Xenómica comparada

A xenética comparada é un campo da investigación biolóxica na cal se comparan as características xenómicas de diferentes organismos. As características xeómicas poden incluír a secuencia de ADN, xenes, orde dos xenes, secuencias regulatorias e outros puntos de referencia estruturais xenómicos. Nesta rama da xenómica, compáranse grandes partes do xenoma ou o xenoma completo resultantes dos proxectos xenoma para estudar semellanzas e diferenzas biolóxicas básicas así como as relacións evolutivas entre organismos. O principio básico da xenómica comparada é que as características comúns de dous organismos serán a miúdo codificadas por ADN que está conservada evolutivamente entre eles. Por tanto, as estratexias da xenómica comparada empezan facendo algunha forma de aliñamento de secuencias xenómicas e buscando secuencias ortólogas (secuencias que comparten unha ascendencia común) nos xenomas aliñados e comprobando en que medida estas secuencias están conservadas. Baseándose nisto, infirense a evolución do xenoma e a molecular e isto, á súa vez, pode poñerse en contexto, por exemplo, na evolución fenotípica ou na xenética de poboacións.
Empezou virtualmente axiña que se puido dispoñer, en 1995, dos xenomas completos de dous organismos (que foron os xenomas das bacterias Haemophilus influenzae e Mycoplasma genitalium), e agora a xenómica comparada é un compoñente estándar da análise de cada nova secuencia de xenómica. Coa exposición no número de proxectos xenoma debido aos avances nas tecnoloxías de secuenciación do ADN, especialmente os métodos de secuenciación de seguinte xeración a finais da década do 2000, este campo fíxose mais sofisticado, facendo posible tratar con moitos xenomas nun só estudo. A xenómica comparada revelou a existencia de grandes niveis de similitude entre organismos estreitamente relacionados, como os humanos e os chimpancés e, máis sorprendentemente, a semellanza entre organismos que teñen unha relación moi distante, como humanos e o lévedo Saccharomyces cerevisiae. Tamén mostrou a extrema diversidade da composición xénica en diferentes liñaxes evolutivas. Historia
A xenómica comparativa ten as súas raíces na comparación dos xenomas de virus que se empezou a facer a inicios da década de 1980. Por exemplo, comparáronse os pequenos virus de ARN que infectan animais (picornavirus) e plantas (virus do mosaico de Vigna unguiculata) e viuse que compartían unha similitude de secuencia significativa e, en parte, a orde dos xenes. En 1986, publicouse o primeiro estudo xenómico comparativo a grande escala que comparaba os xenomas do virus da varicela-zóster e do virus de Epstein-Barr, que contñan máis de 100 xenes cada un.
A primeira secuencia xenómica completa dun organismo celular foi o da bacteria Haemophilus influenzae Rd, que se publicou en 1995. O segundo artigo de secuenciación dun xenoma bacteriano que apareceu foi o da pequena bacteria parasita Mycoplasma genitalium publicado ese mesmo ano. Empezando por ese artigo, os informes de novos xenomas levaron inevitablemente a facer estudos de xenómica comparada.
Xenomas microbianos. O primeiro sistema de comparación de xenomas completos de alta resolución de xenomas microbianos de 10-15kbp desenvolvérono en 1998 Art Delcher, Simon Kasif e Steven Salzberg cos seus colaboradores do Instituto para a Investigación Xenómica (TIGR) e aplicárono á comparación de xenomas enteiros de organismos microbianos moi relacionados. O sistema denomínase MUMMER e describiuse nunha publicación na revista Nucleic Acids Research en 1999. O sistema axuda a identificar grandes redistribucións xenómicas, mutacións dunha soa base, inversións, expansións de repeticións en tándem e outros polimorfismos. En bacterias, MUMMER permite a identificación de polimorfismos responsables da virulencia, patoxenicidade e resistencia a antibióticos. O sistema foi tamén aplicado no Proxecto do Organismo Mínimo no TIGR e seguidamente a moitos outros proxectos xenómicos comparativos.
Xenomas eucariotas. O lévedo de panadaría Saccharomyces cerevisiae foi o primeiro eucariota do que se publicou a secuencia xenómica completa, en 1996. Despois da publicación do xenoma do verme nematodo Caenorhabditis elegans en 1998 e xunto co da mosca do vinagre Drosophila melanogaster en 2000, Gerald M. Rubin e o seu equipo publicaron un artigo titulado "Comparative Genomics of the Eukaryotes" ("Xenómica comparativa dos eucariotas"), no cal comparaban os xenomas dos eucariotas D. melanogaster, C. elegans e S. cerevisiae, así como o do procariota H. influenzae. Ao mesmo tempo, Bonnie Berger, Eric Lander, e os seus equipos publicaron un artigo sobre a comparación dos xenomas completos dos ratos e humanos.
Coa publicación de grandes xenomas de vertebrados na década de 2000, incluíndo o humano, o do peixe Takifugu rubripes e o do rato doméstico, liberáronse os resultados precomputados de comparacións de grandes xenomas que se podían descargar e visualizar nun buscador de xenomas. En lugar de realizar as súas propias análises, a maioría dos biólogos podían acceder a estas grandes comparacións entre especies e evitar os inconvenientes prácticos causados polo tamaño dos xenomas.
Os métodos de secuenciación de seguinte xeración, que se empezaron a usar en 2007, produciuse unha enorme cantidade de datos xenómicos e isto permitiu xerar á vez múltiples secuencias xenómicas borrador (procariotas). Estes métodos poden tamén revelar rapidamente polimorfismos dun só nucleótido, insercións e delecións mapando lecturas non ensambladas contra un xenoma de referencia ben anotado e así proporcionar unha lista de posibles diferenzas xénicas que poden ser a base de calquera variación funcional entre cepas. Principios evolutivos
Unha característica básica da bioloxía é a evolución. A teoría evolutiva é tamén o fundamento teórico da xenómica comparativa e ao mesmo tempo os resultados da xenómica comparativa enriqueceron dunha forma sen precedentes e desenvolveron a teoría da evolución. Cando se comparan dúas ou máis secuencias xenómicas, poden deducirse as relacións evolutivas das secuencias nunha árbore filoxenética. Baseándose nunha variedade de datos xenómicos biolóxicos e no estudo de procesos de evolución vertical e horizontal, pódense comprender as partes vitais da estrutura xénica e da súa función regulatoria.
A similitude dos xenomas relacionados é a base da xenómica comparativa. Se dúas criaturas teñen un antepasado común recente, as diferenzas entre os xenomas das dúas especies evolucionaron do xenoma do antepasado. Canto máis próxima é a relación entre os dous organismos, maiores son as semellanzas entre os seus xenomas. Se hai unha relación próxima entre eles, entón os seus xenomas presentarán un comportamento linear (sintenia), concretamente algunhas das secuencias xenéticas estararán conservadas. Así, as xecuencias xenómicas poden utilizarse para identificar a función xénica ao analizar a súa homoloxia (similitude de secuencia) con xenes de función coñecida. As secuencias ortólogas son secuencias relacionadas de diferentes especies: un xene existe na especie orixinal, a especie divídese en dúas especies (especiación), así que os xenes das novas especies son ortólogos da secuencia que había na especie orixinal. As secuencias parálogas están separadas por clonación xénica (duplicación xénica): se un xene particular do xenoma se copia, entón a copia das súas secuencias é paráloga do xene orixinal. Un par de secuencias ortólogas denomínase par ortólogo (ortólogos); un par de secuencias parálogas denomínase par colateral (parálogos). Os pares ortólogos xeralmente teñen unha función idéntica ou similar, o cal non é necesariamente o caso dos pares colaterais, porque nos pares colaterais as secuencias tenden a evolucionar adquirindo diferentes funcións.
A xenómica comparada aproveita tanto as semellanzas coma as diferenzas nas proteínas, ARN e rexións regulatorias de diferentes organismos para inferir como actuou a selección sobre estes elementos. Os elementos que son responsables das semellanzas entre diferentes especies deberían estar conservados ao longo do tempo (selección estabilizante), mentres que os elementos responsables das diferenzas entre especies deberían ser diverxentes (selección positiva). Finalmente, os elementos que non son importantes para o éxito evolutivo do organismo non serán conservados (a selección é neutra).
Un dos obxectivos importantes neste eido é a identificación dos mecanismos da evolución do xenoma eucariota. Porén, adoita ser complicado pola multiplicade de eventos que tiveron lugar ao longo da historia de liñaxes individuais, deixando só trazas distorsionadas e superpostas no xenoma de cada organismo vivo. Por esta razón os estudos de xenómica comparada de pequenos organismos modelo (por exemplo o modelo Caenorhabditis elegans e o estreitamente relacionado Caenorhabditis briggsae) son de grande importancia para aumentar a nosa comprensión dos mecanismos xerais da evolución. Métodos
Os métodos computacionais son necesarios para as comparacións xenómicas dada a gran cantidade de datos codificados nos xenomas. Moitas ferramentas están agora dispoñibles publicamente, e van desde comparacións de xenoma completo a análises de expresión xénica. Isto inclúe métodos para os sistemas e o control, teoría da información, análise de cadeas (strings) e minaría de datos. As estratexias computacionais seguirán sendo fundamentais para a investigación e ensinanza, especialmente cando a ciencia da información e a bioloxía xenómica se ensinan conxuntamente. A xenómica comparativa empeza con comparacións básicas do tamaño do xenoma e densidade de xenes. Por exemplo, o tamaño do xenoma é importante para a capacidade de codificación e posiblemente por razóns regulatorias. Unha alta densidade de xenes facilita a anotación do xenoma, a análise de selección ambiental. En contraste, unha densidade baixa de xenes dificulta o mapado de enfermidades xenéticas, como ocorre no xenoma humano.
Aliñamento de secuencias
Os aliñamentos utilízanse para captar información sobre secuencias similares como os antepasados, a descendencia evolutiva común ou unha común estrutura e función. Os aliñamentos poden facerse tanto para secuencias xenéticas coma proteicas. Os aliñamentos consisten en aliñamentos locais ou globais por pares e aliñamentos de secuenias múltiples. Un xeito de encontrar aliñamentos globais é usar un algoritmo de programación dinámico chamado algoritmo de Needleman–Wunsch. Este algoritmo pode modificarse e usarse para atopar aliñamentos locais.
Reconstrución filoxenética
Outro método computacional de xenómica comparada é a reconstrución filoxenética. Utilízase para describir as relacións evolutivas en termos de devanceiros comúns. As relacións represéntanse xeralmente nunha árbore chamada árbore filoxenética. De xeito similar, a teoría coalescente é un modleo retrospectivo para rastrexar alelos dun xene nunha poboación ata unha soa copia ancestral compartida polos membros da poboación. Isto tamén se coñece como o antepasado común máis recente. A análise baseada na teoría da coalescencia trata de predicir a cantidade de tempo entre a introdución dunha mutación e un particular alelo ou distribución xénica nunha poboación. Este período de tempo é igual ao tempo que hai que existiu o antepasado común máis recente. As relacións de herdanza visualízanse en forma similar a unha árbore filoxenética. A coalescencia (ou xenealoxía dos xenes) pode visualizarse usando dendrogramas.
Mapas xenómicos
Un método adicional en xenómica comparada é o mapado xenético. No mapado xenético a visualización da sintenia é un modo de ver a conservación da orde dos xenes nos cromosomas. Utilízase xeralmente para cromosomas de especies relacionadas, ambas as dúas orixinadas a partir dun antepasado común. Este e outros métodos poden botar luz sobre a historia evolutiva. Un estudo recente usou a xenómica comparada para reconstruír 16 cariotipos ancestrais na filoxenia dos mamíferos. A reconstrución computacional mostra como os cromosomas se rearranxaron durante a evolución dos mamíferos. Proporciona información sobre a conservación de rexións seleccionadas a míúdo asociadas con procesos de control do desenvolvemento. Ademais, axudou a comprender a evolución dos cromosomas e enfermidades xenéticas asociadas con rearranxos do ADN. [Cómpre referencia] Ferramentas
Están desenvolvéndose rapidamente ferramentas computacionais para analizar secuencias e xenomas completos debido á dispoñibilidade de grandes cantidades de datos xenómicos. A mesmo tempo, as ferramentas de análise comparativa están a ser melloradas. Nos retos sobre as análises, é moi importante para visualizar os resultados comparativos.
A visualización da conservación de secuencias é un duro traballo de análise de secuencias comparativa. É moi ineficaz examinar o aliñamento de longas rexións xenómicas longas manualmente. Os buscadores de xenoma de Internet proporcionan moitas ferramentas útiles para investigar as secuencias xenómicas debido a integrar toda a información biolóxica baseada en secuencias sobre rexións xenómicas. Cando extraemos grandes cantidades de datos relevantes bioloxicamente, poden ser moi doados de usar e levan menos tempo. UCSC Browser: Este sitio contén a secuencia de referencia e ensamblaxes de borrador de traballo para unha gran colección de xenomas.
Ensembl: O proxecto Ensembl produce bases de datos xenómicos para vertebrados e outras especies eucariotas e fai que esta información estea dispoñible libremente on line.
MapView: O Map Viewer proporciona unha ampla variedade de mapado xenómico e datos de secuenciación.
VISTA é unha suite de progamas completa e bases de datos para a análise comparativa de secuencias xenómicas. Construíuse para visualizar os resultados de análises comparativas baseadas en aliñamentos de ADN. A presentación de datos comparativos xerados por VISTA pode facilmente adaptar datos tanto a pequena coma a grande escala.
BlueJay Genome Browser: unha ferramenta de visualización autónoma para a visión multiescala de xenomas anotados e outros elementos xenómicos.
Unha vantaxe de utilizar ferramentas on line é que estes sitios web están a ser desenvolvidos e actualizados decote. Hai moitas novas configuracións e contidos que poden usarse on line para mellorar a eficiencia. Aplicacións seleccionadas
Agricultura
A agricultura é un campo que recolle os beneficios da xenómica comparada. Identificar os loci de xenes vantaxosos é un paso clave na mellora vexetal, que son optimizados para que teñan un maior rendemento, rendibilidade económica, calidade e resistencia a enfermidades. Por exemplo, un estudo de asociación de xenoma completo realizado en 517 variedades naturais de arroz revelou 80 loci asociados con varios tipos de rendemento agronómico, como o peso dos grans, o contido en amilosa e a tolerancia á seca. Moitos dos loci non foran caracterizados previamente. Esta metodoloxía non só é poderosa, senón tamén rápida. Os métodos anteriores para identificar loci asociados co rendemento agronómico requirían varias xeracións de cultivo coidadosamente monitorizado das cepas parentais, un esforzo que leva moito tempo que é innecesario para estudos de xenómica comparada.
Medicina
Desenvolvemento de vacinas
O campo da medicina tamén se beneficia do estudo da xenómica comparada. Nunha estratexia coñecida como vacinoloxía inversa, os investigadores poden descubrir antíxenos candidatos para o desenvolvemento de vacinas analizando o xenoma dun patóxeno ou familia de patóxenos. Aplicar unha estratexia de xenómica comparada analizando os xenomas de varios patóxenos relacionados pode levar ao desenvolvemento de vacinas que son multiprotectoras. Un equipo de investigadores empregou esa estratexia para crear unha vacina universal para estreptococos do grupo B, un grupo de bacterias responsables de graves infeccións neonatais. A xenómica comparada pode tamén usarse para xerar especificidade nas vacinas contra patóxenos que están estreitamente relacionados con microorganismos comensais. Por exemplo, utilizouse unha análise xenómica comparativa de cepas do comensal e patóxenas de E. coli para identificar xenes específicos de patóxeno como base para atopar antíxenos que orixinan unha resposta inmune contra cepas patóxenas pero non contra as comensais. En maio de 2019, usando o Global Genome Set, un equipo do Reino Unido e Australia secuenciou miles de illamentos recollidos globalmente de esteptococos do grupo A, proporcionando posibles etiquetas para desenvolver unha vacina contra o patóxeno, tamén coñecido como S. pyogenes.
Modelos de ratos en inmunoloxía
As células T (tamén chamadas linfocitos T ou timocitos) son células inmunitarias que crecen a partir de células nais da medula ósea. Axudan a defender o corpo de infeccións e poden loitar contra o cancro. Debido ás súas características morfolóxicas, fisiolóxicas e xenéticas as semellanzas entre humanos, ratos e ratas, estas foron durante moito tempo as especies preferidas para a investigación biomédica en modelos animais. A investigación en medicina comparada está dándonos a capacidade de usar información dunha especie para comprender o mesmo proceso noutras. Podemos obter novos coñecementos en vías moleculares comparando as células T humanas e de ratos e os seus efectos no sistema inmune utilizando xenómica comparada.
Para comprender os seus receptores de células T (TCRs) e os seus xenes, Glusman realizou investigacións sobre a secuenciación dos loci TCR de humanos e ratos. Os xenes TCR son ben coñecidos e serven como unha fonte significativa para estudar a xenómica funcional e comprender como contribúen os xenes e rexións interxénicas do xenoma aos procesos biolóxicos.
Os receptores inmunes de células T son importantes para estudar o mundo dos patóxenos no sistema inmunitario celular. Unha das razóns para secuenciar os loci TCR humanos e de ratos era emparellar as secuencias da familia de xenes ortólogos e descubrir as áreas conservadas usando xenómica comparada. Pénsase que estes reflectirían dous tipos de información biolóxica: (1) exóns e (2) secuencias regulatorias. De feito, con este método poderían identificarse a maioría dos exóns V, D, J, e C. As rexións variables están codificadas por múltiples elementos do ADN únicos que son recolocados e conectados durante a diferenciación das células T: elementos variable (V), de diversidade (D) e de unión (J) [Figura 1]. Porén, varios bloques conservados non codificantes curtos están en gran medida agrupados no xenoma de humanos e ratos nunha rexión de 200 bp [Figura 2]; identificáronse os chamados amplificadores 3′ (enhancers) no TCR, e unha rexión conservada de 100 bp no intrón J do rato viuse seguidamente que tiña unha función regulatoria. As comparacións de secuencias xenómicas dentro de cada sitio físico ou localización dun xene específico nun cromosoma (locus) e a través de especies permite a investigación doutros mecanismos e outros sinais regulatorios. Suxeriuse unha nova hipótese sobre a evolución dos TCRs, que terá que ser comprobada (e mellorada) por comparación co complemento do xene TCR doutras especies de vertebrados. Unha investigación xenómica comparativa de humanos e ratos permitirá o descubrimento e anotación de moitos outros xenes, así como a identificación noutras especies de secuencias regulatorias.
Investigación
A xenómica comparada tamén abre novos camiños noutras áreas de investigación. Como a tecnoloxía de secuenciación do ADN se fixo mais accesible, o número de xenomas secuenciados foi crecendo. Co crecente depósito de datos xenómicos dispoñibles, a potencia da inferencia da xenómica comparativa medrou tamén.
Un caso notable deste incremento da potencia pódese ver nunha investigación recente sobre primates. Os métodos xenómicos comparativos permitiron reunir información sobre variación xenética, expresión diferencial de xenes e dinámica evolutiva en primates que era indiscernible usando datos e métodos previos.
Proxecto Xenoma de Grandes Simios
O Proxecto Xenoma de Grandes Simios utilizou métodos de xenómica comparativa para investigar a variación xenética en seis especies de grandes simios, atopando niveis saudables de variación na súa poza xénica malia que os seus tamaños de poboaión están diminuíndo. Outro estudo mostrou que os padróns de metilación do ADN, que son un mecanismo de regulación da expresión xénica, difiren no córtex prefrontal de humanos fronte a chimpancés e esta diferenza estaba implicada na diverxencia evolutiva das dúas especies.