10.3: Геноміка та протеоміка

Вивчення нуклеїнових кислот почалося з відкриття ДНК, просунулося до вивчення генів і дрібних фрагментів і тепер вибухнуло до області геноміки. Геноміка - це вивчення цілих геномів, включаючи повний набір генів, їх нуклеотидну послідовність та організацію, а також їх взаємодії всередині виду та з іншими видами. Досягнення геноміки стали можливими завдяки технології секвенування ДНК. Подібно до того, як інформаційні технології призвели до Google Maps, які дозволяють нам отримувати детальну інформацію про місця по всій земній кулі, геномна інформація використовується для створення подібних карт ДНК різних організмів.

Картографування геномів

Картування генома - це процес знаходження розташування генів на кожній хромосомі. Створені карти можна порівняти з картами, які ми використовуємо для навігації по вулицях. Генетична карта - це ілюстрація, яка перераховує гени та їх розташування на хромосомі. Генетичні карти дають загальну картину (схожу на карту міждержавних магістралей) і використовують генетичні маркери (схожі на орієнтири). Генетичний маркер - це ген або послідовність на хромосомі, який показує генетичну зв'язок з ознакою, що цікавить. Генетичний маркер, як правило, успадковується з геном, що цікавить, і однією мірою відстані між ними є частота рекомбінації під час мейозу. Ранні генетики називали це зв'язковим аналізом.

Фізичні карти потрапляють в інтимні деталі більш дрібних областей хромосом (аналогічно докладної дорожньої карти) (рис. \(\PageIndex{1}\)). Фізична карта - це зображення фізичної відстані, в нуклеотидах, між генами або генетичними маркерами. Як карти генетичних зв'язків, так і фізичні карти необхідні для побудови повної картини генома. Наявність повної карти генома полегшує дослідникам вивчення окремих генів. Карти генома людини допомагають дослідникам у їх зусиллями ідентифікувати людські хвороботворні гени, пов'язані з такими захворюваннями, як рак, серцеві захворювання та муковісцидоз, щоб назвати декілька. Крім того, картографування генома може бути використано для виявлення організмів з корисними ознаками, такими як мікроби, здатні очищати забруднюючі речовини або навіть запобігати забрудненню. Дослідження, що включають картування генома рослин, можуть призвести до методів, які дають більш високі врожаї сільськогосподарських культур або до розвитку рослин, які краще адаптуються до зміни клімату.

Малюнок \(\PageIndex{1}\): Це фізична карта Х-хромосоми людини. (кредит: зміна роботи NCBI, NIH)

Генетичні карти надають контури, а фізичні карти надають деталі. Легко зрозуміти, чому обидва типи методів геном-картографування важливі, щоб показати загальну картину. Інформація, отримана з кожної методики, використовується в комплексі для вивчення генома. Геномне картографування використовується з різними модельними організмами, які використовуються для досліджень. Картування генома все ще є постійним процесом, і оскільки розробляються більш досконалі методи, очікується більше досягнень. Відображення генома схоже на завершення складної головоломки, використовуючи кожен фрагмент доступних даних. Картографічна інформація, що генерується в лабораторіях по всьому світу, вноситься до центральних баз даних, таких як Національний центр біотехнологічної інформації (NCBI). Докладаються зусилля, щоб зробити інформацію більш доступною для дослідників і широкої громадськості. Подібно до того, як ми використовуємо глобальні системи позиціонування замість паперових карт для навігації по дорогах, NCBI дозволяє нам використовувати інструмент перегляду геному для спрощення процесу інтелектуального аналізу даних.

ПОНЯТТЯ В ДІЇ

Інтернет Mendelian успадкування в людині (OMIM) - це онлайн-каталог генів та генетичних розладів людини. Цей веб-сайт показує відображення генома, а також детально описує історію та дослідження кожної риси та розладу. Клацніть на посилання, щоб шукати риси (такі як передача рук) та генетичні порушення (наприклад, діабет).

Цілісне секвенування генома

Незважаючи на значні досягнення в медичних науках в останні роки, лікарі все ще збентежені багатьма захворюваннями, і дослідники використовують цілі секвенування генома, щоб дійти до суті проблеми. Цілісне секвенування генома - це процес, який визначає послідовність ДНК цілого генома. Цілісне секвенування генома - це груба сила підходу до вирішення проблем, коли в основі захворювання є генетична основа. Зараз кілька лабораторій надають послуги для послідовності, аналізу та інтерпретації цілих геномів.

У 2010 році цільне секвенування генома було використано для порятунку молодого хлопчика, кишечник якого мав множинні загадкові абсцеси. Дитина перенесла кілька операцій з товстою кишкою без полегшення. Нарешті, ціла послідовність генома виявила дефект шляху, який контролює апоптоз (запрограмовану загибель клітин). Пересадка кісткового мозку була використана для подолання цього генетичного розладу, що призвело до лікування хлопчика. Він був першою людиною, яку успішно діагностували за допомогою цільного секвенування генома.

Перші геноми, що підлягають секвенації, такі як ті, що належать до вірусів, бактерій та дріжджів, були меншими за кількістю нуклеотидів, ніж геноми багатоклітинних організмів. Зараз відомі геноми інших модельних організмів, таких як миша (Mus musculus), плодова муха (Drosophila melanogaster) та нематода (Caenorhabditis elegans). Велика кількість фундаментальних досліджень проводиться в модельних організаціях, Тому що інформація може бути застосована і до інших організмів. Модельний організм - це вид, який вивчається як модель для розуміння біологічних процесів в інших видах, які можуть бути представлені модельним організмом. Наприклад, фруктові мухи здатні метаболізувати алкоголь, як люди, тому гени, що впливають на чутливість до алкоголю, були вивчені у фруктових мух, намагаючись зрозуміти різницю чутливості до алкоголю у людини. Маючи цілі геноми послідовно допомагає з дослідницькими зусиллями в цих модельних організмах (Малюнок \(\PageIndex{2}\)).

Малюнок \(\PageIndex{2}\): Багато основних досліджень проводиться з модельними організмами, такими як миша, Mus musculus; плодова муха, Drosophila melanogaster; нематода Caenorhabditis elegans; дріжджі Saccharomyces cerevisiae; і звичайний бур'ян, Arabidopsis thaliana. (кредит «миша»: модифікація роботи Флореана Фортескуе; кредит «нематоди»: модифікація роботи «snickclunk» /Flickr; кредит «common weed»: модифікація роботи Пеггі Греб, USDA; масштабні дані від Метта Рассела)

Перша послідовність генома людини була опублікована в 2003 році. Кількість цілих геномів, які були секвеновані, неухильно зростає і тепер включає сотні видів і тисячі окремих геномів людини.

Застосування геноміки

Впровадження секвенування ДНК та проектів секвенування цілих геномів, зокрема проекту «Геном людини», розширило застосовність інформації про послідовність ДНК. Геноміка зараз використовується в самих різних областях, таких як метагеноміка, фармакогеноміка та мітохондріальна геноміка. Найбільш відоме застосування геноміки - це зрозуміти та знайти ліки від хвороб.

Прогнозування ризику захворювання на індивідуальному рівні

Прогнозування ризику захворювання передбачає скринінг і виявлення здорових в даний час осіб шляхом аналізу генома на індивідуальному рівні. Втручання при зміні способу життя і препарати можуть бути рекомендовані до початку захворювання. Однак такий підхід найбільш застосовний, коли проблема виникає внаслідок однієї мутації гена. Такі дефекти становлять лише близько 5 відсотків захворювань, виявлених у розвинених країнах. Більшість поширених захворювань, таких як серцеві захворювання, є багатофакторними або полігенними, що стосується фенотипічної характеристики, яка визначається двома або більше генами, а також факторами навколишнього середовища, такими як дієта. У квітні 2010 року вчені Стенфордського університету опублікували аналіз генома здорової людини (Стівен Квейк, вчений Стенфордського університету, який секвенував його геном); аналіз передбачив його схильність до придбання різних захворювань. Оцінка ризику була зроблена для аналізу відсотка ризику Quake для 55 різних захворювань. Була виявлена рідкісна генетична мутація, яка показала, що він ризикує раптовим серцевим нападом. Йому також прогнозували 23-відсотковий ризик розвитку раку передміхурової залози та 1,4 відсотка ризику розвитку хвороби Альцгеймера. Вчені використовували бази даних і кілька публікацій для аналізу геномних даних. Незважаючи на те, що геномна секвенування стає все доступнішою, а аналітичні інструменти стають все більш надійними, етичні проблеми, пов'язані з геномним аналізом на рівні населення, залишаються вирішуватися. Наприклад, чи можуть такі дані законно використовуватися для нарахування більш-менш плати за страхування або для впливу на кредитні рейтинги?

Геном загальноприйнятих асоціацій досліджень

З 2005 року можна було провести тип дослідження, який називається дослідженням асоціації генома, або GWAS. GWAS - це метод, який визначає відмінності між особами в однонуклеотидних поліморфізмах (SNP), які можуть бути залучені до спричинення захворювань. Метод особливо підходить для захворювань, які можуть бути порушені одним або багатьма генетичними змінами в усьому геномі. Дуже важко ідентифікувати гени, що беруть участь у подібному захворюванні, використовуючи інформацію про сімейний анамнез. Метод GWAS спирається на генетичну базу даних, яка розробляється з 2002 року під назвою Міжнародний проект HapMap. Проект HapMap секвенував геноми кількох сотень особин з усього світу та визначив групи SNP. До груп належать SNP, які розташовані поруч один з одним на хромосомах, тому вони, як правило, залишаються разом за допомогою рекомбінації. Той факт, що група залишається разом, означає, що ідентифікація одного маркера SNP - це все, що потрібно для ідентифікації всіх SNP в групі. Ідентифіковано кілька мільйонів SNP, але ідентифікувати їх у інших людей, які не мали повного секвенування генома, набагато простіше, оскільки потрібно ідентифікувати лише маркерні SNP.

У загальній конструкції для ГВАС вибираються дві групи осіб; одна група має захворювання, а інша - ні. Особи в кожній групі узгоджуються за іншими характеристиками, щоб зменшити ефект змішаних змінних, що викликають відмінності між двома групами. Наприклад, генотипи можуть відрізнятися, оскільки дві групи в основному взяті з різних куточків світу. Після того, як люди обрані, і, як правило, їх кількість становить тисячу або більше для дослідження, щоб працювати, зразки їх ДНК отримують. ДНК аналізується за допомогою автоматизованих систем для виявлення великих відмінностей у відсотках конкретних SNP між двома групами. Часто дослідження досліджує мільйон і більше SNP в ДНК. Результати GWAS можна використовувати двома способами: генетичні відмінності можуть бути використані як маркери сприйнятливості до захворювання у недіагностованих осіб, а визначені конкретні гени можуть бути мішенями для дослідження молекулярного шляху захворювання та потенційних методів лікування. Відгалуженням відкриття генних асоціацій із захворюваннями стало формування компаній, які надають так звану «особисту геноміку», яка визначатиме рівні ризику різних захворювань на основі доповнення SNP людини. Наука, що стоїть за цими послугами, суперечлива.

Оскільки GWAS шукає асоціації між генами та хворобами, ці дослідження надають дані для інших досліджень причин, а не самі відповідають на конкретні запитання. Зв'язок між різницею генів та хворобою не обов'язково означає, що існує причинно-наслідковий зв'язок. Однак деякі дослідження дали корисну інформацію про генетичні причини захворювань. Наприклад, три різних дослідження 2005 року виявили ген білка, який бере участь у регулюванні запалення в організмі, який пов'язаний із хвороботворною сліпотою, яка називається віковою дегенерацією жовтої плями. Це відкрило нові можливості для дослідження причини цього захворювання. Було виявлено велику кількість генів, які пов'язані з хворобою Крона за допомогою GWAS, і деякі з них запропонували нові гіпотетичні механізми причини захворювання.

Фармакогеноміка

Фармакогеноміка передбачає оцінку ефективності та безпеки лікарських засобів на основі інформації з геномної послідовності індивіда. Інформація про послідовність персональних геномів може бути використана для призначення ліків, які будуть найбільш ефективними та найменш токсичними на основі індивідуального генотипу пацієнта. Вивчення змін експресії генів може надати інформацію про профіль транскрипції гена в присутності препарату, який може бути використаний як ранній показник потенціалу токсичних ефектів. Наприклад, гени, що беруть участь у клітинному зростанні та контрольованої загибелі клітин, коли їх порушують, можуть призвести до зростання ракових клітин. Широкі дослідження генома також можуть допомогти знайти нові гени, що беруть участь у токсичності ліків. Сигнатури генів можуть бути не зовсім точними, але можуть бути перевірені далі, перш ніж виникнуть патологічні симптоми.

Метагеноміка

Традиційно мікробіологія викладається з тією метою, що мікроорганізми найкраще вивчаються в умовах чистої культури, що передбачає виділення одного типу клітини та культивування її в лабораторії. Оскільки мікроорганізми можуть пройти кілька поколінь за лічені години, їх профілі експресії генів дуже швидко адаптуються до нового лабораторного середовища. З іншого боку, багато видів чинять опір культивуванню ізольовано. Більшість мікроорганізмів живуть не як окремі утворення, 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. \(\PageIndex{3}\)). Методи метагеноміки тепер також можуть бути застосовані до спільнот вищих еукаріотів, таких як риба.

Малюнок \(\PageIndex{3}\): Метагеноміка передбачає виділення ДНК з декількох видів в межах екологічної ніші. ДНК вирізається і послідовно, що дозволяє реконструювати цілі послідовності геномів декількох видів з послідовностей перекриваються шматків.

Створення нового біопалива

Знання геноміки мікроорганізмів використовується для пошуку кращих способів використання біопалива з водоростей та ціанобактерій. Першоджерелами палива сьогодні є вугілля, нафта, деревина та інші рослинні продукти, такі як етанол. Хоча рослини є поновлюваними ресурсами, все ще існує потреба знайти більше 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 в основному невикористаним. Цей величезний генетичний ресурс має потенціал для забезпечення нових джерел біопалива (рис. \(\PageIndex{4}\)).

Ілюстрація \(\PageIndex{4}\): Відновлювані види палива були випробувані на кораблах і літаках ВМС на першому Військово-морському енергетичному форумі. (Кредит: модифікація роботи Джона Вільямса, ВМС США)

Мітохондріальна геноміка

Мітохондрії - це внутрішньоклітинні органели, які містять власну ДНК. Мітохондріальна ДНК мутує швидкими темпами і часто використовується для вивчення еволюційних зв'язків. Ще однією особливістю, яка робить цікавим вивчення геному мітохондрій, є те, що у більшості багатоклітинних організмів мітохондріальна ДНК передається від матері в процесі запліднення. З цієї причини для відстеження генеалогії часто використовується мітохондріальна геноміка.

Геноміка в судово-аналізі

Інформація та підказки, отримані із зразків ДНК, знайдених на місцях злочину, використовувались як доказ у судових справах, а генетичні маркери використовувались у криміналістичному аналізі. Геномний аналіз також став корисним у цій галузі. У 2001 році було опубліковано перше використання геноміки в криміналістиці. Це було спільними зусиллями між академічними науково-дослідними установами та ФБР, щоб вирішити загадкові випадки сибірської виразки (Малюнок \(\PageIndex{5}\)), який був перевезений Поштовою службою США. Бактерії сибірської виразки були зроблені в інфекційний порошок і надіслані поштою ЗМІ та двом американським сенаторам. Порошок заразив адміністративний персонал і поштові працівники, які відкривали або обробляли листи. П'ятеро людей померли, а 17 були хворі від бактерій. Використовуючи мікробну геноміку, дослідники визначили, що конкретний штам сибірської виразки використовувався у всіх розсилках; в кінцевому підсумку джерело простежувався до вченого в національній лабораторії біозахисту в штаті Меріленд.

Малюнок \(\PageIndex{5}\): Bacillus anthracis — це організм, який викликає сибірську виразку. (кредит: модифікація роботи CDC; дані шкали від Метта Рассела)

Геноміка в сільському господарстві

Геноміка може певною мірою зменшити випробування і невдачі, що беруть участь в наукових дослідженнях, які могли б поліпшити якість і кількість врожайності сільськогосподарських культур в сільському господарстві (рис \(\PageIndex{6}\)). Зв'язування ознак з генами або генними сигнатурами допомагає поліпшити селекцію сільськогосподарських культур для отримання гібридів з найбільш бажаними якостями. Вчені використовують геномні дані для виявлення бажаних ознак, а потім передають ці риси іншому організму для створення нового генетично модифікованого організму, як описано в попередньому модулі. Вчені виявляють, як геноміка може поліпшити якість і кількість сільськогосподарської продукції. Наприклад, вчені можуть використовувати бажані риси для створення корисного продукту або покращення існуючого продукту, наприклад, роблячи чутливу до посухи культуру більш толерантною до сухого сезону.

Малюнок \(\PageIndex{6}\): Трансгенні сільськогосподарські рослини можна змусити протистояти хворобам. Ці трансгенні сливи стійкі до вірусу віспи сливи. (кредит: Скотт Бауер, USDA ARS)

Протеоміка

Білки є кінцевими продуктами генів, які виконують функцію, закодовану геном. Білки складаються з амінокислот і відіграють важливу роль в клітці. Всі ферменти (крім рибозимів) є білками і діють як каталізатори, що впливають на швидкість реакцій. Білки також є регуляторними молекулами, а деякі - гормонами. Транспортні білки, такі як гемоглобін, допомагають транспортувати кисень до різних органів. Антитіла, які захищають від сторонніх часток, також є білками. У хворому стані функція білка може бути порушена через зміни на генетичному рівні або через прямого впливу на конкретний білок.

Протеома - це весь набір білків, що виробляються клітинним типом. Протеоми можна вивчати, використовуючи знання геномів, оскільки гени кодують мРНК, а мРНК кодують білки. Вивчення функції протеомів називається протеоміки. Протеоміка доповнює геноміку і корисна, коли вчені хочуть перевірити свої гіпотези, засновані на генах. Незважаючи на те, що всі клітини багатоклітинного організму мають однаковий набір генів, набір білків, що виробляються в різних тканинах, різний і залежить від експресії генів. Таким чином, геном постійний, але протеом змінюється і є динамічним всередині організму. Крім того, РНК можна альтернативно зрощувати (вирізати та вставляти для створення нових комбінацій та нових білків), а багато білків модифікуються після перекладу. Хоча геном забезпечує план, остаточна архітектура залежить від декількох факторів, які можуть змінити прогресування подій, що породжують протеому.

Геноми і протеоми пацієнтів, які страждають специфічними захворюваннями, вивчаються для розуміння генетичної основи захворювання. Найвизначнішим захворюванням, що вивчається при протеомічних підходах, є рак (рис. \(\PageIndex{7}\)). Протеомічні підходи використовуються для поліпшення скринінгу та раннього виявлення раку; це досягається шляхом ідентифікації білків, на експресію яких впливає процес захворювання. Окремий білок називається біомаркером, тоді як набір білків зі зміненими рівнями експресії називається білковою сигнатурою. Щоб біомаркер або білковий підпис були корисними як кандидат для раннього скринінгу та виявлення раку, він повинен виділятися в рідині організму, таких як піт, кров або сеча, щоб великомасштабні скринінг можна було проводити неінвазивним способом. Актуальною проблемою використання біомаркерів для раннього виявлення раку є висока швидкість хибно-негативних результатів. Помилково-негативний результат - це негативний результат тесту, який повинен був бути позитивним. Іншими словами, багато випадків раку залишаються непоміченими, що робить біомаркери ненадійними. Деякі приклади білкових біомаркерів, що використовуються при виявленні раку, - CA-125 для раку яєчників та PSA для раку передміхурової залози. Білкові сигнатури можуть бути більш надійними, ніж біомаркери для виявлення ракових клітин. Протеоміка також використовується для розробки індивідуальних планів лікування, що передбачає прогнозування того, чи буде людина реагувати на конкретні препарати та побічні ефекти, які може мати людина. Протеоміка також використовується для прогнозування можливості рецидиву захворювання.

Малюнок \(\PageIndex{7}\): Ця машина готується зробити аналіз протеомічної картини для виявлення конкретних видів раку, щоб можна було зробити точний прогноз раку. (Кредит: Дорі Хайтауер, NCI, NIH)

Національний інститут раку розробив програми для поліпшення виявлення та лікування раку. Клінічні протеомні технології раку та дослідницька мережа раннього виявлення намагаються визначити білкові сигнатури, характерні для різних видів раку. Програма біомедичної Proteomics призначена для виявлення білкових сигнатур та розробки ефективних методів лікування хворих на рак.

Резюме

Картування генома схоже на вирішення великої, складної головоломки з фрагментами інформації, що надходить з лабораторій по всьому світу. Генетичні карти дають схему розташування генів в геномі, і вони оцінюють відстань між генами і генетичними маркерами на основі частоти рекомбінації під час мейозу. Фізичні карти дають детальну інформацію про фізичну відстань між генами. Найбільш детальна інформація доступна за допомогою відображення послідовностей. Інформація з усіх джерел картографування та секвенування об'єднується для вивчення цілого генома.

Ціле секвенування генома є останнім доступним ресурсом для лікування генетичних захворювань. Деякі лікарі використовують цілі секвенування генома, щоб врятувати життя. Геноміка має багато промислових застосувань, включаючи розвиток біопалива, сільське господарство, фармацевтику та контроль забруднення.

Уява є єдиною перешкодою для застосовності геноміки. Геноміка застосовується до більшості галузей біології; вона може бути використана 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 для генерації нового біопалива, генеалогічної оцінки з використанням мітохондрій, досягнень криміналістики та вдосконалення сільського господарства.

Протеоміка - це дослідження всього набору білків, виражених даним типом клітин при певних умовах навколишнього середовища. У багатоклітинному організмі різні типи клітин матимуть різні протеоми, і вони будуть змінюватися залежно від змін у навколишньому середовищі. На відміну від генома, протеом динамічний і знаходиться під постійним потоком, що робить його більш складним і корисним, ніж знання тільки геномів.

Глосарій

біомаркер

окремі білка, який однозначно виробляється в хворому стані

генетична карта

контур генів та їх розташування на хромосомі, що базується на частотах рекомбінації між маркерами

геноміки

вивчення цілих геномів, включаючи повний набір генів, їх нуклеотидну послідовність та організацію, а також їх взаємодії всередині виду та з іншими видами

метагеноміка

вивчення колективних геномів декількох видів, які ростуть і взаємодіють в екологічній ніші

модель організм

вид, який вивчається і використовується в якості моделі для розуміння біологічних процесів в інших видів, представлених модель організму

фармакогеноміка

вивчення лікарських взаємодій з геномом або протеомом; також називається токсикогеномікою

фізична карта

уявлення про фізичну відстань між генами або генетичні маркери

білковий підпис

набір over- або недостатньо виражені білків, характерних для клітин в конкретних хворий тканини

протеоміки

дослідження функції протеомів

секвенування всього генома

процес, який визначає послідовність нуклеотидів цілого генома

Дописувачі та атрибуції

• Template:ContribOpenStaxConcepts