Es gibt zwei verschiedene Arten von „Karten“, die auf dem Gebiet der Genomkartierung verwendet werden: genetische Karten und physikalische Karten. Während beide Karten eine Sammlung von genetischen Markern und Genorten sind, basieren die Entfernungen der genetischen Karten auf den genetischen Verknüpfungsinformationen, während physische Karten tatsächliche physische Entfernungen verwenden, die normalerweise in der Anzahl der Basenpaare gemessen werden. Während die physikalische Karte eine „genauere“ Darstellung des Genoms sein könnte, bieten genetische Karten oft Einblicke in die Natur verschiedener Regionen des Chromosoms, z. das Verhältnis von genetischer Entfernung zu physischer Entfernung variiert stark in verschiedenen genomischen Regionen, was unterschiedliche Rekombinationsraten widerspiegelt, und diese Rate weist häufig auf euchromatische (normalerweise genreiche) und heterochromatische (normalerweise genarme) Regionen des Genoms hin.
Gene Mappingbedit
Forscher beginnen eine genetische Karte, indem sie Blutproben sammeln., Speichel oder Gewebe von Familienmitgliedern, die eine prominente Krankheit oder ein Merkmal tragen, und Familienmitgliedern, die dies nicht tun. Die häufigste Probe, die bei der Genkartierung verwendet wird, insbesondere bei persönlichen genomischen Tests, ist Speichel. Wissenschaftler isolieren dann DNA aus den Proben und untersuchen sie genau, auf der Suche nach einzigartigen Mustern in der DNA der Familienmitglieder, die die Krankheit tragen, die die DNA derer, die die Krankheit nicht tragen, nicht haben. Diese einzigartigen molekularen Muster in der DNA werden als Polymorphismen oder Marker bezeichnet.
Die ersten Schritte beim Erstellen einer genetischen Karte sind die Entwicklung genetischer Marker und einer Kartierungspopulation. Je näher sich zwei Marker auf dem Chromosom befinden, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie gemeinsam an die nächste Generation weitergegeben werden. Daher können die „Co-Segregation“ -Muster aller Marker verwendet werden, um ihre Reihenfolge zu rekonstruieren. In diesem Sinne werden die Genotypen jedes genetischen Markers für beide Elternteile und jedes Individuum in den folgenden Generationen aufgezeichnet. Die Qualität der genetischen Karten hängt weitgehend von diesen Faktoren ab: der Anzahl der genetischen Marker auf der Karte und der Größe der Kartierungspopulation. Die beiden Faktoren sind miteinander verknüpft, da eine größere Kartenpopulation die „Auflösung“ der Karte erhöhen und verhindern könnte, dass die Karte „gesättigt“ wird.
Bei der Genkartierung kann jedes Sequenzmerkmal, das getreu von den beiden Elternteilen unterschieden werden kann, als genetischer Marker verwendet werden. Gene werden in dieser Hinsicht durch „Merkmale“ dargestellt, die getreu zwischen zwei Elternteilen unterschieden werden können. Ihre Verknüpfung mit anderen genetischen Markern wird auf die gleiche Weise berechnet, als wären sie gemeinsame Marker, und die tatsächlichen Genorte werden dann in einer Region zwischen den beiden nächsten benachbarten Markern eingeklammert. Der gesamte Prozess wird dann wiederholt, indem mehr Marker betrachtet werden, die auf diese Region abzielen, um die Gennachbarschaft mit einer höheren Auflösung abzubilden, bis ein spezifischer ursächlicher Locus identifiziert werden kann. Dieser Prozess wird oft als „positionelles Klonen“ bezeichnet und wird häufig bei der Untersuchung von Pflanzenarten verwendet. Eine Pflanzenart, bei der insbesondere die Positionsklonierung zum Einsatz kommt, ist Mais. Der große Vorteil der genetischen Kartierung besteht darin, dass sie die relative Position von Genen allein anhand ihrer phänotypischen Wirkung identifizieren kann.
Genetische Kartierung ist eine Möglichkeit, genau zu identifizieren, welches Chromosom welches Gen hat und genau zu bestimmen, wo dieses Gen auf diesem bestimmten Chromosom liegt. Die Kartierung dient auch als Methode zur Bestimmung, welches Gen am wahrscheinlichsten rekombiniert wird, basierend auf dem Abstand zwischen zwei Genen. Der Abstand zwischen zwei Genen wird in Einheiten gemessen, die als centimorgan bekannt sind. Ein Centimorgan ist ein Abstand zwischen Genen, für die ein Produkt der Meiose in hundert rekombinant ist. Je weiter zwei Gene voneinander entfernt sind, desto wahrscheinlicher werden sie rekombinieren. Wenn es näher wäre, würde das Gegenteil passieren.
Physical mappingbedit
Da die tatsächlichen Basenpaarabstände im Allgemeinen schwer oder unmöglich direkt zu messen sind, werden physikalische Karten tatsächlich konstruiert, indem zuerst das Genom in hierarchisch kleinere Teile zerlegt wird. Durch die Charakterisierung jedes einzelnen Stücks und die Wiederzusammensetzung würde der überlappende Pfad oder „Kachelpfad“ dieser kleinen Fragmente es den Forschern ermöglichen, physikalische Abstände zwischen genomischen Merkmalen abzuleiten. Die Fragmentierung des Genoms kann durch Restriktionsenzymschneiden oder durch physikalisches Zerbrechen des Genoms durch Prozesse wie Beschallung erreicht werden. Nach dem Schneiden werden die DNA-Fragmente durch Elektrophorese getrennt. Das resultierende Muster der DNA-Migration (d. H. sein genetischer Fingerabdruck) wird verwendet, um zu identifizieren, welcher DNA-Abschnitt sich im Klon befindet. Durch die Analyse der Fingerabdrücke werden Contigs durch automatisierte (FPC) oder manuelle Mittel (Pathfinder) zu überlappenden DNA-Abschnitten zusammengesetzt. Nun kann eine gute Auswahl an Klonen getroffen werden, um die Klone effizient zu sequenzieren und die DNA-Sequenz des untersuchten Organismus zu bestimmen.
Bei der physikalischen Kartierung gibt es keine direkten Möglichkeiten, ein bestimmtes Gen zu markieren, da die Kartierung keine Informationen enthält, die Merkmale und Funktionen betreffen. Genetische Marker können durch Prozesse wie In-situ-Hybridisierung mit einer physikalischen Karte verknüpft werden. Durch diesen Ansatz können physikalische Kartenkontingente auf einer genetischen Karte „verankert“ werden. Die Klone, die in den physischen Kartenkontigs verwendet werden, können dann auf lokaler Ebene sequenziert werden, um das Design neuer genetischer Marker und die Identifizierung der ursächlichen Loci zu unterstützen.
Die Makrorestriktion ist eine Art der physikalischen Kartierung, bei der die hochmolekulare DNA mit einem Restriktionsenzym mit einer geringen Anzahl von Restriktionsstellen verdaut wird.
Es gibt alternative Möglichkeiten zu bestimmen, wie sich DNA in einer Gruppe von Klonen überlappt, ohne die Klone vollständig zu sequenzieren. Sobald die Karte bestimmt ist, können die Klone als Ressource verwendet werden, um große Teile des Genoms effizient zu enthalten. Diese Art der Kartierung ist genauer als genetische Karten.
Kartierung von Mutationsstellen innerhalb eines Gensbearbeiten
In den frühen 1950er Jahren herrschte die Ansicht vor, dass die Gene in einem Chromosom diskrete Einheiten sind, die durch genetische Rekombination unteilbar und wie Perlen an einer Schnur angeordnet sind. In den Jahren 1955 bis 1959 führte Benzer genetische Rekombinationsexperimente mit rII-Mutanten des Bakteriophagen T4 durch. Er fand heraus, dass auf der Grundlage von Rekombinationstests die Mutationsstellen in linearer Reihenfolge abgebildet werden konnten. Dieses Ergebnis lieferte den Beweis für die Schlüsselidee, dass das Gen eine lineare Struktur aufweist, die einer DNA-Länge mit vielen Stellen entspricht, die unabhängig voneinander mutieren können.
1961 führten Francis Crick, Leslie Barnett, Sydney Brenner und Richard Watts-Tobin genetische Experimente durch, die die grundlegende Natur des genetischen Codes für Proteine demonstrierten. Diese Experimente, bei denen Mutationsstellen innerhalb des rIIB-Gens des Bakteriophagen T4 kartiert wurden, zeigten, dass drei sequentielle Nukleobasen der DNA des Gens jede aufeinanderfolgende Aminosäure seines codierten Proteins spezifizieren. So wurde gezeigt, dass der genetische Code ein Triplett-Code ist, wobei jedes Triplett (Codon genannt) eine bestimmte Aminosäure spezifiziert. Sie erhielten auch Hinweise darauf, dass sich die Codons in der DNA-Sequenz, die für ein Protein kodiert, nicht überlappen und dass eine solche Sequenz von einem festen Startpunkt aus gelesen wird.
Edgar et al. durchgeführte Kartierungsexperimente mit r-Mutanten des Bakteriophagen T4, die zeigen, dass Rekombinationshäufigkeiten zwischen rII-Mutanten nicht streng additiv sind. Die Rekombinationsfrequenz aus einer Kreuzung zweier rII-Mutanten (a x d) ist üblicherweise kleiner als die Summe der Rekombinationsfrequenzen für benachbarte interne Teilintervalle (a x b) + (b x c) + (c x d). Obwohl nicht streng additiv, wurde eine systematische Beziehung gezeigt, die wahrscheinlich den zugrunde liegenden molekularen Mechanismus der genetischen Rekombination widerspiegelt.
Genomsequenzierungbearbeiten
Die Genomsequenzierung wird von Nicht-Biologen manchmal fälschlicherweise als „Genomkartierung“ bezeichnet. Der Prozess der „Shotgun-Sequenzierung“ ähnelt dem Prozess der physikalischen Kartierung: es zerbricht das Genom in kleine Fragmente, charakterisiert jedes Fragment und setzt sie dann wieder zusammen (neuere Sequenzierungstechnologien unterscheiden sich drastisch). Während Umfang, Zweck und Prozess völlig unterschiedlich sind, kann eine Genomassemblierung als die „ultimative“ Form der physischen Karte angesehen werden, da sie alle Informationen, die eine herkömmliche physische Karte bieten kann, viel besser liefert.