17.4: Застосування геноміки

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1840

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Поясніть фармакогеноміку
Визначте полігенність

Впровадження секвенування ДНК та проектів секвенування цілого генома, зокрема проекту «Геном людини», розширило застосовність інформації про послідовність ДНК. Зараз геноміка використовується в найрізноманітніших галузях, таких як метагеноміка, фармакогеноміка та геноміка мітохондрій. Найбільш відоме застосування геноміки полягає в розумінні та пошуку ліків від захворювань.

Прогнозування ризику захворювання на індивідуальному рівні

Прогнозування ризику захворювання передбачає скринінг в даний час здорових осіб шляхом аналізу геному на індивідуальному рівні. До початку захворювання може бути рекомендовано втручання зі змінами способу життя та лікарськими препаратами. Однак цей підхід найбільш застосовний, коли проблема знаходиться в межах одного дефекту гена. Такі дефекти становлять лише приблизно 5 відсотків захворювань в розвинених країнах. Більшість поширених захворювань, таких як хвороби серця, є багатофакторними або полігенними, що є фенотипічною характеристикою, яка включає два або більше генів, а також включають фактори навколишнього середовища, такі як дієта. У квітні 2010 року вчені Стенфордського університету опублікували аналіз генома здорової людини (Стівен Квейк, вчений Стенфордського університету, у якого був секвенований геном); аналіз передбачив його схильність до придбання різних захворювань. Оцінка ризику була проведена для аналізу відсотка ризику Quake для 55 різних медичних станів. Була виявлена рідкісна генетична мутація, яка показала, що він піддається ризику раптового серцевого нападу. Він також прогнозував, що 23-відсотковий ризик розвитку раку передміхурової залози та 1,4 відсотка ризику розвитку хвороби Альцгеймера Вчені використовували бази даних та кілька публікацій для аналізу геномних даних. Незважаючи на те, що геномне секвенування стає все більш доступним, а аналітичні інструменти стають більш надійними, етичні питання, пов'язані з геномним аналізом на популяційному рівні, залишаються вирішеними.

Мистецтво З'єднання

Тест PCA3 відбувається в три етапи. На першому кроці мРНК PCA3 відпалює до комплементарних праймерів ДНК, які прикріплені до намистин. На другому кроці мРНК посилюється за допомогою ПЛР з зворотною транскриптазою. На третьому кроці мРНК виявляється за допомогою хемілюмінесцентного зонда. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): *PCA3* - ген, який виражається в епітеліальних клітині передміхурової залози і надмірно експресується в ракових клітині. Висока концентрація *PCA3* в сечі свідчить про рак передміхурової залози. Тест *PCA3* вважається кращим показником раку, ніж більш відомий тест PSA, який вимірює рівень ПСА (простат-специфічного антигену) в крові.

У 2011 році Цільова група з профілактичних служб США рекомендувала не використовувати тест PSA для скринінгу здорових чоловіків на рак передміхурової залози. Їх рекомендація заснована на доказах того, що скринінг не знижує ризик смерті від раку передміхурової залози. Рак передміхурової залози часто розвивається дуже повільно і не викликає проблем, в той час як лікування раку може мати серйозні побічні ефекти. Тест PCA3 вважається більш точним, але скринінг все ще може призвести до чоловіків, які не постраждали б від самого раку, які страждають побічними ефектами від лікування. Як ви думаєте? Чи повинні всі здорові чоловіки бути обстежені на рак передміхурової залози за допомогою тесту PCA3 або PSA? Чи повинні люди взагалі пройти обстеження, щоб з'ясувати, чи є у них генетичний ризик раку чи інших захворювань?

Фармакогеноміка та токсикогеноміка

Фармакогеноміка, також звана токсикогеномікою, передбачає оцінку ефективності та безпеки лікарських засобів на основі інформації з геномної послідовності індивіда. Геномні реакції на препарати можуть бути вивчені за допомогою експериментальних тварин (таких як лабораторні щури або миші) або живі клітини в лабораторії, перш ніж приступати до досліджень з людьми. Вивчення змін експресії генів може надати інформацію про профіль транскрипції в присутності препарату, який може бути використаний як ранній показник потенціалу токсичних ефектів. Наприклад, гени, що беруть участь у клітинному зростанні та контрольованій загибелі клітин, при порушенні можуть призвести до зростання ракових клітин. Дослідження в масштабах геному також можуть допомогти знайти нові гени, що беруть участь у токсичності наркотиків. Особиста інформація про послідовність геному може бути використана для призначення ліків, які будуть найбільш ефективними та найменш токсичними на основі індивідуального генотипу пацієнта. Генні сигнатури можуть бути не повністю точними, але можуть бути перевірені далі, перш ніж виникнуть патологічні симптоми.

Мікробна геноміка: метагеноміка

Традиційно мікробіологію викладають з урахуванням того, що мікроорганізми найкраще вивчаються в умовах чистої культури, що передбачає виділення одного типу клітин і культивування її в лабораторії. Оскільки мікроорганізми можуть пройти кілька поколінь за лічені години, їх профілі експресії генів дуже швидко адаптуються до нового лабораторного середовища. Крім того, переважна більшість видів бактерій протистоїть культивуванню ізольовано. Більшість мікроорганізмів живуть не як ізольовані сутності, а в мікробних спільнотах, відомих як біоплівки. З усіх цих причин чиста культура не завжди є найкращим способом вивчення мікроорганізмів. Метагеноміка - це вивчення колективних геномів декількох видів, які ростуть і взаємодіють в екологічній ніші. Метагеноміка може бути використана для більш швидкого виявлення нових видів і аналізу впливу забруднюючих речовин на навколишнє середовище (рис.\(\PageIndex{2}\)).

У метагеноміці вся геномна ДНК з конкретного середовища розрізається на фрагменти і перев'язана в клонуючий вектор. Уламки, які можуть бути з декількох різних видів, послідовні. Регіони перекриття вказують на те, що два фрагменти походять від одного виду. Таким чином, можна визначити геном кожного присутнього виду. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Метагеноміка передбачає виділення ДНК від декількох видів у екологічній ніші.

Мікробна геноміка: створення нового біопалива

Знання геноміки мікроорганізмів використовуються для пошуку кращих способів використання біопалива з водоростей і ціанобактерій. Основними джерелами палива сьогодні є вугілля, нафта, деревина та інші рослинні продукти, такі як етанол. Незважаючи на те, що рослини є поновлюваними ресурсами, все ще існує потреба в пошуку альтернативних відновлюваних джерел енергії для задоволення потреб нашого населення в енергії. Мікробний світ є одним з найбільших ресурсів для генів, які кодують нові ферменти і виробляють нові органічні сполуки, і він залишається значною мірою невикористаним. Мікроорганізми використовуються для створення продуктів, таких як ферменти, які використовуються в дослідженнях, антибіотики та інші антимікробні механізми. Мікробна геноміка допомагає розробляти діагностичні інструменти, вдосконалені вакцини, нові методи лікування захворювань та передові методи очищення навколишнього середовища.

Мітохондріальна геноміка

Мітохондрії - це внутрішньоклітинні органели, які містять власну ДНК. Мітохондріальна ДНК мутує з швидкою швидкістю і часто використовується для вивчення еволюційних відносин. Ще одна особливість, яка робить вивчення генома мітохондрій цікавим, полягає в тому, що мітохондріальна ДНК у більшості багатоклітинних організмів передається від матері в процесі запліднення. З цієї причини мітохондріальна геноміка часто використовується для відстеження генеалогії.

Інформація та підказки, отримані з зразків ДНК, знайдених на місці злочину, використовувались як докази у судових справах, а генетичні маркери використовувались при криміналістичному аналізі. Геномний аналіз також став корисним у цій галузі. У 2001 році було опубліковано перше використання геноміки в криміналістиці. Це була спільна спроба між академічними дослідницькими установами та ФБР вирішити таємничі випадки сибірської виразки, повідомлені через поштову службу США. Використовуючи мікробну геноміку, дослідники визначили, що специфічний штам сибірської виразки використовувався у всіх розсилках.

Геноміка в сільському господарстві

Геноміка може певною мірою зменшити випробування та невдачі, пов'язані з науковими дослідженнями, що може покращити якість та кількість врожайності сільськогосподарських культур у сільському господарстві. Зв'язування ознак з генами або генними сигнатурами допомагає покращити селекцію сільськогосподарських культур для створення гібридів з найбільш бажаними якостями. Вчені використовують геномні дані для виявлення бажаних ознак, а потім переносять ці риси в інший організм. Вчені виявляють, як геноміка може покращити якість та кількість сільськогосподарської продукції. Наприклад, вчені могли б використовувати бажані ознаки для створення корисного продукту або покращення існуючого продукту, наприклад, зробити чутливий до посухи урожай більш терпимим до сухого сезону.

Резюме

Уява є єдиним бар'єром для застосовності геноміки. Геноміка застосовується до більшості галузей біології; вона використовується для персоналізованої медицини, прогнозування ризиків захворювань на індивідуальному рівні, вивчення лікарських взаємодій перед проведенням клінічних випробувань та вивчення мікроорганізмів у навколишньому середовищі на відміну від лабораторії. Він також застосовується до таких розробок, як генерація нового біопалива, генеалогічна оцінка з використанням мітохондрій, досягнення криміналістики та вдосконалення сільського господарства.

Мистецькі зв'язки

Малюнок\(\PageIndex{1}\): У 2011 році Цільова група з профілактичних служб США рекомендувала не використовувати тест PSA для скринінгу здорових чоловіків на рак передміхурової залози. Їх рекомендація заснована на доказах того, що скринінг не знижує ризик смерті від раку передміхурової залози. Рак передміхурової залози часто розвивається дуже повільно і не викликає проблем, в той час як лікування раку може мати серйозні побічні ефекти. Тест PCA3 вважається більш точним, але скринінг все ще може призвести до чоловіків, які не постраждали б від самого раку, які страждають побічними ефектами від лікування. Як ви думаєте? Чи повинні всі здорові чоловіки бути обстежені на рак передміхурової залози за допомогою тесту PCA3 або PSA? Чи повинні люди взагалі пройти обстеження, щоб з'ясувати, чи є у них генетичний ризик раку чи інших захворювань?

Відповідь: Правильних або неправильних відповідей на ці питання немає. Хоча це правда, що лікування раку передміхурової залози саме по собі може бути шкідливим, багато чоловіків вважають за краще знати, що у них рак, щоб вони могли контролювати захворювання і почати лікування, якщо воно прогресує. І хоча генетичний скринінг може бути корисним, він дорогий і може викликати зайве занепокоєння. Люди з певними факторами ризику можуть ніколи не розвинути захворювання, а профілактичні методи лікування можуть принести більше шкоди, ніж користі.

Глосарій

метагеноміка: вивчення колективних геномів множинних видів, які ростуть і взаємодіють в екологічній ніші

фармакогеноміка: вивчення лікарської взаємодії з геномом або протеомом; також називається токсикогеноміка

полігенний: фенотипічна характеристика, викликана двома або більше генами

чиста культура: зростання одного типу клітин в лабораторії