Определение хромосомной локализации генов

Первым шагом на пути идентификации генов является построение генетических карт. На основе специфического рисунка окрашивания хромосом строя цитологические карты. При совмещении цитологической карты с картой генов образуется цитогенетическая карта.

Единицей измерения расстояния между генами являются сантиморган (1сМ = 1% рекомбинации). Генетические расстояния не всегда соответствуют физическому расстоянию, измеряемому в молекулах ДНК нуклеотидами или парами оснований, а также тысячами (килобазами – кб) и миллионами (мегабазами – мб) пар основание. Это происходит потому, что рекомбинация не носит случайного равномерного характера по всей длине хромосом. Есть участки, в которых кроссинговер происходит чаще, тогда как в других областях он может быть подавлен. Установлено, что при образовании сперматозоидов процесс рекомбинации идет менее интенсивно, чем при образовании яйцеклеток.

Если измерить суммарную длину генома в единицах рекомбинаций, то у женщин она составит около 3300 сМ, тогда как у мужчин только 3000 сМ. Это не означает, что у мужчин ДНК короче, а происходит за счет менее интенсивного процесса рекомбинаций в сперматогенезе по сравнению с овогенезом. Несмотря на возможные расхождения между генетическими и физиологическими расстояниями на отдельных участках хромосом, в целом можно сказать, что 1сМ соответствует 1 миллиону пар оснований (1 мб).

Первые карты генов были построены для дрозофилы. Мушка очень интенсивно и быстро размножается в лабораторных условиях. У нее большое количество хорошо различимых внешних признаков, при этом всего 4 пары хромосом, поэтому гены легко сопоставлять с хромосомами.

Затем генетические карты стали строиться для микроорганизмов. Хотя процесс построения карт генов человека долгие годы протекал очень тяжело. В середине 70-х годов (20 столетия) была известна принадлежность к аутосомам буквально нескольких генов и примерно 100 генов, находящихся в Х-хромосоме, т.к. рецессивные гены половой Х-хр у гемизиготных мальчиков.

В конце 20 столетия произошло очень много открытий не только в генетике, но и в смежных областях биологии. Первый успех картирования генома человека связан с достижениями в области клеточной биологии. Была разработана технология получения и культивирования межвидовых соматических гибридных клеток. Так, если совместно выращивать, а затем специальным образом обрабатывать клетки кожи человека и мыши, можно добиться их слияния. Такие соматические гибриды не только живут в искусственных условиях культивирования, но и размножаются. Поскольку в них слишком много хромосом, при делении некоторые хромосомы могут теряться. В 1 очередь теряются хромосомы человека, они менее устойчивые. Таким образом, создали клоны клеток, в каждом из которых содержалось по 1-ой хромосоме человека в окружении хромосом мыши. Находя у конкретного клона белки человека, можно утверждать, что гены, ответственные за производство этого белка, находятся именно в той хромосоме человека, которая присутствует в данном гибридном клоне. Так методом соматической гибридизации удалось картировать многие гены человека.

В силу того, что у человека детей в семьях мало, растут они долго и внуков приходится ждать > 20 лет, были созданы банки долго живущих клеточных культур, полученных от членов больших семей, насчитывающих в нескольких поколениях сотни родственников. С этими клетками стало возможно работать буквально как с микроорганизмами. Так удалось определить локусы генов, детерминирующих редкие наследственные заболевания.

Основной успех в построении карт генов человека пришел с внедрением молекулярных технологий. В начале 90-х годов была построена карта микросателлитных индексных маркеров, перекрывающих около 99 % всего генома. Около 80% данных последовательностей полиморфны (высоко изменчивы) по числу повторяющихся элементов в кластере. Так была определена цитогенетическая локализация более 5000 повторов, разбросанных случайным образом по всем хромосомам. Среднее расстояние между повторами составило 0,5 сМ (или около 500 тыс. нуклеотидов).

Карта микросателлитных индексных маркеров позволяет определять локализацию любого неизвестного гена, если получены клетки от членов семьи с наследственной передачей разных аллелей этого гена. В настоящее время картировано уже около 6500 генов человека и более 30000 ДНК-маркеров.

Основной вывод: основным методом построения карт генов является анализ наследования признаков в родословных.