Curs 2 Linkage Si Asociere

3. Inlantuirea genica (linkage) si cartografierea “ Segregarea independenta a caracterelor” “PRINCIPIUL ASORTARII INDEPENDENTE” a genelor nealele (situate pe loci diferiti) este: - totdeauna ADEVARAT pt. gene situate pe cz. diferiti - uneori adevarat pt. gene situate pe acelasi cz. Gene sintenice (= avand locii pe acelasi cromozom) se pot transmite:  independent, cand sunt separte prin crossing- over  inlantuite, cand au locii apropiati pe cromozom

3. Inlantuirea genica (linkage)

Conceptul de inlantuire/linkage Are la baza posibilitatea ca 2 loci sa se afle pe acelasi cromozom la distanta mica unul de altul a.i. cel mai probabil se transmit impreuna (co-segrega) in timpul meiozei ↓ Recombinarile intre cei 2 loci sunt cu atat mai rare cu cat sunt situate mai apropiate perechile de gene

Distanta fizica (in pb) intre 2 loci conteaza in cartografierea fizica; dar distanta fizica # distanta genetica utilizata in hartile genetice! Nr. mare de recombinari (crossing – over) A

A B

B Recombinari putine sau absente (valori scazute ale fractiei de recombinare)

Harta genetica = o reprezentare a pozitiei relative a genelor pe cz., bazata pe frecventa/fractia de recombinare meiotica intre 2 segmente de ADN o harta de inlantuire ( nu este o localizare fizica a genelor!)

Proportia descendentilor recombinanti in raport cu nr.total de descendenti este denumita fractie de recombinare (θ) Non rec om binanti

Figure 6-2

3. Inlantuirea genica (linkage)

θ reflecta distanta dintre 2 loci

(si nu gene!)

Cea mai mare valoare POSIBILA a θ 0,5, adica 50%  NU EXISTA INLANTUIRE corespunde frecventei de segregare a genelor avand loci pe cz. diferiti! Daca θ< 0,5  EXISTA INLANTUIRE Ex. Daca θ = 0,05, inseamna ca in medie alelele sintenice vor segrega impreuna de 19 ori din 20 segregari posibile  o recombinare (c-o) va avea loc intre ele in medie doar intr-o meioza din 20

Frecventa de recombinare • θ este raportul intre numarul de descendenti recombinanti si numarul total de descendenti

• Unitatea de masura a distantei genetice este denumita Morgan 1 centiMorgan (cM) = distanta genetica in care se produc recombinari cu o frecventa de 1%

1cM ~ 1.000.000 pb (1.000kb)

3. Inlantuirea genica (linkage) si cartografierea - loci foarte apropiati, inlantuiti, “lincati” care nu sunt niciodata separati prin crossing-over: distanta genetica este de 0 cM (θminim = 0,0) - loci neinlantuiti, “nelincati”: distanta genetica este mai mare sau egala cu 50 cM (adica: fiecare alela a unui locus are o probabilitate de 50% de a fi cotransmisa cu orice alela de pe celalalt locus, iar atunci θmaxim = 0,5)

FAZE DE INLANTUIRE Intre 2 perechi de gene alele (A/a si B/b) avand loci situati pe acelasi cz. exista 2 posibilitati de dispunere, numite faze de inlantuire:  cuplare sau cis ( A si b, respectiv a si B)  repulsie sau trans (A si B, respectiv a si b) A

b

a

B

Recombinarea creeaza noi haplotipuri Haplotip: combinatie specifica de loci, unul continand deseori o gena marker pentru o boala Haplotipul ab poate fi rezultatul recombinarii sau mutatiei (recombinarea actioneaza mai rapid) A

b

a

B

A

b

a

B

A

B

a

b

Dezechilibrul de inlantuire Frecventa teoretica cu care se gasesc anumite haplotipuri intr-o populatie se calculeaza prin produsul frecventelor individuale ale genelor alele ce il alcatuiesc. Daca se compara frecv. teoretica cu cea reala (din acea populatie) se pot gasi 2 situatii: 3. frecv. reala nu difera semnificativ de cea teoretica (genele haplotipului sunt in echilibru de inlantuire) 4. frecv. reala > frecv. teoretica ( asociere alelica preferentiala, dezechilibru de inlantuire)

Echilibru de linkage In conditii de echilibru (recombinari multiple), in haplotipuri alelele apar independent una de alta. Examplu: Daca alela A are o frecventa de 0,3 si alele b o frecventa de 0,4 → frecventa haplotipului Ab: 0,3 * 0,4 = 0,12. .

Cum aflam daca 2 gene sunt situate pe acelasi cromozom? Cromozomi diferiti

θ = 0.5

Acelasi cromozom

θ ≤ 0.5

Cu cat θ este < 0,5 cu atat distanta dintre cele 2 gene este mai mica.

Harti ale genomului Genetic maps (hartile genetice) masoara in centimorgani distanta dintre 2 markeri situati pe acelasi cromozom. Physical maps (hartile fizice) masoara in perechi de baze distanta fizica dintre cei 2 markeri (secventierea intregului genom: ~3,3 miliarde pb).

Analiza asocierii si dezechilibrul inlantuirii • Atunci cand intr-o familie o alela marker segrega cu un FENOTIP ANORMAL (boala) inseamna ca exista inlantuire (linkage) intre markerul respectiv si locusul genei bolii. • Ex. In acest arbore genealogic alela A segrega cu boala

Daca in imagine se adauga cromozomii (barele verticale) avand gena bolii, se observa inlantuirea (lincajul) fizica intre locusul marker si cel al bolii; respectiv alela A a markerului segrega cu boala in aceasta familie autozomal dominanta, deoarece este suficient de apropiat de locusul alelei ce provoaca boala, a.i. nu a mai avut loc nici o recombinare (c-o)

Lincaj si recombinare • Daca consideram 2 loci (nu obligatoriu unul al alelei bolii si celalalt marker) ei sunt:  Lincati / inlantuiti daca proportia de gameti recombinanti este

<½

 Nelincati / neinlantuit atunci cand fiecare tip de gamet se formeaza cu aceeasi probabilitate (frecvente egale de aparitie in gameti a combinatiilor posibile in caz de dihibridare respectiv: AB, ab, Ab, aB)

Lincaj si recombinare

Lincaj si recombinare

• Inlantuirea este o proprietate a doi loci. • Inlantuirea nu variaza intre populatii • Inlantuirea nu depinde de frecventele alelice, dar capacitatea de a detecta prezenta inlantuirii depinde de acestea. • Inlantuirea necesita observarea transmiterii gametilor de la parinti la descendenti

Asocierea alelica

Asocierea alelica • Asocierea se refera la populatia formata din gameti si prin urmare nu necesita observarea transmiterii de la generatia parentala la cea filiala. • Doua alele sunt asociate, daca evenimentul ca un gamet sa poarte alela A nu este independent de evenimentul ca acel gamet sa contina alela B. • Adica, cu alte cuvinte, A si B se vor intalni in acelasi gamet ori mai frecvent ori mai putin frecvent decat este asteptat pe baza de sansa. • Asocierea alelica este utilizata in genetica populatiei.

Asocierea alelica • In ex. anterior, in prima populatie de gameti genele A si B apar exclusiv impreuna, adica sunt total, complet asociate. • In a doua populatie de gameti nu apare o asociere, caci alelele se cupleaza intre ele la intamplare: A si B se amesteca cu a si b. • Este important de retinut ca spre deosebire de inlantuire, asocierea este populational-specifica. Ea depinde de frecventele alelice si de dinamica din interiorul populatiei studiate, adica este diferita de la o populatie la alta.

Lincaj fara asociere: un anumit marker alelic va segrega cu boala, dar alela specifica poate sa apara in diferite – alte combinatii in alte familiile analizate

In acest caz o alela marker este cuplata cu alela bolii la un fondator si este transmisa in familie pe cz. ‘bolii’; dar deoarece nu exista nici o asociere, cuplarea alelei respective cu cea a bolii este intamplatoare.

Poate varia de la o familie la alta, care alela marker segrega cu boala; in exemplele urmatoare alela A apoi a segrega cu fenotipul bolii

DEZECHILIBRUL LINCAJULUI Dar

oare

ce

se

intampla

atunci

cand

inlantuire pe langa asociere alelica!?

exista

si

DEZECHILIBRUL LINCAJULUI • Alela A segrega cu fenotipul bolii in ambele pedigreeuri, adica o alela particulara este cuplata cu alela bolii la fondatori si transmisa ca urmare a inlantuirii. • Datorita asocierii alelice din cadrul populatiei exista tendinta ca aceeasi alela marker sa fie cuplata cu alela bolii in ambele familii studiate. • Deci dezechilibrul lincajului apare atunci cand alelele sunt

mai

frecvent

impreuna

decat

s-ar

datora

sansei/intamplarii, ele fiind fizic apropiate pe catena ADN-ului.

Multipli

arbori

genealogici

demonstreaza

excesul transmiterii aceleasi alele la indivizii afectati.

CAUZELE ASOCIERII ALELICE  MUTATIA MIGRATIA EFECTUL DE FONDATOR DRIFTUL GENETIC SELECTIA

MUTATIA Cel mai cunoscut este modelul noii (de novo) mutatii: - O alela noua, aparuta pe un singur cz. ancestral poate conduce la asocieri intre ea si alele de pe diversi loci din genom - initial exista un marker polimorf (alelele A si a) si alela normala, salbatica (N); apoi apare noua mutatie pe un singur cz. si creeaza asocierea intre alelele A si D (alela mutanta ce provoaca boala)

Boli cauzate de mutatii produse intr-o singura gena • 1. Mucoviscidoza (fibroza chistica) este o b. autozomal recesiva cauzata de mutatii la nivelul genei CFTR*. 7q31 Simptomul major este mucusul cu vascozitate crescuta din plamani, ce conduce la infectii. • 2. Anemia falciforma este o b. autoz. rec. cauzata de o mutatie punctiforma in gena ß-globinei. Hematiile in forma de secera impiedica microcirculatia normala si priveaza organele de O2. • 3. Coreea Huntington o b. autoz.dom. cauzata de mutatii ale genei de la 4p16.3. Simptomele incep la varsta adulta si constau din tulburari psihice si neurologice, cu miscari necontrolate si dementa progresiva. *CFTR= cystic fibrosis transmembrane conduction regulator gene

MIGRATIA (INTRARI SI IESIRI)

• Asocierile apar cand se amesteca doua sau mai multe populatii. • Frecventele alelice vor fi diferite in populatiile care se amesteca. Frecv. alelica/genica = frecv. cu care o alela este prezenta pe un locus genic dat intr-o populatie

• Pt. a gasi gene ale unor boli, studiind populatiile noi, ce apar in urma acestor migrari, este foarte util cand populatiile initiale aveau boli a caror prevalenta era diferita Prevalenta = nr. de bolnavi dintr-o populatie intr-un anumit moment temporal

Efectul de fondator Initial exista o populatie ‘ancestrala’, cu multi indivizi, unde nu exista asociere intre alela marker si cea a bolii. Apoi un grup de indivizi se desprinde, acestia avand rolul de fondatori: ei poarta numai o parte din totalul de cromozomi ai populatiei ”mama” (genofondul initial). Pe baza de sansa, pot sa apara asocieri!

Ex. pt efectul fondatorului In Vechiul Ordin AMISH din Pennsylvania* apare frecvent displazia condroectodermala, a carei simptomatologie include si polidactilia.

Fie mutarea unei parti a populatiei in alta zona, fie reducerea indivizilor ca urmare a schimbarilor de mediu, determina o frecventa disproportionata a genelor fondatorilor in noua populatie. * Bolile transmise genetic sunt mai frecvente in populatiile inchise, casatoriile consanguine previn variatia genetica, fiind pastrate caracterele populatiei initiale. Bolile recesive sunt mai frecvente decat in alte populatii.

DRIFTUL GENETIC Se refera la schimbarile de la parinti la descendenti a frecventelor genice; aceste schimbari apar in populatiile mici prin imperecherea intamplatoare a gametilor, ceea ce conduce la asocieri alelice pe baza de sansa. O frecventa alelica poate creste sau diminua pe baza de sansa; nu fiecare individ va avea urmasi si nici nr. acestora nu este acelasi la diferiti genitori, apoi doar ½ din gene sunt transmise. Efectul, numit drift genetic intamplator, este f. intens: 1.In populatiile mici (100 de indivizi reproducatori sau mai putini) 2. Cand gena este neutra (nici avantajoasa, nici dezavantajoasa)

DRIFTUL GENETIC • Eventual intreaga populatie poate deveni homozigota pt. o alela sau - la fel de probabil – alela poate sa dispara! • Inainte ca aceste lucruri sa se intample, alela reprezinta un polimorfism (poli = multe; morph = forma), adica un fragment de ADN, care are mai mult de o forma (alele), fiecare dintre acestea aparand cu o frecventa de cel putin 1% • Polimorfismele contribuie la variabilitate: polimofismele unei gene pot avea/ nu functii diferite • Polimorfismele pot fi avantajoase, neutre sau dezavantajoase

Un ex. de drift genetic sunt gheparzii, care au cel mai redus nivel de variatie printre mamifere: daca de obicei indivizii inruditi au aprox 80% din gene in comun, la gheparzi se ridica la aprox. 99%! Consanguinizarea a dus la o rata scazuta a supravietuirii, la o calitate redusa a spermiilor si o mai mare susceptibilitate la imbolnaviri. Acestea fiind urmari ale lipsei diversitatii genetice.

SELECTIA NATURALA

SELECTIA NATURALA • Se refera la modul in care speciile se adapteaza la mediu • Conduce la schimbari evolutive, atunci cand indivizi cu anumite caractere au o rata mai inalta de supravietuire sau reproducere decat alti indivizi din cadrul aceleasi populatii; astfel primii vor transmite carqcterele genetice ereditare descendentilor • Apare atunci cand combinatiile alelice ofera avantaj (sau dezavantaj) selectiv, conducand la asocieri intre alele. • Realizeaza o diferenta semnificativa dpdv al supravietuirii si reproducerii intre diferitele genotipuri sau chiar intre diferitele gene

We can quantify the rate of decay in large, random mating populations as being related to the amount of recombination between two loci. The greater the recombination fraction (θ), the faster the decay of allelic association. D represents the disequilibrium coefficient. When D is 0, there is no disequilibrium and the alleles are independent. As D increases, the amount of disequilibrium also increases. When θ = 0, there is no decay of allelic association. When θ = .5, meaning no linkage, the disequilibrium coefficient (D) is halved in each generation, and so decays quite rapidly. Allelic association will only persist if the loci are close together.

Stabilirea relatiei de linkage • Este dificila prin studii traditionale bazate pe analiza pedigree-ului – nr. mic de descendenti Daca 2 gene sunt linkate una dintre ele poate fi folosita ca marker : studiul co-transmiterii markerului si afectiunii in familiile cu indivizi afectati/neafectati

•Studiile populationale pot fi utilizate pt. stabilirea linkage-ului folosind rezultatele recombinarilor.

Marker genetic • Segment de ADN cu o localizare cromozomiala cunoscuta si a carui transmitere poate fi urmarita • 2 segmente cromozomiale aflate in vecinatate se transmit impreuna: markerul poate fi utilizat pt. depistarea unei mutatii genice • Markeri molecular utilizati in genetica umana: – Restriction fragment length polymorphisms (RFLPs). – Minisatellites :VNTR markers – Microsatellite: CA/GT repeatitii – SNPs: Single nucleotide polymorphism (polimorfisme mononucleotidice)

Who cares? •Dezechilibru de linkage permite identificarea unor mutatii genice implicate in etiologia unor boli genetice. Ipoteza: Daca un marker genetic este asociat cu un anumit caracter sau afectiune atunci varianta genetica cauzala se gaseste in apropierea sa.

Stabilirea linkage-ului • Examplu: linkage intre locusul Secretor (marker) si gena distrofiei miotonice (cz. 19) • Distrofia miotonica (Dm): afectiune autosomal dominanta caracterizata prin atrofie musculara progresiva, chelie frontala (expresivitate variabila)

Se utilizeaza un marker genic pt. a stabili transmiterea unei afectiuni

In acest pedigree afectiunea se asociaza cu o alela se/Se?

se

III-1 si III-2 au genotipuri informative Heterozigot (bolnav) pt. alela markerului Se/se

Heterozigot (normal) pt alela markerului

Homozigot (normal) pt. alela recesiva a markerului Cu cat cele 2 gene sunt mai apropiate cu atat valoarea predictiva este mai buna

Dm

se

Dm

se

+

Se

+

Se

4 cM Dm +

X

se

+

se

Se

Dm

Se

4 cM

In 96% din cazuri indivizii purtatori ai alelei Se nu vor fi afectati

LOD score!

Logarithm of Odds

Formula de calcul: (Probabilitatea aparitiei unui anumit pedigree daca markerul si locusul afectiunii sunt linkate cu o fractie de recombinare de 10% intre ei LOD (θ=0.1) = log10

---------------------------------------------

Probabilitatea aparitiei aceluiasi pedigree daca markerul si locusul genei sunt nelinkate LOD > 3 (log 1000:1) → exista linkage; Pt. a obtine acest rezultatat 10 meioze semnificative sunt necesare (o singura familie)

Ce este dezechilibru de linkage ? Linkage – se refera la pozitia relativa a unor loci. Linkage-ul este cosegregarea unei afectiuni sau caracter cu o anumita regiune genomica in diferite familii (intr-o anumita familie este implicata orice alela a markerului) Asociere – proprietate a alelelor: o anumita alela a genei sau markerului este gasita in asociere cu afectiunea sau caracterul Linkage Disequilibrium (DL)– prezenta linkage-ului Si asocierii Cosegregarea unei anumite alele cu afectiunea intr-un nr. semnificativ de familii

Deci, DL este tendinta anumitor alele de pe cei 2 loci sa se gaseasca impreuna mai frecvent decat ar fi de asteptat

Linkage - versus - Asociere • Studii pe familii in care afectiunea genetica segrega

• Studii pe indivizi afectati si neafectati neinruditi

• adecvata cand exista un nr.relativ mic de gene ce confera o susceptibilitate

• Porneste de la premisa ca ca exista 1 sau un nr.foarte mic de variante genetice ce confera un risc crescut

• Aplicabila cand anumite alele ale acestor gene ofera o susceptibilitate crescuta • Nu este necesara cunoasterea defectului genetic ci doar a tipului de transmitere

• Aplicabila cand exista un nr. mai mare de gene implicate, fiecare avand un efect modest asupra fenotipului