Ligação e Recombinação Gênica Miguel H.A. Santana mhasantana@usp.br Genética Básica e Evolução (ZVM 0215) Quarta, 21 de Setembro 2016
Visão geral Meta Importância dos princípios que regem a diversidade genética e o mapeamento para os genes e regiões de interesse nos cromossomos do genoma. Objetivos Mecanismos de ligação e recombinação gênica na origem da diversidade genética e construção de mapas e QTLs. Pré-requisitos Conhecimento acerca das Leis de Mendel (1ª e 2ª). 2/65
Visão geral Diversidade biológica = características morfológicas e fisiológicas Resposta às mudanças ambientais Diferentes conjuntos de alelos = maior variabilidade de resposta Sobrevivência, regeneração, duplicação e reprodução 3/65
Visão geral 2 dos mecanismos genéticos originam a diversidade: Segregação independente Recombinação genética Ambos ocorrem durante a divisão celular meiótica (prófase da meiose I). 4/65
Visão geral Segregação aleatória dos alelos (1ª lei de Mendel): Gregor Mendel, 1885 Proporção dos Alelos esperados ¼ AA, ¼ Aa, ¼ aa e ¼ aa 5/65
Visão geral Segregação independente (2ª lei de Mendel): Gregor Mendel, 1885 Proporção dos Alelos esperados ¼ AB, ¼ Ab, ¼ ab e ¼ bb Herança de A é independente de B 6/65
Visão geral Segregação independente (2ª lei de Mendel): Gregor Mendel, 1885 Proporção 1:1:1:1 7/65
Visão geral Porém descobriu-se que: Nem todos os alelos são herdados independentemente, Existem mais genes que cromossomos, Mais de um gene por cromossomo. 8/65
Visão geral Cada espécie possui de centenas a milhares de genes, Cada cromossomo carrega as informações sobre um grupo deles (grupos de ligação), Ex: Bovinos têm 29 grupos autossômicos de ligação, um grupo de ligação do cromossomo X e um do Y. 9/65
Ligação Gênica - Linkage Ligação (Linkage) Introdução Ligação genética = muitos genes em um mesmo cromossomo Nem sempre são herdados juntos, varia conforme a distância entre eles Essa distância determina o comportamento independente ou ligado 10/65
Bateson e Punnet - 1905 Ligação (Linkage) Introdução Após as descobertas de Mendel, diversos experimentos foram realizados com diferentes modelos (animais e vegetais) por outros cientistas. Em 1905, Bateson e Punnett cruzaram ervilhas com 2 traços diferentes: - Cor da flor (púrpura (P) ou vermelha (p)) - Forma do grão (longo (L) ou redondo (l)) Esperava-se proporção 9:3:3:1 na geração F2, porém encontraram um resultado que não souberam explicar 11/65
Bateson e Punnet - 1905 Ligação (Linkage) Introdução 12/65
Thomas Hunt Morgan - 1903 Introdução Morgan e colaboradores estudaram cruzamentos de Drosophila melanogaster e constataram padrões diferentes da 2ª lei de Mendel. Foram estudadas 2 características autossômicas: - Cor dos olhos (vermelho (pr+) ou púrpura (pr)) - Tamanho da asa (normal (vg+) ou vestigial (vg)) 13/65
Thomas Hunt Morgan - 1903 Introdução Parentais Recombinantes 14/65
Thomas Hunt Morgan - 1903 Introdução Morgan e colaboradores constataram que os genes estavam fisicamente ligados no mesmo cromossomo. Genes que estão juntos no mesmo cromossomo podem não segregar de modo independente. Se há ligação entre eles, como apareceram combinações novas (diferentes dos parentais)? Em 1909, Janssens descobriu o crossing over 15/65
Recombinação gênica Ligação (Linkage) Tipos e formas de ligação Frequência de recombinação Exemplos A ligação pode ser completa e parcial. Parcial quando ocorre recombinação. A forma na qual os alelos estão dispostos no cromossomo determina sua nomenclatura: CIS pode ser chamada de Associação TRANS de Repulsão 16/65
Recombinação gênica Ligação (Linkage) Tipos e formas de ligação Frequência de recombinação Exemplos O processo de crossing over (permuta) permite a recombinação gênica. Ocorre durante a prófase I da meiose no estágio bivalente (troca de pedaços de DNA) nos cromossomos homólogos. Na recombinação entre as cromátides, se formam os quiasmas que comprovam citologicamente do crossing over. 17/65
Recombinação gênica Ligação (Linkage) Tipos e formas de ligação Frequência de recombinação Exemplos O crossing over pode ocorrer uma ou várias vezes a cada divisão no cromossomo. A frequência da recombinação não é constante no genoma e pode ser influenciada por fatores globais e locais. Mede a força da ligação entre os genes + Próximo Recombinação Frequência de recombinação nunca ultrapassa 50% (cromossomos diferentes, segregam independentemente, não ligados) 18/65
Recombinação gênica Parental Recombinantes Parental 19/65
Tipos e formas de ligação Frequência de recombinação Exemplos Ligação e Recombinação Parentais são as cromátides que não se recombinaram, as demais são chamadas Recombinantes. Para detectar a ligação gênica e, assim determinar as recombinações, utiliza-se o Retrocruzamento. Para diferenciar genes ligados (Morgan) dos independentes (Mendel), utiliza-se a grafia AB/ab ou (AaBb) para os genes ligados. A existência de ligação pode verificada por teste de qui-quadrado. 20/65
Ligação entre dois genes Ligação (Linkage) Tipos e formas de ligação Frequência de recombinação Exemplos Teste do qui-quadrado para relações genéticas com a hipótese de não haver ligação entre os genes ou que há ligação: H0 os genes não estão ligados (seguem herança mendeliana) H1 os genes estão ligados 21/65
Ligação entre dois genes Ligação (Linkage) Tipos e formas de ligação Frequência de recombinação Exemplos Valor do qui-quadrado tabelado considerando 1% e 3 graus de liberdade = 11,34. Os genes estão ligados? 22/65
Ligação entre dois genes Ligação (Linkage) Tipos e formas de ligação Frequência de recombinação Exemplos Valor do qui-quadrado tabelado considerando 1% e 3 graus de liberdade = 11,34. 75,76 > 11,34 Rejeita H0, os genes estão ligados 23/65
Cálculo da frequência de recombinação Tipos e formas de ligação Frequência de recombinação Exemplos Quem são os parentais? Qual a frequência de recombinação? 24/65
Mapas genéticos Ligação (Linkage) Exemplos Morgan et al. possibilitaram relacionar a frequência de recombinação com distância entre os alelos. Construção de mapas físicos dos cromossomos. O método básico de mapeamento gênico foi desenvolvido por Alfred Sturtevent, aluno de Morgan. Distância entre os alelos pela ocorrência de crossing over 25/65
Exemplos Mapas genéticos Uma unidade de mapa genético (m.u.) é a distância entre os alelos para o qual um produto de meiose (%) é recombinante. Frequência de recombinação de 0,01 ou 1% é definido como 1 m.u. Em homenagem a Morgan, m.u. ficou mais conhecido como centimorgan (cm). O mapa geralmente é representado de maneira linear. 26/65
Mapas genéticos Ligação (Linkage) Exemplos Usando os dados obtidos por Morgan Qual a distância entre os genes da cor do olho e do formato da asa? 27/65
Mapas genéticos Ligação (Linkage) Exemplos Usando os dados obtidos por Morgan A distância entre os dois genes é de 10,74 cm 28/65
Mapas genéticos Multi loci Exemplos Sturtevant estudou 3 características: sc: falta de cerdas no tórax ec: área de olho irregular vg: pelos vestigiais 29/65
Mapas genéticos Multi loci Exemplos Construam o mapa genético para os três alelos estudados por Sturtevant Dica: dois loci por vez 30/65
Mapas genéticos Multi loci Exemplos 31/65
Mapas genéticos Multi loci Exemplos 32/65
Mapas genéticos Multi loci Exemplos 33/65
Mapas genéticos Multi loci Exemplos 34/65
Mapas genéticos Multi loci Exemplos 35/65
Mapas genéticos Multi loci Exemplos 36/65
Mapas genéticos Multi loci Exemplos 37/65
Mapas genéticos Multi loci Exemplos 38/65
Mapas genéticos Multi loci Exemplos 39/65
Mapas genéticos Ligação (Linkage) Exemplos Mapa genético do tomate (1952) 40/65
Atualmente QTLs Loci de característica quantitativa QTL (quantitative trait loci). Uso de marcadores genéticos/moleculares para identificação de regiões genômicas potencialmente associadas com características quantitativas. Melhor entendimento da interação entre o genótipo e fenótipo. Identifica regiões para construção de marcadores para serem utilizados na seleção de características fenotípicas relevantes. Dificuldade na posição exata e na quantificação do seu efeito. 41/65
Qualitativo vs Quantitativo Atualmente 42/65
QTLs Ligação (Linkage) Atualmente Mapear um QTL significa, além de identificar sua posição no genoma, estimar os efeitos genéticos: aditivo, dominância, epistasia... Sax (1923) verificou a associação entre o tamanho de sementes e padrões e coloração do tegumento (primeira ideia de mapeamento de QTLs) 43/65
QTLs Ligação (Linkage) Atualmente 44/65
QTLs Ligação (Linkage) Atualmente 45/65
QTLs Ligação (Linkage) Atualmente 46/65
Intensidade de associação QTLs Ligação (Linkage) Atualmente 47/65
Evolução da biologia molecular Atualmente Nas últimas duas décadas evoluiu-se rapidamente nas técnicas de biologia molecular O sequenciamento dos genomas base-a-base permitiu essa aceleração e a construção de painéis de marcadores densos (SNPs) Surgimento e evolução dos Bead Chips : - 96 SNPs - 384 SNPs - 54000 SNPs - 777000 SNPs 48/65
Evolução da biologia molecular Atualmente 49/65
Evolução da biologia molecular Atualmente 50/65
Evolução da biologia molecular Atualmente 51/65
Genômica e a produção animal Atualmente 52/65
Genômica e a produção animal Atualmente Teste de paternidade Identificação de genes ligados a características produtivas Rastreabilidade Nutrigenômica Seleção assistida por marcadores Estudos de associação de amplo genoma Seleção genômica 53/65
Genômica e a produção animal Atualmente 54/65
Genômica e a produção animal Atualmente 55/65
Genômica e a produção animal Atualmente 56/65
Genômica e a produção animal Atualmente 57/65
Genômica e a produção animal Atualmente 58/65
Genômica e a produção animal Atualmente 59/65
Genômica e a produção animal Atualmente Detecção de QTLs - Painéis de alta densidade - Sequenciamento completo do genoma - Sequenciamento de exomas - Sequenciamento de RNAs eqtls - Metabólitos mqtls - Etc... 60/65
Genômica e a produção animal Atualmente 61/65
Genômica e a produção animal Atualmente 62/65
Genômica e a produção animal Atualmente 63/65
Conceitos para pesquisar e aprender Buscar as definições e aplicações de: - Desequilíbrio de ligação - Cruzamento teste - Marcadores microssatélites vs SNPs - Genes/alelos causais - Haplótipos 64/65
Obrigado pela atenção mhasantana@usp.br 65/65