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. Funktsionaalne genoomika püüab muuhulgas aru saada:
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. Funktsionaalne genoomika kasutab enamasti meetodeid, mis mõõdavad paljude või kõikide geeniproduktide (mRNA, valgud) hulka bioloogilises proovis.
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.
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.
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. Näiteks uurisid Angelova ja kolleegid jämesoolevähi patsientide infiltreeritud immuunrakke ning tuvastasid ravimi võimaliku sihtmärgi. 
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.
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.
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.
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. 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. 
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.
Konsortsiumi projektid.
Projekt ENCODE.
ENCODE (DNA elementide entsüklopeedia) projekti eesmärgiks on identifitseerida genoomse DNA kõik funktsionaalsed elemendid nii kodeerivas kui ka mitte-kodeerivas regioonis.
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.
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.