علم الجينوم

علم الجينوم هو مجال متعدد التخصصات في علم الأحياء يركز على بنية الجينومات ووظيفتها وتطورها ورسم خرائطها وتحريرها. الجينوم هو مجموعة كاملة من الحمض النووي للكائن الحي ، بما في ذلك جميع جيناته. على النقيض من علم الوراثة ، الذي يشير إلى دراسة الجينات الفردية وأدوارها في الوراثة ، يهدف علم الجينوم إلى التوصيف الجماعي والتقدير الكمي لـ جميع جينات الكائن الحي ، وعلاقاتها المتبادلة والتأثير على الكائن الحي. قد توجه الجينات إنتاج البروتينات بمساعدة الإنزيمات وجزيئات الرسول. بدورها ، تشكل البروتينات هياكل الجسم مثل الأعضاء والأنسجة وكذلك تتحكم في التفاعلات الكيميائية وتحمل الإشارات بين الخلايا. يتضمن علم الجينوم أيضًا تسلسل الجينوم وتحليله من خلال استخدامات تسلسل الحمض النووي عالي الإنتاجية والمعلوماتية الحيوية لتجميع وتحليل وظيفة وهيكل الجينوم بأكمله. أدى التقدم في علم الجينوم إلى ثورة في الأبحاث القائمة على الاكتشاف وبيولوجيا الأنظمة لتسهيل فهم حتى أكثر الأنظمة البيولوجية تعقيدًا مثل الدماغ.

يتضمن المجال أيضًا دراسات حول الظواهر داخل الجينوم (داخل الجينوم) مثل epistasis (تأثير جين على آخر) ، تعدد الأشكال (جين يؤثر على أكثر من سمة واحدة) ، التغاير (نشاط هجين) ، والتفاعلات الأخرى بين الموضع والأليلات داخل الجينوم.

المحتويات

التاريخ

علم أصل الكلمة

من اليونانية ΓΕΝ الجنرال ، "الجين" (جاما ، إبسيلون ، نو ، إبسيلون) بمعنى "أصبح ، إنشاء ، وخلق ، وولادة "، والمتغيرات اللاحقة: علم الأنساب ، والتكوين ، وعلم الوراثة ، والجينات ، والجينومير ، والنمط الجيني ، والجنس وما إلى ذلك ، بينما كلمة جينوم (من جينوم الألمانية ، يُنسب إلى Hans Winkler) باللغة الإنجليزية في وقت مبكر من عام 1926 ، وقد صاغ توم رودريك ، عالم الوراثة في مختبر جاكسون (بار هاربور ، مين) ، المصطلح علم الجينوم ، أثناء تناول البيرة في اجتماع عقد أنا ن ماريلاند على رسم خرائط الجينوم البشري في عام 1986.

جهود التسلسل المبكرة

بعد تأكيد روزاليند فرانكلين للبنية الحلزونية للحمض النووي ، نشر جيمس د. واتسون وفرانسيس كريك بنية الحمض النووي في عام 1953 ونشر فريد سانجر لتسلسل الأحماض الأمينية للأنسولين في عام 1955 ، أصبح تسلسل الحمض النووي هدفًا رئيسيًا لعلماء الأحياء الجزيئية الأوائل. في عام 1964 ، نشر روبرت دبليو هولي وزملاؤه أول تسلسل للحمض النووي تم تحديده على الإطلاق ، وهو تسلسل الريبونوكليوتيد من الحمض النووي الريبي الناقل للألانين. لتوسيع هذا العمل ، كشف مارشال نيرنبرغ وفيليب ليدر عن الطبيعة الثلاثية للشفرة الجينية وتمكنا من تحديد تسلسل 54 من أصل 64 كودون في تجاربهم. في عام 1972 ، كان والتر فيرس وفريقه في مختبر البيولوجيا الجزيئية بجامعة غينت (غينت ، بلجيكا) أول من حدد تسلسل الجين: جين بروتين غلاف البكتيريا Bacteriophage MS2. توسعت مجموعة Fiers في عمل بروتين غلاف MS2 ، وحدد التسلسل الكامل للنيوكليوتيدات لعاثيات البكتيريا MS2-RNA (التي يشفر جينومها أربعة جينات فقط في 3569 زوجًا أساسيًا) وفيروس Simian 40 في 1976 و 1978 على التوالي.

تطوير تقنية تسلسل الحمض النووي

بالإضافة إلى عمله الأساسي حول تسلسل الأحماض الأمينية للأنسولين ، لعب فريدريك سانجر وزملاؤه دورًا رئيسيًا في تطوير تقنيات تسلسل الحمض النووي التي مكنت من إنشاء مشاريع تسلسل الجينوم. في عام 1975 ، نشر هو وآلان كولسون إجراء تسلسل باستخدام بوليميراز الحمض النووي مع النيوكليوتيدات الموسومة إشعاعيًا والذي أطلق عليه تقنية Plus and Minus . تضمن ذلك طريقتين وثيقتي الصلة ولدت أليغنوكليوتيدات قصيرة مع نهايات محددة 3 '. يمكن تجزئة هذه بواسطة الرحلان الكهربي على هلام بولي أكريلاميد (يسمى بولي أكريلاميد هلام الكهربائي) وتصور باستخدام التصوير الشعاعي الذاتي. يمكن لهذا الإجراء تسلسل ما يصل إلى 80 نيوكليوتيد دفعة واحدة وكان تحسنًا كبيرًا ، لكنه كان لا يزال شاقًا للغاية. ومع ذلك ، في عام 1977 ، كانت مجموعته قادرة على تسلسل معظم النيوكليوتيدات البالغ عددها 5386 نيوكليوتيدات من العاثية المفردة الخيط φX174 ، مما أكمل أول جينوم كامل التسلسل قائم على الحمض النووي. أدى تحسين طريقة Plus و Minus إلى إنهاء السلسلة ، أو طريقة سانجر (انظر أدناه) ، والتي شكلت الأساس لتقنيات تسلسل الحمض النووي ، ورسم خرائط الجينوم ، وتخزين البيانات ، وتحليل المعلومات الحيوية الأكثر استخدامًا في ربع القرن التالي من البحث. في نفس العام طور والتر جيلبرت وألان ماكسام من جامعة هارفارد بشكل مستقل طريقة ماكسام جيلبرت (المعروفة أيضًا باسم الطريقة الكيميائية ) لتسلسل الحمض النووي ، والتي تتضمن الانقسام التفضيلي للحمض النووي في القواعد المعروفة ، طريقة فعالة. لعملهم الرائد في تسلسل الأحماض النووية ، تقاسم جيلبرت وسانجر نصف جائزة نوبل في الكيمياء عام 1980 مع بول بيرج (الحمض النووي المؤتلف).

الجينوم الكامل

أدى ظهور هذه التقنيات إلى تكثيف سريع في نطاق وسرعة إكمال مشاريع تسلسل الجينوم. تم الإبلاغ عن أول تسلسل كامل للجينوم لعضية حقيقية النواة ، الميتوكوندريا البشرية (16،568 نقطة أساس ، حوالي 16.6 كيلو بايت) ، في عام 1981 ، وتبع ذلك أول جينومات البلاستيدات الخضراء في عام 1986. وفي عام 1992 ، ظهر أول كروموسوم حقيقي النواة ، وهو الكروموسوم الثالث من خميرة البيرة Saccharomyces cerevisiae (315 كيلوبايت) تم تسلسله. كان أول كائن حي حر يتم ترتيب تسلسله هو الكائن المستدمية النزلية (1.8 ميجا بايت) في عام 1995. وفي العام التالي ، أعلن اتحاد من الباحثين من المختبرات عبر أمريكا الشمالية وأوروبا واليابان عن الانتهاء من أول تسلسل كامل لجينوم حقيقيات النوى ، S. cerevisiae (12.1 ميجا بايت) ، ومنذ ذلك الحين استمرت الجينومات في التسلسل بوتيرة متزايدة بشكل كبير. اعتبارًا من أكتوبر 2011 ، تتوفر التسلسلات الكاملة لـ: 2719 فيروسًا و 1115 عتائقًا وبكتيريا و 36 حقيقيات النوى ، نصفها تقريبًا من الفطريات.

تعد معظم الكائنات الحية الدقيقة التي تم ترتيب جينوماتها بالكامل مشكلة مسببات الأمراض ، مثل المستدمية النزلية ، والتي أدت إلى تحيز واضح في توزيعها الوراثي مقارنة باتساع التنوع الميكروبي. من بين الأنواع الأخرى المتسلسلة ، تم اختيار معظمها لأنها كائنات نموذجية مدروسة جيدًا أو وعدت بأن تصبح نماذج جيدة. لطالما كانت الخميرة ( Saccharomyces cerevisiae ) نموذجًا حيويًا مهمًا للخلية حقيقية النواة ، بينما كانت ذبابة الفاكهة Drosophila melanogaster أداة مهمة للغاية (لا سيما في مرحلة ما قبل الجزيئية المبكرة علم الوراثة). الدودة Caenorhabditis elegans هي نموذج بسيط يستخدم غالبًا للكائنات متعددة الخلايا. يستخدم الزرد Brachydanio rerio في العديد من الدراسات التنموية على المستوى الجزيئي ، والنبات Arabidopsis thaliana هو كائن حي نموذجي للنباتات المزهرة. تعتبر سمكة البخاخ اليابانية ( Takifugu rubripes ) وسمكة المنتفخة الخضراء المرقطة ( Tetraodon nigroviridis ) مثيرة للاهتمام بسبب جينوماتها الصغيرة والمضغوطة ، والتي تحتوي على القليل جدًا من الحمض النووي غير المشفر مقارنة بمعظم الأنواع . كلب الثدييات ( كانيس مألوف ) ، الجرذ البني ( Rattus norvegicus ) ، والفأر ( Mus musculus ) ، والشمبانزي ( Pan troglodytes ) كلها نماذج حيوانات مهمة في البحث الطبي.

تم الانتهاء من مسودة أولية للجينوم البشري بواسطة مشروع الجينوم البشري في أوائل عام 2001 ، مما أثار ضجة كبيرة. هذا المشروع ، الذي اكتمل في عام 2003 ، قام بترتيب الجينوم بأكمله لشخص واحد محدد ، وبحلول عام 2007 تم الإعلان عن هذا التسلسل "انتهى" (أقل من خطأ واحد في 20000 قاعدة وكل الكروموسومات مجمعة). في السنوات التي تلت ذلك ، تم تسلسل الجينوم للعديد من الأفراد الآخرين ، جزئيًا تحت رعاية مشروع 1000 جينوم ، الذي أعلن عن تسلسل 1092 جينومًا في أكتوبر 2012. وقد أصبح إكمال هذا المشروع ممكنًا من خلال تطوير المزيد بشكل كبير تقنيات التسلسل الفعال وتتطلب التزامًا بموارد معلوماتية حيوية مهمة من تعاون دولي كبير. التحليل المستمر لبيانات الجينوم البشري له تداعيات سياسية واجتماعية عميقة على المجتمعات البشرية.

ثورة "omics"

تشير اللغة الإنجليزية الحديثة omics بشكل غير رسمي إلى مجال دراسة في علم الأحياء ينتهي بـ -omics ، مثل الجينوميات أو البروتينات أو الأيض. يتم استخدام اللاحقة -ome ذات الصلة لمعالجة كائنات دراسة هذه المجالات ، مثل الجينوم أو البروتين أو المستقلب على التوالي. تشير اللاحقة -ome كما تستخدم في البيولوجيا الجزيئية إلى إجمالي من نوع ما ؛ وبالمثل ، فقد أصبحت omics تشير بشكل عام إلى دراسة مجموعات البيانات البيولوجية الكبيرة والشاملة. في حين أن النمو في استخدام المصطلح قد أدى ببعض العلماء (جوناثان آيزن ، من بين آخرين) إلى الادعاء بأنه تم بيعه بشكل مبالغ فيه ، إلا أنه يعكس التغيير في التوجه نحو التحليل الكمي للتشكيلة الكاملة أو شبه الكاملة لجميع مكونات نظام. في دراسة التكافل ، على سبيل المثال ، يمكن للباحثين الذين كانوا في يوم من الأيام مقتصرين على دراسة منتج جيني واحد أن يقارنوا في وقت واحد بين إجمالي عدد من أنواع الجزيئات البيولوجية.

تحليل الجينوم

بعد اختيار كائن حي ، تشتمل مشاريع الجينوم على ثلاثة مكونات: تسلسل الحمض النووي ، وتجميع هذا التسلسل لإنشاء تمثيل للكروموسوم الأصلي ، والتعليق التوضيحي لهذا التمثيل وتحليله.

التسلسل

تاريخيًا ، تم إجراء التسلسل في مراكز التسلسل ، وهي منشآت مركزية (بدءًا من المؤسسات المستقلة الكبيرة مثل معهد الجينوم المشترك الذي يقوم بتسلسل عشرات التيراباز سنويًا إلى المرافق الأساسية للبيولوجيا الجزيئية المحلية) والتي تحتوي على أبحاث المختبرات مع الأجهزة المكلفة والدعم الفني اللازم. مع استمرار تطور تقنية التسلسل ، أصبح جيل جديد من أجهزة التسلسل عالية السرعة والفعالة في متناول المختبر الأكاديمي العادي. بشكل عام ، تنقسم مناهج تسلسل الجينوم إلى فئتين رئيسيتين ، بندقية صيد و عالية الإنتاجية (أو تسلسل من الجيل التالي ).

تسلسل البندقية هو طريقة تسلسل مصممة لتحليل تسلسل الحمض النووي الأطول من 1000 زوج قاعدي ، بما في ذلك الكروموسومات بأكملها. يتم تسميته بالتشابه مع نمط إطلاق النار شبه العشوائي سريع التوسع لبندقية. نظرًا لأن تسلسل الرحلان الكهربائي للهلام لا يمكن استخدامه إلا للتسلسلات القصيرة نسبيًا (100 إلى 1000 زوج قاعدي) ، يجب تقسيم تسلسل الحمض النووي الأطول إلى أجزاء صغيرة عشوائية يتم ترتيبها بعد ذلك للحصول على قراءات . يتم الحصول على قراءات متعددة متداخلة للحمض النووي المستهدف عن طريق إجراء عدة جولات من هذا التجزئة والتسلسل. تستخدم برامج الكمبيوتر بعد ذلك النهايات المتداخلة لقراءات مختلفة لتجميعها في تسلسل مستمر. تسلسل البندقية هو عملية أخذ عينات عشوائية تتطلب أخذ عينات زائدة لضمان تمثيل نوكليوتيد معين في التسلسل المعاد بناؤه ؛ يُشار إلى متوسط ​​عدد القراءات التي يتم من خلالها أخذ عينات مفرطة من الجينوم على أنه التغطية.

بالنسبة لكثير من تاريخها ، كانت التقنية الكامنة وراء تسلسل البندقية هي طريقة إنهاء السلسلة الكلاسيكية أو "طريقة سانجر" ، الذي يعتمد على الدمج الانتقائي للديوكسينوكليوتيدات المنتهية بالسلسلة بواسطة بوليميراز الحمض النووي أثناء تكرار الحمض النووي في المختبر. في الآونة الأخيرة ، تم استبدال تسلسل البنادق بطرق التسلسل عالية الإنتاجية ، خاصة لتحليلات الجينوم الآلية واسعة النطاق. ومع ذلك ، لا تزال طريقة Sanger قيد الاستخدام على نطاق واسع ، في المقام الأول للمشاريع الصغيرة الحجم وللحصول على قراءات تسلسل الحمض النووي المتجاورة الطويلة بشكل خاص (& GT ؛ 500 نيوكليوتيد). تتطلب طرق إنهاء السلسلة قالب DNA أحادي الجديلة ، وبادئ DNA ، وبوليميراز DNA ، و deoxynucleosidetriphosphates (dNTPs) ، ونيوكليوتيدات معدلة (dideoxyNTPs) تنهي استطالة جديلة DNA. تفتقر هذه النيوكليوتيدات المنتهية بالسلسلة إلى مجموعة 3'-OH المطلوبة لتكوين رابطة فوسفوديستر بين اثنين من النيوكليوتيدات ، مما يتسبب في توقف بوليميريز الحمض النووي عن تمديد الحمض النووي عندما يتم دمج ddNTP. قد يتم تمييز ddNTPs بشكل إشعاعي أو فلوري للكشف عن متواليات الحمض النووي. عادة ، يمكن لهذه الآلات تسلسل ما يصل إلى 96 عينة من الحمض النووي في دفعة واحدة (تشغيل) في ما يصل إلى 48 مرة في اليوم.

أدى ارتفاع الطلب على التسلسل منخفض التكلفة إلى تطوير التسلسل عالي الإنتاجية التقنيات التي توازي عملية التسلسل ، وتنتج آلاف أو ملايين التسلسلات في وقت واحد. يهدف التسلسل عالي الإنتاجية إلى خفض تكلفة تسلسل الحمض النووي بما يتجاوز ما هو ممكن باستخدام طرق إنهاء الصبغة القياسية. في التسلسل فائق الإنتاجية ، يمكن تشغيل ما يصل إلى 500000 عملية تسلسل تلو الآخر بالتوازي.

تعتمد طريقة تسلسل صبغة Illumina على أدوات إنهاء الصبغة القابلة للعكس وقد تم تطويرها في عام 1996 في معهد جنيف لبحوث الطب الحيوي ، بقلم باسكال ماير ولوران فارينيلي. في هذه الطريقة ، يتم تثبيت جزيئات الدنا والبادئات أولاً على شريحة وتضخيمها باستخدام البوليميراز بحيث يتم تكوين مستعمرات استنساخ محلية ، تم صياغتها في البداية "مستعمرات DNA". لتحديد التسلسل ، تمت إضافة أربعة أنواع من قواعد النهاية القابلة للعكس (قواعد RT) وغسل النيوكليوتيدات غير المدمجة. على عكس التسلسل الحراري ، يتم تمديد سلاسل الحمض النووي لنيوكليوتيد واحد في كل مرة ويمكن إجراء الحصول على الصور في لحظة تأخير ، مما يسمح بالتقاط صفيفات كبيرة جدًا من مستعمرات الحمض النووي من خلال الصور المتسلسلة المأخوذة من كاميرا واحدة. يسمح فصل التفاعل الأنزيمي والتقاط الصورة بالإنتاجية المثلى وقدرة التسلسل غير المحدودة نظريًا ؛ مع التكوين الأمثل ، تعتمد الإنتاجية النهائية للأداة فقط على معدل تحويل A / D للكاميرا. تلتقط الكاميرا صورًا للنيوكليوتيدات ذات العلامات الفلورية ، ثم تتم إزالة الصبغة مع مانع الطرف 3 "كيميائيًا من الحمض النووي ، مما يسمح بالدورة التالية.

يعتمد النهج البديل ، تسلسل أشباه الموصلات الأيونية ، على كيمياء تكرار الحمض النووي القياسية. تقيس هذه التقنية إطلاق أيون الهيدروجين في كل مرة يتم فيها دمج القاعدة. يتم غمر ميكروويل يحتوي على قالب DNA مع نيوكليوتيد واحد ، إذا كان النيوكليوتيد مكملًا لقالب القالب ، فسيتم دمجه وسيتم إطلاق أيون الهيدروجين. يقوم هذا الإصدار بتشغيل مستشعر أيون ISFET. إذا كان البوليمر المتجانس موجودًا في تسلسل القالب ، فسيتم دمج نيوكليوتيدات متعددة في دورة فيضان واحدة ، وستكون الإشارة الكهربائية المكتشفة أعلى نسبيًا.

التجميع

يشير التجميع التسلسلي إلى المحاذاة ودمج أجزاء من تسلسل DNA أطول بكثير من أجل إعادة بناء التسلسل الأصلي. هذا ضروري لأن تقنية تسلسل الحمض النووي الحالية لا تستطيع قراءة الجينوم الكامل كتسلسل مستمر ، بل تقرأ قطعًا صغيرة من 20 إلى 1000 قاعدة ، اعتمادًا على التكنولوجيا المستخدمة. تعمل تقنيات التسلسل من الجيل الثالث مثل PacBio أو Oxford Nanopore بشكل روتيني على إنشاء قراءات التسلسل & GT ؛ 10 كيلو بايت في الطول ؛ ومع ذلك ، لديهم معدل خطأ مرتفع بحوالي 15 بالمائة. عادةً ما تكون الأجزاء القصيرة ، التي تسمى القراءات ، ناتجة عن تسلسل الحمض النووي الجيني للبندقية ، أو نسخ الجينات (ESTs).

يمكن تصنيف التجميع على نطاق واسع إلى طريقتين: تجميع de novo ، من أجل الجينومات التي لا تشبه أي تسلسل في الماضي ، والتجميع المقارن ، الذي يستخدم التسلسل الحالي لكائن حي وثيق الصلة كمرجع أثناء التجميع. بالنسبة إلى التجميع المقارن ، فإن التجميع de novo صعب حسابيًا (NP-hard) ، مما يجعله أقل ملاءمة لتقنيات NGS قصيرة القراءة. ضمن نموذج التجميع de novo هناك استراتيجيتان أساسيتان للتجميع ، استراتيجيات مسار أويلر ، واستراتيجيات التخطيط المتداخل-الإجماع (OLC). تحاول استراتيجيات OLC في النهاية إنشاء مسار هاميلتوني من خلال رسم بياني متداخل يمثل مشكلة NP-hard. تعتبر استراتيجيات مسار أويلريان أكثر قابلية للتتبع من الناحية الحسابية لأنها تحاول العثور على مسار أويلر من خلال رسم بياني دي بروين.

يتم تعريف الجينومات النهائية على أنها تحتوي على تسلسل واحد متجاور مع عدم وجود أي غموض يمثل كل نسخة.

شرح

إن تجميع تسلسل الحمض النووي وحده قليل القيمة بدون تحليل إضافي. شرح الجينوم هو عملية إرفاق المعلومات البيولوجية بالتسلسلات ، ويتكون من ثلاث خطوات رئيسية:

1. تحديد أجزاء الجينوم التي لا ترمز للبروتينات
2. تحديد العناصر الموجودة على الجينوم ، وهي عملية تسمى التنبؤ الجيني ، و
3. إرفاق المعلومات البيولوجية بهذه العناصر.

تحاول أدوات التعليقات التوضيحية التلقائية تنفيذ هذه الخطوات في السيليكو ، على عكس التعليقات التوضيحية اليدوية (المعروفة أيضًا باسم التنظيم) والتي تتضمن الخبرة البشرية والتحقق التجريبي المحتمل. من الناحية المثالية ، تتعايش هذه الأساليب وتكمل بعضها البعض في نفس خط أنابيب التعليقات التوضيحية (انظر أيضًا أدناه).

تقليديًا ، يستخدم المستوى الأساسي للتعليق التوضيحي بلاست للعثور على أوجه التشابه ، ثم التعليق على الجينومات بناءً على المتماثلات . في الآونة الأخيرة ، تمت إضافة معلومات إضافية إلى النظام الأساسي للتعليقات التوضيحية. تسمح المعلومات الإضافية للمعلقين اليدويين بفك التناقضات بين الجينات التي أعطيت نفس التعليق التوضيحي. تستخدم بعض قواعد البيانات معلومات سياق الجينوم ودرجات التشابه والبيانات التجريبية وتكامل الموارد الأخرى لتوفير شروح الجينوم من خلال نهج الأنظمة الفرعية الخاصة بهم. تعتمد قواعد البيانات الأخرى (مثل Ensembl) على مصادر البيانات المنسقة بالإضافة إلى مجموعة من أدوات البرمجيات في خط أنابيب شرح الجينوم الآلي الخاص بهم. يتكون التعليق التوضيحي الهيكلي من تحديد العناصر الجينية ، وبشكل أساسي ORFs وتوطينها ، أو التركيب الجيني. التعليق التوضيحي الوظيفي يتكون من إرفاق المعلومات البيولوجية بالعناصر الجينية.

تسلسل خطوط الأنابيب وقواعد البيانات

الحاجة إلى إمكانية التكاثر والإدارة الفعالة للكمية الكبيرة من البيانات المرتبطة بمشاريع الجينوم يعني أن خطوط الأنابيب الحسابية لها تطبيقات مهمة في علم الجينوم.

مجالات البحث

الجينوميات الوظيفية

علم الجينوم الوظيفي هو أحد مجالات البيولوجيا الجزيئية التي تحاول الاستفادة من الثروة الهائلة من البيانات التي تنتجها المشاريع الجينية (مثل مشاريع تسلسل الجينوم) لوصف وظائف الجينات (والبروتينات) والتفاعلات. يركز علم الجينوم الوظيفي على الجوانب الديناميكية مثل نسخ الجينات ، والترجمة ، وتفاعلات البروتين والبروتين ، على عكس الجوانب الثابتة للمعلومات الجينومية مثل تسلسل الحمض النووي أو الهياكل. يحاول علم الجينوم الوظيفي الإجابة على أسئلة حول وظيفة الحمض النووي على مستويات الجينات ، ونسخ RNA ، ومنتجات البروتين. من السمات الرئيسية لدراسات الجينوميات الوظيفية نهجها على مستوى الجينوم تجاه هذه الأسئلة ، والذي يتضمن عمومًا طرقًا عالية الإنتاجية بدلاً من نهج "الجين تلو الجين" الأكثر تقليدية.

أحد الفروع الرئيسية لعلم الجينوم هو لا يزال مهتمًا بتسلسل جينومات الكائنات الحية المختلفة ، لكن معرفة الجينوم الكامل أوجد إمكانية مجال علم الجينوم الوظيفي ، الذي يهتم بشكل أساسي بأنماط التعبير الجيني خلال الظروف المختلفة. أهم الأدوات هنا هي المصفوفات الدقيقة والمعلوماتية الحيوية.

علم الجينوم البنيوي

يسعى علم الجينوم البنيوي إلى وصف البنية ثلاثية الأبعاد لكل بروتين مشفر بواسطة جينوم معين. يسمح هذا النهج القائم على الجينوم بأسلوب عالي الإنتاجية لتحديد الهيكل من خلال مجموعة من الأساليب التجريبية والنمذجة. يتمثل الاختلاف الرئيسي بين الجينوميات الهيكلية والتنبؤ الهيكلي التقليدي في أن الجينوميات الهيكلية تحاول تحديد بنية كل بروتين مشفر بواسطة الجينوم ، بدلاً من التركيز على بروتين معين. مع توفر تسلسل الجينوم الكامل ، يمكن التنبؤ بالبنية بسرعة أكبر من خلال مجموعة من الأساليب التجريبية والنمذجة ، خاصةً لأن توافر أعداد كبيرة من الجينومات المتسلسلة وهياكل البروتين التي تم حلها مسبقًا تسمح للعلماء بنمذجة بنية البروتين على هياكل تم حلها مسبقًا متماثلون. يتضمن علم الجينوم الإنشائي اتخاذ عدد كبير من الأساليب لتحديد البنية ، بما في ذلك الأساليب التجريبية باستخدام التسلسلات الجينية أو النهج القائمة على النمذجة بناءً على التسلسل أو التماثل الهيكلي لبروتين ذي بنية معروفة أو يعتمد على المبادئ الكيميائية والفيزيائية لبروتين بدون تجانس مع أي هيكل معروف. على عكس البيولوجيا الهيكلية التقليدية ، فإن تحديد بنية البروتين من خلال جهد الجينوم الهيكلي غالبًا (ولكن ليس دائمًا) يأتي قبل أي شيء معروف فيما يتعلق بوظيفة البروتين. يثير هذا تحديات جديدة في المعلوماتية الحيوية الهيكلية ، أي تحديد وظيفة البروتين من هيكلها ثلاثي الأبعاد.

علم التخلق

علم التخلق هو دراسة المجموعة الكاملة من التعديلات اللاجينية على المادة الوراثية للخلية ، المعروف باسم epigenome. التعديلات اللاجينية هي تعديلات عكسية على الحمض النووي للخلية أو الهستونات التي تؤثر على التعبير الجيني دون تغيير تسلسل الحمض النووي (راسل 2010 ص 475). اثنان من أكثر التعديلات الجينية تميزًا هما مثيلة الحمض النووي وتعديل الهيستون. تلعب التعديلات الجينية دورًا مهمًا في التعبير الجيني والتنظيم ، وتشارك في العديد من العمليات الخلوية مثل التمايز / التطور وتكوين الأورام. أصبحت دراسة علم التخلق على المستوى العالمي ممكنة مؤخرًا فقط من خلال تكييف المقايسات الجينومية عالية الإنتاجية.

Metagenomics

Metagenomics هي دراسة metagenomes ، المواد الجينية المسترجعة مباشرة من العينات البيئية. يمكن أيضًا الإشارة إلى المجال الواسع باسم الجينوميات البيئية أو الجينوميات البيئية أو الجينوميات المجتمعية. في حين أن علم الأحياء الدقيقة التقليدي وتسلسل الجينوم الميكروبي يعتمد على الثقافات المستنسخة المزروعة ، فإن التسلسل الجيني البيئي المبكر استنسخ جينات معينة (غالبًا جين الرنا الريباسي 16S) لإنتاج ملف تعريف للتنوع في عينة طبيعية. كشف مثل هذا العمل أن الغالبية العظمى من التنوع البيولوجي الميكروبي قد فات بسبب الأساليب القائمة على الزراعة. تستخدم الدراسات الحديثة تسلسل سانجر "بندقية الصيد" أو التسلسل الحراري المتوازي بشكل كبير للحصول على عينات غير متحيزة إلى حد كبير من جميع الجينات من جميع أعضاء المجتمعات التي تم أخذ عينات منها. نظرًا لقدرتها على الكشف عن التنوع المخفي سابقًا للحياة المجهرية ، توفر الميتاجينوميات عدسة قوية لمشاهدة عالم الميكروبات التي لديها القدرة على إحداث ثورة في فهم العالم الحي بأكمله.

أنظمة النماذج

لعبت العاثيات وما زالت تلعب دورًا رئيسيًا في علم الوراثة البكتيرية والبيولوجيا الجزيئية. تاريخيا ، تم استخدامها لتحديد بنية الجينات وتنظيم الجينات. كما كان الجينوم الأول الذي تم تسلسله هو العاثية. ومع ذلك ، فإن أبحاث العاثيات لم تقود ثورة الجينوميات ، والتي من الواضح أنها تهيمن عليها الجينوميات البكتيرية. في الآونة الأخيرة فقط ، أصبحت دراسة جينومات العاثيات بارزة ، مما مكّن الباحثين من فهم الآليات الكامنة وراء تطور العاثيات. يمكن الحصول على تسلسل الجينوم Bacteriophage من خلال التسلسل المباشر للعاثيات المعزولة ، ولكن يمكن أيضًا اشتقاقها كجزء من الجينومات الميكروبية. أظهر تحليل الجينوم البكتيري أن كمية كبيرة من الحمض النووي الميكروبي تتكون من متواليات نفاذية وعناصر شبيهة بالبروفيج. يوفر التنقيب في قاعدة البيانات التفصيلية لهذه التسلسلات نظرة ثاقبة لدور العاثيات في تشكيل الجينوم البكتيري: بشكل عام ، أثبتت هذه الطريقة العديد من مجموعات العاثيات المعروفة ، مما يجعلها أداة مفيدة للتنبؤ بعلاقات العاثيات من الجينوم البكتيري.

يوجد في الوقت الحاضر 24 بكتيريا زرقاء يتوفر لها تسلسل جينوم كامل. 15 من هذه البكتيريا الزرقاء تأتي من البيئة البحرية. هذه هي ست سلالات Prochlorococcus ، وسبع سلالات بحرية Synechococcus و Trichodesmium erythraeum IMS101 و Crocosphaera watsonii WH8501. أظهرت العديد من الدراسات كيف يمكن استخدام هذه التسلسلات بنجاح كبير لاستنتاج الخصائص البيئية والفسيولوجية الهامة للبكتيريا الزرقاء البحرية. ومع ذلك ، هناك العديد من مشاريع الجينوم قيد التنفيذ حاليًا ، من بينها هناك المزيد من عزلات Prochlorococcus و Synechococcus البحرية ، و Acaryochloris و Prochloron ، والبكتيريا الزرقاء الخيطية المثبتة لـ N2 Nodularia spumigena و Lyngbya aestuarii و Lyngbya majuscula ، بالإضافة إلى العاثيات التي تصيب البكتيريا الزرقاء البحرية. وبالتالي ، يمكن أيضًا الاستفادة من المجموعة المتزايدة من معلومات الجينوم بطريقة أكثر عمومية لمعالجة المشكلات العالمية من خلال تطبيق نهج مقارن. بعض الأمثلة الجديدة والمثيرة للتقدم في هذا المجال هي تحديد الجينات للـ RNA التنظيمي ، أو رؤى حول الأصل التطوري لعملية التمثيل الضوئي ، أو تقدير مساهمة نقل الجينات الأفقي في الجينومات التي تم تحليلها.

تطبيقات علم الجينوم

قدم علم الجينوم تطبيقات في العديد من المجالات ، بما في ذلك الطب والتكنولوجيا الحيوية والأنثروبولوجيا والعلوم الاجتماعية الأخرى.

الطب الجينومي

الجيل التالي من الجينوم تسمح التقنيات للأطباء والباحثين في الطب الحيوي بزيادة كمية البيانات الجينية التي يتم جمعها على مجموعات الدراسة الكبيرة بشكل كبير. عند دمجها مع مناهج المعلوماتية الجديدة التي تدمج أنواعًا عديدة من البيانات مع البيانات الجينية في أبحاث الأمراض ، فإن هذا يسمح للباحثين بفهم أفضل للأسس الجينية للاستجابة للأدوية والمرض. تضمنت الجهود المبكرة لتطبيق الجينوم على الطب تلك التي قام بها فريق من جامعة ستانفورد بقيادة إيوان أشلي الذي طور الأدوات الأولى للتفسير الطبي للجينوم البشري. على سبيل المثال ، يهدف برنامج البحث All of Us إلى جمع بيانات تسلسل الجينوم من مليون مشارك لتصبح مكونًا مهمًا لمنصة أبحاث الطب الدقيق.

البيولوجيا التركيبية والهندسة الحيوية

أتاح نمو المعرفة الجينية تطبيقات معقدة بشكل متزايد للبيولوجيا التركيبية. في عام 2010 ، أعلن باحثون في معهد J. Craig Venter عن إنشاء نوع من البكتيريا الاصطناعية جزئيًا ، Mycoplasma labatorium ، مشتق من جينوم Mycoplasma genitalium .

جينوم الحفظ

يمكن أن يستخدم دعاة الحفاظ على البيئة المعلومات التي تم جمعها عن طريق التسلسل الجيني من أجل تقييم أفضل للعوامل الجينية الرئيسية للحفاظ على الأنواع ، مثل التنوع الجيني للسكان أو ما إذا كان الفرد متغاير الزيجوت بالنسبة لمجموعة متنحية اضطراب وراثي وراثي. باستخدام البيانات الجينومية لتقييم آثار العمليات التطورية واكتشاف الأنماط المتباينة عبر مجموعة سكانية معينة ، يمكن لأصحاب البيئة صياغة خطط لمساعدة نوع معين دون العديد من المتغيرات التي تُركت غير معروفة مثل تلك التي لم تعالجها الأساليب الجينية القياسية.