Skip to main content
Global

17.2: מיפוי גנומים

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    205932

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מיומנויות לפיתוח

    • הגדר גנומיקה
    • תאר מפות גנטיות ופיזיות
    • תאר שיטות מיפוי גנומיות

    גנומיקה היא חקר הגנום כולו, כולל מערך הגנים השלם, רצף הנוקלאוטידים והארגון שלהם, והאינטראקציות שלהם בתוך מין ועם מינים אחרים. מיפוי הגנום הוא תהליך מציאת מיקומי הגנים בכל כרומוזום. המפות שנוצרו על ידי מיפוי הגנום דומות למפות שבהן אנו משתמשים כדי לנווט ברחובות. מפה גנטית היא המחשה המפרטת גנים ומיקומם בכרומוזום. מפות גנטיות מספקות את התמונה הגדולה (בדומה למפה של כבישים מהירים בין -מדינתיים) ומשתמשות בסמנים גנטיים (בדומה לציוני דרך). סמן גנטי הוא גן או רצף בכרומוזום המפריד (מראה קישור גנטי) עם תכונה ספציפית. גנטיקאים מוקדמים כינו את ניתוח ההצמדה הזה. מפות פיזיות מציגות את הפרטים האינטימיים של אזורים קטנים יותר בכרומוזומים (בדומה למפת דרכים מפורטת). מפה פיזית היא ייצוג של המרחק הפיזי, בנוקלאוטידים, בין גנים או סמנים גנטיים. הן מפות קישור גנטיות והן מפות פיזיות נדרשות לבניית תמונה מלאה של הגנום. מפה מלאה של הגנום מקלה על החוקרים לחקור גנים בודדים. מפות הגנום האנושי מסייעות לחוקרים במאמציהם לזהות גנים הגורמים למחלות אנושיות הקשורות למחלות כמו סרטן, מחלות לב וסיסטיק פיברוזיס. ניתן להשתמש במיפוי הגנום במגוון יישומים אחרים, כגון שימוש בחיידקים חיים לניקוי מזהמים או אפילו למניעת זיהום. מחקר הכולל מיפוי גנום צמחי עשוי להוביל לייצור יבול גבוה יותר או לפיתוח צמחים שמסתגלים טוב יותר לשינויי האקלים.

    מפות גנטיות

    חקר המפות הגנטיות מתחיל בניתוח הצמדה, הליך המנתח את תדירות הרקומבינציה בין גנים כדי לקבוע אם הם מקושרים או מראים מבחר עצמאי. המונח הצמדה שימש לפני גילוי ה- DNA. גנטיקאים מוקדמים הסתמכו על התבוננות בשינויים פנוטיפיים כדי להבין את הגנוטיפ של אורגניזם. זמן קצר לאחר שגרגור מנדל (אבי הגנטיקה המודרנית) הציע שתכונות נקבעות על ידי מה שמכונה כיום גנים, חוקרים אחרים הבחינו שתכונות שונות עוברות בירושה לעתים קרובות יחד, ובכך הסיקו שהגנים מקושרים פיזית על ידי מיקומם על אותו כרומוזום. מיפוי הגנים ביחס זה לזה בהתבסס על ניתוח הצמדה הוביל לפיתוח המפות הגנטיות הראשונות.

    תצפיות לפיהן תכונות מסוימות תמיד היו קשורות ואחרות מסוימות לא היו קשורות הגיעו מלימוד צאצאי הצלבות בין הורים בעלי תכונות שונות. לדוגמה, בניסויים שבוצעו על אפונת הגן, התגלה כי צבע הפרח וצורת האבקה של הצמח היו תכונות מקושרות, ולכן הגנים המקודדים לתכונות אלו היו בסמיכות על אותו כרומוזום. חילופי ה- DNA בין זוגות כרומוזומים הומולוגיים נקראים רקומבינציה גנטית, המתרחשת על ידי מעבר של DNA בין גדילים הומולוגיים של DNA, כגון כרומטידות שאינן אחיות. ניתוח קישור כולל לימוד תדירות הרקומבינציה בין שני גנים כלשהם. ככל שהמרחק בין שני גנים גדול יותר, כך הסיכוי שיתרחש ביניהם אירוע רקומבינציה גבוה יותר, ותדירות הרקומבינציה ביניהם גבוהה יותר. שתי אפשרויות לשילוב מחדש בין שתי כרומטידות שאינן אחיות במהלך המיוזה מוצגות באיור. \(\PageIndex{1}\) אם תדירות הרקומבינציה בין שני גנים נמוכה מ-50 אחוז, אומרים שהם מקושרים.

    לזוג כרומוזומים הומולוגיים יש שלושה גנים, הנקראים A, B ו- C. ג'ין A ממוקם בסמוך לחלק העליון של הכרומוזום, והגנים B ו- C ממוקמים קרוב זה לזה קרוב לתחתית. לכל כרומוזום יש אללים שונים A, B ו-C. האללים עשויים להתחבר מחדש אם מתרחש הצלבה ביניהם, כך שחומר גנטי מכרומוזום אחד מוחלף באחר. הגנים A ו- B רחוקים זה מזה בכרומוזום כך שאירוע הצלבה המתרחש כמעט בכל מקום בכרומוזום יביא לשילוב מחדש של אללים לגנים אלה. הגנים B ו- C קרובים הרבה יותר זה לזה, כך שרק הצלבות המתרחשות באזור צר מאוד יגרמו לשילוב מחדש של גנים אלה.
    איור\(\PageIndex{1}\): הצלבה עשויה להתרחש במקומות שונים בכרומוזום. רקומבינציה בין גנים A ו-B שכיחה יותר מאשר רקומבינציה בין גנים B ו-C מכיוון שהגנים A ו-B רחוקים יותר זה מזה; לכן סביר יותר להתרחש הצלבה ביניהם.

    יצירת המפות הגנטיות דורשת סמנים, כשם שמפת דרכים דורשת ציוני דרך (כגון נהרות והרים). מפות גנטיות מוקדמות התבססו על שימוש בגנים ידועים כסמנים. סמנים מתוחכמים יותר, כולל אלה המבוססים על DNA שאינו מקודד, משמשים כעת להשוואת הגנום של פרטים באוכלוסייה. למרות שפרטים ממין נתון דומים גנטית, הם אינם זהים; לכל אדם יש קבוצה ייחודית של תכונות. הבדלים קלים אלה בגנום בין פרטים באוכלוסייה שימושיים למטרות מיפוי גנטי. באופן כללי, סמן גנטי טוב הוא אזור בכרומוזום המראה שונות או פולימורפיזם (צורות מרובות) באוכלוסייה.

    כמה סמנים גנטיים המשמשים ליצירת מפות גנטיות הם פולימורפיזם באורך שברי הגבלה (RFLP), מספר משתנה של חזרות טנדם (VNTR), פולימורפיזם מיקרו-לוויינים ופולימורפיזם נוקלאוטיד יחיד (SNPs). RFLPs (לפעמים מבוטאים "שפתיים") מזוהים כאשר ה-DNA של אדם נחתך עם אנדונוקלאז הגבלה שמזהה רצפים ספציפיים ב-DNA ליצירת סדרה של שברי DNA, אשר מנותחים לאחר מכן על ידי אלקטרופורזה של ג'ל. ה-DNA של כל אדם יוליד דפוס ייחודי של רצועות כאשר הוא נחתך עם קבוצה מסוימת של אנדונוקלאזות הגבלה; זה מכונה לפעמים "טביעת אצבע" של DNA של הפרט. אזורים מסוימים בכרומוזום הכפופים לפולימורפיזם יובילו ליצירת דפוס הפסים הייחודי. VNTRs הם קבוצות חוזרות ונשנות של נוקלאוטידים הקיימים באזורים הלא מקודדים של ה- DNA. ל- DNA שאינו מקודד, או "זבל", אין תפקיד ביולוגי ידוע; עם זאת, מחקרים מראים שחלק גדול מה- DNA הזה למעשה מתועתק. למרות שתפקודו אינו בטוח, הוא בהחלט פעיל, והוא עשוי להיות מעורב בוויסות הגנים המקודדים. מספר החזרות עשוי להשתנות באורגניזמים בודדים של אוכלוסייה. פולימורפיזמים מיקרו-סאטליים דומים ל- VNTR, אך היחידה החוזרת קטנה מאוד. SNPs הם וריאציות בנוקלאוטיד בודד.

    מכיוון שמפות גנטיות מסתמכות לחלוטין על התהליך הטבעי של רקומבינציה, המיפוי מושפע מעלייה או ירידה טבעית ברמת הרקומבינציה בכל אזור נתון בגנום. חלקים מסוימים בגנום הם נקודות חמות של רקומבינציה, בעוד שאחרים אינם מראים נטייה לרקומבינציה. מסיבה זו, חשוב לבחון מידע מיפוי שפותח על ידי מספר שיטות.

    מפות פיזיות

    מפה פיזית מספקת פירוט של המרחק הפיזי בפועל בין סמנים גנטיים, כמו גם את מספר הנוקלאוטידים. ישנן שלוש שיטות המשמשות ליצירת מפה פיזית: מיפוי ציטוגנטי, מיפוי היברידי קרינה ומיפוי רצפים. מיפוי ציטוגנטי משתמש במידע המתקבל על ידי ניתוח מיקרוסקופי של חלקים מוכתמים בכרומוזום. ניתן לקבוע את המרחק המשוער בין סמנים גנטיים באמצעות מיפוי ציטוגנטי, אך לא את המרחק המדויק (מספר זוגות הבסיס). מיפוי היברידי של קרינה משתמש בקרינה, כגון צילומי רנטגן, כדי לפרק את ה- DNA לשברים. ניתן להתאים את כמות הקרינה ליצירת שברים קטנים יותר או גדולים יותר. טכניקה זו מתגברת על המגבלה של מיפוי גנטי ואינה מושפעת מתדירות רקומבינציה מוגברת או מופחתת. מיפוי רצפים נבע מטכנולוגיית רצף DNA שאפשרה יצירת מפות פיזיות מפורטות עם מרחקים שנמדדו במונחים של מספר זוגות הבסיס. יצירת ספריות גנומיות וספריות DNA משלימות (cDNA) (אוספים של רצפים משובטים או כל ה- DNA מגנום) האיצה את תהליך המיפוי הפיזי. אתר גנטי המשמש ליצירת מפה פיזית עם טכנולוגיית רצף (אתר מתויג ברצף, או STS) הוא רצף ייחודי בגנום עם מיקום כרומוזומלי מדויק ידוע. תג רצף מבוטא (EST) ופולימורפיזם באורך רצף יחיד (SSLP) הם STSs נפוצים. EST הוא STS קצר המזוהה עם ספריות cDNA, בעוד SSLPs מתקבלים מסמנים גנטיים ידועים ומספקים קשר בין מפות גנטיות למפות פיזיות.

    מוצגות מפות ציטוגנטיות של 22 האוטוזומים האנושיים וכרומוזומי X ו-Y. המפה מופיעה כדפוס פסים שחור, לבן ואפור הייחודי לכל כרומוזום.
    איור\(\PageIndex{2}\): מפה ציטוגנטית מציגה את המראה של כרומוזום לאחר שהוא מוכתם ונבדק במיקרוסקופ. (קרדיט: המכון הלאומי לחקר הגנום האנושי)

    שילוב מפות גנטיות ופיזיות

    מפות גנטיות מספקות את המתאר ומפות פיזיות מספקות את הפרטים. קל להבין מדוע שני סוגי טכניקות מיפוי הגנום חשובים כדי להראות את התמונה הגדולה. מידע המתקבל מכל טכניקה משמש בשילוב לחקר הגנום. מיפוי גנומי נמצא בשימוש עם אורגניזמים מודלים שונים המשמשים למחקר. מיפוי הגנום הוא עדיין תהליך מתמשך, וככל שמתפתחות טכניקות מתקדמות יותר, צפויות התקדמות רבה יותר. מיפוי הגנום דומה להשלמת פאזל מסובך באמצעות כל פיסת נתונים זמינה. מידע מיפוי שנוצר במעבדות בכל רחבי העולם מוזן למאגרי מידע מרכזיים, כגון GenBank במרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי (NCBI). נעשים מאמצים להפוך את המידע לנגיש יותר לחוקרים ולציבור הרחב. בדיוק כפי שאנו משתמשים במערכות מיקום גלובליות במקום במפות נייר כדי לנווט בכבישים, NCBI יצרה כלי לצפייה בגנום כדי לפשט את תהליך כריית הנתונים.

    חיבור שיטה מדעית: כיצד להשתמש במציג מפות גנום

    הצהרת בעיה: האם הגנום האנושי, המקוק והעכבר מכיל רצפי DNA נפוצים?

    לפתח השערה.

    לבדיקת ההשערה לחץ כאן.

    בתיבת החיפוש בחלונית השמאלית, הקלד כל שם גן או מאפיין פנוטיפי, כגון פיגמנטציה של קשתית העין (צבע עיניים). בחר את המין שברצונך ללמוד ולאחר מכן הקש Enter. מציג מפת הגנום יציין איזה כרומוזום מקודד את הגן בחיפוש שלך. לחץ על כל להיט במציג הגנום למידע מפורט יותר. חיפוש מסוג זה הוא השימוש הבסיסי ביותר במציג הגנום; ניתן להשתמש בו גם להשוואת רצפים בין מינים, כמו גם משימות מסובכות רבות אחרות.

    האם ההשערה נכונה? למה או למה לא?

    קישור ללמידה

    ירושה מנדלית מקוונת באדם (OMIM) היא קטלוג מקוון לחיפוש של גנים אנושיים והפרעות גנטיות. אתר זה מציג מידע על מיפוי הגנום, וכן מפרט את ההיסטוריה והמחקר של כל תכונה והפרעה. לחץ על קישור זה כדי לחפש תכונות (כגון ידיים) והפרעות גנטיות (כגון סוכרת).

    סיכום

    מיפוי הגנום דומה לפתרון חידה גדולה ומסובכת עם פיסות מידע המגיעות ממעבדות בכל רחבי העולם. מפות גנטיות מספקות מתווה למיקום הגנים בתוך הגנום, והן מעריכות את המרחק בין גנים לסמנים גנטיים על בסיס תדרי רקומבינציה במהלך המיוזה. מפות פיזיות מספקות מידע מפורט על המרחק הפיזי בין הגנים. המידע המפורט ביותר זמין באמצעות מיפוי רצפים. מידע מכל מקורות המיפוי והרצף משולב לחקר גנום שלם.

    רשימת מילים

    מיפוי ציטוגנטי
    טכניקה המשתמשת במיקרוסקופ ליצירת מפה מכרומוזומים מוכתמים
    תג רצף מבוטא (EST)
    STS קצר המזוהה עם cDNA
    מפה גנטית
    מתאר הגנים ומיקומם בכרומוזום
    סמן גנטי
    גן או רצף בכרומוזום עם מיקום ידוע הקשור לתכונה ספציפית
    רקומבינציה גנטית
    חילופי DNA בין זוגות הומולוגיים של כרומוזומים
    מיפוי הגנום
    תהליך מציאת מיקום הגנים בכל כרומוזום
    ספריית cDNA
    אוסף רצפי cDNA משובטים
    ספרייה גנומית
    אוסף של DNA משובט המייצג את כל הרצפים והשברים מהגנום
    גנומיקה
    מחקר של גנומים שלמים כולל מערך הגנים השלם, רצף הנוקלאוטידים והארגון שלהם, והאינטראקציות שלהם בתוך מין ועם מינים אחרים
    ניתוח הצמדה
    הליך המנתח את רקומבינציה של גנים כדי לקבוע אם הם מקושרים
    פולימורפיזם מיקרו-סאטלי
    שונות בין פרטים ברצף ומספר החזרות של DNA מיקרו-סאטלייט
    מפה פיזית
    ייצוג המרחק הפיזי בין גנים או סמנים גנטיים
    מיפוי היברידי קרינה
    מידע המתקבל על ידי פיצול הכרומוזום בצילומי רנטגן
    פולימורפיזם באורך שברי הגבלה (RFLP)
    שונות בין פרטים באורך שברי DNA הנוצרים על ידי אנדונוקליזות הגבלה
    מיפוי רצף
    מידע מיפוי המתקבל לאחר רצף DNA
    פולימורפיזם נוקלאוטיד יחיד (SNP)
    שונות בין פרטים בנוקלאוטיד יחיד
    מספר משתנה של חזרות טנדם (VNTR)
    שונות במספר החזרות הטנדם בין פרטים באוכלוסייה