גנומיקה השוואתית

גנומיקה השוואתית (באנגלית: Comparative genomics) הוא תחום משנה בגנומיקה, העוסק בניתוח הרצף והמיקום הכרומוזומי של גנים בעלי אותו תפקיד ומידע גנטי בין יצורים שונים (גנים אורתולוגיים), התחקות אחר ההבדלים ביניהם, הארגון שלהם בגנום והבנת מקורם. פן מרכזי של המחקר בתחום מבוסס על השוואת המיקום הכרומוזומי של קבוצות גנים (סינטניה) והשוואת ארגון וסדר החומר הגנטי בכרומוזומים ממינים שונים. השוואה זו מאפשרת לקבל תמונה של התהליכים והשינויים הגנומיים שקרו במהלך האבולוציה ולהבין פונקציות ותהליכים ביולוגיים שפועלים על גנומים לאור התאמה לנישה האקולוגית הספציפית של יצורים שונים. חקר הגנומיקה ההשוואתית עוסק גם בשינויים אבולוציוניים וזיהוי גנים שמורים, או גנים המעניקים לכל אורגניזם את התכונות הייחודיות שלו בקרב מינים שונים, ובפיתוח היפותזות לגבי שינויים אפשריים בבקרה של גנים אלה.
השימוש בשיטות ריצוף מתקדמות מאפשר להתחקות אחר הדינמיקה האבולוציונית של פונקציות מולקולריות ותהליכים ביולוגיים, ולזהות סמנים גנומיים אשר מסייעים בהשוואה בין גנומים. סמנים אלה יכולים להיות גנים מקודדי חלבון, גנים מקודדי רנ"א, רצפים לא מקודדים, פסאודוגנים, ואלמנטים רגולטוריים, ונקראים עוגני סינטניה (synteny anchors).

היסטוריה

גנומיקה השוואתית יושמה לראשונה לגבי ריצופי גנומים של וירוסים בשנות השמונים של המאה ה-20, שבמהלכן נצברו גנומים שלמים של מגוון וירוסים קטנים של צמחים, בעלי חיים, בקטריה ובקטריופאג'ים. אחד הממצאים באנליזות הראשונות בתחום היה, שרטרו-וירוסים (נגיפים בעלי גנום מבוסס רנ"א) חולקים את האנזים רוורס טרנסקריפטאז' – אנזים בעל יכולת להשתמש ברצף רנ"א כתבנית ליצירת רצף דנ"א (בדיוק ההפך מתהליך התיעתוק), עם שתי קבוצות של וירוסי דנ"א ממשפחות ה-hepadnaviruses (כולל Hepatitis B virus) וה-caulimoviruses המדביקים צמחים. אנליזה נוספת חשפה כי וירוסים קטנים של רנ"א המדביקים חיות (כמו נגיף הפוליו, נגיף מחלת הפה והטלפיים) ואלו שמדביקים צמחים (כמו וירוס ה-CPMV) חולקים רצפים דומים שמאפשרים את זיהוי הגנים האורתולוגיים ואת הסדר של חלק מהגנים בגנומים שלהם.
ב-1986 נעשה מחקר הגנומיקה ההשוואתית הראשון בהיקף רחב יותר, אשר חקר את היחסים בין גנומים שמכילים יותר ממאה גנים כל אחד. במחקר זה הושווה גנום חדש שרוצף מנגיף הווריצלה-זוסטר (הגורם לשלבקת חוגרת) לרצפים של גנום הווירוס Epstein-Barr (הגורם למחלת הנשיקה).
הגנום הראשון השלם שרוצף של אורגניזם תאי היה של הנגיף Haemophilus influenzae, ב-1995. מאז פרסומו של המאמר השני על החיידק הטפילי Mycoplasma genitalium באותה שנה, התקבלו דיווחים על גנומים חדשים בנוגע למחקרי גנומיקה השוואתית שסללו את הדרך להבנת המבנה והפעילות של הגנום של יצורים אלה.
ב-1997 נעשתה השוואה של הגנומים הראשונים המרוצפים בשלמותם שהראתה שסדר גנים שמור פחות מרצפי חלבון. לדוגמה, השוואה של גנומים מהחיידקים בעלי קירבה אבולוציונית Mycoplasma genitalium ו- Mycoplasma pneumoniae גילתה כי שני הגנומים מורכבים מ-6 מקטעים גדולים עם ארגון דומה של גנים, אם כי סדר ששת המקטעים שונה בין שני הגנומים.
פרויקט הגנום האנושי תרם למחקר הגנומיקה ההשוואתית, שכן לאחר פרסום הטיוטה הראשונה של גנום האדם בשנת 2001, התפתחו טכנולוגיות ריצוף מתקדמות, הפחיתו את עלות ריצוף גנומים שלמים, ובכך הפכו את ריצוף הגנום לשיטה נפוצה וזולה יחסית. כך, קיימים כיום מאות רצפי גנומים שלמים מבני אדם המייצגים את האוכלוסיות המרכזיות ברחבי העולם. במקביל, ב-2002 רוצף גנום העכבר באיכות גבוהה, אשר אפשר השוואת גנום האדם לזה של העכבר, איתור גנים אורתולוגיים ומקטעים סינטניים. כך ניתן היה לגבש תובנות לגבי ההומולוגיה הקיימת בין גנומי האדם והעכבר: חוקרים הסיקו שבמהלך ה 75–80 מיליון שנה מאז התפצלות האדם מעכבר, ארגון וסדר הגנים נשמר בסקלה הרחבה ו- 90% מגנום האדם נמצא הומולוגי לעכבר. נמצא כי אזורי הסינטניה השמורה מכילים הרבה גנים מכרומוזום אדם ההומולוגים לגנים על כרומוזום עכבר, לעיתים בסדר מאוד דומה . לדוגמה, כרומוזום 10 בעכבר מורכב ממקטעים מכרומוזומים שונים בבני אדם.
התקדמות שיטות הריצוף, והזמינות של רצפים מהגנום השלם, אפשרו זיהוי גנים וחיזוי הפונקציות שלהם בפלח המינים שהמידע על הרצפים שלהם עדיין מוגבל, ובכך לפצות באופן חלקי על החוסר בנתונים ניסויים. בנוסף, המחקר בתחום הביא לתובנות בהקשר של אבולוציית גנום החולייתנים וגנום האדם בפרט, ופתח דלת להבנת אבולוציית אדם, מחלות והקשר ביניהם.

השפעת הגנומיקה ההשוואתית על הבנת תהליכים אבולוציוניים

ישנם תהליכים ושינויים גנומים רבים שקרו במהלך האבולוציה:

שינויים בסידורי גנום, הכפלה של רצפי גנים, התרחבות או הצטמצמות של משפחות גנים

אחת הדרכים להבנת היחסים האבולוציוניים בין יצורים שונים היא בניית עצים פילוגנטיים המאפשרת השוואה בין הגנומים שלהם. מינים קרובים יותר חולקים יותר גנים משותפים. עם זאת, מינים מרוחקים צפויים לאבד חלק מהגנים שהורשו מהאב קדמון המשותף. ישנם אורגניזמים קרובים בעלי מספר שונה של גנים. לדוגמה, מספר הגנים בגנום החיידק E. coli K-12 גדול פי שבעה מזה של הכנימה Buchnera sp. דוגמה נוספת היא שמר האפייה (Saccharomyces cerevisiae), שמכיל לפחות אלפיים גנים פחות מפטריות שק רב תאיות. אנליזות השוואתיות בטפילים גילו, שהצטמצמות במספר גנים יכולה להוביל לחוסר במסלולים ביו-סינתטיים של חומצות אמינו, נוקלאוטידים וקו-פקטורים. כמו כן, בבני אדם וחולייתנים אחרים ישנו חוסר במסלולים ביו-סינתטיים ל-12 חומצות אמיניות. לתופעה זו קיים הסבר אבולוציוני: הגנים האחראיים על סינתזה לא נמצאים בשימוש במצב שבו חומרי המזון נגישים מהסביבה ולכן נעלמים במהלך האבולוציה. יתרה מכך, ברגע שאחד מהגנים נעלם, מופעלים לחצים אבולוציונים כדי למנוע ביטוי גנים נוספים באותו מסלול על מנת להגן מהצטברות תוצרי ביניים מזיקים לתא. מחקרים נוספים מצאו, שהתרחבות משפחות גנים פרלוגיים (גנים בעלי דמיון ברצף, אבל לא בהכרח בפונקציה) יכולה ללמד על אבולוציית ענפים אבולוציוניים מסוימים, והיא אחד המנגנונים העיקריים להסתגלות והתאמה לסביבה. דוגמה להתרחבות שקשורה לתפקיד ספציפי באורגניזם היא תכונת הנמטודות C.elegans ליצור קולגן שנדרש לקוטיקולה.

העברת גנים בין יצורים שאינם משתייכים לאותו המין

כבר בהשוואות הראשונות של רצפי גנומים ממינים שונים, התגלתה העובדה שישנה העברת גנים בין יצורים שלא מאותו המין ((lateral gene transfer)) השייכים לשושלות פילוגנטיות מרוחקות, למשל ב- E.coli עשרים וחמישה אחוזים מהגנום מורכב מגנים "זרים". באאוקריוטים ישנה העברה ויראלית וטרנספורמציה של דנ"א מהסביבה. תגליות אלו ואחרות הובילו לשינוי בתפיסה הביולוגית ולמחלוקת בנוגע לקיומו של עץ החיים. כמו כן גנים שונים יצרו עצים שונים,לכן אנליזה פילוגנטית לא מבוססת על עץ עבור מולקולה ספציפית (כמו רנ"א ריבוזומלי) אלא על כל המידע בגנומים.

החלפה של גנים שאינם אורתולוגיים

הרעיון של החלפת גנים שאינם אורתולוגיים ((non-orthologous gene displacement) פותח בהקשר של מציאת סט גנים מינימלי לכל תא. לפיו, פעולות חיוניות מבוצעות באמצעות חלבונים שאינם אורתולוגיים בצורות חיים שונות. למשל, בהשוואת שני רצפי הגנומים הראשונים שרוצפו של הטפילים הפרוקריוטים H. influenzae ו- M.genitalium ניסו להגדיר סט גנים מינימלי חיוני לתאים תחת תנאים סביבתיים מועדפים. טפילים אלו שייכים לשושלות פילוגנטיות מרוחקות, הגנים שלהם הצטמצמו במהלך הסתגלותם לאורח החיים הטפילי והם חולקים גנים שמורים ששייכים ככל הנראה לסט מינימלי של גנים חיוניים. לעומת זאת, עבור פעולות חיוניות מסוימות (כמו גליצרול tRNA סינטאז), לא נמצאו זוגות גנים אורטולוגיים בשתי הבקטריות, כלומר התרחשה החלפת גנים שאינם אורתולוגיים דרך העברת גנים שאינם מאותו המין או גיוס אנזימים המבצעים את אותה פעילות אנזימטית (אבולוציה מקבילה).

יישומים

גנומיקה השוואתית מאפשרת שילוב של סוגים מידע גנומי שונים מאורגניזמים מגוונים. שילוב זה עושה שימוש באבולוציה על מנת להבין את המנגנון המולקולרי של תכונות (ומחלות) מורכבות. גישה זו עשויה להביא תועלת רבה להרחבת מושגי עולם החי ולמחקרים אקולוגיים, בעלת השפעות על חקלאות, ביוטכנולוגיה, וזואולוגיה ומשמשת ככלי למציאת ההבדלים בין מיני בעלי חיים וצמחים. בנוסף השיטה מובילה לחידוד ההבנה של הדרך בה התפתחו ענפים מסוימים בעץ החיים האבולוציוני, ולעיצוב אסטרטגיות חדשות לשימור מינים נדירים ומינים שמצויים בסכנת הכחדה.

כלים

אוסף הכלים לחוקרים ביולוגיים לביצוע מגוון אנליזות השוואתיות הלך וגדל עם השנים במקביל להתפתחות הטכנולוגיה ומאגרי הנתונים הגנומיים.
UCSC Browser – אתר המכיל אוסף רחב של גנומים של חולייתנים וחיות מודל יחד עם כלים לאנליזה ויזואלית של מידע, וניתוח נתונים.
ENSMBL project – פרויקט משותף של ה EMBL–EBI ו Welcome Trust Sanger Institute המייצר מאגרי נתוני נגישים של גנומים של חולייתנים ומינים אאוקריוטים.
VISTA – תוכניות ומאגרים של אנליזות השוואתיות של רצפים גנומים. יש שתי דרכים להשתמש ב VISTA- ניתן לשים את הרצף שבידי המשתמש או לבחון יישורים קיימים של מינים שונים.
BlueJay Genome Browser – כלי ויזואלי לגנומים ואלמנטים שונים בגנום. משתמשים יכולים להעלות נתונים של ביטוי גנים לצורך ויזואליזצייה וניתן להשוות גנומים.
(Genome Data Viewer(GDV – שרת גנומי התומך בחקר ואנליזות של יותר מ-600 אוספי גנומים אאוקריוטים של (Refseq (The reference sequence collection.

כלים לחקר הגנומיקה בפרוקריוטים

כתוצאה מעלייה בכמות הגנומים המיקרוביאלים הנגישים עלה הצורך בפיתוח גישות באנליזת הגנומים הללו בשיטות השוואתיות. בשנים האחרונות פותחו מספר כלים לחקר הגנומיקה השוואתית בפרוקריוטים:
MicrobesOnline – פלטפורמת גנומיקה השוואתית שפותחה על ידי JGI בשנת 2003. המטרה העיקרית היא לספק למשתמשים פתרון לאנליזות נתונים גנומים בשימוש בגישות פילוגנטיות.
(MBGD (The Microbial Genomes Database – פותחה ב-2003, כמאגר נתונים לגנומים מיקורביאליים לאחסון מידע גנומי ותוצאות קלאסטרינג של גנים. היא מספקת תכונות של אנליזות השוואתיות לגנומי בקטריה.
(IMG/M (Integrated Microbial Genomes with Microbiome Samples – אחת מהפלטפורמות הגדולות שמכילה נתונים של רצפי בקטריה, ארכאה, ומיקרואורגניזמים. פותחה ב-2008, ומספקת מגוון כלים לניתוח ולויזואליזציה של נתוני גנום.
(EDGAR (Efficient Database framework for comparative genome analysis using BLAST – פלטפורמה לגנים המבוססת על גנומיקה השוואתית ואנליזות להבדלים בין גנים. פורסמה ב 2009, ושימשה כאחד מהכלים התדירים לשימוש בתחום המחקר של הגנום המיקרוביאלי עבור השוואות רחבות היקף ומחקרים פילוגנטיים המבוססים על ריצוף כל הגנום.
EzBiocloud – פלטפורמת ענן שבמאגרה קיימים גני רנ"א ריבוזומלי 16S ונתוני הגנום השלם. השיטה מתמקדת בתכונות אנליזה השוואתיות גנומיות וטקסונומיות. פותחה על ידי ChunLab. EzBiocloud ומחשבת תכונות גנומיות כגון: גודל הגנום, תוכן בסיסי גואנין וציטוזין, פנגנום וגנום ליבה וקבוצות אורתולוגיות לכל סט גנומי השוואתי.
OrtholugeDB – מאגר נתונים ציבורי שפותח ב-2013 על ידי Simon Fraser university המאחסן גנים אורתולוגיים לבקטריה וארכאה ומספק חיזוי אורתולוגי לגנומים מרוצפים באופן מלא, ממאגר NCBI RefSeq.
Roary – יישום להרכבת פנגנום (pan genome) שפותח על ידי Welcome Trust Sanger Institute ב-2015. הרעיון הבסיסי של יישום זה הוא לבצע סינון וקיבוץ נתונים (clustering) לפני השוואת BLAST. יישום זה מפחית משמעותית את זמן הריצה ודרישות זיכרון לאנליזת אלפי גנומים של פרוקריוטים בתחנת עבודה יחידה.