# Genomika

**Genomika** je nauka koja izučava strukturu i organizaciju genoma, te mogućnostima njihovih vještačkih izmjena, tj. ciljanog rekomponiranja. To je područje genetike koje pročava metode rekombinantne DNK, metode analize DNK i bioinformatiku sekvenci, montažu i analizu strukture i funkcije genoma (u potpunom setu DNK unutar jedne ćelije organizma).

Uključuje napore da se utvrdi kompletna struktura DNK organizama i fine postupke genetičkog mapiranja. U praksi su i studije intragenomskih fenomena kao što su heteroza, epistaza, plejotropija gena i druge interakcije između lokusa i alela unutar genoma.

Nasuprot tome, istraživanje uloge i funkcije pojedinih gena je primarni ineteres molekularne biologije ili genetike i zajednička oblast modernih medicinskih i bioloških istraživanja. Istraživanje pojedinačnih gena ne ulazi u definiciju genomike, osim ako je cilj genetički ili platforma analize funkcionalne informacije, kako bi se rasvijetlio njihov uticaj (u prvom redu) na njegovu ulogu u genskoj mreži u cjelini genoma.

## Etimologija

Prema grčkom *gen* (γεν), *gene* (γενε) = kreirati/kreacija, rođenje, a izvedene varijante su: geneza, genealogija, generičko, genetika, genski, genomera, genotip, genus itd. Međutim, riječ "genom" (potiče iz njemačkog: genom, a prvi je upotrijebio Hans Winkler) je u upotrebi na engleskom jeziku još od 1926. godine. Naziv "genomika" je skovao Tom Roderick (genetičar koji je radio u *Jackson Laboratory* Bar Harbor, Maine), na skupu održanom 1986. u Marylandu na temu o mapiranju ljudskog genoma.

## Prva sekvenciranja

Slijedeći potvrdu Rosalind Franklin (oko 1941.) da molekula DNK ima helikoidnu strukturu i publikacije o strukturi DNK (1953.), koju su potpisali James D. Watson i Francis Crick, Fred Sanger je objavio aminokiselinsku sekvencu insulina (1955.). U narednoj epohi, sekvenciranje nukleinskih kiselina postalo je glavni cilj istraživanja u oblasti molekularne biologije. Godine 1964., Robert W. Holley i saradnici su objavili prvu sekvencu nukleinske kiseline: ribonukleotidnu sekvencu za sintezu alanina (tRNK - transfer RNK). Proširujući svoj rad, Marshall Nirenberg i Philip Leder su otkrili prirodu tripleta (genetičkog koda) i bili su u mogućnosti da odrede sekvence 54 od ukupno 64 kodona u svojim eksperimentima. Zatim su 1972. Walter Fiers i njegov tim *Laboratoriji za molekularnu biologiju* pri Univerzitetu u Ghentu, Belgija bili prvi koji su odredili sekvencu za arginin: gen za protein-omotač bakteriofaga (*Bakteriofag MS2*). Fierova grupa je proširila svoj rad na proteinskom omotaču *MS2*, odredivši kompletnu nukleotidnu sekvencu bakteriofaga *MS2-RNK* (čiji genom kodira samo četiri gena 3.569 baznih parova) i *SV40* majmunski virus 40, u 1976. i 1978..

## Razvoj tehnologije sekvenciranja

|  |  |
| --- | --- |
|  |  |
| Frederick Sanger | Walter Gilbert
 |

Pored svojih početnih radova na sekvenciranju aminokiselina insulina, Frederick Sanger i njegove kolege su odigrali ključnu ulogu u razvoju tehnika DNK sekvenciranja koja je omogućila uspostavljanje sveobuhvatnog sekvenciranja u projektima analize genoma. Godine 1975, on i Alan Coulson su objavili proceduru sekvenciranja upotrebom DNK polimeraze sa radioaktivno obilježenim nukleotidima, tzv. *plus i minus tehnika*. Ovo uključuje blisko srodne metode za stvaranje kratkih oligonukleotida sa definiranim 3' nazivima.

Ovo se moglo podijeliti elektroforezom na poliakrilamidnom gelu i vizualizirati pomoću autoradiografije. Postupak je mogao slijediti do 80 nukleotida u jednom pokušaju, što je bio veliki napredak u odnosu na ono što je bilo ranije, ali i dalje je to bilo vrlo mukotrpno. Ipak, 1977. godine, njegova grupa je bila u stanju da slijedi većinu od 5.386 nukleotida u pojedinačnom bakteriofagu φX174. To je bio završetak postupka prvog sekvenciranja sa potpunim rasporedom DNK-baziranog genoma. Usavršavanje *plus i minus* metoda dovelo je do razdvajanja lanca (Sanger metoda), koje čini osnovu tehnike DNK sekvenciranja, mapiranja genoma, skladištenje podataka i bioinformatičkih analiza. Ova metoda najviše će se koristiti u istračivanjima tokom narednih 25 godina. Iste godine Walter Gilbert i Allan Maxam sa Harvard Univerziteta nezavisno razvijaju metod Maxam-Gilbert sekvenciranja (poznat i kao *hemijski metod* DNK sekvenciranja). On uključuje prvo čišćenje DNK sa poznatim bazama, manje efikasnom metodom. Za njihov revolucionarni rad u sekvencioniranju nukleinskih kiselina, Gilbert i Sanger su 1980. dijelili Nobelovu nagradu u oblasti hemije sa Paulom Bergom (rekombinantna DNK).

## Kompletirane sekvence

Pojava ovih tehnologija dovela je do ubrzavanja u obimu i brzini završetka sekvenciranja kod genom projekta. Prvi kompletan eukariotski genomski slijed je utvrđen kod ljudskih mitohondrija (16.568 bp, oko 16,6 kb (kilobaza) (1981.), a prvi hloroplastni genomi su slijedili 1986. Zatim je (1992.) prvi sekvencirani eukariotski hromosom] bio hromosom III pivskog kvasca (*Saccharomyces cerevisiae*) sa 315 kb. Prvi slobodno-živući organizam koji je sekvenciran bio je *Haemophilus influenzae* (1,8 Mb), 1995. Naredne godine, konzorcij istraživača iz laboratorija širom Sjeverne Amerike, Evrope i Japana najavio je završetak prvog potpuno sekvenciranog genoma eukariota *Saccharomyces cerevisiae* (12,1 Mb), a od tada sekvenciranje genoma se nastavlja i raste eksponencijalnim tempom. U oktobru 2011., kompletne sekvence su bile raspoložive kako slijedi: 2.719 virusi, 1.115 Archaea i bakterija, i 36 eukariota, od kojih su oko polovine bile gljive.

Broj genomskih projekata je rastao sa tehnološkim poboljšanjima i dalje su smanjivani troškovi sekvenciranja.
* (A) Eksponencijalni rast broja sekvenciranja genoma (sekvence baza podataka od 1995.)
* (B) Troškovi u američkim dolarima (USD) po milionu baza,
* (C) Troškovi (u USD) sekvenciranja 3.000 Mb (ljudske veličine) genoma na logaritamski transformiranoj skali.
* " Hockey stick" graf koji pokazuje eksponencijalni rast javnih baza podataka o sekvencama.

Većina mikroorganizama čiji su genomi potpuno sekvencirani su problematični patogeni, kao što su *Haemophilus influenzae*. To je dovelo do izražene privlačnosti za analizu, a zatim doprinijelo boljem poznavanju njihove filogenetske distribucije u odnosu na širinu bioraznolikosti mikroba. Ostale vrste, čiji je genom sekvencirana vrsta, u prvom redu su izabrane kao aktuelno ili potencijalno pogodni model organizmi. Kvasac (*Saccharomyces cerevisiae*) je dugo bio važan model organizam u eukariotskim ćelijama, dok je voćna mušica *Drosophila melanogaster* bila vrlo važan alat (posebno u ranoj premolekulskoj fazi razvoja genetike). Crv *Caenorhabditis elegans* se često koristi kao jednostavan model za višećelijske organizme. I riba-zebrica (*Brachydanio rerio*) koristi se za mnoga istraživanja na molekularnoj razini, a biljka *Arabidopsis thaliana* je modelni organizam za cvjetnice ("biljna drozofila").

Japanske ribe *Takifugu rubripes* i četverozupka (*Tetraodon nigroviridis*) su zanimljive zbog malog i kompaktnog genoma, koji sadrže vrlo malo nekodirajuće DNK u odnosu na većinu vrsta. Sisari (*Canis familiaris*), smeđi pacov (*Rattus norvegicus*), miš (*Mus musculus*) i čimpanza (*Pan troglodytes*) su značajni modeli životinja u medicinskim istraživanjima.

Grubi nacrt ljudskog genoma je završen u okviru Projekta ljudskog genoma (*Human Genome Project*) početkom 2001. godine, stvarajući mnogo pompe. Ovaj projekat koji je završen 2003. godine, omogućio je sekvenciranje cijelog genoma jedne određene osobe, a do 2007. ova sekvenca je proglašena "gotovom" (sa manje od jedne greške u 20.000 baza u svim hromosomima).

U godinama nakon toga, sekvencirani su genomi i mnogih drugih osoba, dijelom pod pokroviteljstvom „Projekta 1000 genoma“, koji je (oktobra 2012.) najavio sekvencioniranje 1.092 genoma. Završetak ovog projekta omogućio je razvoj znatno efikasnijih metoda i tehnologija, koje zahtijevaju značajno unapređenje bioinformatike i značajnija sredstava iz široke međunarodne saradnje.

## Također pogledajte

* Gen
* Genom
* Hromosomska garnitura
* Citogenetika
* Kariologija

## Vanjski linkovi

* Human Genome Project
* How many Genes do humans have? Arhivirano 23. 2. 2008. na Wayback Machine
* Human Genetics Video (website critique)

## Reference