Esistono due tipi distintivi di “Mappe” utilizzate nel campo della mappatura del genoma: mappe genetiche e mappe fisiche. Mentre entrambe le mappe sono una raccolta di marcatori genetici e loci genici, le distanze delle mappe genetiche si basano sulle informazioni di collegamento genetico, mentre le mappe fisiche utilizzano distanze fisiche reali solitamente misurate in numero di coppie di basi. Mentre la mappa fisica potrebbe essere una rappresentazione più “accurata” del genoma, le mappe genetiche spesso offrono intuizioni sulla natura delle diverse regioni del cromosoma, ad esempio la distanza genetica al rapporto di distanza fisica varia notevolmente a diverse regioni genomiche che riflette diversi tassi di ricombinazione, e tale tasso è spesso indicativo di regioni eucromatiche (di solito ricche di geni) vs eterocromatiche (di solito povere di geni) del genoma.
Gene mappingEdit
I ricercatori iniziano una mappa genetica raccogliendo campioni di sangue., saliva, o tessuto da membri di famiglia che portano una malattia prominente o tratto e membri di famiglia che non fanno. Il campione più comune utilizzato nella mappatura di gene, particolarmente nelle prove genomiche personali è saliva. Gli scienziati quindi isolano il DNA dai campioni e lo esaminano attentamente, cercando modelli unici nel DNA dei membri della famiglia che portano la malattia che il DNA di coloro che non portano la malattia non hanno. Questi modelli molecolari unici nel DNA si riferiscono a come polimorfismi, o marcatori.
I primi passi della costruzione di una mappa genetica sono lo sviluppo di marcatori genetici e una popolazione di mappatura. Più vicini sono due marcatori sul cromosoma, più è probabile che vengano trasmessi alla generazione successiva insieme. Pertanto, i modelli di “co-segregazione” di tutti i marcatori possono essere utilizzati per ricostruire il loro ordine. Con questo in mente, i genotipi di ciascun marcatore genetico sono registrati per entrambi i genitori e ogni individuo nelle generazioni successive. La qualità delle mappe genetiche dipende in gran parte da questi fattori: il numero di marcatori genetici sulla mappa e la dimensione della popolazione di mappatura. I due fattori sono interconnessi, in quanto una popolazione di mappatura più ampia potrebbe aumentare la “risoluzione” della mappa e impedire che la mappa sia “satura”.
Nella mappatura genica, qualsiasi caratteristica di sequenza che può essere fedelmente distinta dai due genitori può essere utilizzata come marcatore genetico. I geni, a questo proposito, sono rappresentati da “tratti” che possono essere distinti fedelmente tra due genitori. Il loro legame con altri marcatori genetici è calcolato nello stesso modo in cui sono marcatori comuni e i loci genetici effettivi sono quindi tra parentesi in una regione tra i due marcatori vicini più vicini. L’intero processo viene quindi ripetuto osservando più marcatori che mirano a quella regione per mappare il vicinato del gene a una risoluzione più elevata fino a quando non è possibile identificare uno specifico locus causale. Questo processo è spesso definito come “clonazione posizionale” ed è ampiamente utilizzato nello studio delle specie vegetali. Una specie vegetale, in particolare in cui viene utilizzata la clonazione posizionale, è il mais. Il grande vantaggio della mappatura genetica è che può identificare la posizione relativa dei geni basata esclusivamente sul loro effetto fenotipico.
La mappatura genetica è un modo per identificare esattamente quale cromosoma ha quale gene e individuare esattamente dove quel gene si trova su quel particolare cromosoma. La mappatura funge anche da metodo per determinare quale gene è più probabile ricombinare in base alla distanza tra due geni. La distanza tra due geni è misurata in unità note come centimorgan. Un centimorgan è una distanza tra i geni per i quali un prodotto di meiosi su cento è ricombinante. Gli altri due geni sono l’uno dall’altro, più è probabile che si ricombineranno. Se fosse più vicino, si verificherebbe il contrario.
Mappatura fisicamodifica
Poiché le distanze effettive della coppia di basi sono generalmente difficili o impossibili da misurare direttamente, le mappe fisiche vengono effettivamente costruite frantumando il genoma in pezzi gerarchicamente più piccoli. Caratterizzando ogni singolo pezzo e assemblando di nuovo insieme, il percorso di sovrapposizione o “percorso di piastrellatura” di questi piccoli frammenti consentirebbe ai ricercatori di dedurre le distanze fisiche tra le caratteristiche genomiche. La frammentazione del genoma può essere ottenuta mediante taglio enzimatico di restrizione o frantumando fisicamente il genoma mediante processi come la sonicazione. Una volta tagliati, i frammenti di DNA vengono separati mediante elettroforesi. Il modello risultante di migrazione del DNA (cioè la sua impronta genetica) viene utilizzato per identificare quale tratto di DNA è nel clone. Analizzando le impronte digitali, i contig vengono assemblati con mezzi automatici (FPC) o manuali (pathfinders) in tratti di DNA sovrapposti. Ora una buona scelta di cloni può essere fatta per sequenziare in modo efficiente i cloni per determinare la sequenza di DNA dell’organismo in studio.
Nella mappatura fisica, non ci sono modi diretti di marcare un gene specifico poiché la mappatura non include alcuna informazione che riguarda tratti e funzioni. I marcatori genetici possono essere collegati a una mappa fisica da processi come l’ibridazione in situ. Con questo approccio, i contig della mappa fisica possono essere “ancorati” su una mappa genetica. I cloni utilizzati nella mappa fisica contig possono quindi essere sequenziati su scala locale per aiutare la progettazione di nuovi marcatori genetici e l’identificazione dei loci causali.
La macrorestrizione è un tipo di mappatura fisica in cui il DNA ad alto peso molecolare viene digerito con un enzima di restrizione che ha un basso numero di siti di restrizione.
Esistono modi alternativi per determinare come il DNA in un gruppo di cloni si sovrappone senza sequenziare completamente i cloni. Una volta determinata la mappa, i cloni possono essere utilizzati come risorsa per contenere in modo efficiente grandi tratti del genoma. Questo tipo di mappatura è più accurata delle mappe genetiche.
Mappatura dei siti mutazionali all’interno di un geneEdit
Nei primi anni 1950 la visione prevalente era che i geni in un cromosoma sono entità discrete, indivisibili per ricombinazione genetica e disposti come perline su una stringa. Durante il 1955-1959, Benzer ha eseguito esperimenti di ricombinazione genetica utilizzando mutanti rII del batteriofago T4. Ha scoperto che, sulla base di test di ricombinazione, i siti di mutazione potrebbero essere mappati in un ordine lineare. Questo risultato ha fornito la prova per l’idea chiave che il gene ha una struttura lineare equivalente ad una lunghezza di DNA con molti siti che possono mutare indipendentemente.
Nel 1961, Francis Crick, Leslie Barnett, Sydney Brenner e Richard Watts-Tobin eseguirono esperimenti genetici che dimostrarono la natura di base del codice genetico per le proteine. Questi esperimenti, che coinvolgono la mappatura dei siti mutazionali all’interno del gene rIIB del batteriofago T4, hanno dimostrato che tre nucleobasi sequenziali del DNA del gene specificano ogni amminoacido successivo della sua proteina codificata. Così il codice genetico è stato dimostrato di essere un codice di tripletta, dove ogni tripletta (chiamato codone) specifica un particolare amminoacido. Hanno anche ottenuto prove che i codoni non si sovrappongono tra loro nella sequenza di DNA che codifica una proteina e che tale sequenza viene letta da un punto di partenza fisso.
Edgar et al. esperimenti di mappatura eseguiti con mutanti r del batteriofago T4 che mostrano che le frequenze di ricombinazione tra mutanti rII non sono strettamente additivi. La frequenza di ricombinazione da una croce di due mutanti rII (a x d) è solitamente inferiore alla somma delle frequenze di ricombinazione per sub-intervalli interni adiacenti (a x b) + (b x c) + (c x d). Sebbene non sia strettamente additivo, è stata dimostrata una relazione sistematica che probabilmente riflette il meccanismo molecolare sottostante della ricombinazione genetica.
Sequenzamodifica
Il sequenziamento del genoma viene talvolta erroneamente definito “mappatura del genoma” dai non biologi. Il processo di “sequenziamento del fucile” assomiglia al processo di mappatura fisica: si frantuma il genoma in piccoli frammenti, caratterizza ogni frammento, poi li mette di nuovo insieme (più recenti tecnologie di sequenziamento sono drasticamente diversi). Mentre l’ambito, lo scopo e il processo sono totalmente diversi, un assemblaggio del genoma può essere visto come la forma “ultima” di mappa fisica, in quanto fornisce in modo molto migliore tutte le informazioni che una mappa fisica tradizionale può offrire.