Патогеномика

Патогеномика ― поле кое користи технологија за преглед со висока пропусна моќ и биоинформатика за проучување на кодирана отпорност на микроби, како и фактори на вирулентност, кои му овозможуваат на микроорганизмот да зарази домаќин и евентуално да предизвика болест. Ова вклучува проучување на геномите на патогени кои не можат да бидат одгледувани надвор од домаќинот. Во минатото, на истражувачите и медицинските работници им било тешко да ги проучуваат и разберат патогените особини на заразните организми. Со понова технологија, геномите на патогени може да бидат идентификувани и секвенционирани за многу пократко време и по пониска цена, со што е подобрена способноста за дијагностицирање, лекување, па дури и предвидување и спречување на патогени инфекции и болести. Исто така, им овозможило на истражувачите подобро да ги разберат настаните од еволуцијата на геномот - губење на ген, добивка, удвојување, преуредување - и како тие настани влијаат на отпорноста на патогенот и способноста да предизвикаат болест. Овој прилив на информации создал потреба од биоинформатички алатки и бази на податоци за да бидат анализирани и да бидат направени достапни огромни количини на податоци за истражувачите, и покренало етички прашања за мудроста на реконструкција на претходно изумрените и смртоносни патогени со цел за подобро разбирање на вирулентноста.
1 Историја
Во претходните времиња кога била проучувана геномиката, научниците сметале дека е предизвик да бидат секвенционирани генетските информации. Полето почнало да се проширува во 1977 година кога Фред Сенгер, д-р, заедно со неговите колеги, го секвенционирале геномот на бактериофаг заснован на ДНК, користејќи метод кој сега е познат како Сенгеров метод. Сенгеровиот метод за секвенционирање на ДНК експоненцијално напредна молекуларна биологија и директно довело до способност за секвенционирање на геномите на други организми, вклучувајќи го и целосниот човечки геном.
Геномот на ''Haemophilus influenzae'' бил еден од првите геноми на организми кои биле секвенционирани во 1995 година од страна на Џ. Крег Вентер и Хамилтон Смит користејќи секвенционирање со „сачмарки“ на целиот геном. Оттогаш, развиено е поновото и поефикасно секвенционирање со висок пропусен опсег, како што се Геномско секвенционирање со т.н. „следна генерација“ и геномско секвенционирање со една клетка. Додека Сенгеровиот метод може да секвенционира по еден фрагмент на ДНК, технологијата со „следна генерација“ може да секвенционира илјадници секвенци истовремено. Со способноста за брзо секвенционирање на ДНК, биле развиени нови сознанија, како што е откритието дека со оглед на тоа што прокариотските геноми се поразновидни отколку што првично било мислено, неопходно е да бидат секвенционирани повеќе соеви во еден вид, а не само неколку.''E.coli'' била пример за тоа зошто е ова важно, со гени кои кодираат вирулентни фактори во два соја на видот кои се разликуваат за најмалку триесет проценти. Таквото знаење, заедно со потемелно проучување на добивката, загубата и промената на геномот, им дава на истражувачите вреден увид за тоа како патогените општат во средината на домаќините и како тие се способни да ги инфицираат домаќините и да предизвикаат болест.
2 Патогенска биоинформатика
Со овој голем прилив на нови информации, се појавила поголема побарувачка за биоинформатика, така што научниците можат правилно да ги анализираат новите податоци. Како одговор, софтвер и други алатки биле развиени за оваа намена. Исто така, од 2008 година, количината на зачувани секвенци била удвојувана на секои 18 месеци, што ја прави итна потребата за подобри начини за организирање на податоците и помагање во истражувањето. Како одговор, биле создадени многу јавно достапни бази на податоци и други ресурси, вклучувајќи ја програмата за патогени NCBI, Центарот за интеграција на ресурсите на патосистеми, Pathogenwatch, Базата на податоци за вирулентен фактор на патогени бактерии, Викторсовата база на податоци за вирулентни фактори кај човечки и животински патогени. До 2022 година, најсеквенционирани патогени биле ''Salmonella enterica'' и ''E. coli - Shigella.'' Технологиите за секвенционирање, биоинформатичките алатки, базите на податоци, статистиката поврзана со геномите на патогените и примената во форензиката, епидемиологијата, клиничката пракса и безбедноста на храната се опширно разгледани.
3 Анализа на микроби
Патогените може да бидат прокариотски (археи или бактерии), едноклеточни еукариоти или вируси. Прокариотските геноми обично се полесни за секвенционирање поради помалата големина на геномот во споредба со евкариотите. Поради ова, постои пристрасност во пријавувањето на патогеното бактериско однесување. Без оглед на оваа пристрасност во известувањето, многу од динамичните геномски настани се слични кај сите врсти патогени организми. Геномската еволуција се јавува преку генска добивка, загуба на ген и преуредување на геномот, а овие „настани“ се забележани во повеќе геноми на патогени, при што некои бактериски патогени ги доживуваат сите три. Сепак, патогеномиката не се насочува исклучиво на разбирање на меѓудејствијата патоген со домаќин. Увидот на поединечното или соработничкото однесување на патогенот обезбедува знаење за развојот или наследувањето на факторите на вирулентност на патогенот. Преку подлабоко разбирање на малите подединици кои предизвикуваат инфекција, може да биде возможно да бидат развиени нови терапевтски средства кои се ефикасни и исплатливи.
3.1 Причина и анализа на геномската разновидност
Динамични геноми со висока обликуваност се неопходни за да им биде овозможено на патогените, особено бактериите, да преживеат во променливи средини. Со помош на методите за секвенционирање со висока пропусна моќ и технологиите со сметање, можно е да бидат забележани, споредени и каталогизирани многу од овие динамични геномски настани. Геномската разновидност е важна кога се открива и третира патогенот бидејќи овие настани можат да ја променат функцијата и структурата на патогенот. Постои потреба да биде анализирана повеќе од една геномска секвенца на видот на патогенот за да бидат разбрани механизмите на патогенот. Споредбената геномика е методологија која им овозможува на научниците да ги споредуваат геномите на различни видови и соеви. Постојат неколку примери на успешни споредбени геномски студии, меѓу нив и анализа на ''Listeria'' и ''Escherichia coli''. Некои студии се обиделе да ја решат разликата помеѓу патогени и непатогени микроби. Сепак, ова истражување се покажува како тешко, бидејќи еден бактериски вид може да има многу соеви, а геномската содржина на секој од овие соеви варира.
3.1.1 Еволутивна динамика
Различни соеви на микроби и геномска содржина се предизвикани од различни сили, вклучувајќи три специфични еволутивни настани кои имаат влијание врз отпорноста на патогенот и способноста да предизвикаат болест, а: добивка на ген, загуба на ген и преуредување на геномот.
3.1.1.1 Губење на гените и распаѓање на геномот
Губење на гените се случува кога гените се бришени. Причината зошто тоа се случува сè уште не е целосно разбрана, иако најверојатно вклучува приспособување на нова средина или еколошка ниша. Некои истражувачи веруваат дека загубата на ген всушност може да ја зголеми кондицијата и преживувањето меѓу патогените. Во ново опкружување, некои гени може да станат непотребни за опстанок, и затоа мутациите на крајот се „дозволени“ на тие гени додека не станат неактивни „псевдогени“. Овие псевдогени се забележани кај организми како што се ''Shigella flexneri, Salmonella enterica,'' и ''Yersinia pestis.'' Со текот на времето, псевдогените се бришени, а организмите стануваат целосно зависни од нивниот домаќин или како ендосимбионти или како обврзувачки интрацелуларни патогени, како што е гледано во ''Buchnera, Myobacterium leprae и Chlamydia trachomatis''. Овие избришани гени се нарекуваат и антивирулентни гени, бидејќи е сметано дека тие можеби го спречиле организмот да стане патоген. За да биде повирулентен, да зарази домаќин и да остане жив, патогенот мораше да се ослободи од тие антивирулентни гени. Може да се случи и обратна постапка, како што било забележано при анализата на соевите на ''Listeria'', која покажа дека намалената големина на геномот довело до непатоген сој на ''Listeria'' од патоген сој. Развиени се системи за откривање на овие псевдогени/антивирулентни гени во геномска секвенца.
3.1.1.2 Добивка и удвојување на гени
Сметано е дека една од клучните сили кои ја поттикнуваат добивката на генот е хоризонталниот (страничен) пренос на гени. Тоа е од особен интерес за микробните студии бидејќи овие подвижни генетски елементи може да внесат вирулентни фактори во нов геном. Споредбена студија спроведена од Гил и колегите во 2005 година, навела дека страничниот пренос на гени можеби е причина за варијации на патогенот помеѓу ''Staphylococcus epidermidis'' и ''Staphylococcus aureus''. Сепак, сè уште останува скептицизам за зачестеноста на страничниот пренос на гени, неговата идентификација и неговото влијание. Ангажирани се нови и подобрени методологии, особено во проучувањето на филогенијата, за да се потврди присуството и ефектот на страничен пренос на гени. Настаните за добивање на ген и удвојување на ген се урамнотежени со губење на генот, така што и покрај нивната динамична природа, геномот на бактерискиот вид останува приближно со иста големина.
3.1.1.3 Преуредување на геномот
Подвижните генетски секвенци за вметнување можат да играат улога во активностите за преуредување на геномот. Утврдено е дека патогените кои не живеат во изолирана средина содржат голем број на елементи на секвенцата на вметнување и разни повторливи сегменти на ДНК. Сметано е дека комбинацијата на овие два генетски елементи помага во посредувањето на хомолошката рекомбинација. Постојат патогени, како што се ''Burkholderia mallei,'' и ''Burkholderia pseudomallei'' за кои е докажано дека покажуваат преуредувања на целиот геном поради вметнување секвенци и повторувачки сегменти ДНК. Во овој момент, ниту една студија не покажува дека настаните од преуредување на геномот директно предизвикуваат патогено однесување кај микробите. Ова не значи дека не е можно. Сепак, преуредувањата ширум геномот придонесуваат за обликувањето на бактерискиот геном, што може да ги подготви условите за други фактори да воведат или изгубат вирулентни фактори.
3.1.1.4 Еднонуклеотидни полиморфизми
Единечните нуклеотидни полиморфизми, овозможуваат широк спектар на генетски варијации меѓу луѓето, како и патогени. Тие им овозможуваат на истражувачите да проценат различни фактори: ефектите на отровите од околината, како различните методи на лекување влијаат на телото и што предизвикува нечија предиспозиција за болести. Единечните нуклеотидни полиморфизми играат клучна улога во разбирањето како и зошто се случуваат мутациите. Единечните нуклеотидни полиморфизми исто така им овозможува на научниците да картираат геноми и да анализираат генетски информации.
3.1.2 Геноми со пан и јадро
Преглед на пан-геном е најновата дефиниција за бактериски вид доаѓа од предгеномското време. Во 1987 година, било предложено дека бактериските соеви кои покажуваат >70% реасоцијација на ДНК·ДНК и споделување на карактеристични фенотипски особини треба да бидат сметани за соеви од истиот вид. Разновидноста во геномите на патогенот го отежнува идентификувањето на вкупниот број на гени кои се поврзани во сите соеви на видот на патогенот. Се смета дека вкупниот број на гени поврзани со еден вид патоген може да биде неограничен, иако некои групи се обидуваат да извлечат поемпириска вредност. Поради оваа причина, било неопходно да биде воведен концептот на пан-геномите и основните геноми. Книжевноста на пан-геномот и основниот геном, исто така, има тежнеење да има пристрасност кон известување за прокариотски патогени организми. Можеби ќе треба да биде внимавано кога се проширува дефиницијата за пан-геном или јадро-геном на другите патогени организми бидејќи нема формален доказ за својствата на овие пан-геноми.
Основниот геном е збир на гени кои се наоѓаат кај сите видови на патогени видови. Пан-геномот е целиот генски базен за тој вид на патоген и вклучува гени што не ги споделуваат сите соеви. Пан-геномите може да бидат отворени или затворени во зависност од тоа дали споредбената анализа на повеќе соеви не открива нови гени (затворени) или многу нови гени (отворени) во споредба со основниот геном за тој вид патоген. Во отворениот пан-геном, гените може дополнително да се одликуваат како незаменливи или специфични за соеви. Непотребни гени се оние кои се наоѓаат во повеќе од еден вид, но не во сите видови, на видови патогени. Специфични гени за сој се оние кои се наоѓаат само во еден вид на патоген вид. Разликите во пан-геномите се одраз на животниот стил на организмот. На пример, ''Streptococcus agalactiae'', кој постои во различни биолошки ниши, има поширок пан-геном во споредба со изолираниот во животната средина, ''Bacillus anthracis''. Споредбените геномски пристапи исто така се користени за да биде разбрано повеќе за пан-геномот. Неодамнешните откритија покажуваат дека бројот на нови видови продолжува да расте со околу 10<sup>31</sup> бактериофаги на планетата со оние бактериофаги кои инфицираат 10<sup>24</sup> други во секунда, а постојаниот проток на генетски материјал што е разменуван е тешко да биде замислен.
3.1.3 Вирулентни фактори
Повеќекратните генетски елементи на патогени кои влијаат на човекот придонесуваат за пренос на вирулентни фактори: плазмиди, остров на патогеност, профаги, бактериофаги, транспозони и интегративни и конјугативни елементи. Островите на патогеност и нивното откривање се во фокусот на неколку биоинформатички напори вклучени во патогеномиката. Општо е верувањето дека „бактериските соеви во животната средина“ немаат капацитет да им наштетат или да нанесат штета на луѓето. Сепак, неодамнешните студии покажуваат дека бактериите од водните средини имаат стекнато патогени соеви преку еволуцијата. Ова им овозможува на бактериите да имаат поширок опсег на генетски одлики и може да предизвикаат потенцијална закана за луѓето од која има поголема отпорност кон антибиотиците.
3.2 Меѓудејствија на микроби со микроби
Меѓудејствијата на микроб со домаќин имаат тежнеење да го засенат разгледувањето на меѓудејствијата на микроб со микроб. Меѓутоа, меѓудејствијата на микробите со микробите може да доведат до хронични состојби на немоќ кои се тешки за разбирање и лекување.
3.2.1 Биофилмови
Биофилмовите се пример за меѓудејствија меѓу микроби и микроби и се сметани дека се поврзани со до 80% од човечките инфекции. Неодамна се покажа дека постојат специфични гени и белковини на клеточната површина вклучени во образувањето на биофилмот. Овие гени, а исто така и површинските белковини може да бидат видени одликите преку сметачки методи за да се образен изразен профил на бактерии кои општат со биофилмот. Овој изразен профил може да биде користен во последователна анализа на други микроби за да се предвиди однесувањето на микробите на биофилмот или да биде разбрано како да биде демонтирано образувањето на биофилмот.
4 Анализа на микроб домаќин
Патогените имаат способност да ги приспособуваат и манипулираат клетките домаќини, целосно искористувајќи ги клеточните постапки и механизми на клетката домаќин.
Еден микроб може да биде под влијание на домаќините или да се прилагоди на својата нова средина или да научи да ја избегнува. Увид во овие однесувања ќе обезбеди корисен увид за потенцијалните терапевти. Најдеталниот преглед на иницијативите за меѓудејство домаќин со микроб е наведен во Европската агенда за истражување на патогеномика. Нејзиниот извештај ги нагласува следниве особини:
*''Анализа на микрочипови на генското изразување на домаќинот и микробот за време на инфекција''. Ова е важно за идентификување на изразувањето на вирулентните фактори кои овозможуваат патогенот да го преживее одбранбениот механизам на домаќинот. Патогените имаат тежнеење да бидат подложени на асортиман на промени со цел да го поткопаат имунолошкиот систем и домаќините, во некои случаи сакајќи хиперпроменлива состојба на геном. Студиите за геномското изразување ќе бидат надополнети со студии за мрежи за меѓудејствие помеѓу белковина со белковина.*''Користење на интерференција на РНК за да бидат идентификувани функциите на клетката домаќин како одговор на инфекции''. Инфекцијата зависи од рамнотежата помеѓу одликите на клетката домаќин и клетката на патогенот. Во некои случаи, може да има хиперактивен одговор на домаќинот на инфекција, како на пример кај менингитис, кој може да го надмине телото на домаќинот. Со користење на РНК, ќе биде можно појасно да биде идентификувано како клетката домаќин се брани за време на акутна или хронична инфекција. Ова исто така успешно применувано е во Drosophila.*''Не сите меѓудејствија на микроби во околината на домаќинот се злонамерни.'' Комензалната флора, која постои во различни средини кај животните и луѓето, всушност може да помогне во борбата против микробните инфекции. Човечката флора, како што е цревата на пример, е дом на огромен број микроби.
Различната заедница во цревата е најавена како витална за здравјето на луѓето. Во тек се голем број проекти за подобро разбирање на екосистемите на цревата. Редоследот на комензалниот сој SE11 на ''Escherichia coli'', на пример, е веќе утврден од фекалната материја на здрав човек и ветува дека ќе биде прва од многуте студии. Преку геномска анализа и, исто така, последователна анализа на белковини, ќе биде истражено подобро разбирање на корисни својства на комензалната флора со надеж дека ќе се разбере како да се изгради подобар терапевтски лек.
4.1 Еко-ево гледиште
Гледиштето „еко-ево“ за меѓудејствијата патоген со домаќин ги нагласува влијанијата на екологијата и животната средина врз еволуцијата на патогенот. Динамичните геномски фактори како што се губењето на генот, добивката на гените и преуредувањето на геномот, сите се под силно влијание на промените во еколошката ниша каде што престојува одреден микробен вид. Микробите може да бидат префрлени од патогени и непатогени поради променливата средина. Ова било докажано за време на студиите за чумата, ''Yersinia pestis'', која очигледно еволуирала од благ гастроинтестинален патоген до многу високо патоген микроб преку динамични геномски настани. За да биде случена колонизација, мора да има промени во биохемискиот состав за да се помогне во опстанокот во различни средини. Ова најверојатно се должи на механизмот кој и овозможува на клетката да ги почувствува промените во околината, со што влијае на промената во генското изразување. Разбирањето на тоа како овие промени на сојот се случуваат од ниски или непатогени до високо патогени и обратно, може да помогне во развојот на нови терапевтски средства за микробни инфекции.
5 Примени
Здравјето на луѓето е значително подобрено и стапката на смртност значително се намали од Втората светска војна поради подобрената хигиена поради промената на прописите за јавно здравје, како и поради полесно достапните вакцини и антибиотици. Патогеномиката ќе им овозможи на научниците да го прошират она што го знаат за патогени и непатогени микроби, со што ќе се овозможат нови и подобрени вакцини. Патогеномиката има и поширока последица, вклучително и спречување на биотероризам.
5.1 Обратна вакцинација
Обратната вакцинација е релативно нова. Додека истражувањето сè уште е спроведувано, имало откритија со патогени како што се ''Streptococcus'' и менингитис. Методите за производство на вакцини, како што се биохемиските и серолошките, се макотрпни и несигурни. Тие бараат патогените да бидат ин витро за да бидат ефективни. Новите достигнувања во развојот на геномот помагаат да бидат предвидени речиси сите варијации на патогени, со што е постигнуван напредок за вакцините. Развивани се вакцини засновани на белковини за борба против отпорни патогени како што се ''Staphylococcus'' и ''Chlamydia''.
5.2 Спротивставување на биотероризмот
Во 2005 година, секвенцата на шпанскиот грип од 1918 година била завршена. Во придружба на филогенетска анализа, било можно да биде обезбеди подробен приказ на еволуцијата и однесувањето на вирусот, особено неговата приспособување кон луѓето. По секвенционирањето на шпанскиот грип, патогенот исто така бил реконструиран. Кога бил вметнат во глувци, патогенот се покажал како неверојатно смртоносен. Нападите со антракс од 2001 година фрлиле светлина врз можноста биотероризмот да биде повеќе вистинска отколку замислена закана. Биотероризмот бил очекуван во војната во Ирак, при што војниците биле инокулирани за напад на сипаници. Користејќи ги технологиите и увидот добиен од реконструкцијата на шпанскиот грип, можеби ќе биде можно да бидат спречени идни смртоносни засадени епидемии на болести. Сепак, постои силна етичка загриженост за тоа дали е неопходно воскреснувањето на старите вируси и дали тоа прави повеќе штета отколку корист. Најдобар начин за спротивставување на таквите закани е координацијата со организациите кои обезбедуваат имунизација. Зголемената свест и учество во голема мера би ја намалиле ефикасноста на потенцијалната епидемија. Дополнување на оваа мерка би било следење на природните резервоари за вода како основа за спречување на напад или појава. Претежно, општењето помеѓу лабораториите и големите организации, како што е Светската мрежа за предупредување и одговор за појава на епидемии, може да доведе до рано откривање и да спречи таква појава.
6 Поврзано
* Кибербезбедност - поле во сметачката безбедност кое е во подем