17.2 Kortlagning erfðamengja

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta muntu geta gert eftirfarandi:

• Skilgreint erfðamengjafræði
• Lýst genakortum og efnislegum kortum
• Lýst aðferðum við kortlagningu erfðamengja

Erfðamengjafræði er rannsókn á heilum erfðamengjum, þar með talið heildarsafni gena, kirnaröðum þeirra og skipulagi, og samspili þeirra innan tegundar og við aðrar tegundir. Kortlagning erfðamengis er ferlið við að finna staðsetningu gena á hverjum litningi. Kortin sem verða til við kortlagningu erfðamengja eru sambærileg við kortin sem við notum til að rata um götur. Genakort er skýringarmynd sem sýnir gen og staðsetningu þeirra á litningi. Genakort veita heildarmyndina (líkt og þjóðvegakort) og nota erfðamörk (líkt og kennileiti). Erfðamark er gen eða röð á litningi sem erfist með tilteknum eiginleika og sýnir þannig genatengsl. Snemma erfðafræðingar kölluðu þessa aðferð tengslagreiningu. Efnisleg kort sýna nákvæm smáatriði minni litningssvæða (líkt og ítarlegt vegakort). Efnislegt kort er framsetning á raunverulegri fjarlægð, í kirnum, milli gena eða erfðamarka. Bæði genakort byggð á erfðatengslum og efnisleg kort eru nauðsynleg til að byggja upp heildarmynd af erfðamengi. Að hafa fullkomið kort af erfðamenginu auðveldar rannsakendum að rannsaka einstök gen. Kort af erfðamengi mannsins hjálpa rannsakendum í viðleitni þeirra til að bera kennsl á gen sem valda sjúkdómum í mönnum, sem tengjast kvillum eins og krabbameini, hjartasjúkdómum og slímseigjusjúkdómi. Við getum notað kortlagningu erfðamengja í ýmsum öðrum tilgangi, svo sem við notkun lifandi örvera til að hreinsa upp mengunarefni eða jafnvel koma í veg fyrir mengun. Rannsóknir á kortlagningu erfðamengja plantna geta leitt til meiri uppskeru eða þróunar plantna sem aðlagast loftslagsbreytingum betur.

Genakort

Rannsóknir á genakortum hefjast með tengslagreiningu, aðferð sem greinir tíðni endurröðunar milli gena til að ákvarða hvort þau séu tengd eða sýni óháða samröðun. Vísindamenn notuðu hugtakið tengsl áður en DNA var uppgötvað. Snemma treystu erfðafræðingar á athuganir á svipfarsbreytingum til að skilja arfgerð lífveru. Skömmu eftir að Gregor Mendel (faðir nútíma erfðafræði) lagði til að eiginleikar réðust af því sem við köllum nú gen, tóku aðrir rannsakendur eftir því að mismunandi eiginleikar erfðust oft saman, og drógu þá ályktun að genin væru efnislega tengd vegna staðsetningar sinnar á sama litningi. Kortlagning gena miðað við hvert annað byggð á tengslagreiningu leiddi til þróunar fyrstu genakortanna.

Athuganir á því að ákveðnir eiginleikar væru alltaf tengdir og ákveðnir aðrir væru ekki tengdir komu frá rannsóknum á afkvæmum kynblöndunar milli foreldra með mismunandi eiginleika. Til dæmis, í tilraunum með garðertur, uppgötvuðu rannsakendur að blómlitur og lögun frjókorna væru tengdir eiginleikar, og því væru genin sem kóða þessa eiginleika nálægt hvert öðru á sama litningi. Skipti á DNA milli samstæðra litningapara kallast erfðaendurröðun, sem á sér stað við litningavíxl milli samstæðra DNA-strengja, svo sem ósysturlitningaþráða. Tengslagreining felur í sér að rannsaka tíðni endurröðunar milli tveggja gena. Því meiri sem fjarlægðin er milli tveggja gena, því meiri líkur eru á að endurröðun eigi sér stað á milli þeirra og því hærri er tíðni endurröðunar á milli þeirra. Mynd 17.11 sýnir tvo möguleika á endurröðun milli tveggja ósysturlitningaþráða við meiósu. Ef tíðni endurröðunar milli tveggja gena er minni en 50 prósent, eru þau tengd.

Gerð genakorta krefst erfðamarka, rétt eins og vegakort krefst kennileita (eins og áa og fjalla). Vísindamenn byggðu fyrstu genakortin á notkun þekktra gena sem erfðamarka. Vísindamenn nota nú þróaðri erfðamörk, þar á meðal þau sem byggja á ótáknandi DNA, til að bera saman erfðamengi einstaklinga í þýði. Þó að einstaklingar tiltekinnar tegundar séu erfðafræðilega líkir, eru þeir ekki eins. Hver einstaklingur hefur einstakt sett af eiginleikum. Þessi minniháttar munur á erfðamengi milli einstaklinga í þýði er gagnlegur í þeim tilgangi að kortleggja gen. Almennt séð er gott erfðamark svæði á litningnum sem sýnir breytileika eða fjölbrigði í þýðinu í þýðinu.

Sum erfðamörk sem vísindamenn nota við gerð genakorta eru breytileiki í lengd skerðibúta (RFLP), breytilegur fjöldi samliggjandi endurtekninga (VNTR), örtunglabreytileiki og einbasabreytileiki (SNP). Við getum greint RFLP-breytileika þegar DNA einstaklings er klippt með skerðiensími sem þekkir sértækar raðir í DNA til að mynda röð DNA-búta, sem við getum síðan greint með rafdrætti. DNA hvers einstaklings mun gefa af sér einstakt mynstur banda þegar það er klippt með tilteknu setti af skerðiensímum. Vísindamenn vísa stundum til þessa sem DNA-fingrafars einstaklings. Ákveðin litningssvæði sem eru háð fjölbrigði leiða til myndunar á einstöku bandamynstri. VNTR-raðir eru endurtekin sett af kirnum sem eru til staðar á svæðum ótáknandi DNA. Ótáknandi DNA, stundum kallað „rusl-DNA“, hefur enga þekkta líffræðilega virkni; rannsóknir sýna hins vegar að mikið af þessu DNA er í raun umritað. Þó að virkni þess sé óviss, er það vissulega virkt og gæti tekið þátt í stjórnun kóðandi gena. Fjöldi endurtekninga getur verið breytilegur hjá einstökum lífverum í þýði. Breytileiki í örtunglum er svipaður og VNTR-raðir, en endurtekningareining þeirra er mjög lítil. SNP-breytileikar eru breytileikar í einum basa.

Vegna þess að genakort treysta algjörlega á náttúrulegt ferli endurröðunar, hafa náttúrulegar aukningar eða minnkanir á endurröðunartíðni á tilteknu svæði erfðamengis áhrif á kortlagningu. Sumir hlutar erfðamengisins eru heitir reitir endurröðunar; en aðrir sýna litla eða enga tilhneigingu til endurröðunar. Af þessum sökum er mikilvægt að skoða kortlagningarupplýsingar sem þróaðar eru með mörgum aðferðum.

Efnisleg kort

Efnislegt kort veitir upplýsingar um raunverulega fjarlægð milli erfðamarka og fjölda kirna. Það eru þrjár aðferðir sem vísindamenn nota til að búa til efnislegt kort: frumuerfðafræðileg kortlagning, kortlagning með geislablendingum og raðkortlagning. Frumuerfðafræðileg kortlagning notar upplýsingar úr smásjárgreiningu á lituðum litningshlutum (Mynd 17.12). Hægt er að ákvarða áætlaða fjarlægð milli erfðamarka með frumuerfðafræðilegri kortlagningu, en ekki nákvæma fjarlægð (fjölda basapara). Kortlagning með geislablendingum notar geislun, svo sem röntgengeisla, til að brjóta DNA í búta. Við getum stillt magn geislunar til að búa til minni eða stærri búta. Þessi tækni sigrast á takmörkunum genakortlagningar og við getum stillt geislunina þannig að aukin eða minnkuð tíðni endurröðunar hafi ekki áhrif á hana. Raðkortlagning varð til vegna DNA-raðgreiningartækni sem gerði kleift að búa til ítarleg efnisleg kort með fjarlægðum mældum í fjölda basapara. Gerð erfðamengjasafna og safna af samstæðu DNA (cDNA) (söfn af einræktuðum röðum eða öllu DNA úr erfðamengi) hefur hraðað ferlinu við efnislega kortlagningu. Raðmerkt set (STS), sem vísindamenn nota til að búa til efnislegt kort með raðgreiningartækni, er einstök röð í erfðamenginu með þekkta nákvæma staðsetningu á litningi. Tjáður raðmerkill (EST) og breytileiki í lengd einfaldrar raðar (SSLP) eru algeng STS-set. EST er stutt STS sem við getum borið kennsl á með cDNA-söfnum, en við fáum SSLP-breytileika frá þekktum erfðamörkum, sem veitir tengingu milli genakorta og efnislegra korta.

Samþætting genakorta og efnislegra korta

Genakort gefa yfirlitið og efnisleg kort gefa smáatriðin. Það er auðvelt að skilja hvers vegna báðar tegundir erfðamengjakorta eru mikilvægar til að sýna heildarmyndina. Vísindamenn nota upplýsingar frá báðum aðferðum saman til að rannsaka erfðamengið. Vísindamenn nota kortlagningu erfðamengja með mismunandi módellífverum til rannsókna. Kortlagning erfðamengja er enn í gangi og eftir því sem rannsakendur þróa fullkomnari tækni, búast þeir við fleiri framförum. Kortlagning erfðamengja er svipuð því að klára flókið púsluspil með því að nota hvern einasta bita af tiltækum gögnum. Kortlagningarupplýsingar sem verða til á rannsóknarstofum um allan heim fara í miðlæga gagnagrunna, svo sem GenBank hjá National Center for Biotechnology Information (NCBI). Rannsakendur leggja sig fram um að upplýsingarnar séu aðgengilegri öðrum rannsakendum og almenningi. Rétt eins og við notum GPS-kerfi í stað pappírskorta til að rata um vegakerfi, hefur NCBI búið til erfðamengjaskoðara til að einfalda gagnavinnsluferlið.

Tenging við vísindalega aðferð

Hvernig á að nota erfðamengjakortasjá

Vandamál: Innihalda erfðamengi manna, makaka og músa sameiginlegar DNA-raðir?

Settu fram tilgátu.

Farðu á þessa vefsíðu til að prófa tilgátuna.

Vefsíðan sýnir samanburð á genaröðum margra lífvera við insúlínviðtakagen manna. Kannaðu hvers konar upplýsingar eru veittar og veldu þá hópa lífvera sem þarf til að prófa tilgátuna úr efri hluta gagnanna sem birtast. Beinið athyglinni að neðri hlutanum, Selected Orthologues (völdum orthologum). Kannið hvaða dálkar eiga við um þær upplýsingar sem vantar.

Á sömu síðu eru aðrir valkostir til að skoða, ekki eru allir nauðsynlegir fyrir verkefnið, en það gæti gefið meiri innsýn í gildi samanburðar á erfðamengjum/genum.

Tengill í námsefni

Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) er leitarbær skrá á netinu yfir gen og erfðasjúkdóma í mönnum. Þessi vefsíða sýnir upplýsingar um kortlagningu erfðamengja og greinir einnig frá sögu og rannsóknum á hverju einkenni og sjúkdómi. Smelltu á þennan tengil til að leita að einkennum (eins og hendni) og erfðasjúkdómum (eins og sykursýki).