Глава III

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ КАРТЫ, ПОЗИЦИОННОЕ КЛОНИРОВАНИЕ.

Раздел 3.1 Классификация генетических карт, оценка

сцепления.

Генетические карты определяют хромосомную принадлеж-

ность и взаимное расположение различных компонентов генома

относительно друг друга. Возможность построения таких карт

обусловлена двумя фундаментальными характеристиками генома:

линейным характером локализации генов в хромосомах (это оп-

ределяется линейностью молекулы ДНК) и относительной ста-

бильностью расположения облигатных элементов генома в преде-

лах вида. При построении генетических карт используют разные

подходы. В первую очередь, к ним относятся анализ генети-

ческого сцепления на основе определения частот мейотической

рекомбинации в информативных семьях и изучение особенностей

наследования признаков, сцепленных с маркерными хромосомными

перестройками. Во-вторых, исследование экспрессии генов или

поиск специфических последовательностей ДНК в клеточных гиб-

ридах, содержащих лишь часть генома человека - одну или

несколько хромосом или их фрагменты. В ряде случаев с этой

целью используют механический сортинг целых хромосом и даже

их относительно небольших участковв. Эти приемы позволяют

привязать картируемый ген к определенной хромосоме и даже к

определенному фрагменту хромосомы. С помощью комплекса весь-

ма тонких методов хромосомного анализа, прежде всего, мето-

дов гибридизации in situ (см. Главу I) удается картировать

отдельные гены на хромосомах человека часто с точностью до

одного бэнда. И, наконец, методами молекулярного анализа

осуществляют физическое картирование последовательностей

ДНК, локализованных в специфических участках хромосом. Затем

проводят идентификацию в этих последовательностях транскри-

бируемых областей, то есть генов, с последующей изоляцией и

клонированием соответствующих им полноразмерных молекул

кДНК. Каждый из рассмотренных этапов анализа структуры гено-

ма завершается построением карт генов, различающихся по еди-

ницам измерения расстояний между отдельными элементами этих

карт, масштабам, по насыщенности или степени детализации на

различных участках генома. Соответственно различают карты

сцепления, генетические карты, цитогенетические карты инди-

видуальных хромосом и физические или молекулярные карты оп-

ределенных участков ДНК. Для полной молекулярной идентифика-

ции отдельных элементов генома, то есть определения их гра-

ниц, структуры и нуклеотидной последовательности, необходимо

совмещение всех типов карт в местах локализации этих элемен-

тов.

Первым шагом на пути построения генетических карт явля-

ется формирование групп сцепления генов, контролирующих

различные наследственные признаки, и исследование их взаим-

ного расположения в этих группах. На следующем этапе опре-

деляют соответствие между генетическими группами сцепления

и цитогенетически идентифицируемыми хромосомами или их

фрагментами. Цитогенетическую идентификацию хромосом прово-

дят с использованием методов дифференциальной окраски

(см.раздел 3.2). По мере появления все большего числа лока-

лизованных признаков эффективность построения генетических

карт значительно возрастает, так как увеличивается число

маркированных участков хромосом и, таким образом, появля-

ется возможность комбинированного использования различных

экспериментальных подходов для более подробного исследова-

ния этих участков.

Принципиальная схема картирования неизвестных генов,

представленная на Рис.3.1, включает следующие этапы. 1. Вы-

яснение группы сцепления; 2. Поиск ближайших фланкирующих

маркеров; 3. Определение физической области (ДНК-последова-

тельности), включающей искомый ген; 4. Клонирование набора

фрагментов ДНК, перекрывающих исследуемую область; 5. Выде-

ление из этого набора клонов, содержащих транскрибируемые

ДНК-последовательности, предположительно соответствующие

гену или его фрагменту; 6. Анализ специфических мРНК и кло-

нирование кДНК-последовательности; 7. Секвенирование и

идентификация самого гена (Wicking, Williamson, 1991).

Рассмотрим подробнее эту схему.

Построение карт сцепления основано на изучении про-

цессов расхождения и рекомбинации гомологичных хромосом в

мейозе. Генетические признаки, локализованные в разных хро-

мосомах, не сцеплены друг с другом, то есть передаются от

родителей детям независимо, и частота их рекомбинации (Q)

составляет 0.5. Это обусловлено случайным характером

расхождения гомологичных хромосом в мейозе во время редук-

ционного деления. Гены, локализованные в одной хромосоме,

рекомбинируют за счет кроссинговера, то есть за счет обмена

участками гомологичных хромосом в процессе их спаривания в

мейозе (Рис.3.2). При этом порядок генов не нарушается, но

в потомстве могут появиться новые комбинации родительских

аллелей. Вероятность кроссинговера между двумя генами за-

висит от расстояния между ними. Чем ближе гены расположены

друг к другу, то есть чем больше они сцеплены, тем эта ве-

роятность меньше.

Оценку сцепления между генами проводят на основании

статистического анализа сегрегации признаков в семьях с

разветвленными родословными. Чаще всего при этом используют

метод максимального правдоподобия (Kao, 1983), то есть

подсчитывают десятичный логарифм шансов - lod (log of the

odds), где шансы (odds) выражаются как отношение вероят-

ности наблюдаемой родословной при условии, что два гена

сцеплены (0 < Q < 0.5), к той же вероятности при отсутствии

сцепления (Q = 0.5). Если значение lod > +3, гены локализо-

ваны в одной хромосоме, причем максимально правдоподобная

оценка соответствует максимальному значению lod. При значе-

ниях lod < -2 гены не сцеплены, то есть локализованы в раз-

ных хромосомах или на разных концах одной хромосомы. Ста-

тистическую обработку родословных обычно проводят с помощью

компьютерных программ, наиболее известные из которых прог-

раммы LIPED, CRIMAP и LINKAGE (Ott, 1985; Ott, 1991;

Terwilliger, Ott, 1994). На генетических картах сцепления

расстояние между генами определяется в сантиморганах (сМ).

1 сМ соответствует 1% рекомбинации. Общая длина генома че-

ловека в этих единицах составляет около 3300 сМ. Сопостав-

ляя эту величину с размером гаплоидного набора молекул ДНК,

можно заключить, что 1 сМ приблизительно эквивалентен 1

миллиону пар нуклеотидов. Такие расчеты, однако, весьма

приблизительны, так как частоты рекомбинации, а значит и

реальная длина одного сМ, могут сильно варьировать в раз-

личных частях генома. Существуют, так называемые, горячие

точки рекомбинации, также как и районы генома, где рекомби-

нация подавлена (центромерные и теломерные участки хро-

мосом, блоки конститутивного гетерохроматина и др.). Из-

вестно также, что частота рекомбинации у мужчин меньше, чем

у женщин, так что общая длина мужского генома, измеренная в

единицах рекомбинации, составляет лишь 3000 сМ. Таким обра-

зом, генетическое расстояние может дать лишь весьма ориен-

тировочную информацию о физическом (реальном) расстоянии,

выражаемом в парах нуклеотидов.