Genomik: Genominin Yapısal ve İşlevsel Çalışmaları

Genomik: Genominin Yapısal ve İşlevsel Çalışmaları!

Genom terimi H. Winkler (1920) tarafından bir virüs de dahil olmak üzere bir organizmada bulunan tüm kromozomal ve ekstra kromozomal gen setini belirtmek için eklenmiştir.

TH Roderick (1987) tarafından oluşturulan genomik terimi, genomların yapısını ve organizasyonunu analiz etmek için haritalama ve sıralama anlamına gelir. Ancak günümüzde genomik, genom dizilimini, bir organizma tarafından kodlanan proteinlerin tamamının belirlenmesini ve bir organizmada genlerin ve metabolik yolların işleyişini içerir.

Genomik çalışma aşağıdaki iki alana ayrılmıştır:

Yapısal genomik, genom dizisinin tamamının veya bir organizma tarafından üretilen bütün protein dizisinin belirlenmesi ile ilgilidir. İlgili çeşitli adımlar şunlardır: (i) yüksek çözünürlüklü genetik ve fiziksel haritaların oluşturulması, (ii) genomun sekanslanması ve (iii) bir organizmadaki tüm protein setinin belirlenmesi. Ayrıca, ilgili proteinlerin üç boyutlu yapılarının belirlenmesini de içerir.

2. Fonksiyonel genomik, genlerin ve metabolik yolların, yani organizmalarda gen ekspresyon paternlerinin işleyişini inceler.

Genomların Sıralanması:

Genom dizilimi oldukça karmaşık ve teknik olarak zorlu bir süreçtir. Bir seferde 500-600 bp'lik bir fragman sıralanabilir. Buna karşılık, genomlar aşırı derecede büyüktür, örneğin E. coli için 4.2 x 106 ve insanlar için 3.2 x 106. Bu nedenle, genokson dizisinin oldukça fazla sayıda küçük parçada elde edilmesi gerekir, bu parçalar daha sonra genom için bir diziye birleştirilir.

Dizileme için kullanılan parçalar, genomik DNA'nın rastgele noktalardaki parçalara bölünmesiyle üretilir. Sonuç olarak, genomdaki fragmanın yeri deneysel olarak belirlenmelidir. Bir organizmanın genomik DNA'sından elde edilen tüm fragmanlar, organizmanın genomik bir kütüphanesini oluşturan uygun bir vektörde klonlanır. Genom dizilimi için iki yaklaşım şunlardır: (a) klon-by-klon dizilimi ve (b) av tüfeği dizilimi.

(a) Klonla Sıralama Sıralaması:

Bu yöntemde, fragmanlar ilk önce BAC contig'lerinin yönlendirilmiş sekansı olarak da adlandırılan contig'lere hizalanır. Bir bitişik, bir kromozomun belirli bir bölgesini veya hatta tüm kromozomu dönüştüren örtüşen DNA parçalarını içeren bir dizi klondan oluşur. Genellikle BAC (bakteri yapay kromozomu) ve kozmid klonları kullanılarak yapılırlar.

Contiglerin yaratılmasındaki genel yaklaşım, kromozomdan bitişik DNA segmentlerine sahip olan klonları, örneğin, kromozom yürüyüşünü, kromozomun atlamasını, vb. Tanımlamaktır. -Aşağıda. Fiziksel haritalama prosedürlerinin nihai amacı, genomun her bir kromozomu için tam bir bitiş elde etmektir.

Bir contigin klonlanmış DNA fragmanları, bağlantıdan veya sitogenetik haritalamadan elde edilen bir kromozom boyunca lokasyonlarla ilişkilendirilebilir. Bu, zaten bağlantı ya da sitolojik yöntemlerle eşlenmiş olan bu tür genlere sahip ekleri içeren contig üyelerini tanımlayarak başarılabilir. Bu, bitişiğindeki diğer üyelerin kromozom boyunca hizalanmasına izin verir. Alternatif olarak, RFLP (kısıtlama fragman uzunluğu polimorfizmi) ve diğer DNA markerleri, bir bağlantı haritasındaki konumları bir kontürün üyeleriyle ilişkilendirmek için kullanılabilir.

(b) Atış Tabancası Sıralaması:

Bu yaklaşımda, rastgele seçilen klonlar, genomik kütüphanedeki tüm klonlar analiz edilene kadar dizilir. Birleştirici yazılımı, bir genom dizisi halinde elde edilen nükleotid dizilim bilgisini düzenler. Bu strateji, az tekrarlayan DNA'ya sahip olan prokaryotik genomlarla çok iyi çalışır. Ancak ökaryotik genomlarda, dizilimin dizilişinde karışıklık yaratan çok sayıda dizilim vardır. Bu problemler muazzam bilgi işlem güçleri, özel yazılımlar kullanılarak ve tekrarlayan DNA bakımından zengin olan bu tür bölgelerden kaçınılmasıyla çözülür (örneğin, santromerik ve telomerik bölgeler).

Genom Dizisi Derlemesi:

Genom dizileme projeleri, çok hızlı bir şekilde veri üreten yüksek verimli teknolojilerin geliştirilmesini gerektiriyordu. Bu, bilgi akışını yönetmek için bilgisayarların kullanılmasını gerektirdi ve biyoinformatik adı verilen yeni bir disiplini doğurdu. Biyoinformatik biyolojik sistemler hakkındaki bilgilerin depolanması, analiz edilmesi, yorumlanması ve kullanılmasıyla ilgilidir (genom dizilerinin derlenmesi, genlerin tanımlanması, tanımlanmış genlere fonksiyonların atanması, veri tabanlarının hazırlanması vb.).

Bir genomun nükleotid dizisinin eksiksiz ve hatasız olmasını sağlamak için, genom bir kereden fazla dizilmiştir. Bir organizmanın genomu dizildikten sonra derlenip derlenip tekrar okunur (hataları düzeltir) genomiklerin bir sonraki aşaması, yani, açıklama, başlar.

Gen Tahmini ve Sayımı:

Bir genom sekansı elde edilip doğruluk açısından kontrol edildikten sonra, bir sonraki görev proteinleri kodlayan tüm genleri bulmaktır. Bu açıklamadaki ilk adımdır. Ek açıklama, genleri, düzenleyici dizilerini ve işlevlerini tanımlayan bir işlemdir. Aynı zamanda, r-RNA, t-RNA ve küçük nükleer RNA'ları kodlayanlar dahil, protein olmayan kodlama genlerini de tanımlar. Ek olarak, mobil genetik elemanlar ve tekrarlayan dizi aileleri tanımlanır ve karakterize edilir.

Protein kodlayan genlerin konumlandırılması, bir bilgisayar yazılımı kullanılarak veya göz ile dizinin incelenmesiyle yapılır. Protein kodlayan genler açık okuma çerçeveleri (ORF'ler) ile tanımlanır. Bir ORF, bir amino asit dizisini belirten bir kodon dizisine sahiptir, bir başlatma kodonu (genellikle ATG) ile başlar ve bir sonlandırma kodonu (TAA) TAG veya TGA ile sona erer. ORF'ler genellikle bir bilgisayar tarafından tanımlanır ve bakteriyel genomlar için etkili bir yöntemdir.

Ökaryotik genomlardaki (insan genomu dahil) genler, doğrudan araştırmayı daha az kullanışlı hale getiren çeşitli özelliklere sahiptir. İlk olarak, ökaryotik genlerin çoğu, intronlarla (kodlama yapmayan bölgeler) alternatif bir eksonlar (kodlama bölgeleri) modeline sahiptir. Sonuç olarak, bu genler sürekli ORF'ler olarak organize değildir. İkincisi, insanlardaki ve diğer ökaryotlardaki genler sıklıkla geniş aralıklarla yerleştirilir, böylece sahte gen bulma şansı artar. Ancak ökaryotik genomlar için ORF tarama yazılımının daha yeni sürümleri taramayı daha verimli kılar.

Bir genomik sekans analiz edildikten ve genler tahmin edildikten sonra, her bir gen kodlanmış gen ürününün fonksiyonunu tanımlamak için tek tek incelenir ve fonksiyonel gruplara ayrılır. Bu analiz birkaç program içerir. Örneğin, biri diğer organizmalardan izole edilmiş benzer genleri bulmak için Gen Bankası gibi veritabanlarını arayabilir. Öngörülen ORF'ler bilinen, iyi karakterize edilmiş bakteri genlerinden olanlarla karşılaştırılabilir. Son olarak, belirli fonksiyonlarla ilgili protein alanlarını kodlayan fonksiyon motifleri için bu tür nükleotit sekansları aranabilir.

Dolayısıyla, genom analizinin amacı, tüm genlerin fonksiyonlarını belirlemek ve bu genlerin organizmanın gelişimi ve fonksiyonunda nasıl etkileşime girdiğini anlamaktır.

İşlevsel Genomik:

Bir organizmanın genomu tarafından kodlanan tüm gen ürünlerinin fonksiyonunun belirlenmesi olarak tanımlanabilir. Aşağıdaki parametreleri içerir: (1) belirli genlerin ne zaman ve nerede eksprese edildiği (ekspresyon profili), (ii) istenen genleri seçici olarak mutasyona sokarak spesifik genlerin fonksiyonları ve (iii) proteinler arasında ve proteinler arasında gerçekleşen etkileşimler ve diğer moleküller. Fonksiyonel genomik, genomda bulunan tüm genleri tek seferde incelemeye çalışır. Bu nedenle, fonksiyonel genomikte kullanılan teknikler, çok hızlı bir veri birikimini mümkün kılan yüksek verim analizi sağlar.

(i) İfade Profili:

Bir genin eksprese edildiği ve genin eksprese edildiği zaman hücre tiplerinin / dokularının belirlenmesi ekspresyon profili olarak adlandırılır. Fonksiyonel genominin amacı, genomda bulunan tüm genlerin ekspresyon paternini aynı anda incelemektir; buna küresel ifade profili denir. Bu, RNA seviyesinde veya protein seviyesinde yapılabilir. RNA düzeyinde, bir direkt dizi örneklemesi veya DNA dizileri kullanılabilir.

Protein seviyesinde, biri iki boyutlu elektroforezi, ardından kütle spektrometrisini veya protein dizilerini kullanabilir. Global ekspresyon profili, farklılaşma, strese cevap verme, hastalığın başlangıcı vb. Dahil karmaşık biyolojik fenomenler hakkında bilgi sağlar. Ayrıca hücresel fenotipleri tanımlamanın yeni bir yolunu sağlar.

(ii) Gen Fonksiyonu Tayini:

Fonksiyonel genomiklerin önemli bir yönü, spesifik genlerin / anonim dizilerin işlevini belirlemektir. Bunun başarılması için güçlü bir yol, geni klonlamak, in vitro mutasyona sokmak ve mutasyona uğramış genin konakçı organizmaya tekrar sokması ve etkisini analiz etmektir. Mutant kütüphaneleri altındaki genom bakteri, maya, bitki ve memeliler gibi çeşitli model organizmalarda geliştirilmiştir. Buna bazen mutasyon genomiği denir. Böyle bir kütüphane aşağıdaki üç yoldan biriyle oluşturulabilir:

(a) Belirli bir mutant suşlarının bir bankasını oluşturacak olan her bir genin bir kerede bir sistematik mutasyonu.

(b) Rastgele yaklaşımda, genler ayırt edilmeden mutasyona uğrar, sonra bireysel mutasyonlar karakterize edilir ve kataloglanır.

(iii) Protein Etkileşimleri:

Gen işlevi, onlar tarafından kodlanan proteinlerin davranışını yansıtır. Bu davranış, çeşitli proteinler arasında ve proteinler ve diğer moleküller arasında bir dizi etkileşim olarak görülebilir. Protein etkileşimleri yüksek verimli teknikler kullanılarak incelenmiştir. Bir dizi kütüphane bazlı protein etkileşimi haritalama yöntemi, bir kerede yüzlerce veya binlerce proteinin taranmasına izin verir. Bu etkileşimler in vitro veya in vivo olarak test edilebilir. Çeşitli kaynaklardan gelen protein etkileşimi verileri veritabanlarında asimile edilmiştir.