20.4: Mapeo de Genomas

La genómica es el estudio de genomas completos, incluyendo el conjunto completo de genes, su secuencia y organización de nucleótidos, y sus interacciones dentro de una especie y con otras especies. El mapeo del genoma es el proceso de encontrar las ubicaciones de los genes en cada cromosoma. Los mapas creados por el mapeo del genoma son comparables a los mapas que utilizamos para navegar por las calles. Un mapa genético es una ilustración que enumera los genes y su ubicación en un cromosoma. Los mapas genéticos proporcionan el panorama general (similar a un mapa de carreteras interestatales) y utilizan marcadores genéticos (similares a los hitos). Un marcador genético es un gen o secuencia en un cromosoma que se co-segrega (muestra vinculación genética) con un rasgo específico. Los genetistas tempranos llamaron a este análisis de vinculación. Los mapas físicos presentan los detalles íntimos de regiones más pequeñas de los cromosomas (similar a una hoja de ruta detallada). Un mapa físico es una representación de la distancia física, en nucleótidos, entre genes o marcadores genéticos. Tanto los mapas genéticos como los mapas físicos son necesarios para construir una imagen completa del genoma. Tener un mapa completo del genoma facilita a los investigadores el estudio de genes individuales. Los mapas del genoma humano ayudan a los investigadores en sus esfuerzos por identificar genes que causan enfermedades humanas relacionadas con enfermedades como el cáncer, las enfermedades cardíacas y la fibrosis quística. El mapeo del genoma se puede usar en una variedad de otras aplicaciones, como el uso de microbios vivos para limpiar contaminantes o incluso prevenir la contaminación. La investigación que involucra el mapeo del genoma de las plantas puede conducir a producir mayores rendimientos de cultivos o desarrollar plantas que se adapten mejor al cambio climático.

Mapas Genéticos

El estudio de los mapas genéticos comienza con el análisis de ligamiento, procedimiento que analiza la frecuencia de recombinación entre genes para determinar si están vinculados o muestran surtido independiente. El término ligamiento se utilizó antes del descubrimiento del ADN. Los primeros genetistas se apoyaron en la observación de cambios fenotípicos para entender el genotipo de un organismo. Poco después de que Gregor Mendel (el padre de la genética moderna) propusiera que los rasgos estaban determinados por lo que ahora se conoce como genes, otros investigadores observaron que a menudo se heredaban diferentes rasgos juntos, y con ello dedujeron que los genes estaban físicamente vinculados al estar ubicados en el mismo cromosoma. El mapeo de genes entre sí basado en el análisis de ligamiento condujo al desarrollo de los primeros mapas genéticos.

Las observaciones de que ciertos rasgos siempre estuvieron vinculados y algunos otros no estaban vinculados provinieron del estudio de la descendencia de cruces entre padres con rasgos diferentes. Por ejemplo, en experimentos realizados en el guisante de jardín, se descubrió que el color de la flor y la forma del polen de la planta eran rasgos vinculados, y por lo tanto los genes que codifican estos rasgos estaban muy próximos en el mismo cromosoma. El intercambio de ADN entre pares homólogos de cromosomas se denomina recombinación genética, que se produce por el cruce de ADN entre cadenas homólogas de ADN, como las cromátidas no hermanas. El análisis de ligamiento implica estudiar la frecuencia de recombinación entre dos genes cualesquiera. Cuanto mayor sea la distancia entre dos genes, mayor será la probabilidad de que ocurra un evento de recombinación entre ellos, y mayor será la frecuencia de recombinación entre ellos. En la Figura se muestran dos posibilidades de recombinación entre dos cromátidas no hermanas durante la meiosis\(\PageIndex{1}\). Si la frecuencia de recombinación entre dos genes es inferior al 50 por ciento, se dice que están vinculados.

Figura\(\PageIndex{1}\): El cruce puede ocurrir en diferentes localizaciones del cromosoma. La recombinación entre los genes A y B es más frecuente que la recombinación entre los genes B y C porque los genes A y B están más separados; por lo tanto, es más probable que se produzca un cruce entre ellos.

La generación de mapas genéticos requiere marcadores, así como una hoja de ruta requiere hitos (como ríos y montañas). Los mapas genéticos tempranos se basaron en el uso de genes conocidos como marcadores. Ahora se utilizan marcadores más sofisticados, incluidos los basados en ADN no codificante, para comparar los genomas de individuos en una población. Aunque los individuos de una especie determinada son genéticamente similares, no son idénticos; cada individuo tiene un conjunto único de rasgos. Estas diferencias menores en el genoma entre individuos de una población son útiles para fines de mapeo genético. En general, un buen marcador genético es una región en el cromosoma que muestra variabilidad o polimorfismo (múltiples formas) en la población.

Algunos marcadores genéticos utilizados en la generación de mapas genéticos son polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción (RFLP), número variable de repeticiones en tándem (VNTR), polimorfismos de microsatélites y polimorfismos de un solo nucleótido (SNP). Las RFLP (a veces pronunciadas “rif-lips”) se detectan cuando el ADN de un individuo se corta con una endonucleasa de restricción que reconoce secuencias específicas en el ADN para generar una serie de fragmentos de ADN, los cuales luego se analizan mediante electroforesis en gel. El ADN de cada individuo dará lugar a un patrón único de bandas cuando se corta con un conjunto particular de endonucleasas de restricción; esto a veces se denomina “huella” de ADN de un individuo. Ciertas regiones del cromosoma que están sujetas a polimorfismo conducirán a la generación del patrón de bandas único. Los VNTR son conjuntos repetidos de nucleótidos presentes en las regiones no codificantes del ADN. El ADN no codificante, o “basura”, no tiene ninguna función biológica conocida; sin embargo, las investigaciones muestran que gran parte de este ADN en realidad se transcribe. Si bien su función es incierta, ciertamente es activa, y puede estar involucrada en la regulación de genes codificantes. El número de repeticiones puede variar en los organismos individuales de una población. Los polimorfismos de microsatélites son similares a los VNTR, pero la unidad repetida es muy pequeña. Los SNP son variaciones en un solo nucleótido.

Debido a que los mapas genéticos dependen completamente del proceso natural de recombinación, el mapeo se ve afectado por aumentos o disminuciones naturales en el nivel de recombinación en cualquier área dada del genoma. Algunas partes del genoma son puntos calientes de recombinación, mientras que otras no muestran propensión a la recombinación. Por esta razón, es importante observar la información de mapeo desarrollada por múltiples métodos.

Mapas Físicos

Un mapa físico proporciona detalles de la distancia física real entre los marcadores genéticos, así como el número de nucleótidos. Existen tres métodos utilizados para crear un mapa físico: mapeo citogenético, mapeo híbrido de radiación y mapeo de secuencias. El mapeo citogenético utiliza información obtenida por análisis microscópico de secciones teñidas del cromosoma (Figura\(\PageIndex{2}\)). Es posible determinar la distancia aproximada entre marcadores genéticos mediante mapeo citogenético, pero no la distancia exacta (número de pares de bases). El mapeo híbrido de radiación utiliza radiación, como rayos X, para romper el ADN en fragmentos. La cantidad de radiación se puede ajustar para crear fragmentos más pequeños o más grandes. Esta técnica supera la limitación del mapeo genético y no se ve afectada por el aumento o disminución de la frecuencia de recombinación. El mapeo de secuencias resultó de la tecnología de secuenciación de ADN que permitió la creación de mapas físicos detallados con distancias medidas en términos del número de pares de bases. La creación de bibliotecas genómicas y bibliotecas de ADN complementario (ADNc) (colecciones de secuencias clonadas o todo el ADN de un genoma) ha acelerado el proceso de mapeo físico. Un sitio genético utilizado para generar un mapa físico con tecnología de secuenciación (un sitio etiquetado de secuencia, o STS) es una secuencia única en el genoma con una ubicación cromosómica exacta conocida. Una etiqueta de secuencia expresada (EST) y un polimorfismo de longitud de secuencia única (SSLP) son STS comunes. Una EST es una STS corta que se identifica con bibliotecas de ADNc, mientras que las SSLP se obtienen de marcadores genéticos conocidos y proporcionan un vínculo entre mapas genéticos y mapas físicos.

Figura\(\PageIndex{2}\): Este es un mapa físico del cromosoma X humano. (crédito: modificación de obra por NCBI, NIH)

Integración de Mapas Genéticos y Físicos

Los mapas genéticos proporcionan el esquema y los mapas físicos proporcionan los detalles. Es fácil entender por qué ambos tipos de técnicas de mapeo del genoma son importantes para mostrar el panorama general. La información obtenida de cada técnica se utiliza en combinación para estudiar el genoma. El mapeo genómico se está utilizando con diferentes organismos modelo que se utilizan para la investigación. El mapeo del genoma sigue siendo un proceso continuo, y a medida que se desarrollan técnicas más avanzadas, se esperan más avances. El mapeo del genoma es similar a completar un complicado rompecabezas usando cada pieza de datos disponibles. La información cartográfica generada en laboratorios de todo el mundo se ingresa en bases de datos centrales, como GenBank en el Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI). Se están haciendo esfuerzos para que la información sea más fácil de acceder a los investigadores y al público en general. Así como utilizamos sistemas de posicionamiento global en lugar de mapas en papel para navegar por las carreteras, NCBI ha creado una herramienta de visor de genoma para simplificar el proceso de minería de datos.

Referencias

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OpenStax, Biología. OpenStax CNX. enero 2, 2017 https://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10...apping-Genomes