Карта генов в морганидах: как строят и читают

Карта генов в морганидах показывает взаимное расположение генов в одной хромосоме и расстояния между ними. Единица расстояния - морганида (она же сантиморган, сМ) - равна одному проценту кроссинговера между генами. Чем чаще между двумя генами происходит обмен участками при мейозе, тем дальше они друг от друга на карте. Ниже разберём, откуда берётся морганида, как из частоты рекомбинантов получить расстояние и как собрать карту из трёх и более генов. Если нужно решить конкретную задачу на построение карты, соберите условие в форме ниже и получите разбор по шагам.

Что такое морганида и сантиморган

Морганида названа в честь Томаса Ханта Моргана, чья школа в начале XX века впервые построила генетические карты дрозофилы. Одна морганида соответствует такому расстоянию между генами, при котором доля рекомбинантных гамет составляет один процент. Формально расстояние

$d = \frac{N_{\text{рек}}}{N_{\text{общ}}} \times 100\%,$

где $N_{\text{рек}}$ - число рекомбинантных потомков, а $N_{\text{общ}}$ - общее число потомков в анализирующем скрещивании. Если из 1000 особей 80 оказались рекомбинантами, расстояние равно $\frac{80}{1000}\times 100\% = 8$ морганид (8 сМ).

Термины морганида и сантиморган обозначают одно и то же. В отечественной литературе чаще пишут морганида или просто процент кроссинговера, в международной - сантиморган (cM). Сама единица условна: это не нанометры и не число нуклеотидов, а вероятностная мера, основанная на частоте обмена.

Откуда берётся расстояние: кроссинговер

Гены, лежащие в одной хромосоме, наследуются сцепленно - стремятся передаваться вместе. Сцепление нарушается кроссинговером: в профазе мейоза I гомологичные хромосомы обмениваются участками, и часть гамет получает новые сочетания аллелей. Именно эти гаметы дают рекомбинантных потомков.

Рассчитать для своей задачи

Ключевая идея Моргана: вероятность кроссинговера между двумя точками тем выше, чем дальше эти точки разнесены вдоль хромосомы. Поэтому частота рекомбинации служит мерой расстояния. Гены, лежащие вплотную, почти не разделяются кроссинговером и дают мало рекомбинантов; гены на разных концах хромосомы рекомбинируют часто. Это превращает биологическую случайность в линейку: посчитав долю рекомбинантов, мы получаем число морганид.

Как измеряют частоту рекомбинации

Чтобы измерить частоту, ставят анализирующее скрещивание - дигетерозиготу скрещивают с особью, гомозиготной по рецессивным аллелям обоих генов. У такого партнёра все гаметы несут только рецессивные аллели, поэтому фенотип потомка напрямую показывает, какую гамету дал дигетерозиготный родитель. Потомки делятся на два класса:

• родительские (некроссоверные) - сочетания аллелей такие же, как были у родителей;
• рекомбинантные (кроссоверные) - новые сочетания, возникшие из-за кроссинговера.

Родительских классов всегда больше, рекомбинантных меньше. Расстояние считают по доле рекомбинантов от общего числа. Например, при сцеплении генов окраски и формы у потомства 920 родительских и 80 рекомбинантных особей расстояние равно 8 морганид.

Сложение расстояний и линейность карты

Главное свойство, делающее карту картой, - аддитивность. Если ген B лежит между A и C, то расстояние A–C приблизительно равно сумме расстояний A–B и B–C. Это позволяет выстраивать гены в линию и определять их порядок.

Рассчитать для своей задачи

На практике прямое расстояние между крайними генами оказывается чуть меньше суммы. Причина - двойной кроссинговер: если между A и C произошло два обмена, ген B меняет положение дважды и возвращается, поэтому такая особь по краям выглядит родительской, и рекомбинация A–C недооценивается. Чем больше расстояние, тем заметнее этот эффект, поэтому морганиды надёжны на небольших дистанциях (примерно до 20–30 сМ); большие карты собирают по перекрывающимся коротким отрезкам. Эта же логика лежит в основе анализа хромосомных перестроек - он близок теме статьи о хромосомных мутациях: делециях, дупликациях, инверсиях и транслокациях.

Трёхфакторное скрещивание: определяем порядок генов

Расположение трёх генов определяют по трёхфакторному анализирующему скрещиванию. Восемь классов потомков группируются в четыре пары: родительский (самый многочисленный), два класса одиночных кроссоверов и класс двойного кроссовера (самый редкий).

Порядок генов читают по двойным кроссоверам: в редчайшем классе средний ген меняется местами относительно родительского сочетания. Сравнив родительский и двойной классы, находят, какой из трёх генов стоит посередине. Затем считают расстояния между соседями, учитывая двойные кроссоверы в каждом из них, и откладывают их на оси в морганидах.

Интерференцию (взаимное подавление близких кроссоверов) оценивают через коэффициент совпадения: отношение наблюдаемой частоты двойных кроссоверов к ожидаемой. Ожидаемую частоту получают перемножением частот одиночных кроссоверов в двух соседних интервалах, потому что при полной независимости события перекрываются по правилу умножения вероятностей. Если коэффициент меньше единицы, один кроссинговер мешает другому произойти рядом - это типичная ситуация, и тогда величину интерференции записывают как единицу минус коэффициент совпадения.

Учёт двойных кроссоверов важен и для самих расстояний: каждую двойную особь добавляют дважды при подсчёте рекомбинации в каждом из двух интервалов, иначе короткие отрезки тоже окажутся занижены. Именно поэтому аккуратно построенная трёхфакторная карта точнее, чем набор независимых двухфакторных измерений: внутренний ген служит репером, который ловит обмены, невидимые по краям.

Чем генетическая карта отличается от физической

Карта в морганидах - генетическая: её масштаб задаёт частота кроссинговера, а не длина в парах оснований. Физическая карта измеряется в нуклеотидах и строится по секвенированию. Эти карты не пропорциональны: в районах с частым кроссинговером (горячие точки) одна морганида соответствует малому числу пар оснований, а вблизи центромеры, где обмен подавлен, та же морганида растягивается на огромный участок ДНК.

Поэтому морганиды нельзя механически переводить в нанометры или число генов. Карта в морганидах отвечает на вопрос о порядке и относительной удалённости генов, а не об их физической длине. Тем не менее именно генетические карты позволили локализовать гены задолго до эры секвенирования и до сих пор используются при картировании признаков и поиске генов болезней.

Частые ошибки

• Считают рекомбинантами один класс из пары вместо обоих. В долю входят оба взаимно рекомбинантных класса.
• Путают морганиду с физическим расстоянием. Морганида - это процент кроссинговера, а не пары оснований; масштаб карт нелинеен.
• Игнорируют двойной кроссинговер на больших расстояниях и получают заниженную сумму. Карту собирают по коротким перекрывающимся отрезкам.
• Берут порядок генов наугад. Средний ген определяют именно по самому редкому классу двойных кроссоверов.
• Складывают расстояния через гены, лежащие в разных хромосомах. Аддитивность работает только внутри одной группы сцепления.

FAQ

Морганида и сантиморган - это одно и то же? Да. Обе единицы равны одному проценту кроссинговера. Сантиморган (cM) - международное обозначение, морганида - традиционное в русскоязычной литературе. Иногда вводят и морган как 100 сантиморганов, но на практике почти всегда работают именно с сантиморганами.

Может ли расстояние между генами превышать 50 морганид? Наблюдаемая частота рекомбинации не превышает 50% даже для генов на концах хромосомы или в разных хромосомах - это предел независимого наследования. Поэтому прямое измерение даёт максимум около 50 сМ, а большие генетические расстояния суммируют по цепочке промежуточных генов.

Зачем нужно анализирующее скрещивание? Скрещивание с рецессивной гомозиготой делает фенотип потомка прямым отражением гаметы дигетерозиготного родителя. Без него классы гамет нельзя надёжно подсчитать, а значит, нельзя измерить частоту рекомбинации и расстояние в морганидах.

Коротко

Карта генов в морганидах располагает гены одной хромосомы в линию по частоте кроссинговера: одна морганида (сантиморган) равна одному проценту рекомбинантных гамет. Расстояние находят из доли рекомбинантов в анализирующем скрещивании, порядок генов - из трёхфакторного скрещивания по самому редкому двойному классу, а соседние отрезки складывают, помня про двойной кроссинговер и нелинейность относительно физической длины ДНК.