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Cartographie génétique cartes génétiques. 1- Quest-ce quune carte de liaison génétique? 2- De quoi a ton besoin pour construire une carte génétique? 3-

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1 Cartographie génétique cartes génétiques

2 1- Quest-ce quune carte de liaison génétique? 2- De quoi a ton besoin pour construire une carte génétique? 3- Pourquoi construire une carte de liaison génétique?

3 Carte génétique Représentation du génome, sur laquelle sont placés des repères ou marqueurs, dont on connaît les positions relatives (locus) sur des groupes de liaison Marqueur M1 Position: locus groupe de liaison chromosome ensemble des locus liés

4 2. Déterminer la position relative de chaque marqueur (distance génétique) 1. Couvrir les chromosomes de marqueurs

5 Chromosomes Groupes de liaisons génétiques

6 La notion de carte génétique remonte à 1913, avec les travaux de Morgan et Sturtevant. Publient la première carte génétique du chromosome X avec la position respective de 3 gènes évaluée par le pourcentage de recombinaison. La cartographie génétique est établie grâce aux cartes de liaison: plus deux gènes seront proches sur le chromosome, moins ils auront de chance d'être séparés (recombinés) au cours de la méïose. Il est possible de localiser et d'étudier des gènes présentant un intérêt physiologique ou pathologique particulier sans disposer de données de séquençage

7 Centimorgan (cM) Utilisé pour la 1ère fois par Morgan et Sturtevant en Unité de mesure de la distance sur la carte génétique. Lors de la méiose, des marqueurs situés sur un même chromosome peuvent être séparés s'il se produit un crossing-over dans la région qui les sépare. La probabilité qu'un tel évènement se produise est proportionnelle à la distance qui sépare ces marqueurs.

8 Crossing over

9 La fréquence de recombinaison reflète les distances entre marqueurs

10 Le Taux de recombinaison ( ) détermine la distance entre 2 loci. Plus la distance est grande, plus la probabilité dun crossing-over est élevée 1 cM = 1 crossing-over pour 100 méioses

11 Principes de la construction dune carte génétique 1.Création dune descendance en ségrégation 2.Caractérisation moléculaire des individus de la descendance 3.Utilisation doutils danalyse statistique et de méthodes de calculs mathématiques

12 Création dune famille en ségrégation Choix des parents : - maximiser les chances dobtenir du polymorphisme moléculaire dans la descendance Espèces autogames: lignées pures nayant aucun ancêtre commun, croisements interspécifiques (pêcher x amandier) -phénotypes contrastés qui permettent dévaluer les effets génétiques pour les locus impliqués dans lexpression des caractères dintérêt agronomique

13 Descendances utilisables en cartographie F2 : autofécondation dun hybride F1 BC (backcross ou croisement en retour) : F1 x P1 HD (haploïdes doublés): issus dandrogénèse ou de gynogénèse Bulk F3 : dérivés dindividus F2 par une autofécondation Lignées recombinantes : dérivées des individus F2 par 5 à 6 générations dautofécondation sans sélection Hybrides: F1, G1 Population issue de pollinisation libre chez les espèces allogames (arbres forestiers)

14 Le choix dun type de descendance Dépend des contraintes biologiques de lespèce HD, LR : lignées fixées, copies identiques de chaque plant peuvent être obtenues et analysées, bonne précision sur la mesure des caractères quantitatifs BC et F2 les plus utilisées, rapides à obtenir mais chaque individu est unique Pb si caractères quantitatifs affectés par le milieu Ceci nest pas un problème chez les ligneux qui peuvent se multiplier végétativement Meilleur précision avec une F2 quavec une F1 ou un BC : deux fois plus dévènements méiotiques exploitables

15 Il faut 2 x + dindividus en BC quen F2 pour obtenir la même précision sur r car il y a eu 2 méioses efficaces en F2 Ritter et al Information du taux de recombinaison (r): Degré de précision sur lestimation de r ( inverse de la variance de r) en fonction du type de ségrégation taux de recombinaison (r) Information

16 Descendance F2: une carte de lhybride F1 Descendance F1 : deux cartes; une carte pour chaque parent une carte consensus possible

17 Principes de la construction dune carte génétique 1.Création dune descendance en ségrégation 2.Caractérisation moléculaire des individus de la descendance 3.Utilisation doutils danalyse statistique et de méthodes de calculs mathématiques

18 QU'EST-CE QU'UN MARQUEUR? Caractère phénotypique facilement détectable et à déterminisme génétique simple Notion peu récente : marqueurs morphologiques,.. inconvénients : peu nombreux peuvent sexprimer tardivement

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20 Marqueurs moléculaires Marqueurs protéiques -Isoenzymes -Protéines totales... marqueurs non neutres Marqueurs ADN -RFLP -RAPD -AFLP... Avantages: très nombreux, non destructifs, nécessitent peu de matériel végétal. Indépendance du milieu, du stade de développement, marqueurs neutres...

21 polymorphe: présenter différents allèles identifiables codominants >> dominants site unique dans le génome transportables ayant une fonction coût le plus bas possible Quest-ce quun bon marqueur dans une optique de cartographie?

22 Marqueurs moléculaires RAPD RFLP MICROSATELLITES SCAR EST : CAPS, SSCP SNP

23 Létude des marqueurs Identifier les marqueurs polymorphes Tester les marqueurs sur la descendance génotypage: détermination des allèles pour chaque individus Déterminer le type de ségrégation Vérifier la distorsion des marqueurs (ségrégation mendélienne)

24 F2 H M1 : +/- M2: a1/a2 Ségrégation dans la descendance F2 M1: 3/4 [+], 1/4 [-] M2: 1/4 a1/a1, 1/2 a1/a2, 1/4 a2/a2 P1 M1: +/- ou +/+ M2 : a1 /a1 ou a1/a2 P2 M1: -/- ou +/- M2 : a2/a2 ou a1/a2 M1 dominant M2 codominant

25 F1:Double pseudo-testcross ex : marqueurs dominants P1 M1: Hétérozygote +/- M2 : Homozygote -/- Descendance F1 ségrégation 1/1 P2 M1: Homozygote -/- M2 : Hétérozygote +/- Cartographie P1 M1 Cartographie P2 M2

26 P1 M1 : a1/a2 M2 : a1/a1 Descendance F1 ségrégation 1/1 P2 M1: a3/a4 M2 :a2/a3 Cartographie P1 M1 Cartographie P2 M1 M2 Marqueurs ponts F1:Double pseudo-testcross ex : marqueurs codominants

27 Principes de la construction dune carte génétique 1.Création dune descendance en ségrégation 2.Caractérisation moléculaire des individus de la descendance 3.Utilisation doutils danalyse statistique et de méthodes de calculs mathématiques

28 1.Tester la ségrégation de chaque marqueur: hérédité mendélienne 2.Test de liaisons: identification des groupes de liaisons 3.Ordonner les marqueurs au sein des groupe de liaisons 4.Estimer la distance entre les marqueurs 5.Saturer la carte

29 Test du 2 pour vérifier la ségrégation mendélienne Hérédité mendélienne ( hérédité monogénique) : caractérise la transmission de caractères due à une mutation dans un seul gène. appliqué à chaque marqueur 1/1 : marqueurs codominants et dominant pour BC, HD 1/2/1 : marqueurs codominants dans une F2 1/3 : marqueurs dominants dans une F2 Exemple: pour un BC de N individus et un marqueur dominant nombre dindividus avec la bande, observé : O 1, attendu : E 1 =N/2 nombre dindividus sans la bande, observé : O 0, attendu : E 0 =N/2 2 = (O 1 - E 1 ) 2 E1E1 + (O 0 – E 0 ) 2 E0E0 (O 1 – O 0 ) 2 N = 2 (1ddl) = 3,84 pour un risque = 0.05

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31 Tableau des différentes ségrégations observées pour une F1

32 Distorsion de ségrégation Ségrégation non Mendélienne observées souvent dans des descendances de croisements interspécifiques origine biologique : - liaison du marqueur avec un locus dincompatibilité - gènes de létalité à létat récessif - réarrangements chromosomiques - appariements non homologues origine statistique : - échantillonnage trop faible

33 Comment savoir si deux locus sont liés? Cas de 2 locus L et M dans un croisement entre deux lignée pures: HD Parent 1: LL MM Parent 2: ll mm F1: LlMm Lignées HD Fréquences observées Locus L et M indépendants: tous les gamètes ont la même fréquence Nb de gamètes parentaux = Nb de gamètes recombinés Locus L et M liés (CO): Nb de gamètes parentaux Nb de gamètes recombinés Hypothèse à tester Gamètes produits LM lm LM lm Lm lM a b c d Gamètes parentaux Gamètes recombinés

34 Test de liaisons entre deux marqueurs Test de liaisons : test de 2 Permet dévaluer lajustement des effectifs observés aux effectifs théoriques Hypothèse à tester H0: Nb de gamètes parentaux = Nb de gamètes recombinés 2 (1ddl)= (théoriques - parentaux) 2 + (théoriques - recombinés ) 2 théoriques 2 (1ddl)= (n/2 – a - b) 2 + (n/2 – c - d ) 2 n/2

35 Intensité de la liaison? Calculer du taux de recombinaison nb. gamètes recombinés nb. gamètes totaux (en %) 0 < r< 50 r = 0 locus totalement liés r = 50 locus indépendants r = r est lié à la distance séparant les 2 locus: Plus grande est cette distance, plus grande est la probabilité de CO Il nest pas toujours possible de savoir quels sont les gamètes parentaux et les gamètes recombinés si la phase de marqueur est inconnu (coupling ou respusion). Pour la connaître il faut disposer des parents voire des grand parents En cas de liaisons: Nb de gamètes parentaux > Nb de gamètes recombinés

36 Notion de coupling et repulsion 2 locus A et B avec 2 allèles codominants 1 individus: 4 gamètes possibles A1 B1, A1 B2, A2 B1, A2 B2 2 situations possibles 4 gamètes même probabilité A et B sont sur des paires de chromosomes différents A et B sont sur la même paires de chromosomes 2 cas possibles A1 et B1 sont sur le même chromosome de la paire, on dit que A1 et B1 sont en "coupling«, ou ils sont sur des chromosomes différent : répulsion Ex: A1 et B1 sont en coupling

37 A2A2 B2B2 C2C2 Génotypes parentaux A1A1 B2B2 A2A2 B1B1 C2C2 C1C1 A1A1 B1B1 A2A2 B2B2 C2C2 C1C1 A1A1 B1B1 A2A2 B2B2 C1C1 C2C2 Méiose: appariement des bivalents et crossing-over A2A2 B1B1 C1C1 A1A1 B2B2 C2C2 Type 2 : Type 1 : A2A2 B2B2 C1C1 A1A1 B1B1 C2C2 Type 3 : Type 4 : A1A1 B1B1 C1C1 A2A2 B2B2 C2C2 Type 5 : Type 6 : Gamètes parentales et recombinantes A1A1 B1B1 C1C1 A N Type 1 +2 N Type B C r B N Type 3 +t4

38 Estimation de r par la méthode du LOD score (Morton 1955, Allard 1956) Intérêt: dans le cas de certaines populations, le calcul de r nest pas possible directement (cas des populations avec plus de 4 classes génotypiques Principe : Calcul dun rapport de vraisemblance ou LOD score (logarithm of the odds ratio) LOD score = log10 du rapport des 2 hypothèses (liaison/non liaison) LOD= log 10 (Proba liaison) (Proba indépendance) e L( r ) LOD = log e L( r0r0 ) L( ) L( 0 ) maximum de vraisemblance évaluée à r maximum de vraisemblance évaluée à r 0 = 0.5

39 LOD = 3 : Lexistence dune liaison est 1000 fois plus probable que labsence dune liaison m1, …, mt : effectifs théoriques des individus dans les classes de ségrégation 1,….,t, a1,…., at : nb dindividus observé dans ces classes Vraisemblance L= a1 log (m1) + ……. + at log (mt) Maximiser la vraisemblance: annuler la dérivée par rapport à r dL /dr = a1 [dlog (m1)/dr] + ……. + at [dlog (mt)/dr]= 0

40 Estimation du taux de recombinaison r dans le cas dun BC AABB x aabb P1 P2 AaBb F1 x aabb AaBb aabbBCaAbbaaBb Effectifs théoriques Effectifs observésabcd n (1-r)/2 nr/2 n: nb total dind. r = (b+c)/n dL /dr = a 1 [dlog (m 1 )/dr] + ……. + a t [dlog (m t )/dr]= 0 dL /dr = a [dlog ( n (1-r)/2 )/dr] + b [dlog ( nr)/2 )/dr] + c [dlog ( nr)/2 )/dr] d [dlog ( n (1-r)/2 )/dr]= 0

41 Recombinaison entre A et B mais pas entre B et C Recombinaison entre B et C mais pas entre A et B

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44 Fonctions de cartographie Les fonctions de cartographie transforment la fréquence de recombinaison r pour la transformer en distances, qui elles, sont additives d (centiMorgan, cM) Fonction de Haldane (1919) : répartition aléatoire des crossing–overs (pas dinterférence) c=1 d = -1/2 log (1-2 r) Fonction de Kosambi (1944) : tient compte des phénomènes dinterférence, C arbitrairement fixé à 2r d = 1/4 log (1+ 2 r/1-2 r) Fonction de Morgan: suppose quil ni a pas de double CO, interférence complète d=r

45 Fonction de Kosambi tient compte des phénomènes dinterférence # Fonction de Haldane pas dinterférence

46 Logiciels de cartographie LINKAGE 1 (Suiter et al. 1983) MAPMAKER (Lander et al. 1987) GMENDEL (Lui et Knapp 1990) JOINMAP (Stam 1993) CarthaGene

47 Saturation dune carte génétique Carte saturée quand : Le nombre de groupes de liaisons est égal au nombre haploïde de chromosome de lespèce Tout marqueur ajouté à la carte est lié génétiquement à lun des groupes Nb de marqueurs nécessaires (n) pour quun pourcentage P de marqueurs ne soit éloigné de plus de m cM dun autre marqueur sur un génome de taille L n = ln (1-P) / ln (1-2m/L) Beckmann et Soller 1983

48 Utilisation des cartes génétiques Identifier les régions du génome contrôlant un caractère agronomique Marqueurs liés à un caractère agronomique: sélection assistée par marqueurs (SAM) Cartographie fine: clonage positionnel de gènes Localiser des régions impliquées dans des caractères complexes : QTL Comparaison des cartes: étude de synténie Organisation des génomes (ancêtre commun) Prédiction de localisation de gènes Etablir des ponts d'ancrage pour la carte physique. Etudier certaines particularités de la méiose, variation de fréquence des recombinaisons : en fonction du sexe, de la région du génome La carte génétique de la femme est plus grande que celle de l'homme (40%): évènements de recombinaison à la méiose sont plus fréquents chez la F (régions centromériques).

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52 *EMPA *eAC_CA *CPPCT24a *CPSCT *eAC_CAG *pCT_CAT *MDH *UDP *CPPCT10a *PacD *PCC *AG *AC *FG *AG symbols 1=A 2=H 3=B 5=C 4=D data type f2 intercross Fichiers de cartographie (ex: Mapmaker) Marqueurs Individus 1

53 ************************************************************************ * Output from: Sun Oct 03 14:06: * * * MAPMAKER/EXP * * (version 3.0b) * * ************************************************************************ data from 'JFTQTL10.TXT' are loaded F2 intercross data (208 individuals, 164 loci) 'photo' is on: file is 'JF10.PHO' 3> seq all sequence #1= all 4> group 5.0 Linkage Groups at min LOD 5.00, max Distance 50.0 group1= group2= group3= group4= group5= group6= group7= Définition des groupes de liaison

54 7 > map ================================================ Map: Markers Distance 1 AG cM 2 FG cM 3 AC cM 4 AG cM 5 PCC8 3.6 cM 6 PacD cM 7 CPPCT10a 2.0 cM 8 UDP cM 9 MDH1 2.0 cM 10 pCT_CAT3 7.7 cM 11 eAC_CAG1 1.2 cM 12 CPSCT cM 13 CPPCT24a 4.7 cM 14 eAC_CA2 6.3 cM 15 EMPA cM 16 AG cM 17 CPPCT cM 18 ECUP cM 19 CPPCT10c 1.4 cM 20 BPPCT21a 0.7 cM 21 AG25c 0.7 cM 22 eAA_CAA2 1.4 cM 23 PaCITA cM 24 PC cM 25 eAC_CAT2 0.4 cM 26 eAA_CA1 0.3 cM 27 CC9 0.0 cM 28 eAC_CAG1 3.6 cM 29 AC cM 30 AC cM 31 AG cM 32 BPPCT21b 4.5 cM 33 PC7 9.3 cM 34 pms cM 35 UDP cM 36 BPPCT cM 37 M15a 1.5 cM 38 eAGA_CAT cM 38 markers log-likelihood= cent func kos centimorgan function: Kosambi 6> seq 1-38 sequence #2= 1-38 Calcul des distances entre marqueurs


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