Ligamento xenético

A ligamento xenético é a tendencia dos xenes que están situados nun mesmo cromosoma, que é maior canto máis próximos están, de herdarse xuntos durante a meiose. Os loci que están máis próximos entre si teñen menos probabilidade de quedaren separados en diferentes cromátides por causa do sobrecruzamento (recombinación) meiótico, polo que se herdarán xuntos, e dise que son xenes ligados. O ligamento xenético fai que non se cumpra a lei da distribución independente dos caracteres de Mendel. Estudando o ligamento de dous xenes pódese saber a súa posición relativa no cromosoma e elaborar un mapa de ligamento.

Ao comezo dunha meiose normal, un par de cromosomas homólogas (chamado bivalente) entremestúranse e intercambian fragmentos cromosómicos, o que se chama sobrecruzamento e produce a recombinación xenética. O par sepárase e dá lugar a dous cromosomas cunha nova combinación de xenes que é diferente da combinación orixinal herdada dos pais. Por medio deste proceso de recombinación de xenes, os organismos poden producir descendencia con novas combinacións do material xenético materno e paterno que poden contribuír a mellorar a súa supervivencia.

Este intercambio de segmentos cromosómicos chamado sobrecruzamento, que dá lugar a unha recombinación de xenes, pode causar que os alelos que antes se encontraban no mesmo cromosoma se separen e acaban en distintas células fillas. Canto máis afastados se encontren no cromosoma eses dous alelos, maior é a posibilidade de que se produza un sobrecruzamento entre eles, e maior é a posibilidade de que os alelos acaben separados en distintos cromosomas.

A distancia relativa entre dous xenes pode calcularse fixándose nas características da descendencia para dous xenes ligados, e estimando a porcentaxe da descendencia na que os dous caracteres ligados non aparecen xuntos. Canto maior é a porcentaxe de descendentes que non mostran esas características, maior é a distancia á que se atopan no cromosoma eses dous xenes. Os xenes para os que esa porcentaxe é menor do 50% considérase que están ligados.

O ligamento xenético pode tamén entenderse avaliando as relacións entre os fenotipos. Entre individuos dunha poboación experimental ou especie, algúns fenotipos ou caracteres poden aparecer de modo totalmente aleatorio ou ben cunha correlación entre eles.

Cando aparecen de forma aleatoria o fenómeno é unha distribución independente. A distribución independente ten lugar cando os xenes que afectan aos fenotipos se encontran en diferentes cromosomas ou separados por unha gran distancia no mesmo cromosoma tal que a recombinación ocorre na metade das ocasións.

Cando hai unha correlación entre os fenotipos, considérase que existe ligamento xenético entre eles. Isto é unha excepción á distribución independente, e dáse cando os xenes aparecen un preto do outro no mesmo cromosoma. Este fenómeno causa que os xenes se herden normalmente xuntos. Os xenes herdados deste modo son xenes ligados, e denomínanse "grupos de ligamento". Por exemplo, na mosca da froita, os xenes que afectan a cor dos ollos e a lonxitude das ás hérdanse xuntos porque están próximos no mesmo cromosoma.

O fenómeno do ligamento xenético descubrírono os xenetistas británicos William Bateson e Reginald Punnett pouco despois de que fosen redescubertas as leis de Mendel. A comprensión do ligamento xenético aumentou cos traballos de Thomas Hunt Morgan. A observación de Morgan de que a cantidade de recombinación entre os xenes ligados difire, levou á idea de que a frecuencia de recombinación podería indicar a distancia que separaba os xenes no cromosoma.

Alfred Sturtevant, que foi estudante de Morgan, foi o primeiro en idear os mapas xenéticos, tamén chamados mapas de ligamento. Sturtevant propuxo que canto maior é a distancia entre os xenes ligados, maior é a posibilidade de que as cromátides dos cromosomas homólogos realicen o sobrecruzamento na rexión entre os xenes. Contando o número de recombinantes é posible obter unha medida da distancia entre os xenes. Esta distancia exprésase en termos de unidades de mapa xenético (u.m.), ou centimorgans, e defínese como a distancia entre dous xenes no cal hai unha probabilidade dun 1% de recombinación na meiose. Unha frecuencia de recombinación (FR) do 1 % equivale, pois, a 1 m.u. ou 1 centimorgan. Pero esta equivalencia é só unha boa aproximación de pequenas porcentaxes; a maior porcentaxe de recombinantes non pode exceder do 50%, circunstancia que se dá cando os dous xenes están moi separados. Nesa situación, calquera sobrecruzamento orixinaría un intercambio de xenes, pero só un número impar de sobrecruzamentos (hai un 50% de posibilidades entre os sobrecruzamentos pares e impares) daría lugar a un produto meiótico recombinante. Unha interpretación estatística disto faise coa función de mapeo de Haldane,^[1][2] ou a de Kosambi,^[3] entre outras. Un mapa de ligamento créase medindo as distancias entre diversos caracteres que están presentes no mesmo cromosoma, evitando que haxa espazos baleiros significativos entre caracteres para evitar as inexactitudes que aparecen por causa da posibilidade de que haxa múltiples eventos de recombinación.

Un mapa de ligamento é un mapa xenético dunha especie ou poboación experimental que mostra a posición relativa dos seus xenes coñecidos ou marcadores xenéticos en termos de frecuencias de recombinación. Non mide distancias físicas específicas senón a posición dun xene con respecto a outros no cromosoma. Os mapas de ligamento son fundamentais para identificar a localización dos xenes que causan enfermidades xenéticas.

Un mapa xenético está baseado nas frecuencias de recombinación entre marcadores durante o sobrecruzamento entre cromosomas homólogos. Canta maior frecuencia de recombinación maior será a distancia entre dous marcadores xenéticos. Historicamente, os marcadores que se usaron inicialmente eran fenotipos detectables (produción de encimas, cor dos ollos etc.) derivados de secuencias codificantes de ADN; máis tarde, cando se confirmou e asumiu a existencia de secuencias de ADN non codificante como os microsatélites ou os polimorfismos de lonxitude de fragmentos de restrición (RFLPs) empezaron a utilizarse estes tamén.

Os mapas xenéticos axudan aos investigadores a localizar outros marcadores, como outros xenes, comprobando o ligamento xenético con outros marcadores xa coñecidos.

Un mapa xenético non é un mapa físico (como un mapa de híbridos reducidos por radiación) ou un mapa de xenes.

O método do logaritmo en base 10 das probabilidades de Newton E. Morton ou método da puntuación LOD (Logarithm Of Odds) ^[4], é unha proba estatística usada frecuentemente para as análises de ligamento en poboacións humanas, animais, e vexetais. A puntuación LOD compara a probabilidade de obter os datos observados na proba se os dous loci están ligados, coa probabilidade de que se observasen os mesmos datos simplemente por pura casualidade aleatoria. As puntacións LOD positivas indican a existencia de ligamento, e as negativas indican que o ligamento é menos probable. A análise de puntuacións LOD computerizadas é un modo simple de analizar pedigrees familiares complexos para determinar o ligamento entre os caracteres mendelianos (ou entre un carácter e un marcador, ou dous marcadores).

Para unha descrición en detalle pode verse esta publicación de Strachan e Read [1]. O método resúmese da seguinte maneira:

1. Establecer un pedigree.
2. Facer varias estimacións de frecuencia de recombinación
3. Calcular a puntuación LOD para cada estimación
4. A estimación coa puntuación LOD máis grande considérase como a mellor estimación.

A puntuación LOD calcúlase da seguinte maneira:

${\displaystyle {\begin{aligned}LOD=Z&=\log _{10}{\frac {\mbox{probabilidade de secuencia de nacemento cun valor de ligamento dado}}{\mbox{probabilidade de secuencia de nacemento sen ligamento}}}\\&=\log _{10}{\frac {(1-\theta )^{NR}\times \theta ^{R}}{0,5^{(NR+R)}}}\end{aligned}}}$

NR é o número de descendentes non recombinantes, e R é o número de descendentes recombinantes. A razón 0,5 do denominador significa que os alelos que non están ligados en absoluto (por exemplo, alelos en distintos cromosomas) teñen un 50% de posibilidades de recombinación, debido á súa distribución independente.

Theta (θ) é a fracción de recombinación, que é igual a R / (NR + R).

Por convención, unha puntuación LOD maior de 3,0 considérase evidencia de ligamento. Unha puntuación LOD de +3 indica unha probabilidade de 1000 a 1 de que o ligamento observado non ocorrese por casualidade. Unha puntuación LOD de menos de -2,0 considérase evidencia de que non hai ligamento. Aínda que é moi improbable que se obteña unha puntuación LOD de 3 nun só pedigree, as propiedades matemáticas da proba permiten combinar datos de varios pedigrees sumando as súas puntuacións LOD. É importante ter presente que este corte que se aplica tradicionalmente de LOD>+3 é arbitrario e que en certos tipos de estudos de ligamento, especialmente análises de caracteres xenéticos complexos con centos de marcadores, este criterio probablemente debería ser modificado a un punto de corte algo máis alto.

A frecuencia de recombinación é unha medida do ligamento xenético e utilízase na elaboración de mapas de ligamento. A frecuencia de recombinación (θ) é a frecuencia á cal ten lugar un só sobrecruzamento entre dous xenes durante a meiose. Un centimorgan (cM) é a unidade que representa a distancia á que se produce unha frecuencia de recombinación do 1%. Deste modo podemos medir a distancia xenética entre dous loci, baseándose na súa frecuencia de recombinación. Os dobres sobrecruzamentos non producirían recombinación e nin sequera poderiamos dicir que tivo lugar o sobrecruzamento. Se os loci que estamos analizando están moi próximos (menos de 7 cM) é moi improbable que se produza un dobre sobrecruzamento. Cando as distancias son maiores, a probabilidade dun dobre sobrecruzamento aumenta, polo que subestimaremos sistematicamente a distancia entre os loci.

Durante a meiose, os cromosomas distribúense aleatoriamente nos gametos, de modo que a segregación dos alelos dun xene é independente dos alelos doutro xene, tal como indica a lei da distribución independente dos caracteres de Mendel. Esta lei cúmprese para xenes situados en diferentes cromosomas, pero se están no mesmo cromosoma, non se cumpre sempre, xa que os xenes tenderán a herdarse xuntos.

Se os xenes A e B están en distintos cromosomas, un individuo AaBb producirá os gametos AB, Ab, aB e ab coa mesma frecuencia (25%). Se facemos o cruzamento AaBb x AaBb obteremos unha descendencia coas proporcións fenotípicas mendelianas 9:3:3:1. Pero se os xenes A e B están no mesmo cromosoma e nun dos cromosomas están os alelos AB e no homólogo os ab, os gametos que se formarán serán xeralmente AB e ab. Por causa da recombinación pode pasar nun certo número de ocasións que a recombinación teña lugar xusto entre eses dous xenes, polo que os cromosomas homólogos se intercambiarán os alelos dese xene e aparecerán nos gametos as combinacións aB e Ab, que non estaban presentes nos cromosomas orixinais herdados dos proxenitores. Estes gametos con combinacións alélicas novas denomínanse gametos recombinantes ou tipos recombinantes e só aparecerán nunha pequena proporción dos casos. A maior parte das veces o sobrecruzamento terá lugar noutras partes do cromosoma (porque este é moi grande), a zona onde están eses dous xenes non se verá afectada, e formaranse os gametos orixinais AB e ab, herdados dos proxenitores, e denominados tipos paternos. Pero, canta maior distancia haxa entre os xenes máis probable é que o sobrecruzamento teña lugar entre eles, polo que o número de tipos recombinantes aumentará.

No cruzamento do exemplo con distribución independente (cando se formaban os gametos AB, Ab, aB, ab cada un ao 25%). Pero se non hai distribución independente e os xenes están próximos no mesmo cromosoma, só se formará unha pequena proporción de gametos aB e Ab, por exemplo o 5%. Pero se están a máis distancia estes gametos aparecerían cunha frecuencia maior, e, finalmente, se están a gran distancia a frecuencia de gametos recombinantes chegará a ser do 50%, igualando aos tipos paternos, o cal coincide co obtido por distribución independente e non habería diferenza.

Como exemplo de ligamento podemos poñer o clásico experimento feito por William Bateson e Reginald Punnett. Estudaron dous xenes do chícharo de olor; o xene da cor da flor (P, púrpura e p, vermella) e o xene da forma do gran de pole (L, longo, e l, redondo). Cruzaron as liñas puras PPLL e ppll e obtiveron descendencia PpLl. Fixeron despois o cruzamento PpLl x PpLl e esperaban na descendencia as frecuencias fenotípicas mendelianas 9:3:3:1 (9 púrpura/longo : 3 púrpura/redondo : 3 vermello/longo : 1 vermello/redondo). Pero o que obtiveron foi un exceso de plantas púrpura/longo e vermello/redondo, e un defecto de plantas púrpura/redondo e vermello/longo (ver a táboa).

O seu experimento indicaba a existencia de ligamento entre os alelos P e L e entre os p e l. Comparando o número de individuos das clases fenotípicas observadas cos agardados por distribución independente e aplicando unha proba estatística do khi-cadrado podemos saber se os xenes están ligados.

A proxenie recibe dous alelos dominantes ligados nun cromosoma (denominados en acoplamento ou en cis). Porén, despois de producirse o sobrecruzamento, parte da proxenie podería recibir un cromosoma parental cun alelo dominante para un carácter (por exemplo, púrpura) ligado a un alelo recesivo do segundo carácter (por exemplo, redondo) e o mesmo para os outros alelos (por exemplo, vermello e longo), que se di que están en repulsión ou en trans.

Porén, é importante salientar que a frecuencia de recombinación tende a subestimar a distancia entre os dous xenes ligados. Isto é porque a medida que están máis afastados no cromosoma, increméntase a probabilidade de dobre sobrecruzamento ou de sobrecruzamentos múltiples pares, o que fará que se formen tipos parentais a pesar de que houbo sobrecruzamento.

Cos pedigrees moi grandes ou con datos de marcadores xenéticos moi densos, como os dunha secuenciación dun xenoma completo, é posible localizar con precisión e cuantificar as recombinacións. Con este tipo de análise xenética, asígnase un indicador de meiose a cada posición do xenoma para cada meiose do pedigree. O indicador sinala cal copia do cromosoma parental contribúe ao gameto transmitido nesa posición. Por exemplo, cando se transmite o alelo da "primeira" copia do cromosoma parental, podería asignarse a esa meiose un "0". Cando se transmite o alelo da "segunda" copia do cromosoma parental, asignaríase a esa meiose un "1". Cada un dos dous alelos do proxenitor procedían de cada un dos avós. Estes indicadores utilízanse despois para determinar os estados idénticos por descendencia (IBD) ou estados de herdanza, que á súa vez se poden usar para identificar os xenes responsables de enfermidades e fenotipos.

• Griffiths AJF, Miller JH, Suzuki DT, Lewontin RC, Gelbart WM (1993). "Chapter 5". An Introduction to Genetic Analysis (5th ed.). New York: W.H. Freeman and Company. ISBN 0-7167-2285-2. 
• Poehlman JM, Sleper DA (1995). "Chapter 3". Breeding Field Crops (4th ed.). Iowa: Iowa State Press. ISBN 0-8138-2427-3. 

• Sobrecruzamento
• Recombinación xenética
• Desequilibrio de ligamento

• Genetic Mapping
• A list of computer programs for genetic analysis including linkage analysis
• Linkage versus Linkage-Disequilibrium