Funktsionaalne genoomika

Funktsionaalne genoomika on molekulaarbioloogia teadusharu, mis kirjeldab geenide ja valkude funktsioone ja nende omavahelisi suhteid. Funktsionaalne genoomika keskendub dünaamilistele protsessidele nagu transkriptsioon, translatsioon, geeniregulatsioon ja valk-valk-interaktsioonid. Funktsionaalne genoomika otsib vastuseid ülegenoomsel tasandil, kasutades selleks suure läbilaskevõimega meetodeid ning vastandudes sellega traditsioonilisematele kandidaatgeenide uuringutele.

Definitsioon ja eesmärgid
Funktsionaalse genoomika peamine eesmärk on mõista genotüübi ja fenotüübi vahelisi keerulisi suhteid. Ardlie GA, Guigo R (2017). “Data resources for human functional genomics”. Current Opinion in Systems Biology, 1:75–79. doi:10.1016/j.coisb.2016.12.019  Funktsionaalne genoomika püüab muuhulgas aru saada:
 Millal ja kus geenid ekspresseeruvad
 Kuidas geeniekspressiooni tase erineb erinevates rakutüüpides
 Mis on geenide funktsioon ja millistes rakulistes protsessides nad osalevad
 Kuidas geene reguleeritakse
 Kuidas geeniproduktid omavahel interakteeruvad
 Kuidas muutub geeniekspressioon erinevate haiguste korral või ravijärgselt Functional genomics: An introduction to EMBL-EBI resources Vaadatud 10.12.2024 

Meetodid
Funktsionaalse genoomika valdkond hõlmab erinevaid oomikaid nagu transkriptoomika (geeniekspressioon), proteoomika, metaboloomika ja epigenoomika. Kogu genoomi uurimine aitab mõista genotüübi ja fenotüübi vahelisi seoseid ning aru saada, kuidas “funktsionaalne” genoom aitab kaasa erinevate haiguste tekkele. Carpenter S, Conlan RS (2021). “Clinical Functional Genomics”. Cancers (Basel), 13(18):4627. doi:10.3390/cancers13184627  Funktsionaalne genoomika kasutab enamasti meetodeid, mis mõõdavad paljude või kõikide geeniproduktide (mRNA, valgud) hulka bioloogilises proovis. Functional genomics: An introduction to EMBL-EBI resources Vaadatud 10.12.2024 

Funktsionaalse genoomika meetodid leiavad rakendust nii DNA, RNA kui ka valgu tasandil. DNA tasandil kasutatavad meetodid uurivad näiteks DNA/valgu interaktsioone (ChIP-seq) ja DNA ligipääsetavust (ATAC-seq).

RNA tasandil olid levinumad meetodid mikrokiibianalüüs ja SAGE (Serial Analysis of Gene Expression), mille on tänapäeval üle võtnud efektiivsem RNA-seq. Spetsiifilisemate meetodite alla kuuluvad näiteks STARR-seq ja Perturb-seq.

Valgu tasandil kasutatakse selliseid meetodeid nagu pärmseente kaksikhübriidisüsteem (ingl Yeast two-hybrid system) ja massispektromeetria.

Mutagenees ja fenotüpiseerimine
Mitmed meetodid seisnevad mutatsioonide esile kutsumises ja nendest põhjustatud fenotüübi analüüsimises. Näiteks saab geeni funktsiooni analüüsimiseks geene süstemaatiliselt ükshaaval n-ö välja lülitada. RNA interferentsi (RNAi) meetodi abil saab geeniekspressiooni ajutiselt vaigistada. Selleks kasutatakse ~20 aluspaari pikkuseid kaheahelalisi RNA molekule. Setten RL, Rossi JJ, Han S-p (2019). "The current state and future directions of RNAi-based therapeutics". Nat Rev Drug Discov 18, 421–446. doi:10.1038/s41573-019-0017-4 

CRISPR-Cas9 süsteemi abil saab mitmeid geene korraga modifitseerida. CRISPR-Cas9 süsteem kasutab gRNA-d (guide-RNA), mis juhib Cas9 nukleaasi spetsiifilisse DNA piirkonda, kus see teeb DNA järjestusse lõike. See võimaldab antud piirkonnas geene vaigistada, modifitseerida või uusi sisestada. Seejärel parandavad raku loomulikud mehhanismid katke ning soovitud muudatus liidetakse DNA järjestusse. Iga geeni jaoks mõeldud gRNA hulga kvantifitseerimine enne ja pärast eksperimenti võib anda infot hädavajalike geenide kohta. CRISPR-Cas9 avastamist peetakse revolutsiooniliseks, sest see on kiire, lihtne ja odav meetod. Carpenter S, Conlan RS (2021). “Clinical Functional Genomics”. Cancers (Basel), 13(18):4627. doi:10.3390/cancers13184627 

Funktsionaalne genoomika vähiravis
Funktsionaalset genoomikat on edukalt rakendatud täppisvähiravis. Saadud teadmised võimaldavad kasvaja bioloogiast paremini aru saada ja aitavad leida potentsiaalseid biomarkereid ning ravimite sihtmärke. Samuti saab hinnata vähirakkude vastust erinevatele ravimitele. Kamble P, Nagar PR, Bhakhar KA. jt (2024). “Cancer pharmacoinformatics: Databases and analytical tools”. Funct Integr Genomics 24, 166. doi:10.1007/s10142-024-01445-5  Näiteks uurisid Angelova ja kolleegid jämesoolevähi patsientide infiltreeritud immuunrakke ning tuvastasid ravimi võimaliku sihtmärgi. Angelova M, Charoentong P, Hackl H jt (2015). “Characterization of the immunophenotypes and antigenomes of colorectal cancers reveals distinct tumor escape mechanisms and novel targets for immunotherapy”. Genome Biol. 16(1):64. doi:10.1186/s13059-015-0620-6  

Eestis ulatub täppisvähiravi ajalugu ligi paari aastakümne taha, kui haigekassa rahastatavate ravimite sekka lisati esimene sihtmärkravim – Glivec, mida kasutatakse kroonilise müeloidse leukeemia raviks. Nüüd aga liigutakse aina enam kogu genoomi sekveneermise suunas, et avastada kõik võimalikud sihtmärkgeenid, leidmaks sobiv ravim. Siiski pole Eestis veel üldist kokkulepet, millistele patsientidele võiks kogu genoomi sekveneerimist teha. Eelisjärjekorras on metastaatilised haiged ja noored. “Täppisravi sihtmärk - vähk” Vaadatud 10.12.2024 

Bioinformaatilised meetodid
Funktsionaalses genoomikas kasutatavate meetodite tulemusel tekib üüratutes kogustes andmeid. Selleks, et leida nendes andmetes bioloogiliselt olulisi mustreid, kasutatakse bioinformaatikat. Bioinformaatilisi meetodeid saab jagada juhendamata (andmete klasterdamine, peakomponentide analüüs) ja juhendatud (tehisnärvivõrgud, tugivektor-masinad (TVM)) masinõppeks. Greener JG, Kandathil SM, Moffat L jt (2022). "A Guide to Machine Learning for Biologists". Nat Rev Mol Cell Biol 23, 40–55. doi:10.1038/s41580-021-00407-0 

Geneetiline assotsiatsiooniuuring (GWAS) seisneb paljude indiviidide kogu genoomi skaneerimises, et kindlaks määrata geneetilised variandid (üksiknukleotiidsed polümorfismid ehk SNP-id), mis on seotud kindla omaduse või haigusega. Talking Glossary of Genomic and Genetic Terms Vaadatud 10.12.2024 

Väljakutsed ja piirangud
Paljudes multioomika uuringutes kasutatakse endiselt rakuliine ja loommudeleid mitte primaarseid rakke/kudesid. Seetõttu on funktsionaalse genoomika leidude tõlgendamine inimeste haiguste kontekstist üsna suur väljakutse. Ardlie GA, Guigo R (2017). “Data resources for human functional genomics”. Current Opinion in Systems Biology, 1:75–79. doi:10.1016/j.coisb.2016.12.019  Ka ei esine uuritavate seas piisavat populatsoonilist ja demograafilist mitmekesisust. Sirugo jt leidsid, et suurem osa geneetilistest assotsiatsiooniuuringutest viiakse läbi kõrge sissetulekuga riikides. Rahvuse põhjal kaasatakse kõige rohkem isikuid Euroopast (78%) ning vähem Aasiast (10%) ja Aafrikast (2%), mistõttu võib genoomi kliiniline tõlgendamine osutuda vähem esindatud rahvuste jaoks ebausaldusväärseks. Sirugo G., Williams SM., Tishkoff SA (2019). “The Missing Diversity in Human Genetic Studies”. Cell, 177:26–31. doi:10.1016/j.cell.2019.02.048  

Funktsionaalse genoomika teadmisi saab edukalt kasutada kliinilises meditsiinis, aga selle  laialdasemat rakendamist piiravad kõrged kulud. Selleks, et saadud teadmised oleksid kättesaadavad ja kergesti integreeritavad meditsiinisüsteemi, peaks kogu genoomi sekveneerimise hind langema. Siiski peaks haiglaid julgustama pakkuma oma patsientidele genoomi sekveneerimise võimalust, sest võrreldes kaugelearenenud vähiga, on varajases staadiumis avastatud vähi ravimine palju kulutõhusam. Carpenter S, Conlan RS (2021). “Clinical Functional Genomics”. Cancers (Basel), 13(18):4627. doi:10.3390/cancers13184627 

Konsortsiumi projektid
Projekt ENCODE
ENCODE (DNA elementide entsüklopeedia) projekti eesmärgiks on identifitseerida genoomse DNA kõik funktsionaalsed elemendid nii kodeerivas kui ka mitte-kodeerivas regioonis. ENCODE Portal Vaadatud 10.12.2024 

Projekt GTEx 
GTEx (genotüübi-koe ekspressioon) on inimese geneetika projekt, mille eesmärgiks on mõista geneetilise varieeruvuse rolli transkriptoomi varieeruvuse kujundamisel erinevates kudedes. Näiteks on GTEx aidanud mõista ekspressiooni kvantitatiivsete tunnuste lookuste (eQTL) koe-spetsiifilisust. GTEx Portal Vaadatud 10.12.2024 

Funktsionaalne genoomika Eestis
Tartu Ülikooli genoomika instituudis tegutseb funktsionaalse genoomika uurimisgrupp, kus kasutatakse erinevaid bioinformaatilisi meetodeid oluliste geenipiirkondade kaardistamiseks ja nendega seotud haiguste/tunnuste molekulaarsete mehhanismide tuvastamiseks. Eesti geenivaramu teaduskeskus Vaadatud 13.02.2025 

Vaata ka
 Bioinformaatika
 Farmakogenoomika
 Proteoomika
 Transkriptoomika
 Metaboloomika

Viited

Kategooria:Genoomika