo cromossomo. 44 Quando os genes UMA e B estão ligados, os números esperados para cada um dos quatro conjuntos de alelos tornam-se distorcidos de 25% (Figura 7.3). Duas combinações de alelos representarão os arranjos de ligação nos cromossomos dos pais (por exemplo, A B e a b), e cada uma dessas combinações será transmitida em uma frequência maior que 25%. As duas classes restantes representarão arranjos recombinantes que serão transmitidos em uma frequência abaixo de 25%. No caso extremo de ligação absoluta, apenas as duas classes parentais serão transmitidas, cada uma com uma frequência de 50%. Em níveis intermediários de ligação, a transmissão das duas classes parentais juntas será maior que 50%, mas menor que 100%.

Em 1905, quando a evidência de ligação foi encontrada pela primeira vez na forma de loci cujos alelos não se agrupavam independentemente, sua significância não foi avaliada (Bateson et al., 1905). Os termos acoplamento e repulsão foram cunhados para explicar esse achado incomum por meio de algum tipo de força física subjacente. Em um livro de genética de 1911, Punnett imaginou que alelos de genes diferentes poderiam se repetir, recusando-se, por assim dizer, a entrar no mesmo zigoto, ou podem atrair um ao outro e, tornando-se ligados, passar para o mesmo gameta , por assim dizer & # 034 (Punnett, 1911). O que essa hipótese falhou em explicar é por que os alelos encontrados em repulsão entre si em uma geração poderiam se acoplar na geração seguinte. Mas, mesmo quando o texto de genética de Punnett foi publicado, uma explicação estava à mão. Em 1912, Morgan e seus colegas propuseram que o acoplamento e a repulsão eram na verdade uma consequência da co-localização de genes no mesmo cromossomo: alelos acoplados são aqueles presentes no mesmo homólogo parental e os alelos em repulsão são aqueles presentes em homólogos alternativos (Morgan e Cattell, 1912 e Figura 7.3). Através do processo de cruzamento, alelos que estão em repulsão em uma geração (por exemplo, o UMA e b alelos na Figura 7.3) podem ser reunidos no mesmo homólogo & # 151 e, assim, tornar-se acoplados & # 151 na próxima geração. Em 1913, Sturtevant usou as taxas nas quais o cruzamento ocorria entre diferentes pares de loci para desenvolver o primeiro mapa de ligação com seis genes no cromossomo X de Drosophila (Sturtevant, 1913). Embora o fundamento lógico original para os termos acoplamento e repulsão tenha sido eliminado com esse novo entendimento, os próprios termos foram mantidos na linguagem dos geneticistas (especialmente dos geneticistas humanos). Se os alelos em dois loci ligados estão acoplados ou em repulsão, é referido como o fase de ligação.

O objetivo deste capítulo é desenvolver os conceitos da genética da transmissão à medida que são aplicados aos estudos contemporâneos do camundongo. Esta discussão não pretende ser abrangente. Em vez disso, ele se concentrará nos protocolos e problemas específicos que são mais pertinentes aos investigadores que buscam colocar genes no mapa de ligação do mouse e aqueles que desejam determinar a base genética para várias características que são expressas de forma diferente por diferentes animais ou linhagens.

7.2.2 Ligação e recombinação

7.2.2.1 O retrocruzamento

Genético ligação é uma consequência direta do fisica ligação de dois ou mais loci dentro do mesmo par de moléculas de DNA que definem um determinado conjunto de cromossomos homólogos dentro do genoma diplóide. A ligação genética é demonstrada em camundongos por meio de experimentos de reprodução em que um ou ambos os pais são detectavelmente heterozigotos em cada um dos loci sob investigação. Na forma mais simples de análise de ligação & # 151 referida como retrocruzamento & # 151, apenas um dos pais é heterozigoto em cada um de dois ou mais loci, e o outro pai é homozigoto nesses mesmos loci. Como resultado, a segregação de alelos alternativos ocorre apenas nos gametas que derivam de um dos pais, e os genótipos da prole fornecem uma determinação direta da constituição alélica desses gametas. O retrocruzamento simplifica muito a interpretação dos dados genéticos porque permite saltar diretamente dos genótipos da prole para as frequências com as quais diferentes produtos meióticos são formados pelo pai heterozigoto.

Para cada locus sob investigação no retrocruzamento, deve-se escolher genótipos heterozigotos e homozigotos apropriados para que a segregação dos alelos dos pais heterozigotos possa ser seguida em cada um dos descendentes. Para loci que não foram clonados, o genótipo da prole só pode ser determinado por meio de uma análise fenotípica. Nesse caso, se os dois alelos presentes no progenitor heterozigoto mostram uma relação dominante / recessiva completa, o outro progenitor deve ser homozigoto para o alelo recessivo. Por exemplo, o UMA alelo no locus agouti faz com que um camundongo tenha uma cor de pelagem "agouti" em faixas, enquanto o uma alelo determina uma cor de pelagem sólida "não agouti". Desde o UMA alelo é dominante para uma, o pai homozigoto deve ser um / a. Em um A / a x a / a retrocruzamento, a ocorrência de descendência cutia indicaria a transmissão da UMA alelo do progenitor heterozigoto, e a ocorrência de descendência não agouti indicaria a transmissão do uma alelo.

No caso descrito, o alelo de tipo selvagem (UMA) é dominante e o alelo mutante (uma) é recessivo. Assim, o pai homozigoto deve carregar o alelo mutante (a / a) e expressam uma cor de pelagem não agouti. Em outros casos, no entanto, a situação é revertida com mutações que são alelos dominantes e do tipo selvagem que são recessivos. Por exemplo, o T mutação no T locus causa um encurtamento dominante da cauda. Assim, se o T locus fossem incluídos em um retrocruzamento, o genótipo heterozigoto seria T / & # 043 e o genótipo homozigoto seria do tipo selvagem (+/+) para permitir distinguir a transmissão do T alelo (dentro da prole de cauda curta) da + alelo (dentro da prole de cauda normal).

Conforme discutido no Capítulo 8, a maioria dos loci agora são tipados diretamente por técnicas baseadas em DNA. Desde que ambos os alelos de DNA em um locus particular possam ser distinguidos um do outro, 45 não importa qual é escolhido para inclusão no genótipo geral do progenitor homozigoto. O mesmo é verdadeiro para todos os loci fenotipicamente definidos nos quais pares de alelos atuam de maneira codominante ou incompletamente dominante. Em todos esses casos, o heterozigoto (A 1 / A 2 por exemplo) podem ser distinguidos de ambos os homozigotos (A 1 / A 1 e A 2 / A 2 ).

7.2.2.2 Distâncias do mapa

No exemplo apresentado na Figura 7.3, um animal é heterozigoto em ambos os loci ligados, o que resulta em dois conjuntos complementares de alelos acoplados & # 151 A B e a b. O genótipo deste animal seria escrito da seguinte forma: AB/ab. 46 Na ausência de cruzamento entre homólogos durante a meiose, um ou outro conjunto acoplado & # 151 ou A B ou a b & # 151 será transmitido para cada gameta. No entanto, se um evento de crossover ocorrer entre os UMA e B loci, uma combinação não parental de alelos será transmitida a cada gameta. No exemplo mostrado na Figura 7.3, a frequência de recombinação entre loci UMA e B pode ser calculado diretamente determinando a porcentagem de descendência formada a partir de gametas que contêm uma das duas combinações não parentais ou & # 034recombinantes & # 034 de alelos. Neste exemplo, a frequência de recombinação é de 10%.

Em um primeiro grau, o cruzamento ocorre em locais aleatórios ao longo de todos os cromossomos do genoma. Uma consequência direta dessa aleatoriedade é que quanto mais distantes dois loci ligados estão de cada um, mais provável é que um evento de crossover ocorra em algum lugar dentro do comprimento do cromossomo que se encontra entre eles. Assim, a frequência de recombinação fornece uma estimativa relativa da distância genética. As distâncias genéticas são medidas em centimorgans (cM) com um centimorgan definido como a distância entre dois loci que se recombinam com uma frequência de 1%. Assim, como outro exemplo, se dois loci se recombinarem com uma frequência de 2,5%, isso representaria uma distância genética aproximada de 2,5 cM. No camundongo, as correlações entre as distâncias genéticas e físicas demonstraram que um centimorgan é, na média, equivalente a 2.000 kilobases. É importante estar ciente, entretanto, que a taxa de equivalência pode variar muito devido a vários fatores discutidos na Seção 7.2.3.

Embora a frequência de recombinação entre dois loci seja aproximadamente proporcional ao comprimento do DNA que os separa, quando esse comprimento se torna muito grande, a frequência se aproxima de 50%, o que é indistinguível daquela esperada com loci não vinculados. O tamanho médio de um cromossomo de camundongo é 75 cM. Assim, mesmo quando os genes estão localizados no mesmo cromossomo, eles não são necessariamente ligados um ao outro de acordo com a definição formal do termo. No entanto, um grupo de ligação inclui todos os genes que foram ligados por associação. Assim, se o gene UMA está ligado ao gene B, e gene B está ligado ao gene C, os três genes juntos & # 151 A B C & # 151 formar um grupo de ligação, mesmo que os membros mais distantes do grupo não tenham ligação entre si.

7.2.2.3 Interferência genética

A priori, pode-se supor que todos os eventos de recombinação dentro da mesma célula meiótica devem ser independentes uns dos outros. Uma consequência direta dessa suposição é que a relação linear entre a frequência de recombinação e a distância genética & # 151 aparente na faixa de centimorgan de um único dígito & # 151 deve degenerar com o aumento das distâncias. A razão para essa degeneração é que, à medida que a distância entre dois locais aumenta, aumenta também a probabilidade de que ocorram vários eventos de recombinação entre eles. Infelizmente, se dois, quatro ou qualquer outro número par de cruzamentos ocorrerem, os gametas resultantes ainda reterão a combinação parental de alelos acoplados nos dois loci em análise, conforme mostrado na Figura 7.4. Recombinantes duplos (bem como quádruplos) não serão detectavelmente diferentes dos não recombinantes. Como consequência, a frequência de recombinação observada será menor do que a frequência de recombinação real.

Considere, por exemplo, dois loci separados por uma distância genética real de 20 cM. De acordo com a teoria da probabilidade simples, a chance de que dois eventos de recombinação independentes ocorram neste intervalo é o produto das frequências previstas com as quais cada uma ocorrerá sozinha, que é 0,20 para uma distância de 20 cM. Assim, a probabilidade de um evento de recombinação dupla é 0,2 x 0,2 = 0,04. A falha em detectar recombinação em 4% dos gametas significa que dois loci separados por 20 cM irão apenas exposição recombinação com uma frequência de 0,16. 47 Um cálculo semelhante indica que a 30 cM, a frequência observada de produtos recombinantes será ainda mais removida a 0,21. Em 1919, Haldane simplificou esse tipo de cálculo ao desenvolver uma equação geral que poderia fornecer valores para as frações de recombinação em todas as distâncias do mapa com base na formulação que acabamos de descrever. Esta equação é conhecida como a & # 034 função de mapeamento de Haldane & # 034 e relaciona a fração esperada da prole com cromossomos recombinantes detectáveis ​​(r) para a distância real do mapa em morgans (m) 48 que separa os dois loci (Haldane, 1919):

Depois de trabalhar nesse ajuste hipotético para as taxas de recombinação, agora é hora de afirmar que vários eventos de recombinação no mesmo cromossomo não são independentes uns dos outros. Em particular, um evento de recombinação em uma posição em um cromossomo atuará para interferir com o início de outros eventos de recombinação em sua vizinhança. Este fenômeno é conhecido, apropriadamente, como & # 034interferência. & # 034 A interferência foi observada pela primeira vez dentro do contexto de números significativamente mais baixos de cruzamentos duplos do que o esperado nos dados obtidos de alguns dos primeiros estudos de ligação conduzidos em Drosófila (Muller, 1916). Desde então, a interferência foi demonstrada em todos os organismos eucarióticos superiores para os quais foram gerados dados genéticos suficientes.

Verificou-se que uma interferência significativa se estende por distâncias muito longas em mamíferos. A análise quantitativa mais extensa de interferência foi conduzida em marcadores do cromossomo 9 humano que foram tipados nos produtos de 17.316 eventos meióticos (Kwiatkowski et al., 1993). Dentro de intervalos de 10 cM, apenas dois eventos de cruzamento duplo foram encontrados, esta frequência observada de 0,0001 é 100 vezes menor do que o esperado na ausência de interferência. Dentro de intervalos de 20 cM, houve 10 eventos de cruzamento duplo (incluindo os dois acima), esta frequência observada de 0,0005 ainda é 80 vezes menor do que o previsto sem interferência.À medida que as distâncias do mapa aumentam além de 20 cM, a intensidade da interferência diminui, mas mesmo em distâncias de até 50 cM, seus efeitos ainda podem ser observados (Povey et al., 1992). 49

Se assumirmos que o cromossomo humano 9 não é único em suas propriedades de recombinação, a implicação desta análise é que, para experimentos em que menos de 1.000 eventos meióticos humanos são tipificados, cruzamentos múltiplos dentro de intervalos de 10 cM serão extremamente improváveis, e dentro de 25 cM intervalos, eles ainda serão bastante raros. Os dados de avaliação de crossovers duplos no camundongo não são tão extensos, mas sugerem um grau semelhante de interferência (King et al., 1989). Assim, para todos os fins práticos, é apropriado converter frações de recombinação de 0,25, ou menos, diretamente em distâncias de centimorgan por meio de uma simples multiplicação por 100.

Quando for necessário trabalhar com frações de recombinação maiores que 0,25, é útil usar uma função de mapeamento que incorpore a interferência em uma estimativa da distância do mapa. Uma vez que os efeitos da interferência só podem ser determinados empiricamente, não se pode derivar tal função de mapeamento dos primeiros princípios.

Em vez disso, foram desenvolvidas equações que se ajustam aos resultados observados em várias espécies (Crow, 1990). A função de mapeamento mais conhecida e amplamente utilizada é uma das primeiras desenvolvidas por Kosambi (1944):

Resolvendo a Equação 7.2 para a fração de recombinação observada, r, obtém-se a & # 034 estimativa de Kosambi & # 034 da distância do mapa, m K , que é convertido em centimorgans através da multiplicação por 100. Posteriormente, Carter e Falconer (1951) desenvolveram uma função de mapeamento que assume níveis ainda maiores de interferência com base nos resultados obtidos com estudos de ligação em camundongos: 50

Embora esteja claro que a função de mapeamento Carter-Falconer é a mais precisa para dados de mouse, a equação de Kosambi era mais facilmente resolvida antes que calculadoras manuais sofisticadas e baratas estivessem disponíveis. Embora a função Carter-Falconer seja prontamente solucionável hoje, ela não é tão conhecida e nem tão amplamente utilizada.

A interferência beneficia os geneticistas que realizam estudos de ligação por duas razões. Em primeiro lugar, a linearidade aproximada entre a frequência de recombinação e a distância genética se estende muito mais do que o previsto a partir de eventos estritamente independentes. 51 Em segundo lugar, a probabilidade muito baixa de eventos de recombinação múltipla pode servir como um meio para distinguir a ordem correta do gene em um cruzamento de três locus, uma vez que qualquer ordem que requeira recombinantes duplos entre marcadores dentro de um intervalo de 20 cM é suspeita. Quando todas as ordens de genes possíveis exigem um evento de cruzamento duplo ou triplo, cabe ao investigador voltar e reanalisar a amostra ou amostras em que o evento supostamente ocorreu. Finalmente, se os genotipagens se mostrarem corretos, deve-se considerar a possibilidade de que um evento isolado de conversão gênica tenha ocorrido em um único locus que difere daqueles que o flanqueiam.

7.2.3 Sites de crossover não são distribuídos aleatoriamente

7.2.3.1 Considerações teóricas na situação ideal

Embora a interferência genética restrinja a aleatoriedade com a qual os eventos de crossover são distribuídos em relação uns aos outros dentro de gametas individuais, ela não afetará a distribuição aleatória de locais de crossover observados em um grande número de produtos meióticos independentes. Assim, a priori, ainda se esperaria que a resolução de um mapa de ligação aumentasse linearmente com o número de descendentes tipificados em um cruzamento genético. Assumindo locais aleatórios de recombinação, a distância média, em centimorgans, entre eventos de cruzamento observados entre a prole de um cruzamento pode ser calculada de acordo com a fórmula simples (100 / N) onde N é o número de eventos meióticos que são digitados. Por exemplo, em uma análise de 200 eventos meióticos (200 descendentes retrocruzados ou 100 descendentes intercruzados), será observado, em média, um evento de recombinação a cada 0,5 cM. Com 1.000 eventos meióticos, a distância média será de apenas 0,1 cM, o que equivale a aproximadamente 200 kb de DNA. Indo mais longe de acordo com esta fórmula, com 10.000 descendentes, obter-se-ia uma resolução genética que se aproximava dos 20 kb. Isso seria suficiente para separar e mapear a maioria dos genes de tamanho médio no genoma uns em relação aos outros.

Mais uma vez, no entanto, os resultados obtidos em experimentos reais não correspondem às previsões teóricas. Na verdade, a distribuição dos locais de recombinação pode desviar-se significativamente da aleatoriedade em vários níveis diferentes. Primeiro, em geral, as porções teloméricas de todos os cromossomos são muito mais recombinogênicas do que as regiões mais próximas do centrômero em camundongos (de Boer e Groen, 1974) e humanos (Laurie e Hulten, 1985). Este efeito é mais pronunciado em homens e leva a um efeito como um elástico quando se tenta orientar os mapas de ligação masculina e feminina em relação um ao outro (Donis-Keller et al., 1987). Em segundo lugar, diferentes locais ao longo de todo o cromossomo são mais ou menos propensos a sofrer recombinação. Terceiro, mesmo dentro da mesma região genômica, as taxas de recombinação podem variar muito dependendo das cepas particulares de camundongos usadas para produzir o híbrido usado para análise (Seldin et al., 1989 Reeves et al., 1991 Watson et al., 1992) . Finalmente, o sexo do híbrido também pode ter um efeito dramático nas taxas de recombinação (Reeves et al., 1991).

7.2.3.2 Diferenças específicas de gênero nas taxas de recombinação

As diferenças específicas de gênero nas taxas de recombinação são bem conhecidas. Em geral, pode-se afirmar que a recombinação ocorre com menos frequência durante a meiose masculina do que durante a meiose feminina. Um exemplo extremo desta regra geral é visto em Drosophila melanogaster onde a recombinação é eliminada completamente no homem. No camundongo, a situação não é tão extrema, com os machos apresentando uma taxa de recombinação que é, em média, 50-85% daquela observada nas fêmeas (Davisson et al., 1989). No entanto, a proporção entre as taxas de recombinação masculina e feminina pode variar muito entre as diferentes regiões do genoma do camundongo. Em algumas regiões, as taxas de recombinação são indistinguíveis entre os sexos e, em ainda menos regiões, as taxas masculinas de recombinação excedem as taxas femininas. No entanto, a regra geral de taxas de recombinação mais altas em mulheres pode ser usada para maximizar a geração de dados escolhendo o sexo de forma apropriada para um animal F 1 heterozigoto em um retrocruzamento. Por exemplo, para maximizar as chances de encontrar evidências iniciais para ligação, pode-se escolher machos como animais F 1, mas para maximizar a resolução de um mapa genético em uma região definida, seria melhor usar fêmeas. Essas considerações são discutidas mais adiante na Seção 9.4.

7.2.3.3 Pontos quentes recombinantes

O golpe mais sério no poder ilimitado da análise de ligação veio dos resultados de cruzamentos nos quais muitos milhares de descendentes foram tipificados para recombinação em pequenas regiões genômicas bem definidas. Quando os cromossomos recombinantes gerados nesses cruzamentos foram examinados no nível do DNA, descobriu-se que a distribuição dos locais de cruzamento estava longe de ser aleatória (Steinmetz et al., 1987). Em vez disso, eles tendiam a se agrupar em pequenos & # 034 hotspots recombinacionais & # 034 de alguns quilobases ou menos em tamanho (Zimmerer e Passmore, 1991 Bryda et al., 1992). Os dados acumulados sugerem que esses pequenos hotspots podem ser distribuídos em distâncias médias de várias centenas de quilobases distantes entre si, com 90% ou mais de todos os eventos de crossover restritos a esses sites.

A descoberta de hotspots de recombinação em camundongos é surpreendente porque não foi prevista a partir de estudos de mapeamento de resolução muito alta realizados anteriormente em Drosófila que mostrou uma correspondência excelente entre ligação e distâncias físicas até o nível de análise de quilobases (Kidd et al., 1983). Portanto, esse fenômeno genético & # 151 como impressão genômica (Seção 5.5) & # 151 pode ser exclusivo dos mamíferos. Ao contrário do imprinting, no entanto, os locais de determinados hotspots de recombinação não parecem ser conservados entre diferentes subespécies ou mesmo entre diferentes cepas de ratos de laboratório.

A Figura 7.5 ilustra as consequências do cruzamento preferencial do ponto de acesso na relação entre a ligação e os mapas físicos. Neste exemplo, 2.000 descendentes de um retrocruzamento foram analisados ​​para eventos de recombinação entre os fictícios UMA e F loci. Esses loci são separados por uma distância física de 1.500 kb e, em nosso exemplo, 17 eventos de crossover (indicados por linhas verticais curtas no mapa de ligação) foram observados entre os 2.000 descendentes. Uma frequência de recombinação de 17 / 2.000 se traduz em uma distância de ligação de 0,85 cM. Esta distância de ligação é muito próxima dos 0,75 cM previstos a partir da equivalência determinada empiricamente de 2.000 kb a 1 cM. No entanto, quando se olha mais para os locais entre UMA e F, a situação muda dramaticamente. o B e C os loci estão separados por apenas 20 kb no mapa físico, mas estão 0,4 cM separados uns dos outros no mapa de ligação porque um ponto de acesso ocorre na região entre eles. Com locais aleatórios de cruzamento, o valor de ligação de 0,4 cM teria previsto uma distância física de 800 kb. A situação recíproca ocorre para os loci D e E que estão separados por uma distância física de 400 kb, mas que não mostram nenhuma recombinação em 2.000 descendentes. Nesse caso, o cruzamento aleatório teria previsto uma distância física inferior a 100 kb.

A existência e as consequências dos hotspots de recombinação podem ser vistas em analogia à natureza quantizada da matéria. Para experimentos conduzidos em níveis baixos de resolução & # 151 por exemplo, em medições de gramas ou centimorgans & # 151, a distribuição de ambos os locais de matéria e crossover parecerá contínua. Em níveis muito altos de resolução, no entanto, a natureza descontínua de ambos se tornará aparente. Em termos práticos, as consequências negativas dos pontos de acesso na resolução de um mapa de ligação do mouse só começarão a aparecer quando se estiver abaixo do nível de análise de 0,2 cM.

Com o número limitado de estudos de ligação de amostras muito grandes realizados até o momento, não é possível estimar a porção do genoma do camundongo que é dominada por recombinação dirigida a pontos de acesso. Além disso, ainda é possível que algumas regiões genômicas permitam recombinação irrestrita como em Drosófila. No entanto, os dados disponíveis sugerem que para grande parte do genoma, haverá um limite superior para a resolução que pode ser alcançada em estudos de ligação baseados em um único cruzamento. Esse limite será atingido em um ponto em que a densidade de locais de crossover ultrapassar a densidade de pontos de acesso na região em análise. A partir dos dados atualmente disponíveis, parece provável que este ponto será geralmente cruzado antes que se atinja 500 eventos meióticos correspondentes a 0,2 cM ou 400 kb. Uma estratégia que pode ser usada para superar essa limitação é combinar informações obtidas de vários cruzamentos com diferentes parceiros consanguíneos não relacionados, cada um dos quais provavelmente associado a diferentes locais de hotspots. Essa abordagem é discutida mais detalhadamente na Seção 9.4.

7.2.3.4 As frequências de recombinação podem variar muito entre as diferentes regiões cromossômicas.

Como mencionado anteriormente, as porções teloméricas dos cromossomos mostram taxas mais altas de recombinação por comprimento de DNA do que regiões cromossômicas localizadas mais centralmente. No entanto, ainda há grande variação nas taxas de recombinação, mesmo entre diferentes regiões não teloméricas. Algumas regiões de 1 mb produzem recombinantes a uma taxa equivalente a 2 cM ou mais, enquanto outras regiões de tamanho equivalente apenas se recombinam com uma taxa equivalente a 0,5 cM ou menos em animais do mesmo sexo. Esta variação pode ser devida a diferenças no número e densidade dos pontos críticos de recombinação. Além disso, a & # 034 força & # 034 de pontos ativos individuais, em termos de recombinogenicidade, pode diferir de um local para outro. Essas diferenças podem ser especificadas pelas sequências de DNA em pontos ativos individuais ou pela estrutura da cromatina que abrange vários pontos ativos em um intervalo maior. Uma variável final pode ser diferenças generalizadas nas taxas nas quais a recombinação pode ocorrer nas regiões entre os pontos críticos. Muitos mais estudos empíricos serão necessários para classificar essas várias explicações.

7.2.4 Um histórico de mapeamento do mouse

7.2.4.1 A era clássica

Embora seu significado não tenha sido imediatamente reconhecido, a primeira demonstração de ligação no camundongo foi publicada em 1915 pelo grande geneticista do século XX J.B.S. Haldane (1915). O que Haldane encontrou foram evidências de acoplamento entre mutações no albino (c) e diluição de olhos-de-rosa (p) loci, que agora sabemos que estão separados por 15 cM em Chr 7. Desde então, o mapa de ligação do mouse tem se expandido continuamente em um ritmo quase exponencial. Durante os primeiros 65 anos de trabalho no mapa do mouse, essa expansão ocorreu um locus de cada vez. Primeiro, cada nova mutação teve que ser cruzada em uma cepa com outros marcadores fenotípicos. Em seguida, procedeu-se à reprodução adicional para determinar se a nova mutação apresentava ligação com qualquer um desses outros marcadores. Este processo teve que ser repetido com diferentes grupos de marcadores fenotípicos até que a ligação a um outro marcador mapeado anteriormente fosse estabelecida. Neste ponto, mais estudos de melhoramento podem ser conduzidos com marcadores fenotípicos adicionais do mesmo grupo de ligação para estabelecer uma posição mais refinada no mapa.

No primeiro compêndio de dados genéticos de camundongos publicados no Biologia do Rato de Laboratório em 1941 (Snell, 1941), um total de 24 loci independentes foram listados, dos quais 15 poderiam ser colocados em sete grupos de ligação contendo dois ou três loci cada, sendo que nove loci restantes não estavam ligados entre si ou a qualquer dos sete grupos de ligação confirmados. Na época, a segunda edição do Biologia do Rato de Laboratório foi publicado em 1966, o número de loci mapeados cresceu para 250, e o número de grupos de ligação subiu para 19, embora em quatro casos, estes incluíssem apenas dois ou três loci (Green, 1966).

Com a publicação de 1989 da segunda edição do Variantes e cepas genéticas do camundongo de laboratório (Lyon e Searle, 1989), 965 loci foram mapeados em todos os 20 cromossomos recombinantes. No entanto, mesmo na época em que este mapa foi realmente preparado para publicação (por volta do final de 1987), ainda era o caso de que a grande maioria dos loci mapeados eram definidos por mutações que foram meticulosamente incorporadas a todo o mapa do genoma por meio de extensos estudos de reprodução .

7.2.4.2 A Idade Média: cepas consanguíneas recombinantes

A primeira descoberta conceitual importante destinada a reduzir o tempo, esforço e ratos necessários para mapear loci único veio com a conceituação e o estabelecimento de cepas puras recombinantes (abreviado RI) por Donald Bailey e Benjamin Taylor no Laboratório Jackson (Bailey, 1971 Taylor, 1978 Bailey, 1981). Conforme discutido em detalhes na Seção 9.2, um conjunto de cepas RI fornece uma coleção de amostras nas quais os eventos de recombinação entre homólogos de duas cepas consanguíneas diferentes são preservados dentro do contexto de novas cepas consanguíneas. O poder da abordagem de RI é que os loci podem ser mapeados em relação uns aos outros dentro do mesmo & # 034cross & # 034, embora as próprias análises possam ser realizadas com muitos anos de intervalo. Uma vez que as cepas RI são essencialmente pré-formadas e imortais, a digitação de um locus recém-definido requer apenas tanto tempo quanto o próprio ensaio de tipagem.

Embora a abordagem de mapeamento de RI fosse extremamente poderosa em teoria, durante as primeiras duas décadas após seu surgimento, seu uso foi bastante limitado devido a dois problemas principais. Primeiro, a análise só foi possível com loci presentes como alelos alternativos nas duas linhagens parentais consanguíneas usadas para formar cada conjunto RI. Isso excluiu quase todos os muitos loci que foram definidos por efeitos fenotípicos grosseiros. Apenas alguns desses loci & # 151, principalmente aqueles que afetam a cor da pelagem & # 151, foram polimórficos entre diferentes linhagens consanguíneas. Na verdade, na era do DNA pré-combinante, os únicos outros loci passíveis de análise de RI eram aqueles que codificavam: (1) enzimas polimórficas (chamadas alozimas ou isoenzimas) que foram observadas como bandas de migração diferencial em géis de amido processados ​​para a enzima específica atividade em análise (Womack, 1979) (2) polimorfismos imunológicos detectados em loci de histocompatibilidade menor (Graff, 1978) e (3) outros antígenos de superfície celular polimórficos (chamados de aloantígenos ou isoantígenos) que poderiam ser distinguidos com & # 034allo-anti-soros & # 034 (Boyse et al., 1968). Em retrospecto, agora está claro que as cepas RI foram desenvolvidas à frente de seu tempo, seu poder e utilidade na genética de camundongos só agora & # 151 na década de 1990 & # 151 foram totalmente liberados.

7.2.4.3 Marcadores de DNA e a era do painel de mapeamento

Dois eventos que ocorreram durante a década de 1980 permitiram o desenvolvimento inicial de um mapa do genoma completo do camundongo, inteiramente baseado em loci marcadores de DNA. O primeiro evento foi a globalização da tecnologia de obtenção de clones de DNA do genoma do camundongo e de todos os outros organismos. Embora as técnicas de clonagem de DNA tenham sido desenvolvidas durante a década de 1970, regulamentos rigorosos nos EUA e em outros países impediram sua ampla aplicação em espécies de mamíferos como o camundongo (Watson e Tooze, 1981). Essas regulamentações foram muito reduzidas em escopo durante os primeiros anos da década de 1980, para que os investigadores em instalações de pesquisa biológica típicas pudessem começar a clonar e caracterizar genes de camundongos. A globalização da tecnologia de clonagem foi muito acelerada em 1982 com a publicação do primeiro manual de clonagem altamente detalhado do Cold Spring Harbor Laboratory, oficialmente intitulado Clonagem molecular: um manual de laboratório, mas conhecido não oficialmente como & # 034The Bible & # 034 (Maniatis et al., 1982). 52

Embora os clones de DNA estivessem sendo recuperados em uma taxa rápida durante a década de 1980, a partir de loci em todo o genoma do camundongo, sua utilização geral no mapeamento de ligação não era direta. A única técnica viável disponível na época para mapear loci clonados era a tipagem de polimorfismos de comprimento de fragmento de restrição (RFLPs). Infelizmente, conforme discutido anteriormente neste livro (Seções 2.3 e 3.2), a ancestralidade comum das cepas consanguíneas tradicionais tornou difícil, senão impossível, identificar RFLPs entre elas na maioria dos loci clonados.

O impasse no mapeamento foi quebrado não pelo desenvolvimento de uma nova técnica molecular, mas sim pelo desenvolvimento de uma nova abordagem genética. Este foi o segundo evento significativo em termos de mapeamento do mouse durante os anos 1980 & # 151, a introdução do retrocruzamento interespecífico. Fran & # 231ois Bonhomme e seus colegas franceses descobriram que duas espécies de camundongos muito distintas & # 151 M. musculus e M. spretus & # 151 podem ser criados juntos em laboratório para formar híbridos fêmeas F 1 férteis (Bonhomme et al., 1978). Com os três milhões de anos que separam esses dois Mus (Seção 2.3), as substituições de pares de base se acumularam ao ponto em que RFLPs podem ser rapidamente identificados para quase todas as sondas de DNA testadas. Assim, por retrocruzamento de uma fêmea super-heterozigótica interespecífica F 1 com uma de suas cepas parentais, torna-se possível seguir a segregação da grande maioria dos loci que são identificados por clones de DNA através do uso de análise de RFLP.

Embora o retrocruzamento & # 034pretus & # 034 não pudesse ser imortalizado da mesma maneira que um conjunto de cepas RI, cada um dos descendentes do retrocruzamento poderia ser convertido em uma quantidade de DNA que era suficiente para análises de RFLP com centenas de sondas de DNA. Em essência, tornou-se possível mover de um retrocruzamento clássico de três locus para várias centenas de retrocruzamentos de locus. Além disso, o número de loci poderia continuar a crescer à medida que novas sondas de DNA eram usadas para rastrear os membros do & # 034 painel de mapeamento & # 034 estabelecido (até que as amostras de DNA fossem usadas). o Spretus O retrocruzamento revolucionou o estudo da genética do camundongo porque forneceu o primeiro mapa de ligação completo do genoma do camundongo com base em marcadores de DNA e porque forneceu painéis de mapeamento que podiam ser usados ​​para mapear rapidamente qualquer novo locus definido no nível do DNA.

7.2.4.4 Microssatélites

O grande avanço mais recente na análise genética não veio do desenvolvimento de novos tipos de cruzamentos, mas da descoberta e utilização de marcadores de DNA baseados em PCR que são extremamente polimórficos e podem ser digitados rapidamente em um grande número de animais com quantidades mínimas de amostra material. Esses novos marcadores poderosos & # 151 especialmente microssatélites & # 151 diminuíram muito a necessidade essencial para o Spretus retrocruzar e eles deram novo fôlego à utilidade das veneráveis ​​cepas RI. Mais importante, agora é possível para investigadores individuais com recursos limitados realizar análises de mapeamento sofisticadas e independentes de genes mutantes ou características de doenças complexas. Como Philip Avner do Institut Pasteur em Paris afirma: & # 034Se os anos 1980 foram a década de Mus spretus " . Microssatélites e outros loci polimórficos tipáveis ​​por PCR são discutidos detalhadamente na Seção 8.3.


Ligação da genética: características, exemplos, tipos e significância

Quando dois ou mais caracteres dos pais são transmitidos aos filhos de algumas gerações, como F1, F2, F3 etc. sem qualquer recombinação, eles são chamados de personagens vinculados e o fenômeno é denominado de vinculação.

Este é um desvio do princípio de Mendel de variedade independente.

A lei de Mendel de classificação independente é aplicável aos genes que estão situados em cromossomos separados. Quando genes para caracteres diferentes estão localizados no mesmo cromossomo, eles estão ligados uns aos outros e diz-se que estão ligados.

Eles são herdados juntos pela prole e não serão classificados de forma independente. Assim, a tendência de dois ou mais genes do mesmo cromossomo permanecerem juntos no processo de herança é chamada de ligação. Bateson e Punnet (1906), enquanto trabalhavam com ervilha-de-cheiro (Lathyrus odoratus), observaram que a cor da flor e a forma do pólen tendem a permanecer juntas e não se agrupam independentemente, de acordo com a lei de Mendel & # 8217 de classificação independente.

Quando duas variedades diferentes de ervilha-de-cheiro - uma com flores vermelhas e grão de pólen redondo e outra com flor azul e grão de pólen longo foram cruzadas, o F1 as plantas tinham flores azuis com pólen longo (caracteres longos azuis eram respectivamente dominantes sobre caracteres vermelhos e redondos). Quando esses híbridos azuis longos (heterozigotos) foram cruzados com indivíduos duplos recessivos vermelhos e redondos (homozigotos) (teste cruzado), eles falharam em produzir a proporção esperada de 1: 1: 1: 1 em F2 geração. Na verdade, eles produziram quatro combinações na proporção de 7: 1: 1: 7 (7 azuis longos: 1 redondo azul: 1 vermelho longo: 7 redondos vermelhos) (Fig. 5.6).

O resultado do teste cruzado acima indica claramente que as combinações parentais (azul, longo e vermelho, redondo) são sete vezes mais numerosas do que as combinações não parentais. Bateson e Punnet sugeriram que os genes (como B e L) vindos do mesmo pai (BBLL × bbll) tendem a entrar no mesmo gameta e ser herdados juntos (acoplamento). Da mesma forma, os genes (B e 1) provenientes de dois pais diferentes (como BBLL x bbll), tendem a entrar em gametas diferentes e a ser herdados separadamente e independentemente (repulsão).

Visão de Morgan sobre a ligação:

Morgan (1910), enquanto trabalhava em Drosophila afirmou que o acoplamento e a repulsão são dois aspectos da ligação. Ele definiu ligação como a tendência dos genes, presentes no mesmo cromossomo, de permanecer em sua combinação original e entrar juntos no mesmo gameta. '

Os genes localizados no mesmo cromossomo e sendo herdados juntos são conhecidos como genes ligados, e os caracteres controlados por eles são conhecidos como caracteres ligados. Sua frequência de recombinação é sempre inferior a 50%. Todos os genes localizados em um único cromossomo formam um grupo de ligação. O número total de grupos de ligação em um organismo corresponde ao número de pares de cromossomos. Por exemplo, existem 23 grupos de ligação no homem, 7 na ervilha-de-cheiro e 4 na Drosophila melanogaster.

Características da Teoria da Ligação:

Morgan e Castle formularam & # 8216The Chromosome Theory of Linkage & # 8217.

Possui as seguintes características salientes:

1. Os genes que mostram ligação estão situados no mesmo cromossomo.

2. Os genes são arranjados de forma linear no cromossomo, isto é, a ligação dos genes é linear.

3. A distância entre os genes ligados é inversamente proporcional à força da ligação. Os genes que estão próximos mostram forte ligação, enquanto aqueles, que são amplamente separados, têm mais chance de se separarem por cruzamento (ligação fraca).

4. Os genes vinculados permanecem em sua combinação original durante o curso da herança.

5. Os genes ligados mostram dois tipos de arranjos no cromossomo. Se os alelos dominantes de dois ou mais pares de genes ligados estão presentes em um cromossomo e seus alelos recessivos de todos eles no outro homólogo (AB / ab), esse arranjo é conhecido como arranjo cis. No entanto, se o alelo dominante de um par e o alelo recessivo do segundo par estão presentes em um cromossomo e os alelos recessivos e dominantes no outro cromossomo de um par homólogo (Ab / aB), esse arranjo é chamado de arranjo trans (Fig. 5.7) .

Exemplos de ligação:

O milho é um bom exemplo de ligação. Hutchinson cruzou uma variedade de milho com sementes coloridas e cheias (CCSS) com uma variedade com sementes incolores e encolhidas (ccss). O gene C para cor é dominante sobre seu alelo c incolor e o gene S para semente inteira é dominante sobre seus alelos encolhidos. Todos os F1 as plantas produziram sementes coloridas e cheias. Mas em um teste cruzado, quando tal F1 as fêmeas (heterozigotas) são polinizadas cruzadamente com o pólen de uma planta com sementes incolores e encolhidas (duplamente recessivas), quatro tipos de sementes são produzidos (Fig. 5.8).

A partir do resultado acima referido, é claro que as combinações parentais são mais numerosas (96,4%) do que a nova combinação (3,6%). Isso indica claramente que os personagens parentais estão ligados entre si. Seus genes estão localizados no mesmo cromossomo e apenas em 3,6% dos indivíduos esses genes são separados por cruzamento. Este é um exemplo de ligação incompleta.

Morgan (1911) cruzou uma Drosophila de tipo selvagem comum com corpo cinza e asas longas (BB VV) com outra Drosophila (tipo mutante) com corpo preto e asas vestigiais (bbvv). Todos os híbridos em F1 geração são com corpos cinzentos e asas longas (BbVv), ou seja, fenotipicamente como o tipo selvagem de pais. Se agora um macho de F, a geração (Bb Vv) é cruzada de volta com uma fêmea dupla recessiva (cruzamento de teste) com corpo preto e asas vestigiais (bbvv), apenas combinações parentais são formadas em F2 geração sem o aparecimento de quaisquer novas combinações. Os resultados indicam que o caráter do corpo cinza é herdado junto com as asas longas.

Isso implica que esses genes estão ligados entre si. Da mesma forma, o caráter do corpo negro está associado à asa vestigial. Uma vez que apenas combinações parentais de caráter aparecem na prole de F2 geração e nenhuma combinação nova ou não parental aparece, isso mostra a ligação completa. A ligação completa é observada em machos de Drosophila.

Tipos de ligação:

Dependendo da presença ou ausência de novas combinações ou combinações não parentais, a ligação pode ser de dois tipos:

Se dois ou mais caracteres são herdados juntos e aparecem consistentemente em duas ou mais gerações em suas combinações originais ou parentais, isso é chamado de ligação completa. Esses genes não produzem combinações não parentais.

Os genes que mostram ligação completa estão localizados no mesmo cromossomo. Genes para corpo cinza e asas longas em machos de Drosophila mostram ligação completa.

(ii) Ligação incompleta:

A ligação incompleta é exibida por aqueles genes que produzem alguma porcentagem de combinações não parentais. Esses genes estão localizados distantemente no cromossomo. É devido à quebra acidental ou ocasional de segmentos cromossômicos durante o cruzamento.

Significado da ligação:

(i) A ligação desempenha um papel importante na determinação da natureza do escopo dos programas de hibridização e seleção.

(ii) A ligação reduz a chance de recombinação de genes e, portanto, ajuda a manter as características parentais juntas. Assim, ajuda o organismo a manter seu caráter parental, racial e outros. Por esta razão, os criadores de plantas e animais têm dificuldade em combinar vários caracteres.


A análise da paisagem de recombinação do pão de trigo hexaploide revela genes que controlam a recombinação e a frequência de conversão gênica

Fundo: A troca de sequências entre cromossomos homólogos por meio de crossing over e conversão gênica é altamente conservada entre os eucariotos, contribuindo para a estabilidade do genoma e a diversidade genética. A falta de recombinação limita os esforços de melhoramento nas safras, portanto, aumentar as taxas de recombinação pode reduzir o arrasto de ligação e gerar novas combinações genéticas.

Resultados: Usamos a análise computacional de 13 populações de mapeamento endogâmicas recombinantes para avaliar o cruzamento e a frequência de conversão gênica no genoma hexaplóide de trigo (Triticum aestivum). Observamos que os locais de cruzamento de alta frequência são compartilhados entre as populações e que pais intimamente relacionados levam a populações com padrões de cruzamento mais semelhantes. Demonstramos que a conversão gênica é mais prevalente e cobre mais do genoma no trigo do que em outras plantas, tornando-o um processo crítico na geração de novos haplótipos, particularmente em regiões centroméricas onde os cruzamentos são raros. Identificamos loci de características quantitativas para conversão de genes alterados e frequência de cruzamento e confirmamos a funcionalidade de um novo gene de helicase RecQ que pertence a um clado antigo que está ausente em algumas linhagens de plantas, incluindo Arabidopsis.

Conclusões: Este é o primeiro gene a demonstrar estar envolvido na conversão gênica do trigo. O controle da helicase RecQ tem o potencial de quebrar o arrasto de ligação utilizando conversões genéticas generalizadas.

Palavras-chave: Crossover Gene conversion QTL Recombination Wheat.

Declaração de conflito de interesse

Aprovação ética e consentimento para participar

Todas as plantas utilizadas neste estudo foram cultivadas em câmaras de crescimento controlado em conformidade com as diretrizes do Norwich Research Park. O material vegetal foi fornecido pela Unidade de Recursos de Germoplasma do John Innes Centre, Norwich, Reino Unido.

Consentimento para publicação
Interesses competitivos

Os autores declaram não ter interesses conflitantes.

Nota do editor

A Springer Nature permanece neutra em relação a reivindicações jurisdicionais em mapas publicados e afiliações institucionais.

Bonecos

Paisagem de recombinação de trigo. uma…

Paisagem de recombinação de trigo. uma O número de COs registrados para cada RIL ...

Análise em escala fina de troca de sequência ...

Análise em escala precisa de eventos de troca de sequência. uma O número de COs e / ou GCs ...

Resultado da análise QTL de ...

Resultado da análise de QTL da população Paragon × Primavera chinesa. Análise QTL ...

Exame de genes candidatos de ...

Exame de genes candidatos de análise de QTL RecQ-7 e RuvB . uma Caixa…


Genética, Capítulo 7

A. há uma grande distância do mapa entre um dos genes externos no pai heterozigoto e o gene do meio, enquanto há uma distância curta do mapa entre o gene do meio e o outro gene externo.

B. a distância física entre dois genes é muito curta em comparação com a distância do mapa genético entre esses dois genes.

C. O crossing over foi aprimorado para genes que estão localizados perto do centrômero dos cromossomos porque há menos interferência de um crossover na ocorrência de um segundo evento de crossover.

D. muito menos progênie recombinante de cruzamento duplo foram recuperados de um testcross do que seria esperado das distâncias de mapa dos genes envolvidos.

A. um pai que é homozigoto recessivo para um par de genes e um segundo pai que é homozigoto recessivo para um segundo par de genes.

B. dois pais que são heterozigotos para dois ou mais genes.

C. um pai que mostra o fenótipo dominante para um ou mais genes e um segundo pai que é homozigoto recessivo para esses genes.

D. um pai que mostra o fenótipo recessivo para um ou mais genes e um segundo pai que é homozigoto dominante para esses genes.

A. a localização dos cromossomos no núcleo quando eles se alinham na metáfase durante a mitose

B. a distância em número de nucleotídeos entre dois genes

C. a ordem linear dos genes em um cromossomo

D. a localização de cruzamentos duplos que ocorrem entre dois genes

A. Os estudos de associação permitem que genes que não têm fenótipo óbvio sejam mapeados com precisão.

B. A recombinação genética de alelos está associada à troca física entre os cromossomos.

C. O cruzamento não ocorre em Drosophila masculina, portanto não há recombinação genética.

D. Os genes estão localizados nos cromossomos e o mapa de distância entre eles pode frequentemente ser medido pelo número de nucleotídeos no DNA.

B. ligação completa e interferência cromossômica.

C. hibridização de células somáticas e interferência cromossômica.

D. interferência cromossômica e variedade independente.

A. crossovers duplos e outros eventos de crossover múltiplo ocorrem com mais frequência quando os genes estão próximos uns dos outros e podem ser prontamente detectados, portanto, essas distâncias de mapa são mais precisas do que para genes distantes.

B. interferência cruzada fará com que mais crossovers duplos e outros eventos de crossover múltiplo ocorram do que seria esperado e, portanto, resultarão em um número maior de progênie recombinante do que o esperado para ocorrer com genes que estão distantes.

C. quando os genes estão distantes, as classes recombinantes de cruzamento único são mais difíceis de detectar do que quando os genes estão próximos.

D. com genes distantes, crossovers duplos e outros eventos de crossover múltiplo geralmente levam a recombinantes letais que reduzem o número de descendentes recombinantes.


Fundo

A variação nas taxas de recombinação em humanos e outros organismos diplóides pode ser moldada por processos evolutivos e moleculares [1], mas essas forças são apenas parcialmente compreendidas. Mapas de recombinação humana de alta resolução foram estimados usando tanto a transmissão entre pais e filhos [2, 3] e padrões de desequilíbrio de ligação (LD) [4,5,6,7]. Estes revelaram regiões localizadas com maiores ou menores taxas de recombinação, conhecidas como hotspots de recombinação e coldspots, respectivamente [5]. A análise de sequências mostrou que pontos quentes de recombinação humana estão associados a uma série de características de sequência, como motivos de ligação PRDM9 [8], ilhas CpG e repetições ricas em GC [4, 5, 9], e que pontos frios de recombinação estão associados a elementos repetitivos , regiões transcritas e telômeros [5, 6].

Fora dos hotspots de recombinação, as diferenças nas assinaturas epigenômicas estão associadas às diferenças na taxa de recombinação [10, 11]. Em particular, o nível de metilação do DNA, principalmente estabelecido na pró-fase I quando ocorre a recombinação [12], é relatado como positivamente correlacionado com a taxa de recombinação [11]. Um efeito causal da metilação do DNA na taxa de recombinação foi estabelecido usando uma cepa deficiente em metilação de Arabidopsis, que mostrou redução da taxa de recombinação em regiões eucromáticas [13, 14].


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Resultados e discussão

As paisagens de recombinação são altamente conservadas entre a cevada silvestre e a domesticada

A distribuição física e a frequência dos eventos de recombinação, ou seja, a paisagem de recombinação, desempenham um papel na adaptação das plantas, pois alguns genes são mais propensos a se recombinar do que outros. O genoma da cevada é altamente compartimentado, por exemplo, genes de resistência a doenças localizados em regiões distais altamente recombinantes dos cromossomos e genes envolvidos na fotossíntese em regiões intersticiais de baixa recombinação (Mascher et al. 2017). Caracterizações anteriores da paisagem de recombinação de cevada focadas na cevada domesticada (Künzel et al. 2000 Higgins et al. 2012 Phillips et al. 2012,, 2015 Dreissig et al. 2015,, 2017), exceto para estudos citológicos revelando um número ligeiramente superior de quiasma na cevada domesticada do que na cevada selvagem (Ross-Ibarra 2004). Aqui, perguntamos se a distribuição física em escala fina de eventos de recombinação difere entre cevadas domesticadas e selvagens. Nossa hipótese é que diferentes paisagens de recombinação podem ser uma consequência da adaptação a diferentes ambientes, por exemplo, habitats naturais versus agricultura pós-neolítica.

A fim de estimar as taxas de recombinação em cevada selvagem (H. vulgare spp. espontâneo (K. Koch) Thell), aplicamos a teoria coalescente a um conjunto de dados de polimorfismo de nucleotídeo único (SNP) compreendendo 26.417 posições em uma população natural de 74 acessos georreferenciados (fig. 1) (Milner et al. 2019). O programa Interval do pacote LDhat foi usado para estimar a taxa de recombinação em escala populacional (ρ) ao longo dos sete cromossomos da cevada. Validamos as taxas de recombinação ancestral estimadas a partir de dados genéticos populacionais, comparando-as a medidas experimentais obtidas por meio do sequenciamento de núcleos de pólen de um F1 híbrido entre duas cultivares de cevada modernas (Dreissig et al. 2017). Observamos uma correlação positiva de 0,81 entre a paisagem de recombinação ancestral e experimental em intervalos cromossômicos relativos de 0,01 (% do comprimento total do cromossomo, P = 1,48 × 10 −24). Essas correlações são comparáveis ​​a trabalhos anteriores em Arabidopsis (Choi et al. 2013) e trigo (Darrier et al. 2017), mostrando que os métodos baseados em coalescência fornecem estimativas confiáveis ​​de paisagens de recombinação. Em seguida, tentamos comparar a cevada selvagem e as raças locais domesticadas, a fim de testar se o processo de domesticação teve um impacto em suas respectivas paisagens de recombinação. Estimamos a taxa de recombinação em escala populacional em raças primárias de cevada usando um grande conjunto de dados SNP compreendendo 26.334 SNPs e 100 raças primárias de cevada georreferenciadas selecionadas aleatoriamente (fig. 1, Milner et al. 2019). Tanto para a cevada selvagem quanto para as raças locais, ρ foi somado sobre os intervalos cromossômicos relativos e a média de todos os sete cromossomos. Com base na correlação de classificação de Spearman, as duas paisagens de recombinação são altamente semelhantes (r = 0.91, P = 2,08 × 10 −39). As taxas de recombinação elevadas são estritamente confinadas às regiões cromossômicas distais, deixando cerca de 80% dos cromossomos quase desprovidos de recombinação (fig. 2). Em ambos, a extensão da região de recombinação é menor no braço curto e maior no braço longo de todos os cromossomos. Na escala fina, no entanto, as diferenças tornaram-se visíveis. No braço longo, taxas de recombinação elevadas são detectadas em regiões mais intersticiais na cevada selvagem (fig. 2, comprimento relativo do cromossomo de 80-90%), que é mais pronunciado no cromossomo 2H, 3H, 5H, 6H e 7H (fig. Complementar 2, Material Suplementar online). Em raças locais domesticadas, as taxas de recombinação elevadas são mais distalmente confinadas no braço longo (90-100% do comprimento relativo do cromossomo), sem nenhuma diferença notável entre os cromossomos, exceto para 7H (fig. 2 suplementar, Material suplementar online). No braço curto, entretanto, esse não parece ser o caso, já que as taxas de recombinação elevadas estão estritamente restritas aos primeiros 5% do cromossomo em ambos os grupos.

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Origem da cevada silvestre e acessos de raças tradicionais. Os locais de coleta de acessos de cevada selvagem (azul) e variedades locais de cevada (vermelho) são mostrados. A coloração representa a temperatura média anual nas condições atuais (° C). Dentro da enseada, que é ampliada no Crescente Fértil, a seta preta indica a direção em que as subpopulações de cevada selvagem foram amostradas.

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Origem da cevada silvestre e acessos de raças tradicionais. Os locais de coleta de acessos de cevada selvagem (azul) e variedades locais de cevada (vermelho) são mostrados. A coloração representa a temperatura média anual nas condições atuais (° C). Dentro da enseada, que é ampliada no Crescente Fértil, a seta preta indica a direção em que as subpopulações de cevada selvagem foram amostradas.

Comparação de paisagens de recombinação entre cevada selvagem e raças locais domesticadas. Taxa de recombinação normalizada (0 = valor mais baixo, 1 = valor mais alto dentro de uma população) de cevada selvagem (azul) e raças locais domesticadas (vermelho) ao longo das posições cromossômicas relativas (0 = extremidade distal do braço curto, 1 = extremidade distal do braço longo braço) derivado da média de todos os sete cromossomos. No braço curto, os valores mais altos na cevada selvagem e domesticada se sobrepõem na ponta distal (5%) do cromossomo. No braço longo, os valores mais altos de cevada selvagem residem em 80-90% do comprimento do cromossomo, enquanto os valores mais altos de cevada domesticada residem na ponta distal (90-100% do comprimento do cromossomo). Os termos de Enrichment of Gene Ontology (GO) em compartimentos genômicos são adotados de Mascher et al. (2017). Retângulos coloridos indicam −log10-transformado P-valores de 1,3 (verde) a 18,4 (vermelho).

Comparação de paisagens de recombinação entre cevada selvagem e raças locais domesticadas. Taxa de recombinação normalizada (0 = valor mais baixo, 1 = valor mais alto dentro de uma população) de cevada selvagem (azul) e raças locais domesticadas (vermelho) ao longo das posições cromossômicas relativas (0 = extremidade distal do braço curto, 1 = extremidade distal do braço longo braço) derivado da média de todos os sete cromossomos. No braço curto, os valores mais altos na cevada selvagem e domesticada se sobrepõem na ponta distal (5%) do cromossomo. No braço longo, os valores mais altos de cevada selvagem residem em 80-90% do comprimento do cromossomo, enquanto os valores mais altos de cevada domesticada residem na ponta distal (90-100% do comprimento do cromossomo). Os termos de Enrichment of Gene Ontology (GO) em compartimentos genômicos são adotados de Mascher et al. (2017). Retângulos coloridos indicam −log10-transformado P-valores de 1,3 (verde) a 18,4 (vermelho).

Estima-se que a cevada selvagem tenha divergido de seu ancestral comum mais recente aproximadamente 4 Ma (Brassac e Blattner 2015), e a domesticação começou há aproximadamente 10.000 anos (Badr et al. 2000). Ao comparar a paisagem de recombinação da cevada selvagem com a de variedades locais de cevada domesticada, mostramos que as paisagens de recombinação são altamente conservadas ao longo da domesticação. Nossos dados fornecem evidências de uma separação estrita entre regiões cromossômicas permissivas para recombinação e regiões cromossômicas supressivas para recombinação, mesmo em dados de recombinação ancestral de longo prazo. Trabalhos anteriores demonstraram que a recombinação meiótica é amplamente suprimida em regiões heterocromáticas enriquecidas em CG, CHG e metilação de DNA CHH (Melamed-Bessudo e Levy 2012 Mirouze et al. 2012 Yelina et al. 2012) e modificações de histonas, como H3K27me3, H3K9me3, H3K27me1 , e H3K9me2 (Aliyeva-Schnorr et al. 2015 Baker et al. 2015). Uma possível explicação para nossas observações poderia ser que o ambiente de cromatina supressor para recombinação é altamente conservado em escalas de tempo evolucionárias. Na escala precisa, entretanto, as taxas de recombinação elevadas são deslocadas para regiões mais distais no braço longo dos cromossomos na cevada domesticada. As regiões distais e intersticiais mostram contextos gênicos diferentes, com regiões distais enriquecidas para genes de resposta de defesa e regiões intersticiais bastante enriquecidas para genes envolvidos em processos celulares básicos, como metabolismo de ácido nucleico, reparo de DNA, fotossíntese e processamento de mRNA (fig. 2). Como consequência desta compartimentação, diferenças na taxa de recombinação podem ser causadas pela seleção para taxas de recombinação elevadas em regiões que abrigam genes de resposta de defesa ao longo da domesticação da cevada, uma vez que pontos de acesso de recombinação tendem a ser encontrados perto de genes de resistência a doenças (Serra et al. 2018). A cevada silvestre, que não é exposta a alta pressão de patógenos e não mostra forte seleção de genes de resistência (Stukenbrock e McDonald 2008 Ma et al. 2019), pode, portanto, mostrar um cenário de recombinação ancestral diferente.

Variação natural na taxa de recombinação

As taxas de recombinação são altamente variáveis ​​em várias escalas, como ao longo dos cromossomos, sexos, indivíduos, populações e espécies (Stapley et al. 2017). Em uma espécie de endogamia estritamente, como a cevada (Brown et al. 1978), a recombinação pode estar sob seleção para contrabalançar as depressões de endogamia e manter a aptidão (Charlesworth et al. 1977). Estudos anteriores mostraram aumento da frequência de quiasmas em plantas consanguíneas (Stebbins 1950 Rees e Ahmad 1963 Zarchi et al. 1972 Gibbs et al. 1975). Neste estudo, perguntamos se as taxas de recombinação diferem entre as populações naturais de cevada selvagem.

Para analisar a variação na taxa de recombinação dentro de uma população de cevada selvagem, subpopulações precisaram ser definidas para as quais as taxas de recombinação pudessem ser estimadas. Primeiramente, realizamos uma análise de componentes principais (PCA) para testar a estrutura da população. Os dois primeiros componentes principais explicaram 8,28% da variância observada e revelaram um gradiente contínuo ao longo do Crescente Fértil, lembrando sua forma no espaço PCA (fig. 3 suplementar UMA, Material Suplementar online). Analisamos a mistura de populações usando sNMF (Frichot et al. 2014) com o número de populações ancestrais (K) variando de 1 a 20. Como K aumentou, o critério de entropia cruzada diminuiu e nenhum mínimo local foi alcançado (fig. 3 suplementar B e C, Material Suplementar online). Isso sugeriu um gradiente genético contínuo ao longo do Crescente Fértil, que é sustentado pela ausência de grandes obstáculos geográficos.

Como não era possível definir subpopulações com base em coeficientes de ancestralidade, definimos subpopulações sobrepostas com base na distribuição geográfica da cevada selvagem de acordo com sua distribuição no espaço PCA. As subpopulações foram definidas seguindo uma abordagem de janela deslizante compreendendo 20 acessos por janela com um tamanho de etapa de 1 acesso. Janelas deslizantes foram movidas ao longo da distribuição geográfica da cevada selvagem no Crescente Fértil (fig. 1, Russell et al. 2014, 2016). No total, as taxas de recombinação em escala populacional (ρ) foram estimadas em 55 subpopulações e em média em todos os 7 cromossomos. Nossa análise revelou uma variação substancial entre as subpopulações (fig. 3A). É importante ressaltar que tendências semelhantes foram observadas entre os cromossomos individuais (fig. 4 suplementar, Material suplementar online). Por exemplo, a média mais baixa e mais alta de todo o genoma ρ variou por um fator de 5,3. Uma vez que ρ é afetado pelo tamanho efetivo da população (ρ = 4Ne× r), estimamos 4Ne com base na diversidade de nucleotídeos (thetaC, Teta de Watterson) em cada subpopulação e uma taxa de mutação assumida (mu) de 3,5 × 10 −9 por bp por ano (Lin et al. 2002). O tamanho efetivo da população variou entre as subpopulações por um fator de 1,33 e foi positivamente correlacionado com ρ (fig. 3B, r = 0.79, P = 4,85 × 10 −13). Usamos as estimativas de 4Ne para obter a taxa de recombinação efetiva por geração em cada subpopulação (re = ρ / 4Ne) Depois de corrigir as diferenças no tamanho efetivo da população, a variação na taxa de recombinação efetiva (re) permaneceu praticamente inalterado, com a média mais baixa e mais alta em todo o genoma re variando por um fator de 4,54 (fig. 3C, teste de Kruskal-Wallis, P & lt 2,2 × 10 −16).Portanto, a variação na taxa de recombinação em escala populacional parecia improvável de ser inteiramente causada por diferenças no tamanho efetivo da população. No entanto, não se pode excluir que diferentes populações podem experimentar diferentes taxas de mutação. Também testamos se o padrão observado é explicado pela distância geográfica dentro das subpopulações, o que pode resultar em maior diversidade genética em subpopulações que abrangem faixas geográficas mais amplas (Owuor et al. 1997 Hübner et al. 2009 Russell et al. 2014) afetando as estimativas da população taxa de recombinação escalonada. Para cada subpopulação, calculamos o intervalo longitudinal, latitudinal e altitudinal como uma medida da distância geográfica. Por exemplo, quase toda a faixa de valores da taxa de recombinação foi encontrada duas vezes em faixas geográficas distintas (por exemplo, 50-70 e 300-400 km, figura suplementar 5, Material Suplementar online). Um baixo número de haplótipos em populações estreitas e a falta de contato em populações extremamente dispersas pode causar baixas taxas de recombinação em populações extremamente estreitas ou dispersas. Por outro lado, a ausência de uma associação linear e nossa observação da faixa completa dos valores da taxa de recombinação em faixas geográficas semelhantes sugerem que a distância geográfica não explica principalmente a variação na taxa de recombinação efetiva. Finalmente, as estimativas das taxas de recombinação efetivas podem ser influenciadas pela seleção. Com base em trabalhos anteriores mostrando que a cevada selvagem não é submetida a forte seleção e sim encontrada em um estado de deriva genética aleatória (Russell et al. 2016 Milner et al. 2019), concluímos que as diferenças observadas são improváveis ​​de serem causadas por padrões de seleção. Em conjunto, as taxas de recombinação eficazes são potencialmente afetadas por uma infinidade de fatores genéticos populacionais, bem como as diferenças reais na taxa de recombinação meiótica.

Análise de subpopulação de ρ, 4Ne, e r em acessos de cevada silvestre georreferenciados. Setenta e quatro acessos de cevada selvagem georreferenciados foram divididos em 55 subpopulações de 20 acessos por subpopulação de acordo com uma abordagem de janela deslizante com um tamanho de etapa de 1 acesso. As janelas deslizantes são movidas ao longo da distribuição geográfica da cevada selvagem em todo o Crescente Fértil. (UMA) Estimativa da taxa de recombinação em escala populacional média em todo o genoma (ρ). (B) Correlação entre o tamanho efetivo da população (4Ne), com base em estimativas de teta de Watterson (thetaC) e uma taxa de mutação assumida (mu) de 3,5 × 10 −9 e taxa de recombinação em escala populacional (ρ). (C) Taxa de recombinação efetiva média em todo o genoma (re) corrigido para diferenças no tamanho efetivo da população.

Análise de subpopulação de ρ, 4Ne, e r em acessos de cevada silvestre georreferenciados. Setenta e quatro acessos de cevada selvagem georreferenciados foram divididos em 55 subpopulações de 20 acessos por subpopulação de acordo com uma abordagem de janela deslizante com um tamanho de etapa de 1 acesso. As janelas deslizantes são movidas ao longo da distribuição geográfica da cevada selvagem em todo o Crescente Fértil. (UMA) Estimativa da taxa de recombinação em escala populacional média em todo o genoma (ρ). (B) Correlação entre o tamanho efetivo da população (4Ne), com base em estimativas de teta de Watterson (thetaC) e uma taxa de mutação assumida (mu) de 3,5 × 10 −9 e taxa de recombinação em escala populacional (ρ). (C) Taxa de recombinação efetiva média em todo o genoma (re) corrigido para diferenças no tamanho efetivo da população.

Fatores ambientais moldam a taxa de recombinação efetiva em populações naturais

Há um grande corpo de evidências experimentais mostrando correlações entre as taxas de recombinação e as condições ambientais. Particularmente, o efeito da temperatura na recombinação meiótica foi estudado em uma série de sistemas experimentais, como Drosophila, Arabidopsis, cevada e outras 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). No entanto, conforme mencionado por Lloyd et al. (2018), uma questão interessante é se essas observações refletem o que ocorre em populações naturais. Portanto, procuramos explorar a relação entre a taxa de recombinação efetiva e as condições ambientais em populações naturais.

Para abordar esta questão em populações naturais de cevada selvagem, extraímos valores de temperatura média anual para 74 acessos de cevada selvagem georreferenciados no presente (1970-2000), Holoceno Médio (MH, cerca de 6.000 anos AP) e Último Máximo Glacial (LGM , cerca de 22.000 anos BP) condições. Após o LGM e em todo o MH, a cevada selvagem mostrou uma expansão de alcance em todo o Crescente Fértil refletindo sua distribuição geográfica atual (Russell et al. 2014). Portanto, focamos nas condições ambientais durante o HM. O gráfico da taxa de recombinação em relação à temperatura média anual revelou uma relação não linear entre a temperatura e a taxa de recombinação (fig. 4A). Em uma faixa de temperatura média anual de 15,6 a 19,5 ° C, a taxa de recombinação foi menor nas subpopulações em qualquer extremidade da escala e maior na faixa intermediária, mostrando uma curva em forma de U reversa. A mesma tendência foi observada correlacionando a recombinação com diferentes condições de temperatura, ou seja, condições atuais, condições de MH e condições de LGM (figs. 6 e 7 suplementares, Material Suplementar online). Considerando a contribuição da recombinação meiótica para a taxa de recombinação efetiva, é importante considerar o momento da meiose. A meiose geralmente ocorre na primavera sob temperaturas, que podem ser diferentes da média anual. Portanto, usamos os dados climáticos atuais para testar se a tendência observada para a temperatura anual é semelhante à observada para as temperaturas aproximadas da primavera, que consideramos a média de março e abril. Uma correlação positiva significativa indicou que os valores de temperatura média anual revelam uma tendência semelhante às temperaturas da primavera variando de 12 a 16 ° C (Pearson’s r = 0.978, P = 1.28 × 10 −37 ).

Correlação entre taxa de recombinação e variáveis ​​ambientais. A taxa de recombinação estimada em 55 subpopulações de cevada selvagem é representada graficamente em relação às variáveis ​​ambientais. A linha preta representa uma curva suavizada sobre os dados e a área cinza representa o intervalo de confiança de 95% da curva suavizada. (UMA) Relação entre a taxa de recombinação e a temperatura média anual em condições do Holoceno Médio. (B) Relação reversa em forma de U entre a taxa de recombinação e isotermalidade sob condições do Holoceno Médio. (C) Relação reversa em forma de U entre a taxa de recombinação e a radiação solar média anual nas condições atuais. (D) Correlação entre a taxa de recombinação e a precipitação anual em condições do Holoceno Médio.

Correlação entre taxa de recombinação e variáveis ​​ambientais. A taxa de recombinação estimada em 55 subpopulações de cevada selvagem é representada graficamente em relação às variáveis ​​ambientais. A linha preta representa uma curva suavizada sobre os dados e a área cinza representa o intervalo de confiança de 95% da curva suavizada. (UMA) Relação entre a taxa de recombinação e a temperatura média anual em condições do Holoceno Médio. (B) Relação reversa em forma de U entre a taxa de recombinação e isotermalidade sob condições do Holoceno Médio. (C) Relação reversa em forma de U entre a taxa de recombinação e a radiação solar média anual nas condições atuais. (D) Correlação entre a taxa de recombinação e a precipitação anual em condições do Holoceno Médio.

Curiosamente, a variação na taxa de recombinação foi melhor explicada pela isotermalidade (fig. 4B), que descreve a variabilidade da temperatura com base na faixa de temperatura do dia para a noite em relação à faixa de temperatura do verão para o inverno (ou seja, valores mais altos indicando maior variação de temperatura e vice versa). Observamos uma curva em forma de U reversa, mostrando taxas de recombinação mais altas em uma faixa de isotermalidade intermediária e taxas de recombinação mais baixas em ambas as extremidades da escala. Para testar um viés sistemático em nossa abordagem de janela deslizante, realizamos a mesma análise em um conjunto de 55 subpopulações aleatórias, ou seja, acessos agrupados aleatoriamente ao contrário de agrupados de acordo com a distribuição geográfica, com foco em um cromossomo representativo. Quando as subpopulações foram escolhidas aleatoriamente, nenhuma correlação com a temperatura ou isotermalidade foi encontrada (temperatura média anual de MH: P = 0,11 MH isotermalidade: P = 0,11 fig suplementar. 8, Material Suplementar online).

Além da temperatura, também observamos uma relação não linear entre a taxa de recombinação e a radiação solar anual (fig. 4C). Uma relação linear positiva foi observada com a precipitação anual nas três diferentes condições climáticas (fig. 4D, presente: r = 0.298, P = 0,027 MH: r = 0.572, P = 5,1 × 10 -6 LGM: r = 0.765, P = 1,1 × 10-11). Ao longo do tempo, desde as condições passadas (LGM) até as presentes, a precipitação anual geralmente diminuiu no Crescente Fértil. Curiosamente, a precipitação mais elevada em condições LGM parece ser mais adequada para explicar as diferenças na taxa de recombinação. Isso está de acordo com uma correlação positiva entre a taxa de cruzamento e a precipitação anual (Abdel-Ghani et al. 2004), que também resulta em taxas de recombinação efetiva mais altas (Nordborg 2000). Na cevada, a autofecundação ocorre enquanto a espiga ainda está encerrada na bainha da folha bandeira (Alqudah e Schnurbusch 2017), o que resulta em um alto coeficiente de endogamia em nossos dados (F = 0,978, CV = 0,02%). Portanto, embora o cruzamento cruzado desempenhe um papel, concluímos que é provável que tenha um efeito menor na endogamia de cevada.

As diferenças na taxa de recombinação efetiva entre as subpopulações foram estritamente confinadas às regiões distais do cromossomo e nenhuma diferença foi observada nas regiões intersticiais (fig. 5). Considerando a contribuição da taxa de recombinação meiótica para a taxa de recombinação efetiva, é tentador especular sobre os mecanismos moleculares que levam a um aumento nas regiões fisicamente confinadas dos cromossomos. Em plantas, Drosophila e levedura, a temperatura demonstrou afetar a frequência e distribuição do cruzamento de classe I, bem como o eixo cromossômico meiótico e o comprimento do complexo 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). Isso implica em um papel mecanicista de algumas proteínas envolvidas no eixo cromossômico meiótico, complexo sinaptonemal e / ou formação de CO na mediação da plasticidade dependente da temperatura da paisagem de recombinação, que pode, em parte, ser de origem biofísica, já que várias proteínas envolvidas nesses processos e sua atividade são sensíveis à temperatura (Morgan et al. 2017). Além disso, a radiação UV e o estado nutricional da planta afetam a formação de quebras de fita dupla de DNA e recombinação meiótica (Grant 1952 Griffing e 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, dados não publicados).

Paisagens de recombinação de diferentes subpopulações. Taxas de recombinação de diferentes subpopulações (vermelho = # 27, azul = # 4, verde = # 55) ao longo do comprimento físico do cromossomo 5H. Essas três subpopulações foram selecionadas para representar os mínimos e máximos observados entre todas as subpopulações. A variação na taxa de recombinação está estritamente confinada às regiões distais do cromossomo e nenhuma variação é observada na região pericentromérica de baixa recombinação.

Paisagens de recombinação de diferentes subpopulações. Taxas de recombinação de diferentes subpopulações (vermelho = # 27, azul = # 4, verde = # 55) ao longo do comprimento físico do cromossomo 5H. Essas três subpopulações foram selecionadas para representar os mínimos e máximos observados entre todas as subpopulações. A variação na taxa de recombinação está estritamente confinada às regiões distais do cromossomo e nenhuma variação é observada na região pericentromérica de baixa recombinação.

Nossas observações sugerem que as taxas de recombinação efetivas são mais altas em populações sujeitas a temperatura anual intermediária, isotermalidade e radiação solar, em vez de extremos. Isso parece ser contraditório ao que foi observado em estudos experimentais em Arabidopsis e cevada (Phillips et al. 2015 Lloyd et al. 2018 Modliszewski et al. 2018), onde extremos de temperatura foram associados com aumento da taxa de recombinação. No entanto, as principais diferenças entre nossas observações e estudos experimentais são o número de gerações analisadas, a multiplicidade de condições ambientais consideradas e fatores genéticos populacionais. As taxas de recombinação efetivas estimadas por padrões de desequilíbrio de ligação (LD) são o resultado de milhares de rodadas de recombinação e padrões de seleção, cruzamento e mistura ancestral. Por outro lado, os estudos experimentais muitas vezes se limitam a uma geração devido ao tempo que leva para cultivar as plantas. Portanto, pensamos em nossas observações como taxas de recombinação eficazes de longo prazo, que podem diferir das respostas de curto prazo da máquina de recombinação ao estresse ambiental. Essas diferenças entre os efeitos de longo e curto prazo podem ser influenciadas por diferentes alelos de reguladores meióticos, levando a diferenças nas taxas de recombinação (Sidhu et al. 2017 Ziolkowski et al. 2017). No entanto, uma vez que os principais reguladores meióticos geralmente mostram conservação de alta sequência (Villeneuve e Hillers 2001 Sidhu et al. 2017), nossas observações podem ser explicadas pela plasticidade meiótica em relação ao ambiente. Nossos dados não nos permitem dissecar as condições ambientais precisas que cada população / indivíduo enfrentou durante cada ciclo meiótico ao longo do tempo dentro do Crescente Fértil. No entanto, eles nos permitem descrever amplos efeitos ambientais na paisagem de recombinação de populações naturais. Para uma espécie de endogamia estritamente consangüínea, como a cevada, o padrão observado pode ser interpretado como uma medida para equilibrar a perda de aptidão causada pela endogamia. Curiosamente, Morrell et al. (2005) observaram níveis surpreendentemente baixos de LD na cevada selvagem, comparáveis ​​aos de Zea mays, uma espécie exogamia. Nossos dados fornecem evidências de altas taxas de recombinação efetiva sob condições ambientais específicas, o que poderia explicar a rápida decadência de LD observada por Morrell et al. (2005).

Tomadas em conjunto, nossas observações implicam em diferenças em como as taxas de recombinação eficazes são correlacionadas com as condições ambientais durante longos períodos de tempo versus respostas de curto prazo da máquina de recombinação ao estresse ambiental. Em condições naturais, as populações de plantas estão sujeitas a condições ambientais variáveis, que estão intimamente ligadas, como temperatura, luz e precipitação. Em experimentos controlados, no entanto, muitas vezes apenas um único parâmetro de interesse é alterado para estudar seus efeitos. Nossas observações sugerem uma interação entre temperatura, luz e variação de formação de precipitação na taxa de recombinação efetiva em cevada selvagem. Uma taxa de recombinação efetiva máxima sob temperatura e luz intermediárias, bem como alta precipitação, pode ser interpretada como um meio de gerar diversidade genética sobre a qual a seleção pode atuar (Presgraves 2005). Em uma espécie estritamente consanguínea, este pode ser um mecanismo para neutralizar os efeitos negativos da endogamia e manter a aptidão.


13.1 Teoria cromossômica e ligações genéticas

Nesta seção, você explorará a seguinte questão:

Conexão para Cursos AP ®

Proposta independentemente por Sutton e Boveri no início de 1900, a Teoria Cromossômica da Herança afirma que os cromossomos são veículos de hereditariedade genética. Como descobrimos, os padrões de herança são mais complexos do que Mendel poderia ter imaginado. Mendel estava investigando o comportamento dos genes. Ele teve a sorte de escolher características codificadas por genes que estavam em cromossomos diferentes ou distantes no mesmo cromossomo. Quando os genes estão ligados ou próximos uns dos outros no mesmo cromossomo, os padrões de segregação e a classificação independente mudam. Em 1913, Sturtevant desenvolveu um método para avaliar a frequência de recombinação e inferir as posições relativas e distâncias de genes ligados em um cromossomo com base no número médio de cruzamentos entre eles durante a meiose.

O conteúdo apresentado nesta seção apóia os Objetivos de Aprendizagem delineados na Grande Ideia 3 do AP ® Biology Curriculum Framework. Os Objetivos de Aprendizagem AP ® mesclam conteúdo de conhecimento essencial com uma ou mais das sete Práticas de Ciências. Esses objetivos fornecem uma base transparente para o curso AP ® Biologia, juntamente com experiências laboratoriais baseadas em investigação, atividades instrucionais e questões do exame AP ®.

Grande Ideia 3 Os sistemas vivos armazenam, recuperam, transmitem e respondem às informações essenciais aos processos vitais.
Compreensão Duradoura 3.A As informações herdáveis ​​proporcionam a continuidade da vida.
Conhecimento Essencial 3.A.2 Em eucariotos, a informação hereditária é passada para a próxima geração por meio de processos que incluem o ciclo celular e mitose ou meiose mais fertilização.
Prática de Ciências 7.1 O aluno pode conectar fenômenos e modelos em escalas espaciais e temporais.
Objetivo do aprendizado 3.10 O aluno é capaz de representar a conexão entre a meiose e o aumento da diversidade genética necessária para a evolução.
Conhecimento Essencial 3.A.3 A base cromossômica da herança fornece uma compreensão do padrão de passagem (transmissão) de genes de pais para filhos.
Prática de Ciências 1.1 O aluno pode criar representações e modelos de fenômenos naturais ou artificiais e sistemas no domínio.
Prática de Ciências 7.2 O aluno pode conectar conceitos em e através de domínio (s) para generalizar ou extrapolar em e / ou através de compreensões duradouras e / ou grandes ideias.
Objetivo do aprendizado 3.12 O aluno é capaz de construir uma representação que conecte o processo de meiose à passagem de traços dos pais para os filhos.

Apoio ao Professor

Apresente a ligação genética usando recursos visuais como este vídeo.

Os alunos podem ler sobre a genética do milho neste artigo de revisão.

Os alunos podem ler sobre genes ligados e o trabalho de Mendel neste artigo.

Peça aos alunos que trabalhem com cenários de herança onde os genes estão ligados e onde estão em cromossomos diferentes usando a folha de atividades a seguir.

As notas de preparação do professor para esta atividade estão disponíveis aqui.

As Questões do Desafio da Prática de Ciências contêm questões de teste adicionais para esta seção que o ajudarão a se preparar para o exame AP. Essas questões abordam os seguintes padrões:
[APLO 3.2] [APLO 3.11] [APLO 3.14] [APLO 3.15] [APLO 3.28] [APLO 3.26] [APLO 3.17] [APLO 4.22]

Muito antes de os cromossomos serem visualizados ao microscópio, o pai da genética moderna, Gregor Mendel, começou a estudar a hereditariedade em 1843.Com o aprimoramento das técnicas microscópicas durante o final dos anos 1800, os biólogos celulares puderam tingir e visualizar estruturas subcelulares com corantes e observar suas ações durante a divisão celular e a meiose. Com cada divisão mitótica, os cromossomos se replicaram, condensaram-se de uma massa nuclear amorfa (sem forma constante) em corpos distintos em forma de X (pares de cromátides irmãs idênticas) e migraram para pólos celulares separados.

Teoria Cromossômica da Herança

A especulação de que os cromossomos podem ser a chave para a compreensão da hereditariedade levou vários cientistas a examinar as publicações de Mendel e reavaliar seu modelo em termos do comportamento dos cromossomos durante a mitose e a meiose. Em 1902, Theodor Boveri observou que o desenvolvimento embrionário adequado dos ouriços-do-mar não ocorre a menos que os cromossomos estejam presentes. Nesse mesmo ano, Walter Sutton observou a separação de cromossomos em células-filhas durante a meiose (Figura 13.2). Juntas, essas observações levaram ao desenvolvimento da Teoria Cromossômica da Herança, que identificou os cromossomos como o material genético responsável pela herança Mendeliana.

A Teoria Cromossômica da Herança era consistente com as leis de Mendel e foi apoiada pelas seguintes observações:

  • Durante a meiose, os pares de cromossomos homólogos migram como estruturas discretas que são independentes de outros pares de cromossomos.
  • A classificação dos cromossomos de cada par homólogo em pré-gametas parece ser aleatória.
  • Cada pai sintetiza gametas que contêm apenas metade de seu complemento cromossômico.
  • Embora os gametas masculinos e femininos (espermatozoides e óvulos) difiram em tamanho e morfologia, eles têm o mesmo número de cromossomos, sugerindo contribuições genéticas iguais de cada pai.
  • Os cromossomos gaméticos se combinam durante a fertilização para produzir descendentes com o mesmo número de cromossomos de seus pais.

Apesar das correlações convincentes entre o comportamento dos cromossomos durante a meiose e as leis abstratas de Mendel, a Teoria Cromossômica da Herança foi proposta muito antes de haver qualquer evidência direta de que as características eram carregadas nos cromossomos. Os críticos apontaram que os indivíduos tinham características de segregação muito mais independentes do que cromossomos. Só depois de vários anos realizando cruzamentos com a mosca da fruta, Drosophila melanogaster, que Thomas Hunt Morgan forneceu evidências experimentais para apoiar a Teoria Cromossômica da Herança.

Ligação genética e distâncias

O trabalho de Mendel sugeriu que as características são herdadas independentemente umas das outras. Morgan identificou uma correspondência 1: 1 entre uma característica de segregação e o cromossomo X, sugerindo que a segregação aleatória de cromossomos era a base física do modelo de Mendel. Isso também demonstrou que os genes ligados interrompem os resultados previstos de Mendel. O fato de que cada cromossomo pode carregar muitos genes ligados explica como os indivíduos podem ter muito mais características do que cromossomos. No entanto, observações de pesquisadores no laboratório de Morgan sugeriram que alelos posicionados no mesmo cromossomo nem sempre eram herdados juntos. Durante a meiose, os genes ligados de alguma forma se desvincularam.

Recombinação Homóloga

Em 1909, Frans Janssen observou quiasmas - o ponto em que as cromátides estão em contato umas com as outras e podem trocar segmentos - antes da primeira divisão da meiose. Ele sugeriu que os alelos se desligassem e os cromossomos trocassem fisicamente os segmentos. À medida que os cromossomos se condensavam e emparelhavam com seus homólogos, eles pareciam interagir em pontos distintos. Janssen sugeriu que esses pontos correspondiam a regiões nas quais os segmentos cromossômicos eram trocados. Sabe-se agora que o emparelhamento e a interação entre cromossomos homólogos, conhecido como sinapsis, faz mais do que simplesmente organizar os homólogos para a migração para células-filhas separadas. Quando em sinapse, os cromossomos homólogos passam por trocas físicas recíprocas em seus braços em um processo denominado recombinação homóloga, ou mais simplesmente, "crossing over".

Para entender melhor o tipo de resultados experimentais que os pesquisadores estavam obtendo neste momento, considere um indivíduo heterozigoto que herdou alelos maternos dominantes para dois genes no mesmo cromossomo (como AB) e dois alelos paternos recessivos para esses mesmos genes (como ab) Se os genes estiverem ligados, seria de se esperar que esse indivíduo produzisse gametas que são AB ou ab com uma proporção de 1: 1. Se os genes forem desvinculados, o indivíduo deve produzir AB, Ab, aB, e ab gametas com frequências iguais, de acordo com o conceito mendeliano de sortimento independente. Por corresponderem a novas combinações de alelos, os genótipos Ab e aB são tipos não parentais que resultam de recombinação homóloga durante a meiose. Os tipos parentais são descendentes que exibem a mesma combinação alélica que seus pais. Morgan e seus colegas, no entanto, descobriram que, quando esses indivíduos heterozigotos foram testados, cruzados com um pai homozigoto recessivo (AaBb × aabb), ocorreram casos parentais e não parentais. Por exemplo, 950 descendentes podem ser recuperados que foram AaBb ou aabb, mas também seriam obtidos 50 filhos que fossem Aabb ou aaBb. Esses resultados sugeriram que a ligação ocorria com mais frequência, mas uma minoria significativa de descendentes era produto da recombinação.

Conexão Visual

  1. Sim, as frequências de descendência previstas variam de 0 \% a 100 \%
  2. Não, as frequências de descendência previstas não podem ser superiores a 30 \%.
  3. Sim, as frequências de descendência previstas variam de 0 \% a 60 \%.
  4. Não, as frequências de descendência previstas variam de 0 \% a 50 \%.

Conexão da prática científica para cursos AP®

Pense nisso

Um teste cruzado envolvendo F1 moscas di-híbridas produzem mais descendentes do tipo parental do que descendentes do tipo recombinante. Como você pode explicar esses resultados observados?

Apoio ao Professor

A questão é uma aplicação do Objetivo de Aprendizagem 3.12 e Práticas de Ciências 1.1 e 7.2, e Objetivo de Aprendizagem 3.10 e Prática de Ciências 7.1 porque os alunos estão explicando como a meiose pode resultar em gametas com variação genética, por sua vez, esses gametas podem introduzir variação na prole.

Responder

Mais descendentes do tipo parental são produzidos porque os genes que estão sendo examinados no cruzamento di-híbrido estão ligados. Os genes cujos loci estão mais próximos uns dos outros têm menos probabilidade de serem separados em cromátides diferentes durante a meiose como resultado do cruzamento cromossômico. Portanto, haverá mais descendentes com o fenótipo parental do que com o fenótipo recombinante.

Mais informações sobre genes ligados podem ser encontradas nos seguintes recursos:

Conexão Diária para Cursos AP®

Marcadores genéticos para câncer

Os cientistas usaram a ligação genética para descobrir a localização no genoma humano de muitos genes que causam doenças. Eles localizam genes de doenças rastreando a herança de características através de gerações de famílias e criando mapas de ligação que medem a recombinação entre grupos de "marcadores" genéticos. Os dois genes BRCA, mutações que podem levar ao câncer de mama e de ovário, foram alguns dos primeiros genes descobertos por mapeamento genético. Mulheres com histórico familiar desses cânceres podem agora ser rastreadas para determinar se um ou ambos os genes carregam uma mutação. Nesse caso, eles podem optar pela remoção cirúrgica de seus seios e ovários. Isso diminui suas chances de desenvolver câncer mais tarde na vida. A atriz Angelia Jolie trouxe isso à atenção do público quando optou pela cirurgia em 2014 e novamente em 2015, depois que os médicos descobriram que ela carregava um gene BRCA1 mutado.

  1. Os genes responsáveis ​​pelo temperamento estão no mesmo cromossomo que os genes responsáveis ​​por certas características faciais.
  2. Um único gene codifica o temperamento e certas características faciais, como o tamanho da mandíbula.
  3. Os genes responsáveis ​​pelo temperamento brando são expressos apenas quando os genes que codificam um rosto bonito também estão presentes.
  4. Os produtos dos genes que codificam o temperamento interagem com os produtos dos genes que codificam as características faciais.

Mapas Genéticos

Janssen não tinha a tecnologia para demonstrar o crossing-over, portanto, continuou sendo uma ideia abstrata que não era amplamente aceita. Os cientistas pensaram que os quiasmas eram uma variação da sinapsis e não conseguiam entender como os cromossomos podiam se quebrar e se juntar novamente. Ainda assim, os dados eram claros de que a ligação nem sempre ocorria. No final das contas, foi necessário um jovem estudante de graduação e uma “noite inteira” para elucidar matematicamente o problema de ligação e recombinação.

Em 1913, Alfred Sturtevant, um aluno do laboratório de Morgan, reuniu resultados de pesquisadores no laboratório e os levou para casa uma noite para meditar sobre eles. Na manhã seguinte, ele criou o primeiro “mapa de cromossomos”, uma representação linear da ordem dos genes e da distância relativa em um cromossomo (Figura 13.4).

Conexão Visual

Qual das seguintes afirmações é verdadeira?
  1. A recombinação dos alelos do olho vermelho / castanho e das aristas longas / curtas ocorrerá com mais frequência do que a recombinação dos alelos para o comprimento da asa e a cor do corpo.
  2. A recombinação da cor do corpo e dos alelos do olho vermelho / cinábrio ocorrerá com mais frequência do que a recombinação dos alelos para comprimento de asa e comprimento de arista.
  3. A recombinação dos alelos da cor do corpo e do comprimento das aristas ocorrerá com mais frequência do que a recombinação dos alelos dos olhos vermelhos / castanhos e dos alelos do comprimento das aristas.
  4. A recombinação da cor do corpo cinza / preta e alelos aristas longos / curtos não ocorrerá.

Conforme mostrado na Figura 13.4, usando a frequência de recombinação para prever a distância genética, a ordem relativa dos genes no cromossomo 2 pode ser inferida. Os valores apresentados representam as distâncias do mapa em centimorgans (cM), que correspondem às frequências de recombinação (em percentagem). Portanto, os genes para a cor do corpo e tamanho da asa foram separados por 65,5 - 48,5 = 17 cM, indicando que os alelos materno e paterno para esses genes se recombinam em 17 por cento dos descendentes, em média.

Para construir um mapa cromossômico, Sturtevant presumiu que os genes eram ordenados em série em cromossomos filiformes. Ele também presumiu que a incidência de recombinação entre dois cromossomos homólogos poderia ocorrer com igual probabilidade em qualquer lugar ao longo do comprimento do cromossomo. Operando com base nessas premissas, Sturtevant postulou que os alelos distantes em um cromossomo eram mais propensos a se dissociar durante a meiose simplesmente porque havia uma região maior sobre a qual a recombinação poderia ocorrer. Por outro lado, os alelos próximos uns dos outros no cromossomo provavelmente seriam herdados juntos. O número médio de cruzamentos entre dois alelos - isto é, sua frequência de recombinação - correlacionado com sua distância genética um do outro, em relação às localizações de outros genes naquele cromossomo. Considerando o exemplo de cruzamento entre AaBb e aabb acima, a frequência de recombinação pode ser calculada como 50/1000 = 0,05. Ou seja, a probabilidade de um cruzamento entre genes A / a e B / b foi de 0,05 ou 5 por cento. Tal resultado indicaria que os genes estavam definitivamente ligados, mas que estavam distantes o suficiente para que ocorressem cruzamentos ocasionalmente. Sturtevant dividiu seu mapa genético em unidades de mapa, ou centimorgans (cM), em que uma frequência de recombinação de 0,01 corresponde a 1 cM.

Ao representar alelos em um mapa linear, Sturtevant sugeriu que os genes podem variar de perfeitamente vinculados (frequência de recombinação = 0) a perfeitamente desvinculados (frequência de recombinação = 0,5) quando os genes estão em cromossomos diferentes ou os genes estão separados muito distantes no mesmo cromossoma. Genes perfeitamente não ligados correspondem às frequências preditas por Mendel para serem agrupadas independentemente em um cruzamento di-hibrido. Uma frequência de recombinação de 0,5 indica que 50 por cento dos descendentes são recombinantes e os outros 50 por cento são do tipo parental. Ou seja, todos os tipos de combinação de alelos são representados com igual frequência. Essa representação permitiu que Sturtevant calculasse aditivamente as distâncias entre vários genes no mesmo cromossomo. No entanto, à medida que as distâncias genéticas se aproximavam de 0,50, suas previsões se tornaram menos precisas porque não estava claro se os genes estavam muito distantes no mesmo cromossomo ou em cromossomos diferentes.

Em 1931, Barbara McClintock e Harriet Creighton demonstraram o cruzamento de cromossomos homólogos em plantas de milho. Semanas depois, recombinação homóloga em Drosófila foi demonstrado microscopicamente por Curt Stern. Stern observou vários fenótipos ligados ao X que estavam associados a um par de cromossomos X estruturalmente incomum e diferente, no qual um X estava sem um pequeno segmento terminal e o outro X estava fundido a um pedaço do cromossomo Y. Ao cruzar moscas, observar seus descendentes e, em seguida, visualizar os cromossomos dos descendentes, Stern demonstrou que cada vez que a combinação de alelos descendentes se desviava de qualquer uma das combinações parentais, havia uma troca correspondente de um segmento do cromossomo X. Usar moscas mutantes com cromossomos X estruturalmente distintos era a chave para observar os produtos da recombinação porque o sequenciamento de DNA e outras ferramentas moleculares ainda não estavam disponíveis. Sabe-se agora que os cromossomos homólogos trocam regularmente segmentos na meiose, quebrando reciprocamente e reunindo seu DNA em locais precisos.

Link para aprendizagem

Revise o processo de Sturtevant para criar um mapa genético com base nas frequências de recombinação aqui.

  1. O cruzamento cromossômico é um processo específico e não aleatório durante o qual os cromossomos são ligados e trocam DNA, o que contribui para a diversidade genética.
  2. O cruzamento cromossômico ocorre durante a meiose, quando os pares de cromossomos estão ligados e trocam DNA. Assim, o cruzamento aumenta a variância das combinações genéticas na célula do gameta haplóide.
  3. O cruzamento cromossômico resulta na herança de material genético aprimorado pela prole, e o evento de recombinação subsequente não é variável em frequência ou localização.
  4. O cruzamento cromossômico ocorre durante o processo mitótico, quando os cromossomos estão ligados entre si e ocorre a recombinação, aumentando a variância das combinações genéticas nas células mitóticas haplóides formadas a partir da mitose.

Traços mapeados de Mendel

A recombinação homóloga é um processo genético comum, mas Mendel nunca o observou. Se ele tivesse investigado genes ligados e não ligados, teria sido muito mais difícil para ele criar um modelo unificado de seus dados com base em cálculos probabilísticos. Os pesquisadores que mapearam as sete características investigadas por Mendel nos sete cromossomos do genoma da ervilha confirmaram que todos os genes que ele examinou estão em cromossomos separados ou suficientemente distantes para serem estatisticamente desvinculados. Alguns sugeriram que Mendel teve uma sorte enorme em selecionar apenas genes não vinculados, enquanto outros questionam se Mendel descartou quaisquer dados sugerindo ligação. Em qualquer caso, Mendel observou consistentemente uma variedade independente porque examinou genes que foram efetivamente desvinculados.

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    • Autores: Julianne Zedalis, John Eggebrecht
    • Editor / site: OpenStax
    • Título do livro: Biologia para Cursos AP®
    • Data de publicação: 8 de março de 2018
    • Local: Houston, Texas
    • URL do livro: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/1-introduction
    • URL da seção: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/13-1-chromosomal-theory-and-genetic-linkages

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    Cruzamento de genes: mecanismo, teorias e tipos

    A ligação é causada devido a genes ligados carregados no mesmo cromossomo. Morgan apontou que o fenômeno de ligação completa ocorre raramente porque às vezes os genes ligados mostram a tendência de se separar durante a meiose e novas combinações são formadas.

    Isso se deve ao intercâmbio de partes entre dois cromossomos homólogos para os quais o termo & # 8220crossing over & # 8221 é usado.

    Assim, o crossing over pode ser definido como um mecanismo & # 8220 da recombinação dos genes devido ao intercâmbio de segmentos cromossômicos no momento do emparelhamento. & # 8221

    No experimento de ligação com milho, é visto que os genes para a cor da semente C e semente S completa permanecem associados na combinação parental em cerca de 96 por cento, mas se separam em cerca de 4 por cento (ver Fig. 5.8). Esta recombinação de genes ligados para trocar partes entre cromossomos homólogos é chamada de crossing over.

    O cruzamento ocorre no segmento do cromossomo entre os loci dos genes C e S em algumas células, mas não em outras, de modo que cerca de 96 por cento dos gametas contêm a combinação de genes parentais e 4 por cento contêm recombinação & # 8217s.

    Mecanismo de Cruzamento:

    Durante o estágio de zigoteno da primeira prófase da meiose, os cromossomos maternos e paternos homólogos começam a se emparelhar e ficar lado a lado. Este fenômeno é denominado sinapsis. Esse par de cromossomos homólogos é provocado pela atração mútua entre os genes alélicos. Os cromossomos emparelhados são conhecidos como bivalentes. Um estudo recente revela que a formação de sinapses e quiasmas é facilitada por uma estrutura de filamentos altamente organizada chamada de complexo sinaptonemal. A sinapsis é seguida pela duplicação de cromossomos que transformam a natureza bivalente do par de cromossomos em tetravalente.

    Durante isso, cada um dos cromossomos homólogos em uma divisão bivalente longitudinalmente em duas cromátides irmãs anexadas ao centrômero indiviso. Assim, quatro cromátides são formadas que permanecem lado a lado como dois pares. Mais tarde, no estágio de paquiteno, ocorre o crossing over, durante o qual as cromátides não-irmãs de pares homólogos se retorcem, sendo o ponto de contato das cromátides cruzadas denominado quiasma (Fig. 5.9).

    No cruzamento, duas ou três cromátides estão envolvidas e, consequentemente, duas ou mais quiasmas são formadas. Em cada quiasma, a cromátide se quebra e o segmento rompido se reúne a uma nova cromátide (Fig. 5.10A e amp B). Assim, a troca de partes de cromátides acarreta alteração da sequência original de genes no cromossomo.

    Após a conclusão do cruzamento, as cromátides não irmãs se repelem devido à falta de atração entre elas.A repulsão ou separação das cromátides começa do centrômero em direção ao final como um zíper e esse processo de separação é denominado terminalização. O processo de terminalização continua através do diploteno, diacinese e termina na metáfase I.

    No final da terminalização, as cromátides retorcidas se separam de modo que os cromossomos homólogos são separados completamente e se movem para pólos opostos na Anáfase I. O crossing over traz, portanto, a alteração da sequência linear do gene nos cromossomos que produzem gametas e, assim, adiciona uma nova combinação de caráter na progênie.

    Teorias de Crossing Over:

    (i) Contato Primeira Teoria (por Serebrovsky):

    De acordo com essa teoria, as duas cromátides internas dos cromossomos homólogos em processo de cruzamento tocam-se primeiro e depois se cruzam. No ponto de ruptura do contato ocorre. Os segmentos quebrados novamente se unem para formar novas combinações (Fig. 5.11).

    (ii) A Teoria do Breakage-First (por Muller):

    De acordo com essa teoria, as cromátides em processo de cruzamento, em primeiro lugar, se dividem em duas, sem qualquer cruzamento, e depois disso os segmentos quebrados se reúnem para formar as novas combinações (Fig. 5.11).

    (iii) Teoria da tensão (por Darlington):

    De acordo com essa teoria, a quebra nos cromossomos ou cromátides deve-se à deformação causada pelo emparelhamento e posteriormente as partes quebradas voltam a se reunir.

    Tipos de Cruzamento:

    (eu) Cruzamento único:

    Nesse tipo de cruzamento, apenas um quiasma é formado ao longo de todo o comprimento de um par de cromossomos. Os gametas formados por esse tipo de cruzamento são chamados de gametas de cruzamento único (Fig. 5.10A e B).

    (ii) Cruzamento duplo:

    Neste tipo, dois quiasmas são formados ao longo de todo o comprimento do cromossomo, levando à quebra e reencontro das cromátides em dois pontos. Os gametas produzidos são chamados de gametas de cruzamento duplo (Fig. 5.14B).

    (iii) Cruzamento múltiplo:

    Nesse tipo, mais de dois quiasmas são formados e, portanto, o cruzamento ocorre em mais de dois pontos no mesmo par de cromossomos. É um fenômeno raro.

    Fatores que influenciam o cruzamento:

    Em Drosophila, o cruzamento é completamente suprimido nos homens, mas muito alto nas mulheres. Também há uma tendência de redução do crossing over em mamíferos machos.

    Gowen descobriu pela primeira vez que a mutação reduz o cruzamento em todos os cromossomos da Drosophila.

    A inversão é uma mudança intersegmental no cromossomo. Em um determinado segmento do cromossomo, o cruzamento é suprimido devido às inversões.

    Plough demonstrou experimentalmente que quando a Drosophila é submetida a altas e baixas variações de temperatura, a porcentagem de passagem em certas partes do cromossomo é aumentada.

    Muller demonstrou que as irradiações de raios-X aumentam o cruzamento próximo ao centrômero. Da mesma forma, Hanson mostrou que o rádio aumenta o cruzamento.

    Bridges demonstrou que a idade também influencia a taxa de travessia em Drosophila. Quando a fêmea fica mais velha, a taxa de cruzamento aumenta.

    A dieta rica em cálcio em Drosophila jovem diminui a taxa de cruzamento, visto que a dieta deficiente em íons metálicos aumenta a taxa de cruzamento.

    8. A frequência de cruzamento é menor nas extremidades do cromossomo e também perto do centrômero em comparação com outras partes.

    Significado de Crossing Over:

    1. O cruzamento fornece uma prova direta do arranjo linear dos genes.

    2. Por meio do cruzamento, segmentos de cromossomos homólogos são trocados e, portanto, fornecem a origem de novos caracteres e variações genéticas.

    3. O cruzamento levou à construção de um mapa de ligação ou mapas genéticos de cromossomos.

    4. O grupo de ligação e a ordem linear dos genes ajudam a revelar o mecanismo e a natureza dos genes.

    5. O cruzamento desempenha um papel muito importante no campo da criação para melhorar as variedades de plantas e animais.


    Assista o vídeo: Irfk ransomware. How to open.irkf files? (Agosto 2022).