Molekulārie marķieri

Jebkura organisma genoma raksturošanā pirmais solis ir ģenētiskās kartes izveidošana. Pirmās ģenētiskās kartes izveidoja Alfrēds Sturtevants un Tomass Morgans 20. gadsimta sākumā, strādājot ar Drosophila melanogaster. Ģenētiskās kartes pamatojas uz dažādu pazīmju (marķieru) saistības noteikšanu izmantojot to skaldīšanos krustojumu pēcnācējos. Agrīnie ģenētiķi kā marķierus izmantoja fenotipiskas pazīmes nosakošo gēnu kontrastējošas allēles (piemēram drozofīlu acu krāsa), kuru skaldīšanās likumsakarībām bija vienkāršāk izsekot. Šādu karšu trūkums bija nelielais pieejamo marķieru skaits, kā rezultātā attālumi starp marķeriem bija ļoti lieli. Milzīgās atstarpes starp fenotipiskajiem marķieriem aizpildīt izdevās ar molekulārajiem marķieriem. Molekulārais marķieris var būt jebkura variācija DNS molekulā, kurai var nebūt cēloniskas saistības ar pazīmi vai fenotipu. Šāds molekulārais marķieris (DNS lokuss) skaldās saskaņā ar Mendeļa likumiem un mejotiskā rekombinācija starp marķieriem ļauj veidot molekulāro marķieru kartes.

Molekulārā līmenī variācijas DNS molekulā var būt dažādas - punktveida mutācijas (angl. Single Nucleotide Polymorphism vai SNP), nelielas bāzu pāru insercijas un delēcijas (indel polimorfismi), dažādu atkārtojumu skaita polimorfismi (mikrosatelīti, VNTR, u.c.), kā arī lielāka izmēera gēnu un pat hromosomas rajonu kopiju skaita polimorfismi.

Dažādu DNS polimorfismu identifikācija ir molekulāro marķieru tehnoloģiju pamatā. Šeit pieminētas tikai nedaudzas no esošajām molekulāro marķieru tehnloloģijām, kas guvušas plašu pielietojumu augu ģenētikā.
Restrikcijas fragmentu garuma polimorfismus (angl. Restriction Fragment Length Polymorphism vai RFLP, Botstein et al. 1980) var izraisīt gan punktveida mutācijas, kas izmaina restrikcijas endonukleāzes saitu, gan indel polimorfisms. RFLP metodes pamatā ir genomiskās DNS šķelšanu ar restrikcijas endonukleāzēm un restrikcijas fragmentu garuma atšķirību noteikšana noteiktos genoma rajonos, izmantojot hibridizāciju ar specifiskām zondēm. Viena no pirmajām miežu genoma RFLP kartēm tika izveidota 1993. gadā (Kleinhofs et al. 1993) un kopš tā laika RFLP metode ir izmantota miežu genoma kartēšanā, gēnu klonēšanā un ģenētiskās daudzveidības raksturošanā.
PCR metode (Saiki et al. 1985 deva iespēju sākumā amplificēt specifisko, interesējošo DNS rajonu un tad detektēt tajā polimorfismus izmantojot restrikcijas endonukleāzes. Viena no šādām metodēm saucas Cleaved Amplified Polymorphic Sequences jeb CAPS (Konieczny and Ausubel 1993). Miežu genoma pētījumu rezultātā pēdējos gados atklātas daudzas punktveida mutācijas, kas ļāva padarīt CAPS marķeru veidošanu mērķtiecīgāku. Latvijas Universitātes augu molekulārās ģenētikas grupas rīcība ir vairāk nekā 200 miežu CAPS marķeiru, no kuriem lielākā daļa ir kartēti (Rostoks et al. 2005).
Mikrosatelītu (angl. microsatellite or Simple Sequence Repeat) polimorfismu pamatā ir nukleotīdu atkārtojumu (1 - 6 bp) skaita atšķirības, piemēram, (AG)10. Ar polimerāzes ķēdes reakciju amplificējot mikrosatelītu saturošo genoma rajonu iespējams identificēt dažādas mikrosatelīta allēles balstoties uz to garuma polimorfismu (Weber and May 1989; Litt and Luty 1989). Mikrosatelītu polimorfisms ir plaši pielietots miežu genoma kartēšanā (Ramsay et al. 2000; Varshney et al. 2007). Katram mikrosatelītu lokusam iespējamas vairākas allēles (atšķirīgs mikrosatelīta atkārtojumu skaits), kas tos padara piemērotus ģenētiskās daudzveidības pētījumiem un lauksaimniecības augu šķirņu identifikācijai.
Amplificēto fragmentu garuma polimorfismu (angl. Amplified Fragment Length Polymorphism jeb AFLP) metode apvieno genomiskās DNS šķelšanu ar restrikcijas endonukleāzēm un selektīvu amplifikāciju izmantojot PCR (Vos et al. 1995). AFLP dod iespēju vienlaicīgi detektēt daudzus polimorfus lokusus genomā, pie tam šai metodei nav nepieciešama informācija par genoma nukleotīdu secību, tādēļ tā tiek plaši pielietota ģenētiskās daudzveidības pētījumiem organismos, kuriem nav pieejamas plašas nukleotīdu secību datu bāzes. AFLP dod iespēju samērā ātri izveidot ģenētiskās kartes, kā arī sasniegt ļoti lielu marķieru lokusu blīvumu. Piemēram, nesen izveidota kartupeļu genoma ģenētiskā karte ar vairāk kā 10 000 AFLP lokusu (van Os et al. 2006).
Punktveida mutācijas (angl. Single Nucleotide Polymorphism) ir visbiežāk sastopamais genoma polimorfisma veids. Ņemot vērā nelielo varbūtību, ka mutācija atkārtoti notiks vienā un tajā pašā vietā, lielākā daļa SNP ir biallēli. SNP iespējams izmantot kā molekulāros marķierus ģenētisko karšu veidošanā, pētot to skaldīšanos pēcnācējos (Kruglyak 1997). Viens SNP lokuss nav piemērots ģenētiskās daudzveidības pētījumiem, jo tam parasti raksturīgas tikai 2 allēles, tādēļ šādiem pētījumiem izmanto nevis individuālus SNP, bet SNP haplotipus. Lai varētu veikt visa genoma kartēšanu nepieciešams genotipēt lielu daudzumu SNP. Ir izstrādātas dažādas SNP genotipēšanas metodes, kas piemērotas dažādam SNP un paraugu daudzumam. (Syvanen 2005). Īpaši perspektīva SNP genotipēšana ir asociāciju ģenētikas pētījumiem. Miežiem ir izveidota SNP genotipēšanas platforma, kas balstās uz Illumina tehnoloģiju (www.illumina.com). Šī platforma tika izmantota, lai genotipētu 1524 miežu SNP vairāk kā 90 Eiropas miežu šķirnēs, analizējot ģenētisko daudzveidību, populāciju struktūru, nelīdzsvarotās saistības bloku izmērus un potenciālo pielietojumu asociāciju ģenētikā (Rostoks et al. 2006). Tuvākajā nākotnē paredzēts genotipēt vairākus tūkstošus Eiropas (UK AGOUEB projekts) un ASV (US Barley CAP projekts) miežu šķirņu un selekcijas līniju, tai skaitā arī apmēram 100 līnijas no Latvijas.