Кіріспе
Белгілі бір гендерді табу процесі. Гендік карталау немесе геномдық карталау хромосомадағы геннің орналасуын және гендер арасындағы қашықтықты анықтауға қолданылатын әдістерді сипаттайды. Гендік карталау геннің әртүрлі бөліктері арасындағы қашықтықты да көрсете алады. Барлық геномдық карталаудың мәні – молекулалық маркерлер жиынтығын геномдағы сәйкес орналасқан жерлеріне орналастыру болып табылады. Молекулалық маркерлер түрлі-түрлі болады. Гендер геномдық карталар құрастыруда генетикалық маркерлердің бір ерекше түрі ретінде қарастырылады және басқа кез келген маркерлер сияқты картаға түсіріледі. Зерттеудің кейбір салаларында гендік карта жасау организмде жаңа рекомбинациялардың пайда болуына көмектеседі. Гендік карталар хромосомадағы гендердің кеңістікте орналасуын сипаттауға көмектеседі. Гендер хромосомадағы белгілі бір орынға – локусқа орналасады және хромосомадағы басқа гендер арасындағы қашықтықты анықтау үшін молекулалық маркерлер ретінде қолданылуы мүмкін. Карталар зерттеушілерге белгілі бір белгілердің мұрагерлік үлгілерін болжауға мүмкіндік береді, бұл соңынан аурумен байланысты белгілерді жақсырақ түсінуге алып келуі мүмкін. Гендік карталардың генетикалық негізі – зерттеушілерге ДНК тізбектеуді жүзеге асыруға көмектесетін жоспар ұсыну болып табылады. Гендік карта гендердің салыстырмалы орналасуын көрсетуге көмектеседі және зерттеушілерге геномдағы қызығушылық тудыратын аймақтарды анықтауға мүмкіндік береді. Содан кейін гендерді жылдам анықтап, тізбектеп алуға болады. Гендік карталарды (гендік карталау) жасаудың екі тәсілі бар: физикалық карталау және генетикалық карталау. Физикалық карталау хромосомаларды зерттеу үшін молекулалық биология әдістерін пайдаланады. Бұл әдістер зерттеушілерге хромосомаларды тікелей бақылауға мүмкіндік береді, осылайша гендердің салыстырмалы орналасуымен карта жасауға болады. Ал генетикалық карталау гендер арасындағы байланысты жанама түрде анықтау үшін генетикалық әдістерді қолданады. Тәсілдерге будандастыру (гибридтік) тәжірибелері мен шежірелерді зерттеу кіруі мүмкін. Бұл тәсілдер карта жасауға мүмкіндік береді, сондықтан гендердің салыстырмалы орналасуын және басқа да маңызды тізбектерді талдауға болады, сондай-ақ физикалық карталар да жасалады. Генетикалық карталардың қашықтығы генетикалық байланыс туралы ақпаратқа негізделген, ал физикалық карталар әдетте негіз жұптарының санымен өлшенетін нақты физикалық қашықтықты қолданады. Физикалық карта геномның неғұрлым дәл бейнесі болғанымен, генетикалық карталар көбінесе хромосоманың әртүрлі аймақтарының сипаттамасын береді, мысалы, генетикалық қашықтық пен физикалық қашықтық арақатынасы әртүрлі геномдық аймақтарда әртүрлі рекомбинация жылдамдықтарын көрсетеді, және мұндай жылдамдық көбінесе геномның эухроматикалық (әдетте генге бай) және гетерохроматикалық (әдетте генге кедей) аймақтарын көрсетеді.
Gene mapping or genome mapping describes the methods used to identify the location of a gene on a chromosome and the distances between genes. Gene mapping can also describe the distances between different sites within a gene. The essence of all genome mapping is to place a collection of molecular markers onto their respective positions on the genome. Molecular markers come in all forms. Genes can be viewed as one special type of genetic markers in the construction of genome maps, and mapped the same way as any other markers. In some areas of study, gene mapping contributes to the creation of new recombinants within an organism. Gene maps help describe the spatial arrangement of genes on a chromosome. Genes are designated to a specific location on a chromosome known as the locus and can be used as molecular markers to find the distance between other genes on a chromosome. Maps provide researchers with the opportunity to predict the inheritance patterns of specific traits, which can eventually lead to a better understanding of disease linked traits. The genetic basis to gene maps is to provide an outline that can potentially help researchers carry out DNA sequencing. A gene map helps point out the relative positions of genes and allows researchers to locate regions of interest in the genome. Genes can then be identified quickly and sequenced quickly. Two approaches to generating gene maps (gene mapping) include physical mapping and genetic mapping. Physical mapping utilizes molecular biology techniques to inspect chromosomes. These techniques consequently allow researchers to observe chromosomes directly so that a map may be constructed with relative gene positions. Genetic mapping on the other hand uses genetic techniques to indirectly find association between genes. Techniques can include cross breeding (hybrid) experiments and examining pedigrees. These technique allow for maps to be constructed so that relative positions of genes and other important sequences can be analyzed. and physical maps. genetic maps' distances are based on the genetic linkage information, while physical maps use actual physical distances usually measured in number of base pairs. While the physical map could be a more accurate representation of the genome, genetic maps often offer insights into the nature of different regions of the chromosome, for example the genetic distance to physical distance ratio varies greatly at different genomic regions which reflects different recombination rates, and such rate is often indicative of euchromatic (usually gene rich) vs heterochromatic (usually gene poor) regions of the genome.
Генетикалық карталау
Зерттеушілер генетикалық картаны ауру немесе белгілі бір қасиетті таситын отбасы мүшелерінен, сондай-ақ тасымайтын отбасы мүшелерінен қан, сілекей немесе тіндің үлгілерін жинау арқылы бастайды. Гендік картада, әсіресе жеке геномдық тестілерде ең көп қолданылатын үлгі – сілекей. Содан кейін ғалымдар үлгілерден ДНК-ны бөліп алып, оны мұқият зерттеп, ауруды таситын отбасы мүшелерінің ДНК-сындағы ерекше үлгілерді анықтауға тырысады. ДНК-ның осы бірегей молекулалық үлгілері полиморфизмдер немесе маркерлер деп аталады. Генетикалық картаны құрудың алғашқы қадамдары – генетикалық маркерлерді және картаға түсірілетін популяцияны дамыту. Екі маркер хромосомада неғұрлым жақын орналасса, олардың келесі ұрпаққа бірге берілу ықтималдығы соғұрлым жоғары. Сондықтан, барлық маркерлердің "бірге келу" үлгілерін олардың ретін анықтау үшін пайдалануға болады. Осыны ескере отырып, әрбір генетикалық маркердің генотиптері ата-аналар мен келесі ұрпақтардағы әрбір жеке тұлға үшін тіркеледі. Генетикалық карталардың сапасы көбінесе мына факторларға байланысты: картадағы генетикалық маркерлердің саны және картаға түсірілген популяцияның мөлшері. Бұл екі фактор өзара байланысты, себебі үлкен популяция картаның "ажыратымдылығын" арттырып, картаның "қанығуына" жол бермейді. Гендік картада екі ата-анадан сенімді түрде ажыратуға болатын кез келген тізбектік ерекшелік генетикалық маркер ретінде қолданылуы мүмкін. Бұл жағдайда гендер екі ата-ана арасында анық ажыратылатын "белгілермен" көрсетіледі. Олардың басқа генетикалық маркерлермен байланысы ортақ маркерлер сияқты есептеледі, содан кейін нақты гендік локустар екі жақын маркерлер арасындағы аймаққа орналастырылады. Содан кейін, белгілі бір себепші локусты анықтағанға дейін геннің жақын орналасқан аймағын жоғары ажыратымдылықпен карталау үшін осы аймақты мақсат еткен көптеген маркерлерді қарап, процесс қайталанады. Бұл процесс көбінесе "позициялық клондау" деп аталады және өсімдік түрлерін зерттеуде кеңінен қолданылады. Позициялық клондауды ең көп пайдаланатын өсімдік түрлерінің бірі – жүгері. Генетикалық карталаудың үлкен артықшылығы – ол гендердің орналасуын олардың фенотиптік әсеріне ғана сүйене отырып анықтай алады. Генетикалық карта – бұл қай хромосомада қандай ген бар екенін және сол геннің осы хромосомада қай жерде орналасқанын анықтаудың жолы. Карталау сонымен қатар екі ген арасындағы қашықтыққа байланысты қай геннің қайта бірігуі ықтимал екенін анықтау әдісі ретінде де қызмет етеді. Екі ген арасындағы қашықтық сантиморган немесе карталық бірліктермен өлшенеді, бұл терминдер бір-бірімен алмастырылады. Сантиморган – жүз мейоз өнімінің біреуі рекомбинантты болып табылатын гендер арасындағы қашықтық.
Байланысты талдау
Түйіндік талдаудың негізі хромосомалық орналасуды түсіну және ауруға байланысты гендерді анықтау болып табылады. Бір-бірімен генетикалық тұрғыдан байланысты немесе қатысы бар белгілі бір гендер бір хромосомада бір-біріне жақын орналасады. Мейоз кезінде осы гендер бірге берілуі мүмкін және аурулардың фенотипін анықтауға көмектесетін генетикалық маркер ретінде қолданылуы мүмкін. Түйіндік талдау мұрагерлік үлгілерін анықтауға мүмкіндік беретіндіктен, мұндай зерттеулер көбінесе отбасылық негізде жүргізіледі.
Гендік қауымдастық талдауы
Гендік қауымдастыру талдауы популяциялық негізде жасалады; ол мұрагерлік үлгілеріне емес, популяцияның тарихына негізделген. Гендік қауымдастыру талдауы белгілі бір популяцияны қарастырып, ауруға шалдыққан адамдардағы аллельдің жиілігі, сол популяциядағы ауруға шалдықпаған адамдардың бақылау тобындағы жиіліктен ерекшеленеді ме екенін анықтауға тырысады. Бұл әдіс, әсіресе, мендельдік мұрагерлік үлгісі жоқ күрделі ауруларды анықтау үшін тиімді. ДНК миграциясының нәтижесіндегі үлгі – оның генетикалық ізтаңбасы, клондағы ДНК-ның қай бөлігін анықтау үшін қолданылады. Ізтаңбаларды талдау арқылы контигтер автоматты (FPC) немесе қолмен (жол іздеушілер) әдіспен біріктіріліп, ДНК-ның үстіне жататын бөліктері құрастырылады. Енді зерттелетін организмнің ДНК тізбегін анықтау үшін клондарды тиімді реттіліктестіруге болатындай, клондарды дұрыс таңдау жасауға болады. Физикалық карталауда, қасиеттер мен функциялар туралы ақпарат болмағандықтан, нақты генді тікелей белгілеудің жолдары жоқ. Генетикалық маркерлер ин-ситу гибридтеу сияқты процестер арқылы физикалық картаға байланыстырылуы мүмкін. Осы тәсілмен физикалық картаның контигтері генетикалық картаға "бекітілуі" мүмкін. Физикалық картаның контигтерінде қолданылатын клондарды жаңа генетикалық маркерлерді жобалауға және себепші локустарды анықтауға көмектесу үшін локальды деңгейде тізбектеп алуға болады. Макрорестрикция – бұл физикалық карталаудың бір түрі, онда жоғары молекулалық салмақты ДНК, шектеу орындарының саны аз шектеу ферментімен қорытылады. Клондар тобын толық реттілікке келтірмей, клондар тобындағы ДНК-ның қалай үстіне жататынын анықтаудың басқа да тәсілдері бар. Карта анықталғаннан кейін, клондар геномның үлкен бөліктерін тиімді қамту үшін ресурс ретінде пайдаланылуы мүмкін. Бұл типтегі карталау генетикалық карталардан гөрі дәлірек.
Шектеуді сәйкестендіру
Рестрикциялық карталау – рестрикциялық ферменттерді қолдану арқылы ДНК сегментінің құрылымдық ақпаратын алу әдісі. Рестрикциялық ферменттер – ДНК сегменттерін белгілі бір тану тізбектерінде кесуге көмектесетін ферменттер. Рестрикциялық карталаудың негізі ДНК-ны рестрикциялық ферменттермен қосу (немесе кесу) болып табылады. Содан кейін қосылған ДНК фрагменттері электрофорез арқылы агароза гельінде жүргізіледі, бұл осы фрагменттердің мөлшері туралы ақпаратты береді. Бұл фрагменттердің мөлшері талдауға алынған ДНК-дағы рестрикциялық ферменттердің орналасу арасындағы қашықтықты көрсетуге көмектеседі және зерттеушілерге талдауға алынған ДНК құрылымы туралы ақпарат береді. Хромосомалық аймақтарға немесе қызығушылық тудыратын гендерге арналған ДНК зондтары флюорохромдармен белгіленеді. Флюорохромдарды зондқа қосу арқылы зерттеушілер бірнеше ДНК тізбектерін бір уақытта көре алады. Зонд белгілі бір хромосомадағы ДНК-мен жанасқанда, гибридтеу жүзеге асады. Нәтижесінде, ДНК тізбегінің орналасуы туралы ақпарат алынады. FISH бір тізбекті ДНК-ны (ssDNA) талдайды. ДНК бір тізбекті күйде болғанда, ол өзіне тән зондқа байланыса алады. Бұл нәтиже геннің көптеген мутацияға ұшырайтын орындары бар ДНК ұзындығына тең сызықтық құрылымы бар екенін көрсететін маңызды идеяны растады. 1961 жылы Фрэнсис Крик, Лесли Барнетт, Сидней Бреннер және Ричард Уотс Тобин ақуыздар үшін генетикалық кодтың негізгі сипатын көрсеткен генетикалық эксперименттер жүргізді. Бактериофаг T4 rIIB генінің ішіндегі мутациялық орындарды картаға түсіруді қамтитын бұл эксперименттер геннің ДНК-сының үш тізбекті нуклеотидтері геннің кодтайтын ақуызының әрбір аминқышқылын анықтайтынын көрсетті. Осылайша генетикалық код үштік код екені анықталды, онда әрбір үштік (кодон деп аталады) белгілі бір аминқышқылын анықтайды. Олар сондай-ақ кодондардың ақуызды кодтайтын ДНК тізбегінде бірін-бірі жаппай баспайтынын және мұндай тізбек белгілі бір бастапқы нүктеден оқылатынын дәлелдеді. Эдгар және басқалар бактериофаг T4 r мутанттарымен карталық эксперименттер жүргізіп, rII мутанттары арасындағы рекомбинация жиілігінің қатаң қосымша емес екенін көрсетті. Екі rII мутанттарының (a x d) кроссингінен алынған рекомбинация жиілігі әдетте жақын ішкі аралықтардың рекомбинация жиіліктерінің қосындысынан (a x b) + (b x c) + (c x d) кем болады. Қатаң қосымша болмаса да, генетикалық рекомбинацияның негізгі молекулалық механизмін көрсететін жүйелі байланыс анықталды.
Геномдық секвенирлеу
Геномдық тізбектеу кейде биолог емес мамандар тарапынан қате түрде "геном картасы" деп аталады. Шатгун тізбектеу процесі физикалық карталау процесіне ұқсас: ол геномды кішкентай фрагменттерге бөліп, әр фрагментті сипаттайды, содан кейін оларды қайта құрастырады (бірақ жаңа тізбектеу технологиялары мүлдем басқаша). Ауқымы, мақсаты және процесі толығымен өзгеше болғанымен, геномдық жиналымды физикалық картаның "соңғы" түрі деп қарастыруға болады, себебі ол дәстүрлі физикалық карта бере алатын барлық ақпаратты әлдеқайда толыққанды ұсынады.
Қолдану
Гендерді анықтау әдетте бір түрдің геномын түсінудегі алғашқы қадам болып табылады; геннің орналасуын анықтау әдетте генді анықтаудың алғашқы қадамы. Гендік карталау көптеген маңызды келесі зерттеулердің бастапқы нүктесі болып табылады.
Аурулар арасындағы байланыс
Ауруға себеп болатын генетикалық элементті анықтау процесі "карталау" деп те аталады. Егер іздеу жүргізілетін локус белгілі бір шекте болса, онда бұл геннің нақты картасы деп аталады. Бұл ақпарат үлкен отбасылардағы аурудың көріністерін зерттеу (генетикалық байланыс) немесе популяциялық генетикалық қауымдастыру зерттеулері арқылы алынады. Жоғарыда аталған әдістерді пайдалана отырып, зерттеушілер ауру гендерін картаға түсіре алады. Гендік карта жасау – ауру гендерін анықтаудың маңызды алғашқы қадамы. Гендік карталар әртүрлі аллельдерді анықтауға және зерттеушілерге мутантты фенотипке себеп болып отыр деп санайтын гендер туралы болжам жасауға мүмкіндік береді. Байланыс талдауы арқылы анықталған аурудың мысалы – кистоздық фиброз. Мысалы, кистоздық фиброз (КФ) кезінде КФ-қа шалдыққан елу отбасының ДНК үлгілері байланыс талдауымен талданды. КФ-қа қатысты жүздеген маркерлер геном бойынша талданды, КФ 7-хромосоманың ұзын қолда анықталғанға дейін. Зерттеушілер 7-хромосомадағы қосымша ДНК маркерлеріне байланысты талдау жасап, КФ генінің одан да нақты орналасқан жерін анықтады. Олар КФ генінің 7q31-q32 аймағында орналасқанын анықтады (хромосомалық номенклатураға қараңыз).