Համեմատական գենոմիկա

Համեմատական ​​գենոմիկան կենսաբանական հետազոտության ոլորտ է, որում համեմատվում են տարբեր օրգանիզմների գենոմիկական առանձնահատկությունները։ Գենոմի առանձնահատկությունները կարող են ներառել ԴՆԹ-ի հաջորդականությունը, գեները, գեների կարգը, կարգավորիչ հաջորդականությունները և գենոմի կառուցվածքային այլ նշաններ։ Գենոմիկայի այս ճյուղում գենոմի նախագծերից բխող գենոմի ամբողջ կամ մեծ մասերը համեմատվում են հիմնական կենսաբանական ընդհանրությունների և տարբերությունների, ինչպես նաև օրգանիզմների միջև էվոլյուցիոն հարաբերությունների հետ ուսումնասիրության հետ։  Համեմատական ​​գենոմիկայի հիմնական սկզբունքն այն է, որ երկու օրգանիզմի ընդհանուր առանձնահատկությունները հաճախ կոդավորված են լինում ԴՆԹ-ի ներսում, որը նրանց միջև էվոլյուցիոն կերպով պահպանվում է ։ Հետևաբար համեմատական ​​գենոմային մոտեցումները սկսվում են գենոմային հաջորդականությունների հավասարեցման ինչ-որ ձևի ձևավորումից և համահունչ գենոմներում որոնում են օրթոլոգիական հաջորդականություններ (հաջորդականություններ, որոնք կիսում են ընդհանուր նախնին) և ստուգում, թե որքանով են պահպանվում այդ հաջորդականությունները։ Դրանց հիման վրա գենոմի և մոլեկուլային էվոլյուցիայի արդյունքը ենթադրվում է, և դա իր հերթին կարող է դրվել, օրինակ, ֆենոտիպային էվոլյուցիայի կամ բնակչության գենետիկայի համատեքստում։

Գործնականում  սկսվելով 1995 թ.-ին, երբ երկու օրգանիզմների ամբողջ գենոմները հասանելի էին(այսինքն ՝ Haemophilus influenzae- ի և Mycoplasma genitalium- ի բակտերիաների գենոմները), համեմատական գենոմիկան այժմ հանդիսանում է գենոմի յուրաքանչյուր նոր հաջորդականության վերլուծության ստանդարտ բաղադրիչ։ ԴՆԹ-ի հաջորդականացման տեխնոլոգիաների, մասնավորապես 2000-ականների վերջին հաջորդ սերնդի հաջորդականացման մեթոդների առաջացման արդյունքում գենոմային նախագծերի քանակի պայթյունի հետևանքով այս ոլորտը դարձել է ավելի բարդ, ինչը հնարավորություն է տալիս գործել բազմաթիվ գեների հետ մեկ ուսումնասիրության մեջ։ Համեմատական գենոմիկան բացահայտել է նմանության բարձր մակարդակ սերտորեն կապված օրգանիզմների միջև, ինչպիսիք են մարդիկ և շիմպանզեները, և, ավելի զարմանալիորեն, նմանությունը թվացյալ հեռավոր օրգանիզմների միջև, ինչպիսիք են մարդիկ և խմորիչներ Saccharomyces cerevisiae: Այն նաև ցույց է տվել գեների կազմի ծայրահեղ բազմազանությունը տարբեր էվոլյուցիոն գծերում։

Պատմություն 

Համեմատական ​​գենոմիկան արմատ ունի 1980-ականների սկզբին վիրուսի գենոմների համեմատության մեջ ։ Օրինակ, փոքր ՌՆԹ վիրուսները, որոնք վարակում են կենդանիներին (պիկոռնավիրուսներ) և վարակիչ բույսերին (կովպե խճանկարային վիրուս), համեմատվել են և պարզվել է, որ  դրանք կիսում են նշանակալի հաջորդականության նմանություն և, մասամբ էլ, իրենց գեների կարգը։ 1986 թ.-ին հրապարակվեց ավելի մեծ մասշտաբով գենոմի առաջին համեմատական ​​ուսումնասիրությունը ՝ համեմատելով varicella-zoster վիրուսի և Epstein-Barr վիրուսի գենոմները, որոնք պարունակում էին յուրաքանչյուրից ավելի քան 100 գեն։ Comparative genomics has a root in the comparison of virus genomes in the early 1980s.

Բջջային օրգանիզմի առաջին ամբողջական գենոմի հաջորդականությունը ՝ Haemophilus influenzae Rd- ը, լույս է տեսել 1995 թ. : Երկրորդ գենոմի հաջորդականության թուղթը, նույն տարում լույս տեսած,  մանր մակաբուծական մանրէներից `Mycoplasma genitalium- ն էր։ Այս հոդվածից սկսած `նոր գենոմների մասին զեկույցներն անխուսափելիորեն դարձան համեմատական-գենոմիական ուսումնասիրություններ։

Առաջին բարձրակարգ լուծմամբ ամբողջ գենոմի համեմատական ​​համակարգը մշակվել է 1998-ին ՝ Արտ Դելչերի, Սիմոն Կասիֆի, Սթիվեն Սալցբերգի կողմից և դիմել է Գենոմիկական հետազոտությունների ինստիտուտում (TIGR) իրենց շատ հարակից մանրէների համեմատությանը։ Համակարգը կոչվում է MUMMER և նկարագրվել է 1999 թվականին Nucleic Acids Research- ի հրապարակման մեջ։ Համակարգը հետազոտողներին օգնում է հայտնաբերել մեծ վերադասավորումներ, մեկ բազային մուտացիաներ, շրջադարձեր, տանդեմի կրկնվող ընդարձակումներ և այլ պոլիմորֆիզներ։ Բակտերիաներում MUMMER- ը հնարավորություն է տալիս նույնականացնել պոլիմորֆիզմները, որոնք պատասխանատու են վիրուսացման, պաթոգենության և հակաբիոտակայունության համար։ Համակարգը կիրառվել է նաև TIGR- ի նվազագույն օրգանիզմի նախագծի և հետագայում նաև համեմատական ​​գենոմիկայի բազմաթիվ այլ նախագծերի համար։

Saccharomyces cerevisiae- ը ՝ հացագործի խմորիչը, առաջին էուկարիոտն էր, որի գենոմի ամբողջական հաջորդականությունը հրապարակվեց 1996 թվականին։ 1998 թ.-ին կլորավիճակի Caenorhabditis elegans գենոմի հրատարակությունից հետո և 2000 թ.-ին պտղի ճանճի  Drosophila melanogaster  գենոմի հետ միասին, Գերալդ Մ. Ռուբինը և նրա թիմը հրատարակեցին թուղթ "Comparative Genomics of the Eukaryotes" անվանմամբ, որտեղ նրանք համեմատեցին էուկարիոտ D. melanogaster- ի, C. elegans- ի և S. cerevisiae- ի գենոմները, ինչպես նաև պրոկարիոտ H. H. influenzae- ը։ Միևնույն ժամանակ Բոնի Բերգերը, Էրիկ Լանդերը և նրանց թիմը հրապարակեցին մի թուղթ ՝ մարդու և մկների ամբողջ գենոմի համեմատության վերաբերյալ։

2000-ական թվականներին ողնաշարավորների մեծ գենոմի հրապարակմամբ, ներառյալ մարդկային, ճապոնական կուպր ձուկ «Takifugu» rubripes- ը և մկանը, գենոմի մեծ զուգահեռների համեմատության գերակշիռ արդյունքներ են թողարկվել գենոմային զննարկիչում ներբեռնելու կամ արտացոլման համար։ Սեփական վերլուծություններ կատարելու փոխարեն, կենսաբանների մեծ մասը կարող է մուտք ունենալ այս խոշոր խաչաձև տեսակների համեմատություններ և խուսափել գենոմի չափսերի պատճառով առաջացած անգործությունից։

Հաջորդ սերնդի հաջորդականացման մեթոդները, որոնք առաջին անգամ ներդրվել են 2007 թվականին, արտադրել են հսկայական քանակությամբ գենոմիկական տվյալներ և հետազոտողներին թույլ են տվել միանգամից առաջացնել բազմաթիվ (պրոկարիոտիկ) գենոմի հաջորդականությունների նախագծեր։ Այս մեթոդները կարող են նաև արագորեն բացահայտել միանուկլեոտիդային պոլիմորֆիզմները, ներդիրները և ջնջումները `չհավաքված ընթերցումները քարտեզագրելով լավ անոտացված տեղեկատու գենոմի դեմ, և դրանով իսկ ներկայացնել գեների հնարավոր տարբերությունների ցուցակը, որոնք կարող են հիմք հանդիսանալ տեսակների միջև ցանկացած ֆունկցիոնալ փոփոխության համար։

Էվոլյուցիոն սկզբունքներ 
Կենսաբանության մեկ բնութագիր էվոլյուցիան է, էվոլյուցիոն տեսությունը նույնպես համեմատական ​​գենոմիկայի տեսական հիմքն է, և միևնույն ժամանակ համեմատական ​​գենոմիկայի արդյունքները աննախադեպ հարստացան և զարգացրեցին էվոլյուցիայի տեսությունը։ Երբ գենոմային հաջորդականության երկու կամ մի քանիսը համեմատվում են, կարելի է եզրակացնել, որ հաջորդականությունների էվոլյուցիոն հարաբերությունները ֆլոգենետիկ ծառի մեջ են։ Հիմնվելով կենսաբանական գենոմի մի շարք տվյալների և ուղղահայաց, հորիզոնական էվոլյուցիայի գործընթացների ուսումնասիրության վրա, կարելի է հասկանալ գենի կառուցվածքի և դրա կարգավորիչ գործառույթի կենսական մասերը։

Կապված գենոմների նմանությունը համեմատական ​​գենոմիկայի հիմքն է։ Եթե ​​երկու արարած ունեն ընդհանուր նախնի, ապա երկու տեսակների գենոմների միջև տարբերությունները զարգանում են նախնիների գենոմից։ Որքան մոտ է երկու օրգանիզմի փոխհարաբերությունները, այնքան ավելի բարձր են նմանությունները նրանց գենոմների միջև։ Եթե ​​նրանց միջև սերտ փոխհարաբերություններ լինեն, ապա դրանց գենոմը կցուցադրի գծային վարք (սինթեն), մասնավորապես `պահպանվում են գենետիկական հաջորդականությունների մի մասը կամ բոլորը։ Այսպիսով, գենոմի հաջորդականությունները կարող են օգտագործվել գենային ֆունկցիան հայտնաբերելու համար ՝ վերլուծելով դրանց հոմոլոգիան (հաջորդականության նմանությունը) հայտնի գործառույթի գեներին։

Օրթոլոգիական հաջորդականությունները տարբեր տեսակների հետ կապված հաջորդականություններ են։ Եթե բնօրինակ գեն գոյություն ունի, տեսակները բաժանված են երկու տեսակների, ուստի նոր տեսակների գեները օրթոլոգիական են բնօրինակ տեսակների հաջորդականության մեջ։ Անալոգային հաջորդականությունները բաժանվում են գեների կլոնավորմամբ (գենի կրկնօրինակմամբ)։ Եթե գենոմում որոշակի գեն պատճենվում է, ապա երկու հաջորդականությունների պատճենը զուգահեռ է բնօրինակ գենի հետ։ Օրթոլոգիական հաջորդականության զույգը կոչվում է օրթոլոգիական զույգ (օրթոլոգներ), զուգահեռ հաջորդականության զույգը կոչվում է կողմնակի զույգ (պարալոգիա)։ Օրթոլոգիական զույգերը սովորաբար ունենում են նույն կամ նման գործառույթ, ինչը պարտադիր չէ, որ կողմնակի զույգերի դեպքում լինի։ Կողմնակի զույգերով, հաջորդականությունները հակված են զարգանալ տարբեր գործառույթներ ունենալու։

Համեմատական ​​գենոմիկան օգտագործում է  տարբեր օրգանիզմների սպիտակուցների, ՌՆԹ-ի և կարգավորող շրջանների նմանությունները և տարբերությունները `պարզելու, թե ինչպես է ընտրությունը գործել այդ տարրերի վրա։ Այն տարրերը, որոնք պատասխանատու են տարբեր տեսակների միջև նմանությունների համար, պետք է պահպանվեն ժամանակի ընթացքում (կայունացնող ընտրություն), մինչդեռ տեսակների միջև տարբերությունների համար պատասխանատու այդ տարրերը պետք է լինեն տարաձայնային (դրական ընտրություն)։ Ի վերջո, այն տարրերը, որոնք կարևոր չեն օրգանիզմի էվոլյուցիոն հաջողությանը, չեն պահպանվի (չեզոք ընտրություն)։

Ոլորտի կարևոր նպատակներից է էուկարիոտիկ գենոմի էվոլյուցիայի մեխանիզմների նույնականացումը։ Այնուամենայնիվ, դա հաճախ բարդ է անհատական ​​տոհմերի պատմության ընթացքում տեղի ունեցած իրադարձությունների բազմազանությամբ ՝ թողնելով միայն աղավաղված և գերծանրաբեռնված հետքեր յուրաքանչյուր կենդանի օրգանիզմի գենոմում։ Այդ իսկ պատճառով փոքր մոդելի օրգանիզմների համեմատական ​​գենոմիկայի ուսումնասիրությունները (օրինակ ՝ մոդելի Caenorhabditis elegans- ը և սերտորեն կապված Caenorhabditis briggsae- ը), կարևոր նշանակություն ունեն զարգացնելու ընդհանուր ընկալման մեխանիզմները։

Մեթոդներ 
Վերջերս գենոմի համեմատության համար հաշվողական մոտեցումները դարձել են համակարգչային գիտության ընդհանուր հետազոտական ​​թեմա։ Ընդունվում է դեպքերի ուսումնասիրությունների և ցույցերի հանրային հավաքածու ՝ սկսած գենոմի ամբողջ համեմատությունից մինչև գեների արտահայտման վերլուծություն։ Սա մեծացրել է տարբեր գաղափարների ներմուծումը, ներառյալ համակարգերի և հսկողության հասկացությունները, տեղեկատվության տեսությունը, լարերի վերլուծությունը և տվյալների հանքարդյունաբերությունը։ Նախատեսվում է, որ հաշվարկային մոտեցումները կդառնան և կմնան որպես ստանդարտ թեմա հետազոտության և դասավանդման համար, մինչդեռ բազմաթիվ դասընթացներ սկսելու են ուսանողներին վերապատրաստել, որպեսզի տիրապետեն երկու թեմաներին։

Գործիքներ 

Հերթականությունների և ամբողջական գենոմի վերլուծության համար հաշվողական գործիքները արագորեն զարգանում են `պայմանավորված մեծ քանակությամբ գենոմային տվյալների առկայությամբ։ Միևնույն ժամանակ, համեմատական ​​վերլուծության գործիքներն առաջ են մղվում և կատարելագործվում։ Այս վերլուծությունների վերաբերյալ մարտահրավերներում շատ կարևոր է պատկերացնել համեմատական ​​արդյունքները։

Հաջորդականության պահպանման արտացոլումը համեմատական ​​հաջորդականության վերլուծության կոշտ խնդիր է։ Ինչպես գիտենք, խիստ անարդյունավետ է ձեռքով ուսումնասիրել երկար գենոմային շրջանների դասավորվածությունը։ Համացանցի վրա հիմնված գենոմի զննարկիչները տրամադրում են բազմաթիվ օգտակար գործիքներ գենոմային հաջորդականությունները ուսումնասիրելու համար `պայմանավորված գենոմային տարածաշրջանների վերաբերյալ բոլոր հաջորդականության վրա հիմնված կենսաբանական տեղեկատվությունը։ Երբ մենք մեծ քանակությամբ համապատասխան կենսաբանական տվյալներ ենք արդյունահանում, դրանք կարող են լինել շատ հեշտ օգտագործման համար և ավելի քիչ ժամանակատար։

 UCSC զննարկիչ՝ այս կայքը պարունակում է հղման հաջորդականություն և աշխատանքային նախագծերի հավաքներ գենոմների մեծ հավաքածուի համար։
 Ensembl՝ այս նախագիծը ստեղծում է գենոմի տվյալների շտեմարաններ `ողնաշարավորների և այլ էվկարոտիկ տեսակների համար, և այս տեղեկատվությունը մատչելի է դարձնում առցանց։
 MapView՝ տրամադրում է գենոմի քարտեզագրման և հաջորդականության տվյալների լայն տեսականի։
 VISTA- ն գենոմային հաջորդականությունների համեմատական ​​վերլուծության համար ծրագրերի և տվյալների բազայի ամբողջական փաթեթ է։ Այն կառուցվել է ԴՆԹ-ի հավասարեցման հիման վրա համեմատական ​​վերլուծության արդյունքների պատկերացման համար։ VISTA- ի կողմից գեներացվող համեմատական ​​տվյալների ներկայացումը հեշտությամբ կարող է տեղին ունենալ ինչպես փոքր, այնպես էլ մեծածավալ տվյալների։
 BlueJay Genome զննարկիչ՝ ինքնուրույն վիզուալիզացման գործիք `անոտացիոն գենոմների և գենոմային այլ տարրերի բազմաբնույթ դիտման համար։

Առցանց գործիքների օգտագործման առավելությունն այն է, որ այս կայքերը անընդհատ մշակվում և թարմացվում են։ Կան շատ նոր պարամետրեր, և բովանդակությունը կարող է օգտագործվել առցանց ՝ արդյունավետությունը բարելավելու համար։

Ծրագրեր

Գյուղատնտեսություն 

Գյուղատնտեսությունը մի ոլորտ է, որը առավելագույնս  քաղում է համեմատական ​​գենոմիկայի առավելությունները։ Բարենպաստ գեների տեղանքի հայտնաբերումը հիմնական քայլն է բուծման բույսերի համար, որոնք օպտիմիզացված են ավելի մեծ բերքատվության, ծախսարդյունավետության, որակի և հիվանդության դիմադրության համար։ Օրինակ ՝ գենոմի լայն ասոցիացիայի ուսումնասիրությամբ, որը կատարվել է 517 բրնձի վայրի վրա, հայտնաբերվել է 80 տեղաբաշխություն `կապված գյուղատնտեսական գործունեության մի քանի կատեգորիաների հետ, ինչպիսիք են հացահատիկի քաշը, ամիլոզայի պարունակությունը և երաշտի հանդուրժողականությունը։ Տեղանքներից շատերը նախկինում բնութագրված չէին։ Այս մեթոդաբանությունը ոչ միայն հզոր է, այլև արագ։ Գյուղատնտեսական աշխատանքների հետ կապված տեղաբաշխման նախորդ մեթոդները պահանջում էին ծնողների տեսակների մանրակրկիտ դիտարկված բուծման մի քանի սերունդ, ժամանակատար ջանք, որը ավելորդ է գենոմիկական համեմատական ​​ուսումնասիրությունների համար։

Բժշկություն 
Բժշկության ոլորտը նույնպես օգուտ է քաղում համեմատական ​​գենոմիկայի ուսումնասիրությունից։ Մասնավորապես, պատվաստանյութը տեխնոլոգիական օգտակար առաջընթաց է ապրել ՝ կապված խնդիրների գենոմիկական մոտեցումների հետ։ Հակառակ պատվաստանյութաբանությամբ հայտնի մոտեցմամբ ՝ հետազոտողները կարող են հայտնաբերել պատվաստանյութերի զարգացման համար առաջադրված թեկնածու անտիգենները ՝ վերլուծելով պաթոգենի կամ պաթոգենների ընտանիքի գենոմը։  Համեմատական ​​գենոմիկայի մոտեցման կիռարումը, մի քանի հարակից պաթոգենների գենոմների վերլոծությունը, կարող է հանգեցնել պատվաստանյութերի զարգացմանը, որոնք բազմապրոֆիլ են։ Հետազոտողների մի խումբ օգտագործել է նման մոտեցում ՝ ստեղծելու համընդհանուր պատվաստանյութ B խմբի Streptococcus- ի համար, մի խումբ մանրէներ, որոնք պատասխանատու են ծանր նորածնային վարակի համար։ Համեմատական ​​գենոմիկան կարող է օգտագործվել նաև պաթոգենների դեմ պատվաստանյութերի դեմ առանձնահատկություններ առաջ բերելու համար, որոնք սերտորեն կապված են կոմսենսիվ միկրոօրգանիզմների հետ։ Օրինակ, հետազոտողները օգտագործել են աղիքային ցուպիկի կոմսենսիվ և պաթոգեն տեսակների համեմատական ​​վերլուծությունը `ախտածին գեները պարզելու համար` որպես հակածիններ գտնելու հիմք, որոնք իմունային պատասխան են տալիս պաթոգեն տեսակների դեմ, բայց ոչ համաընդհանուր։ 2019 թվականի մայիսին, օգտագործելով Գլոբալ գենոմի հավաքածուն, Մեծ Բրիտանիայում և Ավստրալիայում գտնվող թիմը հաջորդականացրեց A խմբում հավաքված հազարավոր գլոբալ մեկուսարաններ ՝ ապահովելով պաթոգենի դեմ պատվաստանյութ մշակելու հնարավոր թիրախներ, որը նաև հայտնի է որպես S. pyogenes:

Հետազոտություն 

Համեմատական ​​գենոմիկան նոր ուղիներ է բացում նաև հետազոտության այլ ոլորտներում։ Քանի որ ԴՆԹ-ի հաջորդականացման տեխնոլոգիան դարձել է ավելի մատչելի, հաջորդականացված գենոմների քանակը մեծացել է։ Առկա գենոմիկական տվյալների մեծ շտեմարանների հետ աճել է նաև համեմատական գենոմային ինֆեկցիայի հզորությունը։ Այս աճի հզորության ուշագրավ դեպք է հայտնաբերվել վերջին առաջնորդ հետազոտություններում։ Համեմատական ​​գենոմային մեթոդները հետազոտողներին թույլ են տվել հավաքել տեղեկատվություն գենետիկական տատանումների, դիֆերենցիալ գենի արտահայտման և էվոլյուցիայի դինամիկայի մասին առաջնորդներում, որոնք անփոխարինելի էին նախորդ տվյալների և մեթոդների միջոցով։ Հոմինիդների գենոմի նախագիծը օգտագործեց գենոմի փոփոխականության համեմատական ​​մեթոդները `գենետիկ տատանումները ուսումնասիրելու համար` վկայակոչելով վեց մեծ կապիկ տեսակների, գտնելով նրանց գեների լողավազանում տատանումների առողջության մակարդակը `չնայած բնակչության թվաքանակի փոքրացմանը։ Մեկ այլ ուսումնասիրություն ցույց տվեց, որ ԴՆԹ-ի մեթիլացման օրինաչափությունները, որոնք գեների արտահայտման հայտնի կարգավորման մեխանիզմ են, տարբերվում են մարդկանց նախածննդյան ծառի կեղևից և կավճանկարներով, և այս տարբերությունը ենթադրում է  երկու տեսակների էվոլյուցիոն տարբերության մեջ։

Տես նաև
 Տվյալների հանքարդյունաբերություն
 Մոլեկուլային էվոլյուցիա
 Համեմատական ​​անատոմիա
 Հոմոլոգիա
 Հաջորդական հանքարդյունաբերություն
 Հավասարեցման հաջորդականության վերլուծություն
 ԴՆԹ նմուշների վերլուծություն

Ծանոթագրություններ

Հետագա ընթերցում

Արտաքին հղումներ

 Genomes OnLine Database (GOLD)
 Genome News Network
 JCVI Comprehensive Microbial Resource
 Pathema: A Clade Specific Bioinformatics Resource Center
 CBS Genome Atlas Database 
 The UCSC Genome Browser
 The U.S. National Human Genome Research Institute
 Ensembl The Ensembl Genome Browser
 Genolevures, comparative genomics of the Hemiascomycetous yeasts
 Phylogenetically Inferred Groups (PhIGs), a recently developed method incorporates phylogenetic signals in building gene clusters for use in comparative genomics.
 Metazome ,  a resource for the phylogenomic exploration and analysis of Metazoan gene families.
 IMG The Integrated Microbial Genomes system, for comparative genome analysis by the DOE-JGI.
 Dcode.org Dcode.org Comparative Genomics Center.
 SUPERFAMILY Protein annotations for all completely sequenced organisms
 Comparative Genomics
 Blastology and Open Source: Needs and Deeds 
 Alignment-free comparative Genomics tool

Կենսաբանություն
Գենոմիկա