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Pourquoi la recombinaison ne se produit-elle pas chez la drosophile mâle ?

Pourquoi la recombinaison ne se produit-elle pas chez la drosophile mâle ?


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"Les mâles ne présentent pas de recombinaison méiotique, ce qui facilite les études génétiques."

Depuis un moment je sais que ce phénomène se produit, cette citation vient de la page Wikipédia sur Drosophila melanogaster, et j'utilise fréquemment cette fonctionnalité de Drosophile dans la construction d'hémiclones pour mes propres recherches en génétique quantitative.

Mais, jusqu'à présent, je n'ai jamais demandé Pourquoi la recombinaison n'a-t-elle pas lieu ? Pourquoi cette fonctionnalité évoluerait-elle ?

De plus, pourquoi l'absence de recombinaison sexuelle est-elle limitée aux mâles, pourquoi les femelles ont-elles une recombinaison ?


C'est un fait vénérable. Exceptions dans D. melanogaster souche Y-007 ont été observées et D. ananassae a des croisements masculins constants, mais ce travail remonte aux années 1970.

Cet article de Current Biology 2002 n'est pas vraiment nouveau, mais jette un peu de lumière sur la question en question.

Chez l'homme Drosophila melanogaster, la méiose se produit en l'absence de recombinaison ou d'un complexe synaptonémique (SC) reconnaissable.

Les auteurs ont utilisé une fusion GFP-lac pour observer une série de sections de la mouche mâle en méiose avec des régions de liaison spécifiques à lac intégrées. Ils voient pour la plupart que les segments de l'ADN liés à la GFP ne sont pas associés à la division cellulaire. C'est-à-dire que les chromosomes homologues s'associent physiquement pendant la méiose (via le SC) et chez la drosophile mâle, ils ne le font pas.

Il semble, d'après des travaux plus récents, que les détails de la façon dont ces travaux sont encore en cours d'élaboration, mais plusieurs régions génétiques et facteurs ont été identifiés. Les facteurs suspectés qui contribuent à conspirer pour aligner les différents chromosomes homologues sont à l'étude. Jetez un œil à la biblio P.I.s pour en savoir plus.

Ce n'est pas mon domaine principal, mais si je comprends bien, de nombreux aspects de la méiose sont encore en cours de cartographie.

Quant à la question de comment cela a évolué et pourquoi; c'est définitivement étrange. Il semble qu'il existe un trait sélectionné selon le sexe où le SC ne se forme pas chez les hommes. Il est facile d'imaginer une mutation qui a causé aux mâles seulement de perdre la recombinaison - le processus est si complexe qu'il est difficile d'imaginer qu'un tel trait ne se présente pas.

Pourtant, il est surprenant de penser que le trait a non seulement survécu mais est devenu dominant dans Drosophile dans le monde entier. Être un trait commun à tant de Drosophile espèce, cela a dû se produire il y a plus de 10 millions d'années. Les explications des avantages de la reproduction sexuée incluent souvent la recombinaison. Même le chromosome Y humain possède un mécanisme d'auto-recombinaison qui réduit les erreurs dans les régions codantes. En tant que tel, il est difficile de croire que ce n'est pas un énorme inconvénient pour les mouches. Pourtant, si c'était une si grosse affaire, vous imagineriez que Y-007 aurait dominé et réintroduit le trait.

La seule théorie à laquelle je puisse penser pourrait être appelée « hommes paresseux » ; que les mâles ont poussé les femelles à faire une chose de plus pour la progéniture et que cela surpasse en quelque sorte le sperme des mâles en recombinaison. Beaucoup de spermatozoïdes sont immobiles; c'est un fait pour les humains, je n'ai aucune idée de ce que c'est pour les mouches qui se recombinent. Jetez également un coup d'œil à la variation de la morphologie - les spermatozoïdes sont parfois vraiment très laids et une bonne partie du processus d'accouplement vise à éliminer les défectueux. Sans recombinaison, se pourrait-il que les mâles produisent des spermatozoïdes viables à un rythme plus élevé, les aidant dans la compétition entre les spermatozoïdes, ce qui, j'en suis sûr, est le cas pour l'accouplement des mouches - les drosophiles ne sont pas non plus monogames, je suppose? Quoi qu'il en soit, ce n'est pas une idée recherchée, juste une supposition de ma part.


Au meilleur de ma connaissance, il n'y a aucune preuve solide quant à la raison. L'explication la plus raisonnable semble être qu'il a évolué comme un mécanisme grossier pour empêcher la recombinaison du chromosome sexuel masculin.

Vous pourriez alors demander pourquoi un mécanisme ciblé spécifiquement sur le chromosome sexuel (comme chez l'homme) n'a pas évolué vers lequel je suggérerais que l'évolution se poursuit fréquemment avec des solutions "assez bonnes" où les avantages de solutions apparemment meilleures sont faibles ou non. Cela implique des avantages supplémentaires et notez qu'il existe des preuves que des taux de recombinaison plus faibles sont bénéfiques chez la drosophile (réf.]).


Ce phénomène est connu sous le nom d'achiasmie, où la recombinaison est absente chez un sexe d'une espèce. La règle Haldane Huxley stipule que dans les espèces achiasmiques, le sexe sans recombinaison sera toujours le sexe hétérogamétique (XY ou ZW). C'est fondamentalement la seule règle cohérente relative à la recombinaison. Il semble y avoir des exceptions à toutes les autres théories et modèles observés. La règle Haldane Huxley soutient la théorie selon laquelle l'achiasmie a évolué pour empêcher la recombinaison non homologue entre X et Y. Cependant, il existe des espèces (la plupart des mammifères) où X et Y subissent une recombinaison, mais la recombinaison est limitée à une petite partie des chromosomes appelés la région pseudo-autosomique.


« Cartographie des chromosomes »

Des taux de recombinaison de 50 % peuvent être atteints par des gènes qui résident sur différents chromosomes simplement par assortiment indépendant.
Cependant, des gènes éloignés les uns des autres mais sur le même chromosome peuvent produire des résultats similaires (en cas de recombinaison).
Veuillez noter que puisque le croisement ne se produit pas chez les mâles drosophiles, même les gènes situés aux extrémités opposées d'un gros chromosome sont complètement liés à la production de gamètes mâles.

Recombinaison par croisement
Une fréquence de recombinaison significativement inférieure à 50 % montre que les gènes sont liés.
Une fréquence de recombinaison de 50 % signifie généralement que les gènes ne sont pas liés sur des chromosomes séparés.


Biologie Chapitre 15

I. ses quatre paires de chromosomes
II. un très grand nombre de phénotypes visibles ainsi que biochimiquement mutants
III. entretien facile et peu coûteux
IV. temps de génération court et grand nombre de descendants

I. une erreur en anaphase I
II. une erreur en anaphase II
III. une erreur de la première mitose post-fécondation
IV. une erreur d'appairage

55) Quelle proportion de leurs fils serait daltonien et de taille normale ?
A) aucun
B) la moitié
C) un sur quatre
D) trois sur quatre
E) tout
Devant
Un homme qui est un nain achondroplastique avec une vision normale épouse une femme daltonienne de taille normale. Le père de l'homme mesurait 6 pieds et les deux parents de la femme étaient de taille moyenne. Le nanisme achondroplastique est autosomique dominant et le daltonisme rouge-vert est récessif lié à l'X.

56) Ils ont une fille naine avec une vision normale des couleurs. Quelle est la probabilité qu'elle soit hétérozygote pour les deux gènes ?
A) 0%
B) 25 %
C) 50 %
D) 75 %
E) 100%
Devant

Un organisme végétal sur la planète Pandora peut avoir trois traits génétiques récessifs : des feuilles bleuâtres, dues à un allèle (a) du gène A une tige à plumes, due à un allèle (b) du gène B et des racines creuses dues à un allèle (c ) du gène C. Les trois gènes sont liés et se recombinent comme suit :

56) Ils ont une fille naine avec une vision normale des couleurs. Quelle est la probabilité qu'elle soit hétérozygote pour les deux gènes ?
A) 0%
B) 25 %
C) 50 %
D) 75 %
E) 100%
Devant

Un organisme végétal sur la planète Pandora peut avoir trois traits génétiques récessifs : des feuilles bleuâtres, dues à un allèle (a) du gène A une tige à plumes, due à un allèle (b) du gène B et des racines creuses dues à un allèle (c ) du gène C. Les trois gènes sont liés et se recombinent comme suit :

Une généticienne a effectué un test de croisement avec un organisme qui s'était avéré hétérozygote pour les trois caractères récessifs et elle a pu identifier une descendance de la distribution phénotypique suivante (+ = type sauvage) : (Voir l'image)

57) Parmi les propositions suivantes, lesquelles sont les phénotypes des parents de ce croisement ?
A) 2 et 5
B) 1 et 6
C) 4 et 8
D) 3 et 7
E) 1 et 2
Devant

Un organisme végétal sur la planète Pandora peut avoir trois traits génétiques récessifs : des feuilles bleuâtres, dues à un allèle (a) du gène A une tige à plumes, due à un allèle (b) du gène B et des racines creuses dues à un allèle (c ) du gène C. Les trois gènes sont liés et se recombinent comme suit :


Résultats clés

L'hérédité biparentale inhabituelle des mitochondries chez les moules des familles Unionidea et Mytilidae est connue depuis environ une décennie et constitue une exception intéressante à la règle par ailleurs universelle de l'hérédité maternelle pour l'ADNmt animal. Normalement, les séquences mitochondriales femelles (F) et mâles (M) diffèrent de 20 % - une quantité trop importante pour s'attendre à observer une recombinaison homologue. Heureusement, une bizarrerie du Mytile système offre une occasion unique d'observer la recombinaison de l'ADNmt en action. Parfois, les génomes F se « masculinisent », envahissant la voie de transmission M dans le sperme (voir Figure 1). Ces génomes M F peuvent maintenant diverger de la forme F ancestrale, de sorte que nous pouvons trouver dans une seule cellule des génomes mitochondriaux qui ont une différence de séquence suffisante pour permettre la détection d'une recombinaison homologue, mais pas tellement que la recombinaison serait supprimée.

Les auteurs rapportent un certain nombre de séquences du gène de la sous-unité III de la cytochrome oxydase, où il semble clair que de courts morceaux d'ADN ont été échangés entre l'ADNmt F et M F. Sur treize séquences différentes, six semblent être des recombinants entre les deux allèles les plus courants dans la population, avec des fragments recombinants dont la longueur varie de 24 bases à plus de 200.


Résultats

Une carte CO haute résolution pour D. melanogaster

En combinant les résultats de tous les croisements, nous avons détecté un total de 32 511 événements de CO qui ont été utilisés pour générer des cartes de CO haute résolution dans D. melanogaster (Figure 1). En raison de la densité élevée de marqueurs et du petit nombre d'événements de CO par chromosome et par mouche génotypée, chaque CO est soutenu par de nombreux marqueurs contigus de chaque côté et nous nous attendons à avoir détecté tous les CO. La longueur totale de la carte génétique pour D. melanogaster obtenu dans nos croisements est de 287,3 cM, correspondant étroitement aux mesures classiques (282 cM [26]). Une approximation à basse résolution de la distribution des taux de CO (c) le long des bras chromosomiques sur la base de nos données (Figure S2) retrouve la même distribution générale à grande échelle que les cartes précédentes basées sur des marqueurs visibles [11]–[13], [26], [49]–[53]. Comme prévu, c est fortement réduite près des télomères et des centromères, et nous ne détectons aucun événement de CO dans le petit quatrième (point) chromosome qui procède à une ségrégation méiotique sans chiasmata [54].

Taux de franchissement (c) basé sur les données de tous les croisements et indiqué en centimorgans (cM) par mégabase (Mb) par méiose femelle (ligne rouge). c est montré le long des chromosomes pour les fenêtres de 100 kb et un mouvement entre les fenêtres adjacentes de 50 kb. Les lignes bleues indiquent un intervalle de confiance à 90 % pour c à chaque fenêtre.

Nos cartes détaillées approfondissent l'appréciation récente de la variation intra-chromosomique des taux de CO dans Drosophile [29], [55], [56] et soulignent cette hétérogénéité à une échelle beaucoup plus fine sur l'ensemble du génome. L'hétérogénéité des taux de CO le long de chaque chromosome est significative à toutes les échelles physiques analysées, de 100 kb à 10 Mb, même après élimination des régions centromériques et télomériques avec des taux visiblement réduits (P<0.0001 dans tous les cas voir Matériels et méthodes). Tous les bras chromosomiques (à l'exception du quatrième chromosome) présentent une variation de 15 à 20 fois au sein des régions traditionnellement étiquetées comme des régions à taux de recombinaison non réduits sur la base de cartes à faible résolution. Cette hétérogénéité des taux de CO est fortement ponctué, avec une variation intense à courte distance et plusieurs fenêtres adjacentes de 100 kb différant de 15 à 20 fois (par exemple, la région 15,9 à 16,1 Mb dans le chromosome X) définissant ainsi chaud- et points froids pour le CO dans D. melanogaster. La plupart des points froids sont des régions de 100 kb intégrées dans des régions plus grandes avec une recombinaison non réduite, mais nous détectons également plusieurs régions plus grandes qui présentent des taux de CO systématiquement faibles (par exemple, une région autour de la position 15,8 Mb le long du bras chromosomique 2R) en plus du centromérique/ séquences télomériques.

Variation intraspécifique des paysages de CO

L'étude des croisements de nature D. melanogaster les souches nous ont permis de générer et de comparer huit cartes de CO après avoir contrôlé la variation associée aux facteurs qui peuvent modifier les taux de CO dans Drosophile comme l'âge, la température, le nombre d'accouplements ou la nourriture [57]–[60]. Pour augmenter la puissance statistique, nous nous sommes concentrés sur les différences entre les croisements à l'échelle de 250 kb le long des chromosomes. Les huit cartes de CO révèlent un degré élevé de variation intra-spécifique, avec des croisements particuliers ayant des régions avec des taux extrêmement élevés (>40 fois) par rapport aux régions adjacentes ou à d'autres croisements (Figure 2). Comme prévu, les croisements partageant une souche parentale ont des cartes plus similaires que les croisements ne partageant pas de souches parentales, mais l'ampleur globale de la corrélation entre ces croisements, bien que significative, est plutôt faible (Spearman's R = +0,451). Cette observation renforce le concept d'une base hautement polygénique et polymorphe pour la distribution du CO le long des chromosomes.

c (cM/Mb par méiose femelle) pour huit croisements différents (différentes couleurs) et indiqué pour les fenêtres adjacentes de 250 kb.

Pour quantifier la variation des taux de CO parmi les huit cartes de CO, nous avons estimé le rapport variance/moyenne (indice de dispersion RCO) et testé si le nombre différent d'événements de CO dans une région donnée peut être expliqué par un processus de Poisson. De plus, nous nous sommes concentrés sur la variation de la Distribution des taux de CO le long des chromosomes et nous avons donc pris en compte le nombre total d'événements pour chaque chromosome (voir Matériels et méthodes pour plus de détails). Notre étude de RCO le long des chromosomes révèle de nombreuses régions (107 ou 22 % de toutes les régions de 250 kb non chevauchantes à travers le génome) avec une variance parmi les croisements plus importante que prévu (surdispersion) et ce modèle est observé dans tous les chromosomes (Figure 3). L'ampleur de cet excès de variance est la plus élevée pour le bras chromosomique 2L alors qu'elle est notablement réduite pour le bras chromosomique 3L. Une surdispersion significative des taux de CO entre les croisements est également détectée lorsque nous étudions de plus grandes régions génomiques. À une échelle physique de 1 Mb, plus de la moitié des régions génomiques présentent un excès de variance, suggérant ainsi que les régions avec des taux de CO variables sont suffisamment fréquentes à travers le D. melanogaster génome joue un rôle détectable dans une grande partie de ces séquences plus longues.

RCO a été obtenu en comparant les taux de croisement de huit croisements (voir Matériels et méthodes pour plus de détails) et est indiqué pour les fenêtres adjacentes de 250 ko (ligne bleue). La ligne rouge en pointillé indique le P = 0,0005 seuil de confiance (équivalent à P ( = 0,05)/nombre de fenêtres dans les analyses du génome entier).

Ces résultats sont cohérents avec les premières études en Drosophile qui ont signalé une variation naturelle des taux de CO sur la base d'expériences de sélection artificielle ([61] et références y figurant). Notre étude à l'échelle du génome détaille l'emplacement génomique et l'ampleur de cette variation et décrit le premier paysage polymorphe à haute résolution des taux de CO dans D. melanogaster. Plusieurs régions génomiques ont de faibles taux dans tous les croisements, représentant ainsi des points froids monomorphes (ou à haute fréquence) pour le CO dans D. melanogaster. D'autres régions attribuées comme pics de taux de CO sur la base de cartes combinées, cependant, sont fortement influencées par des points chauds polymorphes à basse fréquence dans notre échantillon. En fait, la plupart des régions avec une variance excessive des taux de CO entre les croisements sont associées à des points chauds à basse fréquence plutôt qu'à des points froids à basse fréquence, ce qui suggère que les points chauds sont des caractéristiques transitoires (de courte durée) dans D. melanogaster populations.

Nos résultats indiquent donc que les taux de CO basés sur de multiples croisements et génotypes sont nécessaires pour obtenir une représentation représentative d'un paysage de recombinaison « d'espèces ». De plus, la faible fréquence des points chauds influencera fortement les mesures de recombinaison basées sur la moyenne arithmétique de toutes les cartes, suggérant des taux plus élevés que des mesures telles que la moyenne harmonique ou la médiane (voir la figure S3 pour une comparaison entre les valeurs de CO moyennes et médianes). Notamment, nous observons des régions génomiques avec des taux médians de CO très faibles (ou nuls), alors que la moyenne de l'échantillon suggérerait des taux moyens.

Cartes de conversion de gènes dans D. melanogaster

Nous avons détecté un total de 74 453 événements GC. Néanmoins, on s'attend à ce que les voies GC situées entre des marqueurs adjacents ne soient pas détectées. De plus, cette sous-estimation est probablement variable à travers le génome en raison des différences de SNP et de densité de marqueurs. Par conséquent, nous avons développé un algorithme de maximum de vraisemblance [62] qui a été proposé pour estimer la longueur des voies GC (LCG) pour estimer simultanément LCG et le taux d'initiation de la GC (γ), et être applicable à toute région de distribution et de densité de marqueurs arbitraires (voir Matériels et méthodes pour plus de détails).

Nos estimations à l'échelle du génome de et de la moyenne LCG sont respectivement de 1,25×10 -7 /pb/méiose féminine et 518 pb. L'étude de chaque bras chromosomique séparément (Figure 4) montre que les bras avec des signes de CO (2L, 2R, 3L, 3R et X) ont des estimations similaires de γ (1,13–1,49×10 -7 /pb/méiose féminine) et LCG (456-632 pb). Notamment, nous observons plusieurs événements GC dans le petit quatrième chromosome achiasmatique où le CO est complètement absent. Nos estimations de et LCG pour le quatrième chromosome sont 0,46x10 -7 /pb/méiose féminine et 1062 pb, respectivement.

Estimations conjointes du maximum de vraisemblance (MLE) du taux d'initiation de la conversion génique (γ) et de la longueur moyenne des voies de conversion génique (LCG) dans D. melanogaster. γ unités sont par pb et méiose femelle, et LCG en pb. Les contours rouges/jaunes représentent 95 intervalles de confiance pour γ et LCG pour chaque bras chromosomique indépendamment. Le point bleu représente la moyenne du génome pour et LCG sur la base d'un total de 74 453 événements GC observés.

Les rosé lieu dans D. melanogaster est l'un des mieux caractérisés dans les métazoaires supérieurs pour la recombinaison intragénique [63], [64]. Ces études ont montré que les événements GC sont plus fréquents que les CO, avec quatre événements GC associés sans croisement à chaque CO [63]–[65]. En termes de taux absolu, la récupération des événements de CO intragénique à rosé révèle c∼3.0×10 −8 /pb/méiose féminine [66] prédisant ainsi γ∼1.2×10 −7 /pb/méiose féminine à ce locus. Lorsque nous nous concentrons sur la région génomique de 100 kb englobant le rosé locus notre estimation de γ est de 1,17×10 −7 /pb/méiose féminine. A l'échelle du génome entier, nos données suggèrent un (1,25×10 -7 /pb/méiose féminine) et un ratio GC∶CO (∼83% des événements aboutissent à une GC) proche, quoique supérieur, des estimations à rosé. Une différence majeure entre nos résultats et ceux de la rosé locus est cependant la longueur moyenne des tracts de conversion génique, avec notre estimation moyenne de LCG (518 pb) dépassant largement l'estimation de 352 pb à rosé [62].

Une autre approche pour estimer les ratios GC∶CO est basée sur l'utilisation d'un anticorps anti--His2Av comme marqueur moléculaire pour la formation de DSB [67] et sur le suivi du nombre de foyers γ-His2Av dans des mutants défectueux pour la réparation de DSB [68]. Le nombre estimé de DSB dans D. melanogaster l'utilisation de cette méthodologie va jusqu'à 24,2 par génome [68], ce qui suggère que 76,2 % de tous les DSB sont résolus en tant que GC lorsque nous utilisons le nombre observé d'événements de CO par méiose femelle à partir de nos données. La fraction modérément plus élevée de GC observée dans notre étude pourrait s'expliquer par des différences entre les souches utilisées, sinon toutes les DSB (ou voies de réparation DSB) ne sont pas marquées par la coloration γ-His2Av [68] ou si les mutants défectueux de réparation DSB le permettaient. pour la réparation résiduelle, rendant ainsi certains DSB difficiles à détecter. Les futures recherches seront particulièrement intéressantes pour essayer de localiser expérimentalement les DSB sur le quatrième chromosome et d'autres régions génomiques où le CO est absent mais où la GC est détectée.

L'analyse de la distribution de le long des chromosomes à l'échelle de 100 kb révèle une distribution plus uniforme que celle de CO (c), sans réduction à proximité des télomères ou des centromères (Figure 5). Plus de 80 % des fenêtres de 100 ko montrent γ dans une plage de 2 fois, un pourcentage qui contraste avec la distribution du CO où seulement 26,3 % des fenêtres de 100 ko le long des chromosomes montrent c dans un intervalle de 2 fois la moyenne chromosomique. Pour tester spécifiquement si la distribution des événements CO est plus variable à travers le génome que la GC ou la combinaison des événements GC et CO (c'est-à-dire le nombre de DSB), nous avons estimé le coefficient de variation (CV) le long des chromosomes pour chacun des trois paramètres pour différentes tailles de fenêtre et bras chromosomiques. Dans tous les cas (taille de la fenêtre et bras chromosomique), le CV pour le CO est beaucoup plus élevé (plus de 2 fois) que celui pour les GC ou les DSB (CO+GC), tandis que le CV pour les DSB n'est que légèrement supérieur à celui des DSB. GC : pour les fenêtres de 100 ko, le CV moyen par bras chromosomique pour le CO, le GC et les DSB est de 0,90, 0,37 et 0,38, respectivement. Néanmoins, nous pouvons également exclure la possibilité que la distribution des événements GC ou DSB soit complètement aléatoire, avec une hétérogénéité significative le long de chaque chromosome (P<0.0001 à toutes les échelles physiques analysées, de 100 Ko à 10 Mo voir Matériels et Méthodes pour plus de détails). Sans surprise, en raison de l'excès de GC par rapport aux événements de CO, la GC est un bien meilleur prédicteur du nombre total de DSB ou d'événements de recombinaison totaux à travers le génome que les taux de CO, avec des corrélations semi-partielles de 0,96 pour GC et 0,38 pour CO pour expliquer la variance globale des DSB (sans tenir compte du quatrième chromosome).

γ (/pb/méiose féminine) basé sur tous les croisements et affiché pour les fenêtres adjacentes de 100 ko.

Absence de réparation de conversion génique biaisée favorisant les nucléotides G/C dans D. melanogaster

La résolution DSB implique la formation de séquences hétéroduplex (à la fois pour les événements CO ou GC Figure S1). Ces séquences hétéroduplex peuvent contenir des mésappariements A(T):C(G) qui sont réparés de manière aléatoire ou favorisant des nucléotides spécifiques. Chez un certain nombre d'espèces, il a été proposé que la réparation des mésappariements de conversion génique soit biaisée, favorisant les nucléotides G et C [69]–[71] et prédisant une relation positive entre les taux de recombinaison (sensu fréquence de formation d'hétéroduplex) et la teneur en G+C de l'ADN non codant [72], [73]. Dans Drosophile, il n'y a aucune preuve expérimentale directe soutenant la réparation de la conversion génique biaisée par G+C et les analyses évolutives ont fourni des résultats contradictoires lors de l'utilisation des taux de CO comme proxy pour la formation d'hétéroduplex ([73]–[75] mais voir [13], [76]) . Notez cependant que les événements GC sont plus fréquents que les événements CO dans Drosophile ainsi que dans d'autres organismes [32], [65], [77], [78] et donc les taux de GC (γ) devraient être plus pertinents que ceux de CO (c) lors de l'étude des conséquences possibles de la réparation hétéroduplex.

Nos données ne montrent aucune association de avec la composition nucléotidique G+C au niveau des séquences intergéniques (R = +0,036, P>0,20) ou des introns (R = −0.041, P>0.16). Un manque d'association équivalent est observé lorsque la composition en nucléotides G+C est comparée à c (P>0.25 pour les séquences intergéniques et les introns). Nous ne trouvons donc aucune preuve de biais de conversion génique en faveur des nucléotides G et C dans D. melanogaster basé sur la composition nucléotidique. Les causes de certains des résultats précédents qui inféraient un biais de conversion génique envers les nucléotides G et C dans Drosophile peuvent être multiples et inclure l'utilisation de cartes de CO clairsemées ainsi que l'annotation incomplète du génome. Parce que la densité des gènes dans D. melanogaster est plus élevée dans les régions à CO non réduit [13], [79], les nombreuses régions transcrites récemment annotées et les exons riches en G+C [31], [80], [81] peuvent avoir été précédemment analysés comme des séquences neutres, en particulier dans ces régions génomiques avec du CO non réduit.

Les motifs de recombinaison dans Drosophile

Pour découvrir des motifs d'ADN associés à des événements de recombinaison (CO ou GC), nous nous sommes concentrés sur 1 909 événements CO et 3 701 événements GC délimités par 500 pb ou moins (CO500 et GC500, respectivement). Notre D. melanogaster les données révèlent de nombreux motifs significativement enrichis dans les séquences entourant les événements de recombinaison (18 et 10 motifs pour CO et GC, respectivement) (Figure 6 et Figure 7). Individuellement, les motifs entourant les événements CO (MCO) sont présents dans 6,8 à 43,2 % du CO500 séquences, tandis que les motifs entourant les événements GC (MCG) sont présents dans 7,8 à 27,6% des GC500 séquences. Notez que 97,7% de tout le CO500 les séquences contiennent au moins un MCO motif et 85,0% de GC500 les séquences contiennent un ou plusieurs MCG motif (figure S4).

Nous nous sommes concentrés sur 1 909 événements de CO délimités par 500 pb ou moins (CO500 séquences). Seuls les motifs avec E-vale<1×10 -10 sont affichés et classés par valeur E. Présence indique le nombre total de motifs pour 100 CO500 séquences, y compris la présence multiple possible dans une seule séquence. Motif MCO4 contient le motif à 7 nucléotides CCTCCCT d'abord associé à la détermination des points chauds chez l'homme [87] tandis que le motif MCO16 contient une séquence 10-mer ( CCNTCGCCGC ) qui chevauche la plus longue CCNCCNTNNCCNC 13-mère associée à une activité de croisement dans les points chauds humains [86]. À des fins d'affichage, les motifs de séquence sont choisis entre direct et inverse pour maximiser la présence de nucléotides A et/ou C.

Nous nous sommes concentrés sur 3 701 événements GC délimités par 500 pb ou moins (GC500 séquences). Seuls les motifs avec une valeur E<1×10 -10 sont affichés et classés par valeur E. La présence indique le nombre total de motifs pour 100 GC500 séquences, y compris la présence multiple possible dans une seule séquence. À des fins d'affichage, les motifs de séquence sont choisis entre direct et inverse pour maximiser la présence de nucléotides A et/ou C.

Analyses précédentes dans D. pseudo-obscura ont identifié une corrélation significativement positive entre le taux de recombinaison et les répétitions simples, ainsi que les motifs CACAC [55], CCTCCCT et CCCCACCCC [29]. Une étude équivalente en D. persimilis ont trouvé une association positive du taux de CO avec le motif de séquence CCNCCNTNNCCNC connu pour être associé aux taux de recombinaison humaine [82]. Une étude plus récente a rapporté que le motif GTGGAAA était présent près des événements de CO dans D. melanogaster [83]. Notre étude confirme l'enrichissement significatif de certaines de ces séquences ( CACAC et CCTCCCT ) et en détecte de nouvelles, alors qu'il n'y a pas de support pour CCCCACCCC ou GTGGAAA en tant que motifs associés à une recombinaison accrue dans D. melanogaster.

Chez les mammifères, l'histone méthyltransférase PRDM9 cible le motif 13-mer CCNCCNTNNCCNC décrit ci-dessus via son réseau à doigts de zinc [84], [85], et ce motif est associé à une activité de croisement dans 41 % des hotspots humains [86]. Aucun des motifs détectés dans notre étude pour CO ou GC n'est ou ne contient le motif PRDM9 13-mer complet. Nous observons cependant des versions plus courtes de ce 13-mer au sein de deux motifs différents de CO (MCO4 et MCO16 dans la figure 6). Motif MCO4 contient le motif à 7 nucléotides CCTCCCT d'abord associé à la détermination des points chauds chez l'homme [87], tandis que le motif MCO16 contient une séquence 10-mer (CCNTCGCCGC) qui chevauche le motif PRDM9 plus long.

Parmi les autres motifs détectés, on retrouve un certain nombre de courtes répétitions, dont [ CA ]m, [ CAG ]m et [ CCN ]m, ainsi que des étirements poly(A) enrichis en CO500 et GC500 séquences. Nous avons exclu l'influence possible des éléments transposables non LTR et leur caractéristique 3′ UTR avec une queue poly-A comme facteur influençant notre ensemble de [A]m-des motifs enrichis, avec une analyse génomique montrant que seulement 0,8% de nos séquences longues de 500 pb utilisées pour étudier les motifs de recombinaison se chevauchent avec des non-LTR annotés. A noter que le dinucléotide CA hautement enrichi (MCO1 et MCG2) est souvent associé à des sites de début de transcription (TSS) dans Drosophile comme chez l'homme [88] et a été proposé pour stimuler la recombinaison homologue dans les cellules humaines en culture [89]. D'autres motifs détectés dans cette étude ont également été précédemment liés à la recombinaison, avec de courts étirements poly(A) associés au CO ou à la GC chez la levure [32].

Bien que tous les motifs ne soient pas partagés entre nos ensembles d'événements CO et GC, l'image générale qui ressort de cette étude décrit une hétérogénéité substantielle dans la séquence des motifs ainsi qu'un chevauchement entre les motifs pour les deux types d'événements de recombinaison. La détection d'un certain nombre (ou population) de motifs significativement enrichis dans les séquences entourant les événements CO et GC indique une différence fondamentale entre les mammifères et les Drosophile points d'accès DSB. Dans Drosophile, nos résultats suggèrent que les DSB se produisent dans des régions génomiques plus grandes avec une accessibilité élevée à la chromatine contenant (ou générées par) un grand nombre de motifs de séquence différents.

Paysages CO versus GC à travers le génome

Nous avons détecté des événements GC dans des régions génomiques où le CO est extrêmement rare ou, comme dans le cas du quatrième chromosome, complètement absent. Ce résultat fournit un support expérimental pour un certain nombre d'analyses génétiques de population qui ont détecté des événements de recombinaison et estimé un non nul dans ces régions de la D. melanogaster génome [46], [90]–[95]. Notre étude indique également que même dans les régions génomiques sans CO apparent, la recombinaison associée à la GC est probablement suffisante pour permettre des schémas évolutifs spécifiques aux gènes similaires à ceux déjà rapportés dans les régions avec CO non réduit (par exemple, l'influence de la longueur des gènes et les niveaux d'expression des gènes sur le biais d'utilisation des codons ou les taux d'évolution des protéines [12], [13], [17], [21], [96]–[99]). Sur la base de nos estimations de γ, cependant, nous pouvons également prédire que le quatrième chromosome devrait présenter des motifs associés à une liaison plus forte que d'autres régions euchromatiques avec du CO non détectable.

Notamment, les taux de GC et de CO ne sont pas indépendants. A une échelle de 100 ko, on observe une corrélation négative entre et c qui est évident lors de l'analyse de chromosomes entiers (Spearman R = −0.1246, P = 1,6×10 -5 ,) et après élimination des régions télomériques/centromériques (R = −0.1191, P = 1,2×10 -4 ) (Figure 8). A cette échelle physique le /c le rapport atteint des valeurs >100 lorsque c≤0,1 cM/Mb, cohérent avec les estimations génétiques de la population de γ/c dans les régions télomériques du chromosome X de D. melanogaster [94].

c et γ basé sur des fenêtres adjacentes de 100 ko avec des fenêtres regroupées en 6 catégories de nombre égal selon c [CO1, CO2, . CO6 indiquant des taux croissants de c] La moyenne c (cM/Mb/méiose féminine) pour les six catégories est : 0,078 (CO1), 0,727 (CO2), 1,439 (CO3), 2,294 (CO4), 3,299 (CO5) et 5,964 (CO6). Les colonnes bleues montrent les résultats lorsque des chromosomes entiers sont analysés. Les colonnes oranges montrent les résultats après suppression des régions centromériques et télomériques avec des taux de CO visiblement réduits. Il existe une relation négative significative entre c et γ en utilisant des fenêtres indépendantes (sans chevauchement) de 100 ko : Spearman's R = −0.1246 (P = 1,6×10 −5 ) pour les chromosomes entiers et R = −0.1191 (P = 1,2 x 10 -4 ) après élimination des régions télomériques/centromériques.

Plusieurs hypothèses peuvent être avancées pour expliquer les différents paysages du CO et du GC à travers le D. melanogaster génome. Des voies de réparation divergentes des DSB ont été proposées dans Drosophile comme chez la levure [100], [101], avec une voie d'annelage de brin dépendant de la synthèse (SDSA) qui n'est associée qu'aux événements GC, tandis que la résolution de la double jonction Holliday (DHJ) peut générer soit du CO soit du GC (Figure S1 ). La détection d'événements GC dans le quatrième chromosome suggère fortement l'action du SDSA, au moins pour un chromosome complètement dépourvu de CO, et indique que le SDSA peut agir sur l'ensemble du génome. L'observation que γ augmente lorsque c est faible même après avoir retiré le quatrième chromosome et les régions télomériques/centromériques (voir la figure 8) s'oppose à l'option de très grands domaines chromosomiques avec des DSB qui sont réparés par une voie différente. Cette même relation négative entre γ et c, ainsi que le chevauchement observé dans les motifs associés aux événements CO et GC (voir ci-dessus), suggère une origine partagée, et indique ainsi que la disparité des paysages pour les taux de GC et de CO à travers le D. melanogaster Le génome peut être influencé par une différence dans l'utilisation relative des voies de réparation DSB (par exemple, DHJ contre SDSA) ou par un biais variable dans la décision de réparation lorsque les intermédiaires DHJ sont résolus pour former des produits CO ou GC.

Chez la levure, la présence de mésappariements interfère avec la formation et/ou l'extension d'intermédiaires hétéroduplex au cours de la réparation mitotique et méiotique des DSB [102], et la divergence de séquence inhibe davantage les COs mitotiques que les GC [103]. Une analyse récente à l'échelle du génome des intermédiaires de recombinaison méiotique chez la levure suggère cependant que la réparation des mésappariements augmente le rapport CO∶GC [104]. En accord, les analyses au rosé lieu dans D. melanogaster montrent une légère augmentation du rapport CO∶GC en présence de polymorphismes de séquence (27 CO et 5 GC) par rapport à un cas où les polymorphismes sont pratiquement absents (23 CO et 8 événements GC) [66]. If this tendency is confirmed across the Drosophile genome and if the differences in mismatch presence across the genome are of sufficient magnitude to alter either DHJ/SDSA relative use or the resolution of DHJ into CO or GC, then genomic regions with reduced heterozygosity could favor a DSB repair favoring GC over CO events [105].

At a whole-genome level, nucleotide differentiation between parental strains (ranging between 0.005 and 0.007 for total pairwise differences per bp) shows no association with overall γ/c, c or γ (P>0.4 in all cases). To test the possible influence of mismatch presence across the genome we investigated the correlation between levels of total nucleotide polymorphism (π) and the γ/c ratio based on adjacent 100-kb regions (Figure 9 see Materials and Methods). Congruent with the hypothesis that the choice to repair DBS into either GC or CO is heterozygosity-dependent, we observe a strong negative correlation between total π and γ/c across the whole genome (R = −0.56, P<1×10 −12 ) and after removing telomeric/centromeric regions (R = −0.499, P<1×10 −12 ). We also observe a negative relationship between total π and γ [R = −0.197 (P = 8×10 −12 ) and R = −0.175 (P = 1.2×10 −8 ) across the whole genome and after removing telomeric/centromeric regions, respectively]. The negative relationship between π and γ remains significant after controlling for the influence of CO rates [semi-partial correlation r = −0.163 (P = 1.2×10 −10 ) across the whole genome and r = −0.109 (P = 9×10 −5 ) after removing telomeric/centromeric regions].

π indicates total pairwise nucleotide variation (/bp) based on 100-kb adjacent windows. π values for X-linked are adjusted to be comparable to autosomal regions. γ/c shown in log-2 scale. There is a significant negative correlation between π and γ/c (Spearman's R = −0.56, P<1×10 −12 ) also detectable after removing telomeric/centromeric regions (R = −0.499, P<1×10 −12 ).

It is also interesting to note that the observed patterns of CO and GC distribution along chromosomes can inform us about models proposed to explain chiasma interference. The “counting model” assumes that double-strand breaks occur independently, and that a fixed and organism-specific number (m) of noncrossovers (GC events) occur between neighboring crossovers [106], [107]. A later extension of the model included the possibility of a fraction of meiotic crossovers associated with a second pathway that is not subject to interference [108]. The extreme variation in the ratio of CO and GC events observed along chromosomes together with the negative relationship between CO and GC rates therefore seem to be inconsistent with the “counting model” while supporting a more dynamic one involving a variable DSB repair pathway or DHJ resolution across genomes.

Local distribution of CO and GC events

At a 100-kb scale, we have shown that CO, and to a much lesser degree GC, are not randomly distributed across chromosomes. To study the distribution of CO and GC events at a more local scale (the level of single genes) we again focused on the 5,610 CO and GC events delimited by 500 bp or less (CO500 and GC500 see above). We found that the distribution of CO and GC events is not random in terms of intergenic/genic sequences, with a significant tendency to be located within genic sequences (P<0.00001, Figure 10A see Materials and Methods for details). This excess is mostly due to GC500, with a highly significant preference for genic regions (P<0.00001) while CO500 show no preference or avoidance (P>0.40). The differential distribution of GC and CO when looking at genic and intergenic sequences is consistent with the heterozygosity-dependent GC∶CO repair of DSB proposed above, given that intergenic sequences have higher levels of heterozygosity than genic sequences. Overall, our data suggest a higher probability of DSBs within annotated transcriptional units.

Analyses based on 1,909 and 3,701 CO and GC events delimited by 500 bp or less (CO500 and GC500). (A) Frequency of recombination events (CO or GC) within genic sequences. Probability [P (Freq. Observed<Freq. Expected) based on 100,000 replicates of the observed number of recombination events distributed across the D. melanogaster reference genome taking into account differences in marker density between genic and intergenic regions. The expected frequency of a recombination event to be located within a genic sequence is 0.607 when taking into account the influence that maker density plays in detecting CO or GC events delimited by markers separated by 500 bp or less. The genomic location of genic sequences was obtained from the D. melanogaster genome annotation (release 5.3) (B) Relative position of 2,627 GC500 events along transcripts, shown in 10 intervals from 0 at the transcription start site (TSS) to 1 at the end of the transcript. The frequency of GC500 along the transcript is shown with 95% confidence intervals.

In yeast, some DSBs do not require transcriptional activity but depend on the binding of transcription factors, thus predicting an accumulation of recombination events near promoter regions. Alternatively, transcription may alter local chromatin structure, increasing the likelihood of DSB formation along the transcript unit ([109] and references therein). We therefore investigated the distribution of GC events along these sequences. We observe that the median position of GC500 is +910 from the transcription start site (TSS), close to the median midpoint of all D. melanogaster transcripts (+1,058). A split of transcripts into short (<2.5 kb) and long (>2.5 kb) shows the median GC500 position shifting significantly relative to the TSS (from +556 in short transcripts to +3588 in long transcripts Mann-Whitney test U = 51,192, P<1×10 −12 ). Moreover, the relative position of GC500 events along transcript sequences is uniform (Figure 10B), indicating that DSBs are not strongly associated with the binding of transcription factors. This latter result is also consistent with analyses of recombination at the rosy locus, where recombination is initiated throughout the gene [65]. Altogether, our results favor a model where increased chromatin accessibility contributes to the definition of DSB sites in Drosophile, probably associated with transcriptional processes. Note that the preponderance of GC over CO events in many species, and the difference in their physical location across the genome, may limit analyses trying to assess the role of chromatin accessibility on DSB formation and their genomic distribution when using only data associated with COs.


Speciation

Inversions are implicated in speciation in several ways. An intriguing pattern is that rates of chromosome evolution and speciation seem to be correlated [20], but that pattern alone does not tell us which factor causes the other, or whether both are driven by a third variable. Some workers, most famously M.J.D. White [21], have argued that fixed inversion differences between species are important for postzygotic isolation because of their underdominant fitness effects. A difficulty with this idea is that drift is unlikely to fix inversions that are strongly underdominant, while those that are more likely to spread because they are only weakly selected will produce little isolation [22]. With favorable demographic conditions (e.g., frequent colonisations and extinction) and life histories (e.g., self-fertilization or close inbreeding), however, models show that populations can fix underdominant chromosomal rearrangements that contribute appreciably to hybrid fitness loss [8].

No matter how fixed differences for inversions between populations get established, we expect them to become hotspots for accumulating positively selected differences and genes that cause incompatibility between species [23]. This is one explanation for an intriguing pattern seen in sunflowers [24] and flies [25]: loci involved in both pre- and postzygotic isolation map to inversions that distinguish closely related species.

An alternative hypothesis is that the inversions in fact became fixed because of adaptive differences that pre-existed at some of those very loci. The idea depends on local adaptation, to which we now turn.


Genetics 16: 'Introduction to Drosophila: genotypes, recombination and balancer chromosomes'

5 days in prepupa and pupa stages. Then the adult emerges from the pupal case, an event called eclosure, and they become reproductively active within 8 hours after. They can live 45-60 days under good conditions.

A few classic phenotypes are Curly wings (Cy dominant), white eyes (w), yellow body (y), Stubble (Sb), and irregular facets in the eye (If). Flies are often used for studying development, chromosome structure, neurobiology, and behavior. Morgan and Muller did the earliest famous work on Drosophile. Drosophile have polytene chromosomes in some tissues, which made the chromosomes large enough to see even with the microscopes of yesteryear. Lewis, Nüsslein-Volhard & Wieschaus won the 1995 Nobel Prize in Physiology or Medicine for studying embryonic development in Drosophile and discovering Hox genes. Anntennapedia is a gain-of-function mutation where legs, instead of antennae, grow out of the head.

Comparison to other organisms

In contrast to model organisms we’ve recently studied in this class, Drosophile come in male (♂) and female (♀) only (no hermaphrodites ⚥) and are always diploid. Here are some other comparisons:

organisme cellules neurones genome size protein-coding genes
Levure 1 0 12 Mb 6,600
C. elegans 1031 (males), 959 (hermaphrodites) 302 100 Mb 20,000
Drosophile ? 100,000 165 Mb 13,000

Drosophile have chromosomes X, Y, 2, 3 and 4. Females are X/X and males are X/Y. Chromosome 4 is small and contains hardly any genes. Like most organisms, Drosophile have the annoying property that most genes are named after their loss-of-function phenotype, i.e. the opposite of what they do. For instance, the white gene makes eyes red. However, you can’t count on this always being true. For instance, cinnabar (cn) and brown (pc) are two genes which encode cinnabar -colored and brown -colored pigments, such that a cn bw / cn bw double mutant is white.

Nomenclature

A singed (sn crooked bristles, recessive, on chrom 2), cinnabar (cn) and brown (pc) (both recessive, both on chrom 3, this combination gives white eyes), Serrate[d] wing (Ser dominant, hence Initcaps, located on chrom 4) fly would be written:

Par défaut, sn means the mutant gene, while wild-type genotypes are simply omitted. If you need to emphasize for clarity, you can write the wild-type allele as sn+ and the mutant as sn-. If you have multiple singed mutants you could write them sn 1 , sn 2 , etc. Genes known to be on the same chromosome are written in one fraction. Reference is Flybase.org

Chromosomal position and phase are represented in this fraction nomenclature, such that cn bw / + + has the cinnabar and brown mutations in cis, while cn + / + bw has them in trans.

Protein products are written in Initcaps, no italics. Flybase has full nomenclature rules.

Balancer chromosomes

A challenge of Drosophile is they cannot be readily frozen or archived - mutants have to be continuously propagated. In addition, many of the most interesting genes in Drosophile are essential for life, and have to be propagated as heterozygotes which have no phenotype. This gives you two problems: first, it leaves you blind as to whether you’re still propagating the mutation. Second, as you cross your heterozygotes to one another, you lose all the mut1/mut1 offspring, and this selection reduces the allele frequency of your mutation of interest in every generation. This is a problem in all constitutively diploid organisms, including mice. Dans Drosophile, the solution for studying mutations that are recessive lethal or recessive sterile is as follows:

  1. “Balance” the mutation with another lethal/sterile marker, so for instance all your flies are of a mut1 + / + mut2 genotype, such that only hets for both mutations can survive.
  2. Add a visible dominant marker in cis with one of the two balancing mutations: mut1 + + / + mut2 Curly
  3. To prevent recombination from short-circuiting your system, you additionally introduce multiple inversions into the trans chromosome. Cela vous donne un multiply inverted balancer chromosome which contains mut2 et Curly. A downside is that this doesn’t complètement prevent recombination - in fact, when recombination does still occur, it results in crazy copy number variations because parts of the multiply inverted chromosome will be gained or lost.

Exemple

DTS is a dominant temperature sensitive mutation that causes flies not to develop at 29°C (their preferred temperature is around 22°C but wild-type flies can go from 19°C to 29°C). DTS is recessive lethal at any temperature. CyO (“Curly O”) is a balancer chromosome which is wild-type at the DTS locus and also has a recessive lethal mutation. Implicit in the nomenclature DTS/CyO is that each chromosome is wild-type for the other chromosome’s mutation. In a cross:

DTS CyO
DTS</b> DTS/DTS DTS/CyO
CyO</b> DTS/CyO CyO/CyO

Les DTS/DTS et CyO/CyO are both recessive lethal, so you have successfully propagated only the parental genotype, DTS/CyO.

Parce que Drosophile have only three chromosomes of appreciable length, there are only three balancer chromosomes in common use.

Chromosome Name of balancer chromosome Dominant phenotype
X (First) FM7 Bar eye
2 (Second) SM5 or CyO Curly wings
3 (Tird) TM3 or TM6 Stubble bristles, Ser wings or Tb (Tubby) body

How to get mutants

Usually you mutagenize males with EMS or X-rays. Males are used because they don’t need to be virgins. Also they are more resistant to DNA damage, which means they can tolerate enough damage to get useful mutations. Note that you only care about mutations in the germline, not soma. Then you cross to females. Each F1 will have a unique heterozygous mutation inherited from the father’s germline. At the F1 stage, you can only identify viable dominant mutations. (An exception is if you mutagenize females instead of males, you can find X-linked recessive mutations in the male F1s). If your viable dominant mutation is sterile, you’re out of luck, because you can’t propagate it beyond that one male. This motivates a need for more complicated screen designs, which will be covered later this week.

À propos d'Eric Vallabh Minikel

Eric Vallabh Minikel est dans une quête permanente pour prévenir la maladie à prions. Il est un scientifique basé au Broad Institute du MIT et à Harvard.


The Scientific Importance of Drosophila Melanogaster

Drosophila melanogaster, or the fruit fly as it is more commonly called, has played an important part in science. It has aided scientists in the discovery of many different principles. Its importance continues today.

The fruit fly has been used for approximately a century in scientific research, according to the University of Michigan Museum of Zoology. It has played an especially large role in the study of genetics. Thomas H. Morgan utilized the fruit fly to prove the chromosomal theory of inheritance. This showed that chromosomes carry genetic information. The fruit fly was vital in discoveries regarding gene mapping, multiple alleles, spistatis and sex-linked inheritance. Research continued on Drosophila melanogaster by H. Sturtevant. He created genetic maps of the fruit fly.

There are various reasons why Drosophila melanogaster has been such an ideal subject for studies in genetics and biology. First, it can reproduce very easily in captivity. It is very easy to breed many different subjects for use in studies.

The fruit fly has a very short lifespan. In seven days it matures into an adult. Because of this, researchers could study many generations in a short span of time. This is especially useful for genetic research.

It is simple to care for fruit flies. It is also inexpensive. Fruit flies reproduce very quickly, with one female creating a hundred eggs every single day. It is easy to tell the difference between males and females, as well as identify virgin females. There are only four pairs of chromosomes, and this makes it very easy to study them. Meiotic recombination does not occur in males. Also, because they have been studied so extensively, their entire genome was sequenced, allowing for easy research. All of these traits make Drosophila melanogaster the ideal subject to use in scientific research.

Despite the simplicity of Drosophila melanogaster, scientists can learn a great deal about genetics and biology from it. Many of the same principles about genetics are the same for fruit flies and other animals, including humans.

Drosophila melanogaster is even used to teach children about the importance of science. The same benefits that make it a great subject for established research scientists make it easy to use for high school and college students, according to the biology department at the University of Arizona. Thus they can help teach the next generation of scientists.

Although Drosophila melanogaster are simple creatures, their contribution to science through the years has been nothing short of amazing. They continue to be studied all over the world.


Connexions artistiques

[link] In a test cross for two characteristics such as the one shown here, can the predicted frequency of recombinant offspring be 60 percent? Pourquoi ou pourquoi pas?

[link] No. The predicted frequency of recombinant offspring ranges from 0% (for linked traits) to 50% (for unlinked traits).

[link] Which of the following statements is true?

  1. Recombination of the body color and red/cinnabar eye alleles will occur more frequently than recombination of the alleles for wing length and aristae length.
  2. Recombination of the body color and aristae length alleles will occur more frequently than recombination of red/brown eye alleles and the aristae length alleles.
  3. Recombination of the gray/black body color and long/short aristae alleles will not occur.
  4. Recombination of the red/brown eye and long/short aristae alleles will occur more frequently than recombination of the alleles for wing length and body color.

Why doesn't recombination occur in male Drosophila? - La biologie

In his autobiography, Darwin mused with regret at his failure to learn more mathematics, observing that those with an understanding of the “great leading principles of mathematics” “seem to have an extra sense”. This extra sense is beautifully exemplified in a subject that was near to Darwin’s heart, namely, the origins of heredity, the study of which gave rise to modern genetics. Gregor Mendel was intrigued by the same question that has perplexed naturalists as well as parents for countless generations, namely, what are the rules governing the similarities and differences of parents and their offspring? His approach required the painstaking and meticulous act of counting frequencies of various traits such as pea shape from carefully constructed plant crosses, where he found that out of a total of 7,324 garden peas, 5,474 of them were round and 1,850 were wrinkled. The subsequent analysis of the data showed for this case a ratio of these traits in the second generation of crosses of 2.96 to 1, providing a critical clue permitting Mendel to posit the existence of the abstract particles of inheritance we now call genes.

Figure 1: Schematic of the first genetic map of the X chromosome of Drosophila redrawn with modern symbols. Sturtevant’s map included five genes on the X chromosome of Drosophila. Adapted from: http://www.nature.com/scitable/topicpage/thomas-hunt-morgan-genetic-recombination-and-gene-496. Locations updated from Green & Piergentili, PNAS 2000. Based on: Pierce, Benjamin. Genetics: A Conceptual Approach, 2nd ed. (New York: W. H. Freeman and Company), 161. From:

To cause a sea change in biological research required going beyond phenomenological observations to a situation where genetic manipulations could be more easily performed and more detailed predictions made. This came about when Morgan, head of a lab already overflowing with studies of pigeons and starfish, undertook with his students an object of study with minimal space requirements and faster generation times. So came to the scene one of the great protagonists of modern genetics, the fruit fly Drosophila Melanogaster. As Morgan’s lab transformed to what became known as the “fly room” (first at Columbia University, then at Caltech), it harbored flies with several distinct morphological properties akin to Mendel’s mottled and different colored peas. Systematic crosses of these mutant flies showed deviations from the predictions of Mendelian genetics on the relative fractions of different progeny. An inquisitive Columbia University undergraduate student in Morgan’s lab decided to analyze the frequencies of linkage, that is of pairs of co-inherited traits. During a long night that was supposed to be devoted to homework for his undergrad studies, the young Alfred Sturtevant instead made a conceptual leap that was to become textbook material and a cherished story from the history of science. He found that the tendency of the traits they studied to be inherited together such as white eyes instead of red eyes or a more yellow body color could be quantitatively explained if one assumes that the genes for these traits are ordered along a line (chromosome) and the tendency not to be inherited together is then reasonably predicted as increasing linearly with their distance. Using this logic, that night Sturtevant created the first genetic map reproduced in Figure 1.

Table 1: Recombination rates in various mammals and marsupials of similar genome sizes. Genetic map length is the sum of genetic map lengths summing in units of cM over all chromosomes in each genome. The right most column, recombination events per chromosome, is calculated by dividing the genetic map length (cM/100) by the number of chromosomes. Note how this genetic map length per chromosome is close to one over the range of organisms. (BNID 107023, adapted from Dumont BL, Payseur BA. Evolution of the genomic rate of recombination in mammals. Evolution. 62:276, 2008. Choromosme numbers are from: http://www.genomesize.com.)

The mechanism explaining the frequency with which characteristics are inherited together is that of recombination. This is an act of two chromosomes of similar composition coming together and performing a molecular crossover, thereby exchanging genetic content. Two genes on the chromosome that have a 1% chance of crossover per generation are defined to be at a distance of one centimorgan, or cM for short. In humans, the average rate of recombination is about 1cM per 1Mbp (BNID 107023), that is, for every million base pairs there is a one in a hundred chance of crossover on average per generation. The variation in the rate of recombination is shown in Table 1. It tends to scale inversely with genomic length. This interesting scaling property can be simply understood by noting that in most species there are one to two crossover events per chromosome per replication. This results in an organism-wide rule of thumb of one recombination event per chromosome as demonstrated in the right-most column of Table 1, or equivalently as 100 cM (i.e. one Morgan or one crossover) per chromosome per replication. Beyond general rules of thumb, we now also know that some locations along chromosomes are hotspots that are more labile for crossovers. Finally, human females have ≈50% higher recombination rates than males (42 versus 28 on average in one recent study, BNID 109268). So even though you tend to get more of your single base mutations from your father as discussed in the vignette on “How many chromosome replications occur per generation?”, your crossovers are mostly thanks to your mother.

Figure 2: Detection of recombination events based on sequencing of a single sperm cell. The two columns in each chromosome represent the two homologous chromosomes carried by the subject. The source of the sperm single chromosome copy can be traced to one or the other homologous chromosome based on single nucleotide polymorphisms that appear in one chromosome but not the other. Blue lines show the association of the sperm sequence to the two chromosome sets based on those single nucleotide polymorphisms. Each switch (haplotype block) indicates a recombination event. (Adapted from J. Wang, et al., Cell 150:402,2012.)

Recent breakthroughs in genotyping have made it possible to perform a single-cell analysis of recombination activity. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) are locations in the human genome where there is variation between people such that say more than 1% of the population has a nucleotide different than the majority of the population. For the human population there are on the order of 10 6 such locations on the genome. Here is how this can be used to infer the number and location of recombination events. The chromosomes of a male were separated in a microfluidic device (arbitrarily marked as left and right for each of the 22 pairs) and then each chromosome was separately analyzed for the variant of nucleotide it carries by a microarray technology. The same process was repeated for a sperm cell leading to maps such as that shown in Figure 2. At the locations where it is known that there is polymorphism in the genome it was checked if the variant in the sperm cells is the one that appears in one chromosome but not the other, and if so its location was marked as a blue stripe on the relevant chromosome. The events of recombination are clearly seen as switches of those polymorphism locations from one arm to the other. On average, 23 recombination events were found for a human sperm cell (BNID 108035). Short stretches consisting of a single SNP switching chromosome, as highlighted in chromosome 8, are cases of what has been termed gene conversion where one allele (gene copy) has performed homologous recombination that makes it replace the other copy (its heterozygous allele). Such analysis at the single-cell level, in contrast to inference at the population level or from studying progeny in a family, makes it possible to see the rates of events such as recombination and mutation in the gametes including for those gametes that will not lead to viable progeny. This is relevant as the human monthly fecundity rate, that is the chance of a menstrual cycle leading to pregnancy, is only about 25% (BNID 108080) even at the peak ages of 20-30. Aberrations in the genome content are often detected naturally early in development, within the first few weeks following conception, and lead to natural termination of the pregnancy even before the woman is aware she is pregnant.

Today recombination also serves researchers as a key tool in genetic engineering for creating designer genomes. Homologous recombination enables incorporation of a DNA sequence at a prescribed location within the genome. Its use has transformed our ability to tag genes of interest and resulted in genome-wide libraries enabling high-throughput analysis of key cellular properties ranging from localization of proteins to different cellular locations to genome-wide assessments of protein levels and variability. Though recombineering, as it is called, is incredibly powerful, unfortunately it can only be used in some organisms and not others, giving those lucky organisms a strong selective pressure in labs around the world as attractive model systems. Outstanding examples are the budding yeast and the moss physcomitrella patens. The method of homologous recombination requires a sequence of homology flanking the integrated sequence. The length of this sequence varies depending on the organism, the gene of interest and the specific technique and protocol employed. Some characteristic values are ≈30-50 bp in budding yeast (BNID 101986) whereas in mouse it is ≈3-5 kbp (BNID 101987). With the longer stretches also comes a much lower efficiency of performing the act of homologous recombination complicating the lives of molecular biologists, though modern CRISPR techniques have effected a new revolution in genome editing that may largely supersede recombineering methods.


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