Споредбена геномика

Споредбена геномика ― поле на биолошко истражување во кое се споредувани геномските особини на различни организми. Геномските особини може да вклучуваат низа на ДНК, гени, редослед на гени, регулаторни низи и други геномски структурни обележја. Во оваа гранка на геномиката, цели или големи делови од геномите кои произлегуваат од геномските проекти, се споредувани за проучување на основните биолошки сличности и разлики, како и еволутивните односи меѓу организмите. Главното начело на споредбената геномика е дека заедничките особини на два организми честопати ќе бидат кодирани во ДНК што еволутивно е зачувана меѓу нив. Затоа, споредбените геномски пристапи започнуваат со правење некаков облик на усогласување на геномските секвенци и барање ортологни секвенци (секвенци кои имаат заедничко потекло ) во подредените геноми и проверка до кој степен тие низи се зачувани. Врз основа на нив, заклучувани се геномот и молекуларната еволуција и тоа може да биде ставено во контекст на, на пример, фенотипска еволуција или популациона генетика.
Виртуелно започна веднаш штом целиот геном на два организми станаа достапни (т.е. геномите на бактериите ''Haemophilus influenzae'' and ''Mycoplasma genitalium'') во 1995 година, споредбената геномика сега е стандардна компонента на анализата на секоја нова геномска низа. Со зголемувањето на бројот на проекти за геном поради напредокот во технологиите насеквенционирање на ДНК, особено методите за масивното напоредно секвенционирање кон крајот на 2000-тите, ова поле станало пософистицирано, што овозможува да се справи со многу геноми во една студија. Споредбената геномика открила високи нивоа на сличност помеѓу тесно поврзани организми, како што се луѓето и шимпанзата, и, уште поизненадувачки, сличноста помеѓу навидум далечно поврзани организми, како што се луѓето и квасецот''Saccharomyces cerevisiae''. Исто така, ја покажа крајната разновидност на составот на гените во различни еволутивни лози.
1 Историја
''Поврзано'': Историја на геномиката
Споредбената геномика има корен во споредбата на геномите на вирусите во раните 1980-ти. На пример, малите РНК вируси што инфицираат животни (пикорнавируси) и оние што ги инфицираат растенијата (грашест мозаичен вирус) биле споредени и било покажано дека споделуваат значајна сличност во низата и, делумно, редоследот на нивните гени. Во 1986 година, била објавена првата споредбена геномска студија во поголем обем, споредувајќи ги геномите на вирусот варичела-зостер и Епштајн-Баровиот вирус кои содржеле повеќе од 100 гени по секој.
Првата целосна геномска низа на клеточен организам, онаа на ''Haemophilus influenzae'' Rd, била објавена во 1995 година. Вториот труд за секвенционирање на геномот бил за малата паразитска бактерија ''Mycoplasma genitalium'' објавен во истата година. Поаѓајќи од овој труд, извештаите за новите геноми неизбежно станале споредбено-геномски студии.
Микробиолошки геноми
Првиот систем за споредба на целиот геном со висока резолуција на микробиолошки геноми од 10-15 kbp бил развиен во 1998 година од Арт Делчер, Сајмон Касиф и Стивен Салцберг и применет за споредба на цели високо поврзани микробни организми со нивните соработници во Институтот за геномски истражувања. Системот се нарекува MUMmer и е опишан во публикација во списанието ''Nucleic Acids Research'' во 1999 година. Системот им помага на истражувачите да идентификуваат големи преуредувања, мутации на единечна основа, превртувања, тандемско повторувачки ширења и други полиморфизми. Кај бактериите, MUMmer овозможува идентификација на полиморфизми кои се одговорни за вирулентност, патогеност и отпорност на антибиотици. Системот бил применет и на Проектот за минимален организам при Институтот за геномски истражувања и последователно на многу други проекти за споредбена геномика.
Геноми на еукариоти
''Saccharomyces cerevisiae'', лебниот квасец, бил првиот еукариот на кој неговата целосна геномска низа била објавена во 1996 година. По објавувањето на геномот на кружниот црв ''Caenorhabditis elegans'' во 1998 година и заедно со геномот на овошната мува ''Drosophila melanogaster'' во 2000 година, Џералд М. Рубин и неговата група објавиле труд со наслов „''Споредбена геномика на еукариотите''“, во кој тие ги споредиле геномите на еукариотите ''D. melanogaster'', ''C. elegans'' и ''S. cerevisiae'', како и прокариотот ''H. influenzae''. Во исто време, Бони Бергер, Ерик Ландер и нивната група објавиле труд за споредба на целиот геном на човекот и глушецот.
Со објавувањето на големите геноми на 'рбетниците во 2000-тите, вклучително и човекот, јапонската надувувачка риба ''Takifugu rubripes'' и глушецот, претходно пресметаните резултати од споредбите на големиот геном биле објавени за преземање или за гледање во геномски прелистувач. Наместо да преземаат свои анализи, повеќето биолози можат да пристапат до овие големи споредби меѓу видовите и да ја избегнат непрактичноста предизвикана од големината на геномите.
Методите за масивно напоредното секвенционирање, кои првпат биле воведени во 2007 година, произвеле огромна количина на геномски податоци и им овозможиле на истражувачите да создаваат повеќекратни (прокариотски) нацрт-геномски низи одеднаш. Овие методи, исто така, можат брзо да откријат полиморфизми, вметнувања и бришења на единечен нуклеотид со картирање на несклопени читања против добро забележан референтен геном, и на тој начин да обезбедат список на можни генски разлики што може да бидат основа за какви било функционални варијации меѓу соевите.
2 Еволутивни начела
Еден особина на биологијата е еволуцијата, еволутивната теорија е и теоретска основа на споредбената геномика, а во исто време резултатите од споредбената геномика невидено ја збогатиле и ја развиле теоријата на еволуцијата. Кога се споредувани две или повеќе од геномската низа, може да бидат заклучени еволутивните односи на низите во филогенетското дрво. Врз основа на различни податоци од биолошкиот геном и проучување на вертикалните и хоризонталните постапки на еволуцијата, може да бидат разбрани виталните делови од структурата на генот и неговата регулаторна функција.
Сличноста на сродните геноми е основата на споредбената геномика. Ако две суштества имаат неодамнешен заеднички предок, разликите помеѓу геномите на двата вида еволуирале од геномот на предците. Колку е поблиска врската помеѓу два организми, толку се поголеми сличностите меѓу нивните геноми. Ако постои блиска врска меѓу нив, тогаш нивниот геном ќе прикаже линеарно однесување (синтенија), имено некои или сите генетски низи се зачувани. Така, геномските низи може да бидат користени за да биде идентификувана функцијата на генот, со анализа на нивната хомологија (сличност на низата) со гени со позната функција.
Ортологните низи се сродни низи во различни видови: ген постои во првобитниот вид, видот поделен на два вида, така што гените во новите видови се ортологни на низата во првобитниот вид. Паралогните низи се одвојуваат со генско клонирање (удвојување на гените): ако одреден ген во геномот е копиран, тогаш копијата од двете секвенци е паралогна на првобитниот ген. Еден пар ортологни низи се нарекуваат ортологни парови (ортолози), еден пар паралогни низи се нарекувани колатерални парови (паралози). Ортологните парови обично имаат иста или слична функција, што не е нужно случај за колатералните парови. Во колатералните парови, низите имаат тежнеење да еволуираат во различни функции.
Споредбената геномика ги искористува и сличностите и разликите во белковините, РНК и регулаторните региони на различни организми за да заклучи како одбирањето дејствувала врз овие елементи. Оние елементи кои се одговорни за сличностите меѓу различните видови треба да бидат зачувани низ времето (стабилизирачко одбирање), додека оние елементи одговорни за разликите меѓу видовите треба да бидат дивергентни (позитивно одбирање). Конечно, оние елементи кои не се важни за еволутивниот успех на организмот нема да бидат зачувани (одбирањето е неутрално).
Една од важните цели на теренот е идентификација на механизмите на еволуцијата на еукариотскиот геном. Меѓутоа, често е усложувано со мноштвото настани што се случиле низ историјата на поединечните лози, оставајќи само искривени и надредени траги во геномот на секој жив организам. Поради оваа причина, споредбените геномски студии на мали моделни организми (на пример, моделот ''Caenorhabditis elegans'' и тесно поврзаниот ''Caenorhabditis briggsae'') се од голема важност за да биде унапредено разбирањето за општите механизми на еволуцијата.
3 Методи
Сметачките пристапи се неопходни за споредување на геномот, со оглед на големиот број на податоци кодирани во геномите. Многу алатки сега се јавно достапни, почнувајќи од споредби на целиот геном до анализа на генско изразување. Ова ги вклучува пристапите од системите и контролата, теоријата на информации, анализата на соеви и рударењето податоци. Сметачките пристапи ќе останат критични за истражување и настава, особено кога науката за информации и биологијата на геномот се изучувани заедно.
Споредбената геномика започнува со основни споредби на големината на геномот и генската густина. На пример, големината на геномот е важна за капацитетот за кодирање и можеби поради регулаторни причини. Високата генска густина ја олеснува прибелешката на геномот, анализата на селекција на животната средина. Спротивно на тоа, ниската генска густина го попречува картирањето на генетските болести како во човечкиот геном.
3.1 Порамнување на низата
Порамнувањата се користени за забележување информации за слични низи како што се потеклото, заедничкото еволутивно потекло или заедничката структура и функција. Порамнувања може да бидат направени и за генските и за белковинските низи. Порамнувањата се состојат од месни или општи порамнувања во пар, и порамнувања на повеќе низи. Еден начин да бидат најдени општи порамнувања е да биде користен динамичен програмски алгоритам познат како Нидлман-Вуншовиот алгоритам. Овој алгоритам може да биде изменет и да биде користен за наоѓање месни порамнувања.
3.2 Филогенетска реконструкција
Друг сметачки метод за споредбена геномика е филогенетската реконструкција. Користена е за опишување на еволутивните односи во однос на заедничките предци. Врските обично се претставени во дрво наречено филогенетско дрво. Слично на тоа, теоријата за спојување е ретроспективен модел за следење на алели на ген во население на единствена копија од предците споделена од членовите на населението. Ова е исто така познато како најнов заеднички предок. Анализата заснована на теоријата на спојување се обидува да го предвиди времето помеѓу воведувањето на мутација и одреден алел или генска распределба во населението. Овој временски период е еднаков на тоа колку долго постоел најновиот заеднички предок. Односите на наследување се гледани во облик слична на филогенетско дрво. Соединувањето (или генеалогијата на гените) може да биде видено со помош на дендрограми.
3.3 Геномски карти
Дополнителен метод во споредбената геномика е генетското картирање. Во генетското картирање, гледањето на синтенијата е еден начин да биде виден зачуваниот редослед на гени на хромозомите. Обично е користено за хромозоми од сродни видови, кои се резултат на заеднички предок. Овој и други методи можат да фрлат светлина врз еволутивната историја. Една неодамнешна студија користела споредбена геномика за реконструкција на 16 кариотипови на предците низ филогенијата на цицачите. Сметачката реконструкција покажала како хромозомите биле преуредени за време на еволуцијата на цицачите. Таа дала увид во зачувувањето на одредени региони кои често се поврзувани со контролата на развојните постапки. Покрај тоа, таа помогнала да биде обезбедено разбирање за еволуцијата на хромозомите и генетските болести поврзани со преуредувањето на ДНК.
4 Алатки
Сметачките алатки за анализа на низи и целосни геноми брзо се развивани поради достапноста на голема количина геномски податоци. Во исто време, алатките за споредбена анализа се напредувани и подобрувани. Во предизвиците за овие анализи, многу е важно да бидат видени споредбените резултати.
Гледањето на зачувувањето на низата е тешка задача на споредбената анализа на низата. Како што е познато, многу е неефикасно рачно да биде испитано порамнувањето на долгите геномски региони. Прелистувачите за геном кои се на интернет обезбедуваат многу корисни алатки за истражување на геномските низи поради интегрирање на сите биолошки информации засновани на секвенци за геномските региони. Кога извлекуваме големо количество релевантни биолошки податоци, тие можат да бидат многу лесни за употреба и да одземаат помалку време.* UCSC Browser: Ова мрежно место ја содржи референтната низа и работните нацрт склопови за голема збирка геноми.* Ensembl: Проектот Ensembl произведува геномски бази на податоци за 'рбетници и други еукариотски видови и ги прави овие информации слободно достапни на интернет.* MapView: Прегледувачот на карти обезбедува широк спектар на податоци за картирање и секвенционирање на геномот.* VISTA е сеопфатен пакет на програми и бази на податоци за споредбена анализа на геномските низи. Изграден е за да бидат видени резултатите од споредбената анализа врз основа на усогласувањата на ДНК. Претставувањето на споредбените податоци создадени од VISTA лесно може да одговара и на мали и големи размери на податоци.* BlueJay Genome Browser: самостојна алатка за повеќеразмерно гледање на означени геноми и други геномски елементи.
Предноста на користењето семрежни алатки е тоа што овие мрежни места постојано се развивани и ажурирани. Има многу нови поставки и содржината може да биде користена семрежно за да биде подобрена ефикасноста.
5 Избрани примени
5.1 Земјоделство
Земјоделството е област која ги користи придобивките од споредбената геномика. Идентификувањето на локусите на поволните гени е клучен чекор во одгледувањето култури кои се оптимизирани за поголем принос, економичност, квалитет и отпорност кон болести. На пример, една студија за поврзување на ниво на геном, спроведена на 517 домородни сорти ориз, открила 80 локуси поврзани со неколку категории на агрономски перформанси, како што се тежината на зрната, содржината на амилоза и толеранцијата кон суша. Многу од локусите биле претходно некарактеризирани. Оваа методологија не само што е моќна, туку е и брза. Претходните методи за идентификација на локуси поврзани со агрономските перформанси барале неколку генерации на внимателно следено размножување на матичните соеви, напор кој одзема многу време и е непотребен за споредбени геномички студии.
5.2 Медицина
5.2.1 Развој на вакцини
Медицинското поле, исто така, има корист од проучувањето на споредбената геномика. Во пристапот познат како обратна вакцинација, истражувачите можат да откријат кандидатски антигени за развој на вакцини преку анализа на геномот на патогенот или семејството патогени. Примената на споредувачки геномски пристап преку анализа на геномите на неколку поврзани патогени може да доведе до развој на вакцини кои се повеќезаштитни. Група истражувачи употребила таков пристап за да создаде универзална вакцина за стрептокока од групата Б, група бактерии одговорни за тешка неонатална инфекција. Споредбената геномика, исто така, може да биде користена за создавање специфичност на вакцините против патогени кои се тесно поврзани со комензалните микроорганизми. На пример, истражувачите користеле споредбена геномска анализа на комензалните и патогените соеви на ''E. coli'' за да ги идентификуваат гените специфични за патогенот како основа за пронаоѓање на антигени кои резултираат со имунолошки одговор против патогените соеви, но не и комензалите. Во мај 2019 година, користејќи го Општиот геномски сет, група во Обединетото Кралство и Австралија, секвенционирале илјадници општо собрани изолати на , обезбедувајќи потенцијални цели за развој на вакцина против патогенот, исто така познат како ''S. pyogenes''.
5.2.2 Моделни глувци во имунологијата
Т-клетките (исто така познати како Т-лимфоцити или тимоцити) се имунолошки клетки кои растат од матични клетки во коскената срцевина. Тие помагаат да биде заштитено телото од инфекции и може да помогне во борбата против ракот. Поради нивната морфолошка, физиолошка и генетска сличност со луѓето, глувците и стаорците долго време се претпочитани видови за биомедицински истражувачки животински модели. Споредбеното медицинско истражување е изградено на способноста да бидат користени информации од еден вид за да бидат разбрани истите постапки во друг вид. Може да бидат добиени нови сознанија за молекуларните патишта со споредување на Т-клетките на човекот и глушецот и нивните ефекти врз имунолошкиот систем користејќи споредбена геномика. Со цел да ги разбере неговите рецептори на Т-клетки и нивните гени, Глусман спроведе истражување за секвенционирање на локусите на рецепторот на Т-клетките на човекот и глувчето. Гените со рецептори на Т-клетки се добро познати и служат како значаен ресурс за поддршка на функционалната геномика и разбирање како гените и меѓугенските региони на геномот придонесуваат за биолошките постапки.
Имуните рецептори на Т-клетките се важни за да биде види светот на патогени во клеточниот имунолошки систем. Една од причините за секвенционирање на локусите со рецептори на Т-клетки на човекот и глушецот било да бидат совпаднати низите на ортологното семејство на гени и да бидат откриени зачуваните области користејќи споредбена геномика. Било сметано дека тие ќе одразуваат два вида биолошки информации: (1) егзони и (2) регулаторни низи. Всушност, поголемиот дел од егзоните V, D, J и C може да бидат идентификувани во овој метод. Променливите региони се кодирани од повеќе уникатни ДНК елементи кои се преуредени и поврзани за време на диференцијацијата на Т-клетките (рецептор на Т-клетка): променлива (V), разновидност (D) и спојувачки (J) елементи за и полипептидите; и елементите V и J за полипептидите. [Слика 1] Сепак, биле прикажани неколку кратки некодирачки зачувани блокови на геномот. И човечките и мотивите на глушецот се во голема мера групирани во 200 bp [Слика 2], познатите 3' засилувачи во рецепторот на Т-клетка биле идентификувани и зачувана област од 100 bp во интронот J на глувчето последователно била покажана дека има регулаторна функција.
Споредбите на геномските низи во секоја физичко место или наоѓање на специфичен ген на хромозомот и меѓу видовите овозможуваат истражување на други механизми и други регулаторни сигнали. Некои предлагаат нови хипотези за еволуцијата на рецептори на Т-клетки, кои треба да бидат тестирани (и подобрени) во споредба со генскиот комплемент на рецепторот на Т-клетка на другите видови 'рбетници. Споредбеното геномско истражување на луѓето и глувците очигледно ќе овозможи откривање и прибележување на многу други гени, како и идентификување кај други видови за регулаторни низи.
5.3 Истражување
Споредбената геномика, исто така, отвора нови патишта во други области на истражување. Како што технологијата за секвенционирање на ДНК стана подостапна, бројот на секвенционирани геноми расте. Со зголемениот резервоар на достапни геномски податоци, порасна и моќта на споредбените геномски заклучоци.
Забележителен случај на оваа зголемена моќ е пронајден во неодамнешното истражување кај приматите. Споредбените геномски методи им овозможило на истражувачите да собираат информации за генетската варијација, диференцијалното генско изразување и еволутивната динамика кај приматите кои биле незабележливи со користење на претходни податоци и методи.
5.3.1 Проект за геномот на големиот човеколик мајмун
Проектот за геномот на големиот човеколик мајмун користел споредбени геномски методи за да ги истражи генетските варијации во однос на шесте видови големи човеколики мајмуни, пронаоѓајќи здрави нивоа на варијација во нивниот генски фонд и покрај намалувањето на големината на населението. Друга студија покажала дека моделите на метилација на ДНК, кои се познат механизам за регулирање на генското изразување, се разликуваат во префронталниот кортекс на луѓето наспроти шимпанзата и ја вмешани оваа разлика во еволутивната дивергенција на двата вида.
6 Поврзано
* Податочно рударење
* Молекуларна еволуција
* Споредбена анатомија
* Хомологија
* Низно рударење
* Анализа на низа без порамнување