Cartographie de liaison génétique : définition, techniques et applications

Introduction au lien génétique et à la carte de liaison

Les séquences d'ADN qui sont proches l'une de l'autre sur un chromosome ont tendance à être transmises ensemble pendant la phase de méiose de la reproduction sexuelle. Lorsque deux marqueurs génétiques sont physiquement proches l'un de l'autre, ils sont moins susceptibles d'être séparés sur différents chromatides lors du croisement chromosomique et sont donc considérés comme plus liés que des marqueurs éloignés. En d'autres termes, plus deux gènes sont proches sur un chromosome, moins ils sont susceptibles de se recombiner, et plus ils seront hérités ensemble. Différents marqueurs chromosomiques sont complètement non liés.

A carte de liaison génétique décrit la position des gènes ou des marqueurs génétiques connus d'une espèce ou d'une population expérimentale en termes de fréquence de recombinaison plutôt qu'une distance physique particulière le long de chaque chromosome. Une carte de liaison est un graphique qui montre à quelle fréquence les marqueurs se recombinent lors du croisement des chromosomes homologues. Plus la recombinaison (ségrégation) se produit entre deux marqueurs génétiques, plus ils sont considérés comme éloignés. À l'inverse, plus la distance physique entre les marqueurs est faible, moins la fréquence de recombinaison entre eux est élevée. Auparavant, des phénotypes distincts (production d'enzymes, couleur des yeux) dérivés de séquences d'ADN codantes étaient utilisés comme marqueurs ; finalement, des séquences d'ADN non codantes telles que microsatellites ou ceux générant des polymorphismes de longueur de fragments de restriction (RFLP) ont été utilisés.

Les chercheurs peuvent utiliser des cartes de liaison pour trouver d'autres marqueurs, tels que des gènes, en testant le lien génétique entre des marqueurs déjà identifiés. Les données sont utilisées pour assembler des groupes de liaison, qui sont des groupes de gènes connus pour être liés, dans les premières étapes du développement d'une carte de liaison. D'autres marqueurs peuvent être incorporés dans un groupe à mesure que les connaissances avancent jusqu'à ce que le groupe englobe un chromosome entier.

Fréquence de recombinaison

La fréquence de recombinaison sert de métrique pour le lien génétique, utilisée dans la création de cartes de liaison génétique. Les gènes qui ne sont pas complètement liés subissent invariablement une recombinaison en raison de l'échange de segments chromosomiques homologues pendant la méiose. Cela conduit à la génération de recombinants ou de descendants caractérisés par une nouvelle combinaison de traits. Ces recombinants constituent une certaine proportion de la descendance totale, représentée comme une valeur de recombinaison, un pourcentage de recombinaison ou une fréquence de recombinaison.

Cette mesure, exprimée en pourcentage de recombinants dans la progéniture totale, décrit la probabilité d'événements de recombinaison entre des marqueurs génétiques liés donnés. Un tel repère peut également être appelé centimorgan (cM), l'unité qui illustre une fréquence de recombinaison de 1 %.

Cette information sur la recombinaison fournit un moyen indirect, mais puissant, de quantifier la distance génétique entre deux loci. En examinant leur fréquence de recombinaison, les scientifiques peuvent tirer des conclusions sur leurs positions relatives sur le chromosome, contribuant ainsi à notre compréhension des architectures génomiques et des dynamiques évolutives.

Facteurs influençant la fréquence de recombinaison : distance et position des gènes, taux de transmission et viabilité des gamètes, variations structurelles chromosomiques, niveaux hormonaux, température et radiation, concentration ionique, facteurs externes tels que l'âge, etc.

Points clés :

• Les gènes situés soit sur des chromosomes différents, soit à des distances considérables sur le même chromosome, s'assortissent indépendamment les uns des autres et sont considérés comme non liés.
• Lorsque des gènes sont proches les uns des autres sur le même chromosome, on dit qu'ils sont liés, ce qui indique que les allèles ou variantes génétiques déjà présents sur un chromosome ont plus de chances d'être hérités ensemble en tant qu'unité.
• En utilisant les données obtenues à partir du croisement génétique pour calculer les fréquences de recombinaison, nous pouvons obtenir des informations sur la relation entre deux gènes et déterminer l'intensité de leur liaison.
• En examinant les fréquences de recombinaison de nombreux paires de gènes, nous pouvons construire une carte de liaison qui révèle l'ordre et les distances relatives des gènes sur un chromosome.

Figure 1. (a) Cartes de liaison physique et (b, c) cartes de liaison génétique. (Chao, 2015)

Différence entre une carte génétique et une carte physique

Une carte génétique d'une espèce représente les positions relatives des gènes connus et/ou des marqueurs génétiques sur le chromosome, et non leurs emplacements physiques uniques sur chaque chromosome. En utilisant des méthodes d'analyse génétique telles que des expériences d'hybridation et l'analyse de lignées familiales, les gènes ou d'autres marqueurs d'ADN sont ordonnés sur le chromosome. La distance entre les marqueurs, ou la distance de la carte génétique, est représentée par la fréquence des événements de recombinaison pendant la méiose, mesurée en centimorgans (cM), chaque unité définissant un taux d'échange de 1 %. La résolution d'une carte génétique est quelque peu grossière, atteignant approximativement un niveau d'un million de paires de bases (1 Mb).

Une carte physique, en essence, montre l'emplacement physique de marqueurs identifiables (tels que des sites de coupure d'enzymes de restriction ou des gènes) sur l'ADN. La distance sur la carte est l'unité de longueur physique, telle que la bande chromosomique ou le nombre de paires de nucléotides.

Comparaison des deux :

• Une carte génétique est basée sur les fréquences de recombinaison, tandis qu'une carte physique est basée sur des caractéristiques structurelles de l'ADN mesurées directement.
• La fréquence de la recombinaison méiotique est inégale le long de la majorité des chromosomes, avec des zones de recombinaison et/ou de mutation appelées hotspots et coldspots.
• Une carte génétique indique la distance relative entre les gènes ou les marqueurs, représentée par la valeur de recombinaison et mesurée en cM.
• Une carte physique met en évidence la distance physique entre les gènes ou les marqueurs, l'unité de distance étant une unité de longueur, telle que les micromètres (μm) ou le nombre de paires de bases (pb ou kp).

Techniques utilisées dans le cartographie des liaisons génétiques

La technologie de cartographie de liaison génétique englobe principalement deux volets : la détection et l'analyse des marqueurs génétiques, suivies de la construction et de la délimitation des cartes de liaison. En ce qui concerne la détection des marqueurs génétiques, des techniques biologiques modernes telles que la réaction en chaîne par polymérase (PCR) et les technologies de séquençage offrent des approches à haut débit et à haute résolution ; celles-ci peuvent identifier rapidement et précisément une multitude de marqueurs génétiques. En revanche, lors de la construction des corrélations de liaison, les techniques courantes incluent l'analyse de liaison génétique et l'analyse de corrélation génotype-phénotype.

Technologies basées sur Marqueurs moléculaires

Marqueurs moléculaires peuvent être classées en quatre types selon leurs caractéristiques techniques : techniques de marqueurs ADN basées sur l'hybridation moléculaire, telles que les polymorphismes de longueur de fragments de restriction (RFLP) ; techniques de marqueurs ADN basées sur la PCR, telles que les répétitions de séquences simples (SSR) ; techniques de marqueurs ADN combinant la PCR avec la coupure par enzyme de restriction, telles que les polymorphismes de longueur de fragments amplifiés (AFLP) ; et techniques de marqueurs ADN ancrées sur les polymorphismes de nucléotides uniques (SNP).

RFLP : La RFLP identifie les polymorphismes de l'ADN en clivant l'ADN avec des endonucléases de restriction et en détectant ensuite des fragments d'ADN de longueurs variées par des méthodes telles que l'électrophorèse sur gel.

AFLP : L'AFLP intègre l'utilisation d'enzymes de restriction et de la PCR pour détecter efficacement des fragments polymorphes au sein de l'ADN et est souvent utilisé dans l'analyse de liaison génétique et le cartographie génétique.

SSR ou Microsatellite Marqueurs : Les SSR se composent d'unités répétées de séquences d'ADN courtes. Leur variation de longueur est utile pour l'analyse de liaison génétique. Microsatellite Les marqueurs, en revanche, s'appuient sur des techniques d'amplification PCR et d'électrophorèse sur gel pour détecter des polymorphismes dans les régions SSR.

SNPs : Les SNPs peuvent être détectés par PCR, séquençage, etc., et sont largement utilisés dans l'analyse de liaison génétique et les études d'association à l'échelle du génome.

Technologies tirant parti du séquençage à haut débit :

Génotypage par séquençage (GBS)GBS utilise la technologie de séquençage à haut débit pour séquencer des génomes et effectuer des analyses de liaison génétique en observant les variations de séquence d'ADN chez chaque individu. Cette technique est adaptée à l'analyse des génotypes à grande échelle et à l'établissement de cartes génétiques.

Séquençage du génome entier (SGE) pour le cartographie de liaisonEn séquençant l'ensemble du génome, le séquençage du génome entier (WGS) peut localiser avec précision les emplacements chromosomiques des marqueurs génétiques, offrant une approche à haute résolution pour la cartographie des liens génétiques.

Méthodes computationnelles avancées pour les analyses de cartographie de liaison :

Logiciels et algorithmes de cartographie génétique : Cela inclut principalement des logiciels tels que JoinMap, MapMaker et des algorithmes, y compris l'analyse LOD et les méthodes du maximum de vraisemblance.

Intégration du cartographie de liaison avec les études d'association à l'échelle du génome : La combinaison du cartographie de liaison avec l'AGM peut discerner plus précisément les relations entre les gènes et les phénotypes, et identifier de nouveaux variants génétiques liés à des phénotypes spécifiques.

Applications de la cartographie de liaison génétique

Positionnement et identification des gènes et des loci de caractères quantitatifs (QTL) : En analysant les relations de liaison génétique, il est possible de déterminer les emplacements chromosomiques des gènes influençant des traits spécifiques, permettant ainsi leur positionnement et leur identification. Cela révèle des indices et des outils essentiels pour comprendre la base génétique de divers traits chez les organismes. Parmi les méthodologies de recherche classiques, on trouve le cartographie des QTL, un processus qui identifie les gènes liés aux traits cibles en fonction de la relation de liaison entre les marqueurs moléculaires et les traits cibles. La cartographie génétique est généralement utilisée pour des analyses de localisation des variations de forme entre deux parents ayant des traits très différents et des populations de descendants présentant plusieurs traits phénotypiques.

Figure 2. Cartographie des QTL dans plusieurs environnements. (Fang et al., 2020)

Sélection assistée par marqueurs : Grâce à l'analyse des marqueurs génétiques liés aux caractères cibles, les éleveurs peuvent choisir plus précisément des individus présentant les traits souhaités pour la reproduction, améliorant ainsi l'efficacité et la rapidité de la sélection. Cette technique permet aux éleveurs de prédire et de sélectionner des individus avec des traits désirables sans avoir besoin d'essais en laboratoire ou sur le terrain, offrant une stratégie efficace pour l'amélioration de la qualité et du rendement des cultures. Sur la base de la construction d'une carte de liaison génétique, un positionnement supplémentaire des gènes peut être réalisé par le biais de la sémination des marqueurs et de l'identification des phénotypes, permettant ainsi d'obtenir le gène cible. Cela établit une base solide pour le clonage ultérieur des gènes et ses applications en reproduction.

Le cartographie génétique des plantes est largement appliquée dans la recherche en génomique, l'amélioration des variétés et le positionnement des gènes. Elle offre un outil important pour comprendre la structure et les propriétés génétiques des génomes végétaux, fournissant des orientations précieuses aux chercheurs pour explorer la base génétique des traits des plantes et réaliser des croisements moléculaires. Bernard et al. ont utilisé des techniques telles que le cartographie de liaison génétique pour étudier la structure génétique des traits phénologiques et de la production latérale dans le noyer persan (Juglans regia L.). Leurs résultats ont amélioré notre compréhension de l'architecture génétique sous-jacente des traits agronomiques importants associés aux processus de floraison masculine et féminine du noyer ainsi qu'à la production latérale. Les résultats ont souligné l'importance de la date de germination comme l'un des traits les plus cruciaux pour des résultats souhaitables, suggérant que de nouveaux marqueurs pourraient aider à la sélection et au développement de variétés de noyer adaptées à des climats spécifiques.

Cartographie comparative et études évolutives : En comparant les cartes de liaison génétique de différentes espèces ou populations, leurs relations génétiques, leurs histoires évolutives et leurs structures de population peuvent être révélées. Cela aide les chercheurs à comprendre l'origine, l'évolution et les processus d'évolution adaptative des espèces, offrant des indices importants pour la protection de la biodiversité et l'exploration des mécanismes de la biologie évolutive.

Figure 3. Appel SNP et construction de cartographie génétique. (Fang et al., 2020)

Identification des variants génétiques associés aux maladies chez les humains et les organismes modèles : En analysant les cartes de liaison génétique, il est possible de déterminer la position chromosomique des variants génétiques associés aux maladies, et d'étudier leur influence sur l'apparition et le développement des maladies. Cela constitue une base importante pour le diagnostic précoce des maladies, l'évaluation des risques et le traitement, ayant des implications significatives pour la santé humaine et la prévention et le contrôle des maladies. Julier et al. ont mené une enquête sur la carte génétique du chromosome humain 22, éclaircissant la localisation du polymorphisme P1 du groupe sanguin P sur le chromosome 22 (proche du locus de l'oncogène SIS), fournissant ainsi des preuves supplémentaires.

Références :

1. Chao S, Elias E, Benscher D, et al. Cartographie génétique des loci de traits quantitatifs de dormance des graines à effet majeur sur le chromosome 2B en utilisant des lignées de substitution recombinantes dans le blé tétraploïde. Science des culturesJan 2016 ;56(1).
2. Fay D. Cartographie génétique et manipulation : Chapitre 1 - Introduction et bases. WormBook2006 févr. 17;17.
3. Jeffreys A J, Neumann R. Facteurs influençant la fréquence et la distribution de recombinaison dans un hotspot de crossover méiotique humain. Génétique moléculaire humaine, 2005, 14(15) : 2277-2287.
4. Julier C, Lathrop G M, Reghis A, et al. Une carte de liaison et physique du chromosome 22, et quelques applications au cartographie des gènes. Journal américain de génétique humaine, 1988, 42(2) : 297.
5. Bernard A, Marrano A, Donkpegan A, et al. Cartographie d'association et de liaison pour percer l'architecture génétique des traits phénologiques et de la fructification latérale chez le noyer persan (Juglans regia L.). BMC génomique, 2020, 21 : 1-25.
6. Fang Y, Zhang X, Zhang X, et al. Une carte de liaison génétique à haute densité des SLAFs et une analyse QTL de la taille et du poids des grains chez l'orge (Hordeum vulgare L.). Frontières en science des plantes, 2020, 11: 620922.