علم الجينوم: الدراسات الهيكلية والوظيفية في علم الجينوم

علم الجينوم: الدراسات الهيكلية والوظيفية في علم الجينوم!

تم إدخال مصطلح الجينوم بواسطة هـ. وينكلر (1920) للدلالة على المجموعة الكاملة من الجينات الكروموسومية والجينومية الإضافية الموجودة في الكائن الحي ، بما في ذلك الفيروس.

مصطلح الجينوميات الذي صاغه TH Roderick (1987) يعني رسم الخرائط والتسلسل لتحليل بنية الجينوم وتنظيمه. لكن الجينوميات في الوقت الحالي تتضمن تسلسل الجينومات ، وتحديد مجموعة كاملة من البروتينات المشفرة بواسطة كائن حي ، وعمل الجينات والمسارات الأيضية في الكائن الحي.

تنقسم دراسة علم الجينوم إلى المجالين التاليين:

1. الجينوميات الهيكلية تتعامل مع تحديد التسلسل الكامل للجينومات أو المجموعة الكاملة من البروتينات التي ينتجها الكائن الحي. الخطوات المختلفة المتضمنة هي: (1) بناء خرائط وراثية ومادية عالية الدقة ، (2) تسلسل الجينوم ، و (3) تحديد مجموعة كاملة من البروتينات في الكائن الحي. ويتضمن أيضًا تحديد التركيب ثلاثي الأبعاد للبروتينات المعنية.

2. الجينوميات الوظيفية تدرس عمل الجينات والمسارات الأيضية ، أي أنماط التعبير الجيني في الكائنات الحية.

تسلسل الجينوم:

تسلسل الجينوم هو عملية متطورة للغاية ومتطلبة تقنياً. في دفعة واحدة ، يمكن أن يتم تسلسل جزء من 500-600 سنة مضت. وعلى النقيض ، تكون الجينوم كبيرة للغاية ، على سبيل المثال 4.2 × 10 ⁶ للإشريكية القولونية و 3.2 x 10 ⁹ bp للبشر. لذلك ، يجب الحصول على تسلسل جينوكسين في عدد كبير للغاية من القطع الصغيرة ، ثم يتم تجميع هذه القطع في تسلسل للجينوم.

يتم إنشاء القطع المستخدمة للتسلسل عن طريق كسر الحمض النووي الجيني في شظايا في نقاط عشوائية. ونتيجة لذلك ، يجب تحديد موقع الشظية في الجينوم بشكل تجريبي. يتم استنساخ جميع الشظايا التي تم الحصول عليها من الحمض النووي الجيني لكائن ما في ناقل مناسب ينتج عنه مكتبة جينومية للكائن الحي. الأسلوبان المتسلسلان لتسلسل الجينومات هما: (أ) التسلسل الاستنساخي بواسطة التسلسل و (ب) التسلسل بالرصاص.

(أ) تسلسل استنساخ النسخ:

في هذه الطريقة ، تتم محاذاة الأجزاء أولاً إلى كونتاجات تسمى أيضًا كتسلسل موجَّه لثغرات BAC. يتألف المتكون من سلسلة من الحيوانات المستنسخة التي تحتوي على أجزاء متداخلة من الدنا تحول منطقة معينة من كروموسوم أو حتى الكروموسوم بأكمله. عادة ما يتم بناؤها باستخدام BAC (كروموسوم اصطناعي بكتيري) واستنساخ cosmid.

يتمثل النهج العام في إنشاء الكتل في تحديد الحيوانات المستنسخة التي تحتوي على أجزاء من الدنا المتاخمة من الكروموسوم ، على سبيل المثال ، السير على الكروموسوم ، والقفز الصبغي ، إلخ. وهكذا يجب على أعضاء الملتصق أن يحتويوا على نفس المنطقة المتداخلة للسماح بالتحديد الدقيق لموقعهم. في المقابلة. الهدف النهائي من إجراءات الخرائط المادية هو الحصول على مجاملة كاملة لكل كروموسوم من الجينوم.

يمكن ربط شظايا الحمض النووي المستنسخة في غلاف مع مواقع على طول كروموسوم تم الحصول عليها من الربط أو رسم الخرائط الخلوية. ويمكن تحقيق ذلك من خلال تحديد أعضاء الملتقى الذي يحتوي على ملاحق تحتوي على مثل هذه الجينات التي تم تعيينها بالفعل عن طريق الربط أو الطرق الخلوية. وهذا من شأنه أن يسمح بمحاذاة الأعضاء الآخرين في الملتقى على طول الصبغي. بدلا من ذلك ، يمكن استخدام RFLP (تضييق طول طول تعدد الأشكال) وغيرها من محددات الحمض النووي للربط بين المواقع في خريطة الربط مع أعضاء contig.

(ب) تسلسل إطلاق النار:

في هذا النهج ، يتم ترتيب النسخ المختارة عشوائياً حتى يتم تحليل جميع الحيوانات المستنسخة في المكتبة الجينومية. ينظم برنامج Assembler معلومات تسلسل النوكليوتيدات التي تم الحصول عليها في تسلسل جينوم. تعمل هذه الاستراتيجية بشكل جيد مع الجينومات بدائية النواة التي تحتوي على القليل من الحمض النووي المتكرر. لكن جينومات حقيقيات النوى لديها الكثير من التكرارات المتكررة التي تخلق الارتباك في محاذاة التسلسل. يتم حل هذه المشكلات باستخدام قوى حوسبة هائلة وبرامج متخصصة وتجنب مثل هذه المناطق الغنية بالحمض النووي التكراري (على سبيل المثال مناطق المناطق الوسطى والتيلوميرية).

تجميع تسلسل الجينوم:

استلزمت مشاريع تسلسل الجينوم تطوير تقنيات إنتاجية عالية تنتج بيانات بمعدل سريع للغاية. وقد استلزم ذلك استخدام أجهزة الكمبيوتر لإدارة هذا التدفق الهائل من المعلومات وأنشأ نظامًا جديدًا يسمى المعلوماتية الحيوية. تتعامل المعلوماتية الحيوية مع تخزين وتحليل وتفسير واستخدام المعلومات حول الأنظمة البيولوجية (مثل تجميع سلاسل الجينوم ، وتحديد الجينات ، وتعيين الوظائف للجينات المحددة ، وإعداد قواعد البيانات ، وما إلى ذلك).

من أجل ضمان أن تسلسل النوكليوتيدات في الجينوم كامل وخالي من الأخطاء ، يتم تسلسل الجينوم أكثر من مرة. حالما يتم تسلسل جينوم الكائن الحي وتجميعه وتصحيحه (تصحيح الأخطاء) تبدأ المرحلة التالية من علم الجينوم ، أي الشروح.

التنبؤ الجيني والفرز:

بعد الحصول على تسلسل جينوم وفحصه للتأكد من دقته ، فإن المهمة التالية هي العثور على جميع الجينات التي تكود البروتينات. هذه هي الخطوة الأولى في التعليق التوضيحي. الشرط هو عملية تحدد الجينات وتسلسلاتها التنظيمية ووظائفها. كما أنه يحدد جينات الترميز غير البروتينات بما في ذلك تلك التي ترمز إلى r-RNA و t-RNA و RNAs النووي الصغيرة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تحديد وتمييز العناصر الوراثية المتنقلة وعائلات التسلسل المتكررة.

يتم تحديد موقع جينات الترميز بالبروتين عن طريق فحص التسلسل ، باستخدام برنامج كمبيوتر أو عن طريق العين. يتم التعرف على جينات بروتين البروتين بواسطة إطارات القراءة المفتوحة (ORFs). يحتوي ORF على سلسلة من الكودونات التي تحدد تسلسل الحمض الأميني ، ويبدأ برمز بدء (عادة ATG) وينتهي بكودون إنهاء (TAA) TAG أو TGA). يتم التعرف على ORFs عادة عن طريق الكمبيوتر وهي طريقة فعالة لجينوم البكتيريا.

تمتلك الجينات في جينومات حقيقية النواة (بما في ذلك الجينوم البشري) العديد من السمات التي تجعل البحث المباشر أقل فائدة. أولاً ، تحتوي معظم جينات حقيقيات النوى على نمط من الإكسونات (مناطق الترميز) يتناوب مع الإنترونات (مناطق غير ترميز). ونتيجة لذلك ، لا يتم تنظيم هذه الجينات على شكل ORFs مستمر. ثانياً ، الجينات في البشر وحقيقيات النواة الأخرى غالباً ما تكون متباعدة على نطاق واسع مما يزيد من فرص العثور على جينات زائفة. لكن الإصدارات الأحدث من برنامج المسح الضوئي لـ ORF لجينومات حقيقية النواة تجعل المسح أكثر فعالية.

بعد تحليل تسلسل الجينوم وتوقع الجينات ، يتم فحص كل جين في وقت واحد لتحديد وظيفة منتج الجينات المشفرة وتصنيفها إلى مجموعات وظيفية. يتضمن هذا التحليل عدة برامج. على سبيل المثال ، يمكن للمرء البحث في قواعد البيانات مثل Gene Bank ، للعثور على جينات مماثلة معزولة عن الكائنات الحية الأخرى. يمكن مقارنة ORFs المتوقعة مع تلك المعروفة من الجينات البكتيرية المعروفة جيدا. وأخيرًا ، قد يبحث المرء عن متواليات نيوكليوتيدية لهذه الأشكال الوظيفية التي تكوِّد مجالات البروتين المرتبطة بوظائف محددة.

وهكذا ، فإن الهدف من تحليل الجينوم هو تحديد وظائف جميع الجينات وفهم كيفية تفاعل هذه الجينات في تطور ووظيفة الكائن الحي.

جينوميكا الوظيفية:

يمكن تعريفه بأنه تحديد وظيفة جميع منتجات الجينات المشفرة بواسطة جينوم الكائن الحي. تتضمن المعلمات التالية: (1) متى وأين يتم التعبير عن جينات معينة (تحديد ملامح التعبير) ، (2) وظائف جينات معينة عن طريق تحوير الجينات المطلوبة بشكل انتقائي ، و (3) التفاعلات التي تحدث بين البروتينات وبين البروتين والجزيئات الأخرى. يحاول علم الجينوم الوظيفي فحص جميع الجينات الموجودة في الجينوم دفعة واحدة. ولذلك ، فإن التقنيات المستخدمة في علم الجينوم الوظيفي تمكن تحليل الإنتاجية العالية التي تمكن من تراكم البيانات بسرعة كبيرة.

(1) التنميط في التعبير:

إن تحديد أنواع / أنسجة الخلايا التي يعبر عنها الجين ، وكذلك عندما يتم التعبير عن الجين ، يسمى التنميط التعريفي. الهدف من علم الجينوم الوظيفي هو دراسة نمط التعبير لجميع الجينات الموجودة في الجينوم في نفس الوقت ؛ هذا يسمى التنميط التعبير العالمي. ويمكن القيام بذلك إما على مستوى الحمض النووي الريبي أو على مستوى البروتين. على مستوى الحمض النووي الريبي (RNA) ، يمكن للمرء أن يستخدم إما أخذ عينات التسلسل المباشر أو صفائف الحمض النووي.

على مستوى البروتين ، يمكن للمرء استخدام إما الكهربائيين ثنائي الأبعاد ، تليها مطياف الكتلة أو صفائف البروتين. يوفر تنميط التعبير العالمي نظرة ثاقبة في الظواهر البيولوجية المعقدة ، بما في ذلك التمايز ، والاستجابة للتوتر ، وبداية المرض ، وما إلى ذلك. كما أنه يوفر طريقة جديدة لتحديد المظاهر الخلوية.

(2) تحديد وظيفة الجين:

أحد الجوانب الهامة في علم الجينوم الوظيفي هو تحديد وظيفة جينات محددة / متواليات مجهولة. وتتمثل الطريقة الفعالة في تحقيق ذلك في استنساخ الجين وتحويله في المختبر وإعادة إدخال الجين المتحور إلى الكائن الحي المضيف وتحليل تأثيره. وقد تم تطوير الجينوم تحت مكتبات متحولة في عدة كائنات نموذجية مثل البكتيريا والخميرة والنباتات والثدييات. وهذا ما يشار إليه أحيانا باسم الجينوميات الطفرية. يمكن إنشاء مكتبة كهذه بإحدى الطرق الثلاث التالية:

(أ) التحور المنتظم لكل جين واحد في الوقت الذي ينتج عنه بنك من سلالات متحولة محددة.

(ب) في الطريقة العشوائية ، يتم تحور الجينات بشكل عشوائي ، ثم يتم تمييز الطفرات الفردية وتصنيفها.

(ج) في هذا النهج ، تستخدم مجموعة من التقنيات لمنع التعبير عن مجموعات محددة من الجينات.

(3) تفاعلات البروتين:

تعكس وظيفة الجينات سلوك البروتينات المشفرة بواسطتها. قد ينظر إلى هذا السلوك على أنه سلسلة من التفاعلات بين البروتينات المختلفة ، وبين البروتينات والجزيئات الأخرى. تتم دراسة تفاعلات البروتين باستخدام تقنيات الإنتاجية العالية. يسمح عدد من طرق رسم خرائط التفاعل البروتيني القائم على المكتبات بفحص مئات أو آلاف البروتينات في وقت واحد. يمكن اختبار هذه التفاعلات في المختبر أو في الجسم الحي. يتم استيعاب بيانات التفاعل البروتين من مصادر مختلفة في قواعد البيانات.