Genomics

Genomica, studie van de structuur, functie en overerving van het genoom (volledige set genetisch materiaal) van een organisme. Een belangrijk onderdeel van genomics is het bepalen van de volgorde van moleculen waaruit het gehalte aan genomisch deoxyribonucleïnezuur (DNA) van een organisme bestaat. De genomische DNA-sequentie bevindt zich in de chromosomen van een organisme, waarvan er één of meer sets in elke cel van een organisme worden aangetroffen. De chromosomen kunnen verder worden beschreven als de fundamentele erfelijkheidseenheden, de genen. Genen zijn transcriptionele eenheden, die gebieden van chromosomen die onder geschikte omstandigheden in staat zijn om een ​​ribonucleïnezuur (RNA) -transcript te produceren dat kan worden vertaald in eiwitmoleculen.

genetica: Genomica

De ontwikkeling van de technologie om routinematig het DNA van hele genomen te sequencen, heeft geleid tot de discipline van de genomica,

Elk organisme bevat een basisset chromosomen, uniek in aantal en grootte voor elke soort, inclusief de complete set genen plus het DNA daartussen. Hoewel de term genoom pas in 1920 in gebruik werd genomen, is het bestaan ​​van genomen bekend sinds het einde van de 19e eeuw, toen chromosomen voor het eerst werden waargenomen als gekleurde lichamen die zichtbaar waren onder de microscoop. De eerste ontdekking van chromosomen werd vervolgens in de 20e eeuw gevolgd door het in kaart brengen van genen op chromosomen op basis van de frequentie van uitwisseling van delen van chromosomen door een proces dat chromosomale kruising wordt genoemd, een gebeurtenis die plaatsvindt als onderdeel van het normale proces van recombinatie en de productie van geslachtscellen (gameten) tijdens meiose. De genen die in kaart konden worden gebracht door chromosomale kruising waren voornamelijk die waarvoor mutante fenotypen (zichtbare manifestaties van de genetische samenstelling van een organisme) waren waargenomen, slechts een klein deel van de totale genen in het genoom. De discipline van de genomica ontstond toen de technologie beschikbaar kwam om de volledige nucleotidesequentie van genomen af ​​te leiden, sequenties in het algemeen in het bereik van miljarden nucleotideparen.

Sequencing en bioinformatische analyse van genomen

Genomische sequenties worden meestal bepaald met behulp van automatische sequentiemachines. In een typisch experiment om een ​​genomische sequentie te bepalen, wordt genomisch DNA eerst uit een monster van cellen van een organisme gehaald en vervolgens in veel willekeurige fragmenten gebroken. Deze fragmenten worden gekloneerd in een DNA-vector (drager) die grote DNA-inserts kan dragen. Omdat de totale hoeveelheid DNA die nodig is voor sequentiebepaling en aanvullende experimentele analyse meerdere keren de totale hoeveelheid DNA in het genoom van een organisme is, wordt elk van de gekloonde fragmenten afzonderlijk versterkt door replicatie in een levende bacteriële cel, die zich snel en in grote hoeveelheden reproduceert hoeveelheid om veel bacteriële klonen te genereren. Het gekloonde DNA wordt vervolgens uit de bacterieklonen gehaald en in de sequentiebepalingsmachine gevoerd. De resulterende sequentiegegevens worden opgeslagen op een computer. Wanneer een voldoende groot aantal reeksen van veel verschillende klonen wordt verkregen, verbindt de computer ze aan elkaar met behulp van reeksoverlappingen. Het resultaat is de genomische sequentie, die vervolgens wordt gedeponeerd in een openbaar toegankelijke database. (Zie het artikel recombinant DNA-technologie voor meer informatie over DNA-klonering en sequentiebepaling.)

• 

• 

Op zichzelf is een volledige genomische sequentie van beperkt nut; de gegevens moeten worden verwerkt om de genen en, indien mogelijk, de bijbehorende regulerende sequenties te vinden. De behoefte aan deze gedetailleerde analyses heeft geleid tot het gebied van bio-informatica, waarin computerprogramma's DNA-sequenties scannen die op zoek zijn naar genen, met behulp van algoritmen die zijn gebaseerd op de bekende kenmerken van genen, zoals unieke tripletsequenties van nucleotiden die bekend staan ​​als start- en stopcodons die overspannen een DNA-segment van gengrootte of DNA-sequenties waarvan bekend is dat ze belangrijk zijn bij het reguleren van aangrenzende genen. Zodra kandidaat-genen zijn geïdentificeerd, moeten ze worden geannoteerd om mogelijke functies toe te schrijven. Een dergelijke annotatie is in het algemeen gebaseerd op bekende functies van vergelijkbare gensequenties in andere organismen, een soort analyse die mogelijk wordt gemaakt door evolutionaire conservering van gensequentie en functie tussen organismen als gevolg van hun gemeenschappelijke afkomst. Na annotatie is er echter nog steeds een subset van genen waarvoor functies niet kunnen worden afgeleid; deze functies komen geleidelijk aan aan het licht met verder onderzoek.

Genomics-toepassingen

Functionele genomica

Analyse van genen op functioneel niveau is een van de belangrijkste toepassingen van genomics, een gebied dat algemeen bekend staat als functionele genomics. Het bepalen van de functie van individuele genen kan op verschillende manieren gebeuren. Klassieke of voorwaartse genetische methodologie begint met een willekeurig verkregen mutant van interessant fenotype en gebruikt deze om de normale gensequentie en de functie ervan te vinden. Omgekeerde genetica begint met de normale gensequentie (zoals verkregen door genomics), induceert een gerichte mutatie in het gen en leidt vervolgens, door te observeren hoe de mutatie het fenotype verandert, de normale functie van het gen af. De twee benaderingen, voorwaarts en achterwaarts, vullen elkaar aan. Vaak is een door voorwaartse genetica geïdentificeerd gen in kaart gebracht op één specifiek chromosomaal gebied, en de volledige genomische sequentie onthult een gen op deze positie met een reeds geannoteerde functie. (Voor meer informatie over genetische studies, zie genetica: methoden in de genetica.)

Genidentificatie door microarray genomische analyse

Genomics heeft het proces van het vinden van de complete subset van genen die relevant is voor een bepaalde temporele of ontwikkelingsgebeurtenis van een organisme aanzienlijk vereenvoudigd. Microarray-technologie maakt het bijvoorbeeld mogelijk om een ​​monster van het DNA van een kloon van elk gen in een heel genoom op volgorde te leggen op het oppervlak van een speciale chip, die in feite een klein dun stuk glas is dat in zo'n manier waarop DNA-moleculen stevig aan het oppervlak blijven plakken. Voor elk specifiek ontwikkelingsstadium (bijvoorbeeld de groei van wortelharen in een plant of de productie van een ledemaatknop bij een dier), wordt het totale RNA geëxtraheerd uit cellen van het organisme, gelabeld met een fluorescerende kleurstof en gebruikt om baden de oppervlakken van de microarrays. Als resultaat van specifieke basenparing binden de aanwezige RNA's zich aan de genen van waaruit ze oorspronkelijk zijn getranscribeerd en produceren ze fluorescerende vlekken op het oppervlak van de chip. Daarom kan de totale set genen die werden getranscribeerd tijdens de biologische functie van belang worden bepaald. Merk op dat voorwaartse genetica kan streven naar een soortgelijk doel van het samenstellen van de subset van genen die betrekking hebben op een specifiek biologisch proces. De voorwaartse genetische benadering is om eerst een grote reeks mutaties te induceren met fenotypen die het proces in kwestie lijken te veranderen, gevolgd door pogingen om de genen te definiëren die het proces normaal gesproken sturen. De techniek kan echter alleen genen identificeren waarvoor mutaties een gemakkelijk herkenbaar mutant fenotype opleveren, en dus worden genen met subtiele effecten vaak over het hoofd gezien.

Vergelijkende genomica

Een andere toepassing van genomica is de studie van evolutionaire relaties. Met behulp van klassieke genetica kunnen evolutionaire relaties worden bestudeerd door de chromosoomgrootte, het aantal en de bandpatronen tussen populaties, soorten en geslachten te vergelijken. Als er echter volledige genomische sequenties beschikbaar zijn, brengt vergelijkende genomica een oplossend vermogen met zich mee dat veel groter is dan dat van klassieke genetica en veel subtielere verschillen kan worden opgespoord. Dit komt omdat met vergelijkende genomica de DNA's van organismen direct en op kleine schaal kunnen worden vergeleken. Over het geheel genomen heeft vergelijkende genomica een hoge mate van gelijkenis aangetoond tussen nauw verwante dieren, zoals mensen en chimpansees, en, meer verrassend, overeenkomsten tussen ogenschijnlijk ver verwante dieren, zoals mensen en insecten. Vergelijkende genomica toegepast op verschillende populaties van mensen heeft aangetoond dat de menselijke soort een genetisch continuüm is en dat de verschillen tussen populaties beperkt zijn tot een zeer kleine subset van genen die het oppervlakkige uiterlijk zoals huidskleur beïnvloeden. Omdat DNA-sequentie wiskundig kan worden gemeten, kan genomische analyse bovendien op een zeer nauwkeurige manier worden gekwantificeerd om specifieke mate van verwantschap te meten. Genomics heeft kleinschalige veranderingen gedetecteerd, zoals het bestaan ​​van verrassend hoge niveaus van genduplicatie en mobiele elementen binnen genomen.