Βασικές διαφορές μεταξύ γονιδιωματικής και πρωτεϊνομικής: Έννοια, Συχνές ερωτήσεις

Περιεχόμενα

Διαφορές μεταξύ γονιδιωματικών και πρωτεομικών

Στον τομέα της γονιδιωματικής, μελετάμε για το σύνολο των γονιδίων που υπάρχουν μέσα σε έναν οργανισμό ή ένα κύτταρο, ενώ η πρωτεϊονική είναι η λεπτομερής μελέτη ολόκληρου του συνόλου πρωτεϊνών ενός οργανισμού ή ενός κυττάρου. Ωστόσο, η γονιδιωματική και η πρωτεϊνομική είναι στενά συνδεδεμένα αρχεία των επιστημών "omics".

χαρακτηριστικάΓονιδιωματικήπρωτεομική
ΟρισμόςΜελέτη πλήρους συνόλου γονιδίων (γονιδίωμα)Μελέτη πλήρους συνόλου πρωτεϊνών (Πρωτεόνη)
Παρατήρηση τουΛειτουργία γονιδίουΠρωτεϊνική λειτουργία
Τεχνικές υψηλής απόδοσηςΧρησιμοποιείται για την αλληλουχία, τη χαρτογράφηση και την ανάλυση γονιδίωνΧρησιμοποιείται για τρισδιάστατο δομικό και λειτουργικό χαρακτηρισμό
Τεχνικές που χρησιμοποιούνται συχνάΑλληλουχία γονιδίων (κυνηγετικό όπλο, ολόκληρο γονιδίωμα, αλληλουχία επόμενης γενιάς κ.λπ.), Ταυτοποίηση πολυμορφισμού μεμονωμένων νουκλεοτιδίων (SNPs), Προσθήκη ετικετών αλληλουχίας (EST), Λογισμικό και βάσεις δεδομένων. Καθαρισμός (ανταλλαγή ιόντων, συγγένεια, χρωματογραφία αποκλεισμού μεγέθους κ.λπ.), ταυτοποίηση (φασματομετρία μάζας, φασματοσκοπία κυκλικής διχρωμίας) και διαχωρισμός (ηλεκτροφόρηση) πρωτεϊνών, ενζυματική πέψη (τρυψίνη, χυμοτρυψίνη κ.λπ.), προσδιορισμός αλληλουχίας αμινοξέων, αλληλεπίδραση πρωτεΐνης, λογισμικό μοντελοποίησης και δομικού προσδιορισμού, μικροσυστοιχίες, βάσεις δεδομένων.
Υλικό υπό εξέτασηΓονιδίωμα με σταθερό σύνολο γονιδίωνΟι πρωτεΐνες είναι δυναμικής φύσης. Η πρωτεΐνη αλλάζει με την αλλαγή στην γονιδιακή έκφραση
Σημαντικά ΈργαΠρόγραμμα ανθρώπινου γονιδιώματοςSWISS-2DPAGE, SWISS-MODEL, UniProt, Brenda κ.λπ.
Σημασία και ΣημασίαΠροσδιορισμός της δομής του γονιδίου, της θέσης, της λειτουργίας και της ρύθμισής του.  Προσδιορισμός δομής και λειτουργίας πρωτεΐνης. Παρέχει πληροφορίες για το σύνολο των πρωτεϊνών ενός κυττάρου.
Τραπέζι: Βασικές διαφορές μεταξύ γονιδιωματικών και πρωτεομικών

Εισαγωγή στη γονιδιωματική

Η γονιδιωματική είναι το πεδίο της βιολογίας που σχετίζεται με την ανακάλυψη και τη σημείωση ολόκληρου του γονιδιώματος ενός οργανισμού. Το γονιδίωμα θεωρείται ως το σύνολο των γονιδίων που υπάρχουν στο κύτταρο ενός οργανισμού. Η γονιδιωματική είναι, επομένως, η μελέτη και η διερεύνηση της γενετικής σύνθεσης των ζωντανών όντων.

Προσδιορισμός της αλληλουχίας των γονιδιωματικών DNA ήταν μόνο η αρχή της γονιδιωματικής. Αργότερα, αυτή η αλληλουχία γονιδίων χρησιμοποιήθηκε για να εξεταστεί η λειτουργία των διαφόρων γονιδίων που υπάρχουν στο DNA (μέρος της λειτουργικής γονιδιωματικής), για τη σύγκριση γονιδίων δύο οργανισμών (μέρος της συγκριτικής γονιδιωματικής) ή για την παραγωγή της τρισδιάστατης δομής του πρωτεΐνες από κάθε οικογένεια πρωτεϊνών, προσφέροντας στη συνέχεια ιδέα για την τρισδιάστατη δομή τους (μέρος της δομικής γονιδιωματικής).

Για τις γεωργικές διαδικασίες με βάση τις καλλιέργειες, το θεμελιώδες κίνητρο πίσω από την εφαρμογή της γονιδιωματικής με βάση την εφαρμογή είναι η κατανόηση ολόκληρου του γονιδιώματος των φυτών. Τα αγρονομικά σημαντικά γονίδια μπορούν να διακριθούν και να επικεντρωθούν στην παροχή πιο θρεπτικών και ασφαλών τροφών, ενώ ταυτόχρονα προστατεύουν το περιβάλλον.

Η γονιδιωματική είναι η αρχή για να ρίξουμε μια ματιά στα άλλα ρεύματα της επιστήμης που συνδέονται με τους «ομικούς». Οι γενετικές πληροφορίες ενός οργανισμού, ο γονότυπος του, είναι υπεύθυνες για τη μορφολογία ή την εξωτερική εμφάνιση του οργανισμού, γνωστή ως «φαινότυπος» αυτού του οργανισμού. Αν και, ο φαινότυπος ενός οργανισμού εξαρτάται επίσης από τους περιβαλλοντικούς παράγοντες

Εικόνα: Γενικό Σχέδιο Γονιδιωματικής. Πίστωση εικόνας: Wikipedia

Το DNA στο γονιδίωμα είναι μόνο ένα μόνο μέρος των διαδικασιών ζωής που διατηρεί έναν οργανισμό ζωντανό - ερμηνεύοντας έτσι DNA είναι ένα στάδιο προς την κατανόηση του κύκλου. Δεν αντέχει, χωρίς βοήθεια από κανέναν άλλο, δεν δείχνει όλα όσα συμβαίνουν μέσα στο ζωντανό ον.

Εισαγωγή στην Πρωτεϊνολογία

Η πρωτεϊονική θεωρείται η ευρεία κλίμακα ανάλυσης και μελέτης των πρωτεϊνών, γενικά με βιοχημικές στρατηγικές. Η λέξη πρωτεομική έχει παραδοσιακά συσχετιστεί με την εμφάνιση τεράστιας ποσότητας πρωτεϊνών από έναν δεδομένο οργανισμό ή κυτταρική σειρά σε τρισδιάστατες γέλες πολυακρυλαμιδίου (2D-PAGE).

 Μέσα σε αυτό το πλαίσιο, η πρωτεϊνομετρία βρίσκεται μέχρι τώρα στο τελευταίο μέρος της δεκαετίας του 1970, όταν οι ερευνητές άρχισαν να συγκεντρώνουν τις πληροφορίες ή τη βάση δεδομένων των πρωτεϊνών χρησιμοποιώντας την πρόσφατα δημιουργημένη στρατηγική της ηλεκτροφόρησης τρισδιάστατης γέλης. Αυτό προέκυψε σε ευρεία λίστα

κηλίδων από τρισδιάστατα πηκτώματα για τη δημιουργία συνόλων δεδομένων κάθε πρωτεΐνης που εκφράζεται σε έναν οργανισμό. Αν και, σε μια περίπτωση, όταν τέτοια πηκτώματα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν αναπαραγωγικά μεταξύ εργαστηρίων, ο εντοπισμός των πρωτεϊνών ήταν ενοχλητικός ως αποτέλεσμα μιας ανάγκης

γρήγορων αναλυτικών και ευαίσθητων στρατηγικών για την ταυτοποίηση, ανίχνευση και χαρακτηρισμό πρωτεϊνών, (για παράδειγμα, αυτοματοποιημένη αλληλουχία DNA και αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης για εξέταση DNA).

Κατά τη δεκαετία του 1990, η φασματομετρία μάζας για βιολογικά δείγματα προέκυψε ως μια καταπληκτική αναλυτική στρατηγική που εξάλειψε ένα μεγάλο μέρος των περιορισμών, των περιορισμών και των ελλείψεων της έρευνας και ανάλυσης πρωτεϊνών. Αυτή η εξέλιξη των γεγονότων, σε συνδυασμό με την προσβασιμότητα ολόκληρης της ακολουθίας κωδικοποίησης του ανθρώπου στη δημοσίως διαθέσιμη βάση δεδομένων, υποδηλώνει την έναρξη μιας άλλης εποχής.

Σήμερα, ο όρος πρωτεομικά καλύπτει ένα σημαντικό μέρος της λειτουργικής γονιδιακής ανάλυσης ή «λειτουργικής γονιδιωματικής», συμπεριλαμβανομένων μελετών αλληλεπίδρασης μέσω υβριδικού συστήματος ζύμης δύο, εντοπισμού και ταυτοποίησης πρωτεϊνών σε μεγάλη κλίμακα. Η εκτενέστερη έρευνα μεγάλης κλίμακας της δομής της πρωτεΐνης, σε κάθε περίπτωση, γενικά αποκλείεται και αντ 'αυτού αποδίδεται «υποκείμενη γονιδιωματική».

 Επιπλέον, οι διαδικασίες που στοχεύουν μόνο τα γονίδια ή το mRNA, όπως τα πειράματα κατά της αίσθησης ή η μεταλλαξογένεση μεγάλης κλίμακας, δεν πρέπει να θεωρηθούν ως μέρος της πρωτεομικής.

Γιατί είναι απαραίτητη η πρωτεϊονική;

Υπάρχουν διάφοροι λόγοι που δικαιολογούν τη σημασία της πρωτεομικής στη σύγχρονη έρευνα, πρόκειται να συζητήσουμε γιατί η πρωτεϊονική είναι απαραίτητη για τη σημερινή μοριακή βιολογία.

Η πρωτεϊονική δίνει ιδέα για τη βιολογική λειτουργία των πρωτεϊνών χρησιμοποιώντας μεγάλη ποσότητα συνόλων δεδομένων. Η Proteomics αντλεί σύνολα δεδομένων είτε με αλληλουχίες αμινοξέων πρωτεϊνών είτε με ανάλυση βάσης δεδομένων γονιδιακών αλληλουχιών η οποία μετατρέπεται αργότερα σε αλληλουχία αμινοξέων χρησιμοποιώντας εργαλεία λογισμικού.

Πρόκειται να διερευνήσουμε το τεράστιο δυναμικό της πρωτεϊνομικής και των σχετικών τεχνικών με ιδιαίτερη έμφαση στο ρόλο τους στην προηγμένη μοριακή βιολογία.

Με τη συγκέντρωση τεράστιου αριθμού αλληλουχιών DNA σε σύνολα δεδομένων, οι επιστήμονες κατανοούν ότι η απλή πλήρης γονιδιωματική αλληλουχία δεν είναι επαρκής για να εξηγήσει την ακριβή βιολογική λειτουργία μιας πρωτεΐνης. Ένα κύτταρο υπόκειται συνήθως σε μεγάλο αριθμό ρυθμιστικών και μεταβολικών οδών για την αντοχή ή την επιβίωσή του. Δεν υπάρχει άμεση σύνδεση μεταξύ των γονιδίων και του πρωτεώματος ενός κυττάρου.

Η πρωτεϊονική είναι συμπληρωματική και αντιστοιχεί στη γονιδιωματική αφού ενδιαφέρεται για το προϊόν του γονιδίου. Έτσι, η πρωτεϊνομετρική προσθέτει ευθέως στην ανάπτυξη φαρμάκων καθώς σχεδόν όλα τα φάρμακα συντίθενται έναντι πρωτεϊνών.

Η παρουσία ενός ανοιχτού πλαισίου ανάγνωσης (ORF) σε σύνολα γονιδιωματικών δεδομένων δεν συμπεραίνει πραγματικά την παρουσία ενός λειτουργικού και ενεργού γονιδίου. Ανεξάρτητα από τις εξελίξεις στη βιοπληροφορική, είναι ακόμα δύσκολο να προβλεφθούν γονίδια με ακρίβεια από τη γονιδιωματική βάση δεδομένων. Αν και η αλληλουχία σχετικών ζωντανών όντων θα διευκολύνει το ζήτημα της ακριβούς πρόβλεψης του γονιδίου μέσω συγκριτικής γονιδιωματικής, το ποσοστό επιτυχίας για σωστή πρόβλεψη της αλληλουχίας είναι ακόμα χαμηλό.

Αυτό είναι ιδιαίτερα σωστό λόγω των μικρών γονιδίων (τα οποία μπορούν να χαθούν εντελώς) ή των γονιδίων που δεν έχουν σχεδόν καμία ομολογία με άλλα γνωστά γονίδια. Μια τελευταία έρευνα αποκάλυψε ότι το ποσοστό λάθους ήταν τουλάχιστον 8% στον σχολιασμό για 340 γονίδια που ελήφθησαν από το γονιδίωμα του Mycoplasma genitalium.

Σε περίπτωση που τέτοια ποσοστά σφάλματος επεκταθούν στο γονιδίωμα των ανθρώπων, το αποτέλεσμα μπορεί να προβλεφθεί εύκολα. Ως εκ τούτου, η επιβεβαίωση ενός προϊόντος γονιδίου με πρωτεομικές τεχνικές είναι ένα σημαντικό βήμα εκκίνησης στον σχολιασμό του γονιδιώματος.

Γονιδιωματική και πρωτεϊνωματική
Εικόνα: Ενσωμάτωση διαφορετικών τομέων των Επιστημών "Omics". Πίστωση εικόνας: Wikipedia

Βασικές πληροφορίες που σχετίζονται με το Proteomics

Η Proteomics παρέχει μια απίστευτη διάταξη εργαλείων για την τεράστια μελέτη εμβέλειας για τη μελέτη της λειτουργίας ενός γονιδίου σε επίπεδο πρωτεΐνης. Συγκεκριμένα, η φασματομετρική έρευνα μάζας των πρωτεϊνών που έχουν απομονωθεί με γέλη προκαλεί μια αναγέννηση στις βιοχημικές μεθόδους για την αντιμετώπιση της πρωτεϊνικής λειτουργίας. Πρωτεΐνη

Ο χαρακτηρισμός και ο προσδιορισμός θα συνεχίσουν να εργάζονται για να ενισχύσουν την ευαισθησία, την απόδοση και την πληρότητα. Οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις δεν μπορούν να μάθουν αυτήν τη στιγμή σε υψηλή απόδοση, αλλά ορισμένοι υποτύποι όπως η φωσφορυλίωση είναι ευγενικοί σε μη αποκλειστικές προσεγγίσεις. Στο μέλλον, η πρωτεϊνομετρική απομακρύνεται από την παρατήρηση δεδομένων αλληλεπιδράσεων πρωτεΐνης-πρωτεΐνης που πρόκειται να επηρεάσουν ολόκληρες τις βιολογικές επιστήμες και θα ξεπεράσουν την παρακολούθηση έκφρασης πρωτεΐνης με βάση δύο διαστάσεων ηλεκτροφόρηση πηκτής.

Τεχνικές βασισμένες στη φασματομετρία μάζας που χρησιμοποιούν χρωματογραφία (καθαρισμός συνάφειας) ακολουθούμενη από μονοδιάστατη ηλεκτροφόρηση αναμένεται να αποκτήσουν σημασία. Σύντομα, η πρωτεϊονική θα δώσει μια πληθώρα συνόλων δεδομένων πρωτεΐνης -πρωτεΐνης, τα οποία πιθανότατα θα είναι η πιο σημαντική και άμεση επίδρασή της στη βιολογική επιστήμη. Δεδομένου ότι η πρωτεΐνη είναι ένα βήμα πιο κοντά στη λειτουργία από το γονίδιο, αυτές οι εξετάσεις θα οδηγήσουν άμεσα σε υπόθεση και βιολογική ανακάλυψη.

Εικόνα: Αρχή λειτουργίας της φασματομετρίας μάζας. Μια βασική τεχνική που χρησιμοποιείται στην Proteomics. Πίστωση εικόνας: Wikimedia

Η προετοιμασμένη προσβασιμότητα πολυάριθμων γονιδίων ανθρώπινης προέλευσης ως κλώνων πλήρους μήκους αποτελεί από μόνη της μια κρίσιμη αύξηση των έργων γονιδιώματος που θα καταστήσουν εφικτές πρωτεομικές διαδικασίες. Οι βιοχημικές δοκιμασίες για να αποφασιστεί η λειτουργία της πρωτεΐνης χρησιμοποιώντας καθαρισμένες πρωτεΐνες θα μηχανοποιηθούν (αυτοματοποιηθούν) και θα λειτουργήσουν σε μικρά σχέδια πλαισίων (μικροσκοπικές μορφές) ταυτόχρονα για χιλιάδες πρωτεΐνες.

Τέλος, οι εξελίξεις στη γονιδιωματική θα τροφοδοτήσουν άμεσα βιοχημικές δοκιμασίες για πρωτεΐνες σε μεγαλύτερη κλίμακα με τη χρήση γενετικών αναγνώσεις, για παράδειγμα, της οθόνης δύο υβριδίων.

Έχει συγκεντρωθεί ένας μεγάλος αριθμός δεδομένων από τις εκπληκτικές μεθόδους προσδιορισμού αλληλουχίας γονιδιώματος και αυτά έχουν αποθηκευτεί στις βάσεις δεδομένων. δημιουργούνται εργαλεία βιοπληροφορικής για τον διαχωρισμό των πολύτιμων δεδομένων για γόνιμη χρήση των πληροφοριών γονιδιωματικής και πρωτεομικής. Τα έργα προσδιορισμού αλληλουχίας γονιδιώματος βρίσκονται σε εξέλιξη από την εποχή που ξεκίνησε η αλληλουχία ανθρώπινου γονιδιώματος το 1990. Τα γονιδιώματα πολλών ζωντανών οργανισμών προσδιορίστηκαν με αλληλουχία παράλληλα με το ανθρώπινο γονιδίωμα. Στη συνέχεια, πολύ πιο περίπλοκα γονιδιώματα προσδιορίστηκαν επιπλέον για να χρησιμοποιηθεί η λανθάνουσα ικανότητά τους.

Εικόνα: Χρονολόγιο του έργου του ανθρώπινου γονιδιώματος. αυτό ήταν ένα από τα μεγαλύτερα έργα της Genomics. Πίστωση εικόνας: Wikimedia

Η εξήγηση αυτής της εξέχουσας εξέλιξης θα μπορούσε να αποδοθεί στις βελτιώσεις στον προσδιορισμό αλληλουχιών καινοτομιών κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, οι οποίες προήλθαν από εκατονταπλάσια μείωση του κόστους ανά βασική ακολουθία. Θεωρήθηκε ότι οι «μέθοδοι αλληλουχίας επόμενης γενιάς» θα μειώσουν περαιτέρω το κόστος της αλληλουχίας γονιδιώματος και θα βοηθήσουν στην προώθηση και αναγνώριση της ατομικής αλληλουχίας γονιδιώματος.

Σημαντικές δυσκολίες περιλαμβάνουν τη δημιουργία ευαίσθητων και αξιόπιστων εργαλείων και λογισμικού για την αναγνώριση των γονιδίων από πληροφορίες αλληλουχίας γονιδιώματος και την κατανομή των γονιδίων των λειτουργιών τους που προσδιορίζονται μέσω της βιοπληροφορικής, η οποία συχνά απαιτεί χειροκίνητες εισαγωγές.

Η έρευνα για τις πρωτεΐνες περνάει από μια ακραία αλλαγή από τη συμβατική πρωτεϊνική επιστήμη στην πρωτεϊνομετρική, σύμφωνα με την οποία εξελίσσονται πολλοί νέοι κλάδοι, όπως φωσφοπρωτεομικά, δομικά πρωτεομικά, γλυκοπρωτεομικά, κλινικά πρωτεομικά, πρωτεϊονικά κυττάρων και ούτω καθεξής. Σε συνδυασμό με τη φασματοσκοπία μάζας, οι μέθοδοι διαχωρισμού πρωτεϊνών όπως η χρωματογραφία και η ηλεκτροφόρηση τρισδιάστατης γέλης πολυακρυλαμιδίου (2D-PAGE) έδωσαν μια λεπτομερή εξέταση πολυάριθμων πρωτεϊνών με γρηγορότερο και οικονομικότερο τρόπο.

Παρά το γεγονός ότι η γονιδιωματική και η πρωτεϊνομική είναι πολλά υποσχόμενες για την παροχή λύσεων σε πολυάριθμα σύνθετα προβλήματα στη βιολογία, πρέπει να διερευνηθεί πολύ περισσότερη διερεύνηση ώστε οι μέθοδοι και τα δεδομένα που υπάρχουν στις τεράστιες βάσεις δεδομένων να είναι χρήσιμα σε διάφορους τομείς, όπως τα τρόφιμα και η γεωργία, ιατρικές υπηρεσίες, περιβάλλον και ιατροδικαστικές επιστήμες. Αποδίδεται στη βελτίωση των «omics», προκύπτει ένας άλλος κλάδος της επιστήμης που ονομάζεται συστημική βιολογία, ο οποίος διαχειρίζεται την εξέταση των γονιδίων και την αλληλεπίδρασή τους στα ζωντανά όντα.

Οι μέθοδοι, για παράδειγμα, η πληκτρολόγηση SNP, η Microarray, η SAGE (Serial Analysis of Gene Expression) και η 2D-PAGE έχουν άμεσες εφαρμογές στην ανάλυση ασθενειών. Η αποδοτικότητα κόστους, η απουσία αυτοματισμού και η μικρότερη ευαισθησία αντιστέκονται στη συχνή χρήση αυτών των μεθόδων. Για βιομηχανική εφαρμογή, αυτές οι μέθοδοι πρέπει να βελτιστοποιηθούν και να αυτοματοποιηθούν, το κόστος λειτουργίας θα πρέπει να μειωθεί και επιπλέον η όλη τεχνική θα πρέπει να βελτιστοποιηθεί και να τυποποιηθεί.

Εικόνα: Ηλεκτροφόρηση τρισδιάστατης γέλης πολυακρυλαμιδίου (2D-PAGE) μιας γέλης διαχωρισμού πρωτεΐνης. Πίστωση εικόνας: Wikimedia

Απαιτείται μεγάλη εργασία στον τομέα της μετα-μεταφραστικής τροποποίησης πρωτεϊνών όπως η φωσφορυλίωση και η γλυκοζυλίωση, καθώς πολλές ανθρώπινες διαταραχές ξεκινούν λόγω απουσίας νόμιμων μετα-μεταφραστικών τροποποιήσεων.

Η ανάγκη μας για τα επόμενα χρόνια βρίσκεται στη λειτουργική ταύτιση με τα Γονίδια που δεν είναι ακόμη γνωστά και αναμένονται από την αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος. Αυτό θα μπορούσε να επιταχυνθεί με τη συγκριτική γονιδιωματική εξέταση της αλληλουχίας του ανθρώπινου γονιδιώματος με αλληλουχία γονιδιωμάτων άλλης μορφής ζωής που λαμβάνεται ως μοντέλο. Αυτό θα βοηθήσει στην εύρεση ομόλογων γονιδίων στους οργανισμούς. εάν η γονιδιακή λειτουργία είναι γνωστή στο πρότυπο οργανισμό, μια ισοδύναμη λειτουργία θα μπορούσε να δοθεί στο ανθρώπινο γονίδιο.

Σχεδόν σίγουρα η γονιδιωματική και η πρωτεϊνομική τράβηξαν το ενδιαφέρον των βιοτεχνολογικών βιομηχανιών καθώς και των ακαδημαϊκών στο καινοτόμο έργο διαφορετικών τομέων τα προηγούμενα είκοσι χρόνια, μια τέτοια εξέταση μπορεί να δώσει περισσότερη κατανόηση αυτής της βιολογικής πτυχής και μπορεί να βοηθήσει στην εξεύρεση νέων στόχων για την ανάπτυξη σκευασμάτων για την καταπολέμηση ασθένειες.

Λειτουργική γονιδιωματική

Τα ζωντανά όντα διαμορφώνουν τις λειτουργίες του σώματός τους προσαρμόζοντας προσεκτικά το πρότυπο της γονιδιακής έκφρασης. Διάφορες τεχνικές είναι προσβάσιμες για να εξετάσουν το πρότυπο της γονιδιακής έκφρασης στα κύτταρα. Μετά την αλληλουχία γονιδιώματος, έχει δοθεί μεγάλη προσοχή στην ανάπτυξη γονιδιακής έκφρασης της μελέτης. Δημιουργήθηκε ένα διαφορετικό μέρος της γονιδιωματικής γνωστή ως λειτουργική γονιδιωματική.

Θα επεξεργαστούμε τα στοιχεία των γονιδιωμάτων από ένα μεταγράφημα, Ωστόσο, η λειτουργική γονιδιωματική ενσωματώνει πρωτεϊνομικά, φαινομικά και μεταβολικά.

Βασικές έννοιες της λειτουργικής γονιδιωματικής

  • Όλα τα γονίδια σε έναν οργανισμό δεν εκφράζονται κάθε στιγμή. μόνο μερικά γονίδια εκφράζονται κάθε φορά ενώ τα άλλα γονίδια εκφράζονται κάποια στιγμή ή σύμφωνα με τις απαιτήσεις του σώματος.
  • Οι προηγούμενες εξετάσεις προορίζονταν για τη μελέτη γονιδιακής έκφρασης αποκλειστικά για ένα μόνο γονίδιο
  • Οι στρατηγικές υψηλής απόδοσης για τον προσδιορισμό της γονιδιακής έκφρασης επικεντρώνονται σε όλα τα μεταγραμμένα γονίδια ή πρωτεΐνες σε ένα κύτταρο.
  • Η κηλίδα Northern είναι η παλαιότερη συμβατική τεχνική για την παροχή επιπέδων mRNA ενός μόνο γονιδίου σε ένα κύτταρο. Παρέχει επίσης σχετικές πληροφορίες σχετικά με την γονιδιακή έκφραση.
  • Διαφορική οθόνη Αντίστροφη μεταγραφάση Αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (DDRT-PCR) και Ανάλυση Αντιπροσωπευτικής Οθόνης (RDA) χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της διαφορικής έκφρασης γονιδίου σε επίπεδο mRNA.
  • Το SAGE είναι τόσο ποιοτική όσο και ποσοτική υψηλή απόδοση
  • στρατηγική βασισμένη στην αλληλουχία για την εξέταση των επιπέδων mRNA των μεταγραμμένων γονιδίων σε ένα κύτταρο
  • Η μικροσυστοιχία είναι μια mRNA υψηλής απόδοσης βασισμένη σε υβριδισμό ή τεχνική διερεύνησης μεταγραφής, η οποία είναι κατάλληλη για την εξέταση του τρόπου έκφρασης τεράστιου αριθμού γονιδίων ταυτόχρονα.
  • Οι στρατηγικές έκφρασης γονιδίων υψηλής απόδοσης όπως το SAGE και η μικροσυστοιχία χρειάζονται προγραμματισμό υπολογιστή για την ανάλυση δεδομένων.
Εικόνα: Αναπαράσταση της Τεχνικής Northern Blot, χρησιμοποιείται ευρέως για την ανίχνευση RNA. Πίστωση εικόνας: Wikimedia

Εισαγωγή στη Λειτουργική Γονιδιωματική

Για να γνωρίζουμε τη λειτουργία των κυττάρων οποιασδήποτε μορφής ζωής, η κατανόηση της λειτουργίας των γονιδίων της είναι απαραίτητη. Συμβατικά στον τομέα της μοριακής βιολογίας, η γονιδιακή λειτουργία μεμονωμένων γονιδίων εξετάστηκε κάθε φορά. Δεν υπήρχαν πολλές αλληλουχίες γονιδίων διαθέσιμες εκείνη την εποχή, καθώς και μέθοδοι υψηλής απόδοσης γονιδιακής έκφρασης.

 Επί του παρόντος, η συνολική αλληλουχία γονιδιωμάτων πολυάριθμων σημαντικών ζωντανών όντων είναι προσβάσιμη. ήρθε η ώρα να εξεταστούν πολλά γονίδια σε μία μόνο έρευνα. Ο στόχος του έργου προσδιορισμού αλληλουχίας γονιδιώματος είναι να γνωρίζει τη λειτουργική ικανότητα όλων των γονιδίων που υπάρχουν στο γονιδίωμα ταυτόχρονα.

Οι πληροφορίες που μπορούν να κατανεμηθούν σε οποιοδήποτε εκφραστικό γονίδιο μπορεί να είναι:

- Όταν το γονίδιο πρόκειται να εκφραστεί

  • - Πόσα αντίγραφα μεταγραφών γονιδίων υπάρχουν (επίπεδο έκφρασης)

- Τα κύτταρα στα οποία μεταγράφεται το συγκεκριμένο γονίδιο

- Τι υπάρχουν τα άλλα προϊόντα γονιδιακής έκφρασης ως αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης γονιδίων

Η συμβατική λειτουργική διερεύνηση του γονιδίου περιλαμβάνει φαινοτυπική γνώση του γονιδίου και στη συνέχεια την αλληλουχία αυτού του γονιδίου. Αυτή η μέθοδος είναι γνωστή ως προγενέστερη γενετική. Η ανακάλυψη της γονιδιακής λειτουργίας από την αλληλουχία γονιδίων είναι γνωστή ως αντίστροφη γενετική. Μετά την αλληλουχία ολόκληρου του γονιδιώματος ενός ατόμου, μπορεί κανείς να ρωτήσει, τι θα ακολουθήσει; Η απλή υποβολή μεγάλου αριθμού ακολουθιών DNA στο σύνολο δεδομένων δεν θα δώσει καμία ιδέα για τη γονιδιακή λειτουργία και την αλληλουχία των σχετικών γονιδίων.

Εδώ είναι το μέρος όπου μπαίνει η λειτουργική γονιδιωματική. Βοηθά στον εντοπισμό της γονιδιακής λειτουργίας από την ακολουθία τους, χρησιμοποιώντας τόσο τις πειραματικές όσο και τις υπολογιστικές στρατηγικές. Αν δεν διευκρινιστεί η γονιδιακή λειτουργία, οι πληροφορίες της ακολουθίας γονιδίων δεν εκπληρώνουν τον σκοπό τους και το τεράστιο χρηματικό ποσό που δαπανάται θα καταστεί άχρηστο. Σε αυτή τη γραμμή, η ωφελιμιστική γονιδιωματική ουσία ενισχύει τις πληροφορίες (δεδομένα) και τελικά τις καθιστά πολύτιμες για την ευημερία του ανθρώπου.

Η λειτουργική γονιδιωματική περιλαμβάνει τη χρήση μεθόδων υψηλής απόδοσης για την εξέταση κάθε γονιδίου ενός οργανισμού, συμπεριλαμβανομένων όλων των μεταγραμμένων γονιδίων και όλων των εκφρασμένων πρωτεϊνών σε ένα συγκεκριμένο χρόνο σε ένα κύτταρο. Απεικονίζει την ευεργεσία και τις γενετικές αλληλεπιδράσεις.

Διάφορες τεχνικές χρησιμοποιούνται για να εξετάσουν την έκφραση γονιδίων. Οι συμβατικές στρατηγικές εξαρτώνταν από τον υβριδισμό και δίνουν δεδομένα για τη λειτουργία ενός μόνο γονιδίου. Μετά την εποχή της γονιδιωματικής, δημιουργήθηκαν πολυάριθμες τεχνικές προφίλ έκφρασης γονιδίων που χαρακτηρίζονται μέσω μηχανογράφησης για την εξέταση πολλών δειγμάτων κάθε φορά. Απαιτεί μικρή ποσότητα δείγματος και σύγχρονη έρευνα χιλιάδων γονιδίων.

Λειτουργική Πρωτεϊνολογία

Το τελικό προϊόν στην έκφραση ενός γονιδίου είναι η πρωτεΐνη. Είναι οι οντότητες που είναι υπεύθυνες για την κυτταρική λειτουργία. Οι συνολικές πρωτεΐνες που υπάρχουν σε ένα κύτταρο σε μια δεδομένη χρονική στιγμή είναι γνωστές ως πρωτεώμα. Τα λειτουργικά πρωτεομικά περιλαμβάνουν διακριτές στρατηγικές διαχωρισμού πρωτεϊνών όπως φασματομετρία μάζας, 2D-PAGE, δομική και λειτουργική ανάλυση των πρωτεϊνών που υπάρχουν σε ένα κύτταρο.

Εισαγωγή στη Λειτουργική Πρωτεομική

Βασικές έννοιες

  • Το Proteomics είναι η τεράστια έρευνα κλίμακας όλων των εκφρασμένων πρωτεϊνών ενός κυττάρου.
  • Σημαντικές μέθοδοι απομόνωσης και χαρακτηρισμού πρωτεΐνης περιλαμβάνουν υγρή χρωματογραφία, 2D-PAGE και SDS-PAGE.
  • Το SDS-PAGE είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη διαδικασία για διαχωρισμό πρωτεϊνών, αν και διαχωρίζει λίγες πρωτεΐνες σε ένα μόνο πήκτωμα.
  • Η μέθοδος 2D-PAGE έχει σχεδιαστεί για τον διαχωρισμό πολλών πρωτεϊνών σε ένα μόνο τζελ (ο αριθμός μπορεί να υπερβεί τις χιλιάδες).
  • Η φασματομετρία μάζας σε συνδυασμό με 2D-PAGE έχει γίνει μια κοινή τεχνική χαρακτηρισμού και διαχωρισμού πρωτεϊνών υψηλής απόδοσης.
  • Τόσο η 2D-PAGE όσο και η φασματομετρία μάζας χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της ποσοτικής πρωτεομικής.

Οι πρωτεΐνες απέκτησαν τον ουσιαστικό τους ρόλο στη λειτουργία των κυττάρων ακόμη και πριν από το DNA. Οι πρωτεΐνες είναι οι πιο περίπλοκες οντότητες μεταξύ όλων των βιομορίων λόγω των διαφορετικών λειτουργιών και δομής τους. Καμία από τις κυτταρικές λειτουργίες δεν λειτουργεί χωρίς πρωτεΐνες. Από πρωτεύουσες έως τεταρτοταγείς πρωτεΐνες έχουν μεγάλη πολυπλοκότητα στις δομές τους.

Οι πρωτεΐνες σχηματίζονται σύμφωνα με τις γενετικές πληροφορίες που υπάρχουν στην αλληλουχία του DNA (γονίδιο) ωστόσο για τη διαδικασία αντιγραφής του DNA εμπλέκονται πρωτεΐνες όπως (πολυμεράση DNA). Οι πρωτεΐνες λειτουργούν γενικά σε συνδυασμό με άλλα βιομόρια (άλλες πρωτεΐνες, λιπίδια, υδατάνθρακες, DNA κ.λπ.) μέσα στα κύτταρα.

Οι πρωτεΐνες είναι οι πιο μοναδικές ουσίες και οι απόλυτοι εκτελεστές των κυτταρικών ικανοτήτων και λειτουργιών. Παρά το γεγονός ότι το DNA είναι η απόλυτη εγκατάσταση αποθήκευσης κληρονομικών πληροφοριών, αυτές οι πληροφορίες πρέπει να χρησιμοποιούνται στη σύνθεση πρωτεϊνών. Πρωτεΐνες

ακολουθούν μια γενική οδό στη σύνθεση καθώς και στην αποδόμηση. Η διαδικασία σύνθεσης πρωτεΐνης είναι γνωστή ως μετάφραση, οι πρωτεΐνες υφίστανται επίσης μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις προκειμένου να εκτελέσουν διαφορετικές λειτουργίες. Οι γραμμικές πολυπερτιδικές αλυσίδες πρωτεϊνών υφίστανται αναδίπλωση για να προσαρμόσουν υπέροχες δομές στη δευτερογενή και τριτογενή μορφή τους. Η τριτογενής δομή είναι απαραίτητη για μια πρωτεΐνη να αποκτήσει τη βιολογική της δραστηριότητα. Μια πλήρως ώριμη πρωτεΐνη στην τριτογενή της μορφή είναι έτοιμη να εκτελέσει τη λειτουργία της.

Μεταγραφική | Μεταβολιμικά

Μεταγραφή είναι η διερεύνηση του μεταγράφου, είναι τα δεδομένα όλων των μορίων ριβονουκλεϊκού οξέος (RNA) που είναι συλλογικά διαθέσιμα σε ένα κύτταρο, ιστό ή όργανο σε δεδομένη στιγμή. Το RNA εκτελεί διάφορες λειτουργίες μέσα στο κύτταρο και η εξέταση του μεταγραφικού δίνει καλύτερες πληροφορίες για τη γονιδιακή λειτουργία και την έκφραση πρωτεΐνης.

Τι είναι;

Υπάρχουν διάφορες χρήσεις της μεταγραφικής, τις οποίες θα συζητήσουμε λεπτομερώς σε αυτήν την ενότητα. τις πληροφορίες εισόδου που απαιτούνται στη μεταγραφική και το τελικό αποτέλεσμα της ανάλυσης.

Ο κλάδος του transcriptomic περιλαμβάνει την ανάλυση του transcriptome, είναι τα δεδομένα που περιλαμβάνουν ολόκληρο το σύνολο των RNAs που λαμβάνονται από ένα δείγμα κυττάρου. Το transcriptomics δίνει μια λεπτομερή ιδέα σχετικά με την έκφραση της πρωτεΐνης καθώς και την γονιδιακή έκφραση ενός κυττάρου.

Στα ανθρώπινα όντα, θραύσματα DNA αναπαράγονται σε RNA μέσω μιας μεθόδου γνωστής ως μεταγραφή, επιτρέποντας σε ένα κύτταρο να ακολουθήσει τις «κατευθύνσεις» που κωδικοποιούνται στο DNA. Διάφορα είδη RNA έχουν διάφορες εργασίες: Το αγγελιοφόρο RNA (mRNA) είναι το πρώτο πράγμα που παράγεται κατά τη διάρκεια του ταξιδιού της γονιδιακής έκφρασης. Λειτουργεί ως ενδιάμεσο μόριο μεταξύ DNA και πρωτεΐνης, ενώ άλλα μη πρωτεϊνικά κωδικοποιητικά RNA εκτελούν άλλες κυτταρικές λειτουργίες. Ένα μεταγράφημα ενός κυττάρου αλλάζει συνεχώς στηριζόμενος στις ανάγκες και τις φυσιολογικές συνθήκες ενός κυττάρου.

Το Transcriptomics είναι η διερευνητική έρευνα ολόκληρου του μεταγραφικού, χρησιμοποιώντας ουσιαστικά την αλληλουχία RNA (RNA-seq) ή την εξέταση γνωστών RNAs χρησιμοποιώντας πίνακες γονιδιακής έκφρασης (GEPs).

Μεταβολιμική είναι μία από τις πιο εξελιγμένες επιστήμες της «omics». Το μεταβολίμα περιλαμβάνει το συνολικό σύνολο μικρών βιομορίων στο δείγμα. Αυτά τα βιομόρια είναι γενικά τα υποπροϊόντα και τα υποστρώματα των καταλυόμενων από ένζυμα αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό του κυττάρου και επηρεάζουν άμεσα τον κυτταρικό φαινότυπο. Ως εκ τούτου, η μεταβολική παρέχει το συνολικό προφίλ των βιομορίων που υπάρχουν στο εσωτερικό ενός κυττάρου σε μια συγκεκριμένη φυσιολογική και περιβαλλοντική κατάσταση.

Η γονιδιωματική και η πρωτεομική έχουν δώσει τεράστιο όγκο δεδομένων σε σχέση με τον γονότυπο, ωστόσο μεταφέρει περιορισμένα δεδομένα σχετικά με τον φαινότυπο. Τα βιομόρια είναι η μεγαλύτερη ομοιότητα με αυτόν τον φαινότυπο.

Το Metabolomics μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αποφασίσει τις αντιθέσεις μεταξύ των βαθμών χιλιάδων βιομορίων μεταξύ ενός φυσιολογικού και άρρωστου κυττάρου.

Η Genomics δίνει ένα περίγραμμα του συνολικού συνόλου γενετικών κατευθύνσεων που δίνει το DNA, ενώ η μεταγραφική διερευνά πρότυπα έκφρασης γονιδίων. Το Proteomics εξετάζει δυναμικές πρωτεΐνες και αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτεϊνών, ενώ το metabolomics δίνει πληροφορίες για το μεταβολισμό και το μεταβολικό προφίλ ενός κυττάρου.

Βιοπληροφορική

Είναι ένα διεπιστημονικό πεδίο που αναπτύσσει στρατηγικές και εργαλεία που βασίζονται σε λογισμικό για να αποκτήσουν κατανόηση σχετικά με το βιολογικό σύνολο δεδομένων, συγκεκριμένα όταν οι συλλογές πληροφοριών είναι τεράστιες και περίπλοκες. Ως πολυδιάστατο πεδίο της επιστήμης, η βιοπληροφορική ενσωματώνει την επιστήμη, τη μηχανική λογισμικού, την επιστήμη δεδομένων, τις στατιστικές και τα μαθηματικά για να ερμηνεύσει και να αναλύσει τα βιολογικά σύνολα δεδομένων.

Η βιοπληροφορική έχει χρησιμοποιηθεί για πυριτικές έρευνες βιολογικών ερευνών χρησιμοποιώντας βιοστατιστικές και μαθηματικές μεθόδους. Η βιοπληροφορική ενσωματώνει βιολογικές εξετάσεις που χρησιμοποιούν τον προγραμματισμό υπολογιστών ως χαρακτηριστικό της τεχνικής τους προσέγγισης, μόνο για μια συγκεκριμένη ανάλυση «αγωγών» που χρησιμοποιούνται ξανά και ξανά, ειδικά στη γονιδιωματική. Η βιοπληροφορική χρησιμοποιείται συνήθως για την ενσωμάτωση της ταυτοποίησης των γονιδίων και πολυμορφισμοί μεμονωμένων νουκλεοτιδίων (SNPs).

Τακτικά, τέτοιες αναγνωρίσιμες ταυτοποιήσεις γίνονται με σκοπό την καλύτερη κατανόηση των κληρονομικών πτυχών της ασθένειας, των μοναδικών παραλλαγών, των πλεονεκτικών ιδιοτήτων (ειδικά σε είδη που σχετίζονται με τη γεωργία) ή των διαφορετικών χαρακτήρων μεταξύ των ατόμων. Η βιοπληροφορική προσπαθεί επιπλέον να κατανοήσει τις οργανωτικές αρχές μέσα στο DNA και την αλληλουχία πρωτεΐνης που είναι γνωστή ως πρωτεομικά.

Εικόνα: Τεχνικές απαιτήσεις της Βιοπληροφορικής. Πίστωση εικόνας: Wikimedia

Πόσο συσχετίζεται το γονιδίωμα και το Πρωτεώμα

Μερικές προηγούμενες αναφορές έχουν υποδείξει ότι τα επίπεδα RNA δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη των επιπέδων πρωτεΐνης. Αλλά, σε μια άλλη έρευνα από το KTH Royal Institute of Technology, η οποία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Molecular Systems Biology, οι ερευνητές έδειξαν ότι τα επίπεδα πρωτεΐνης μπορούν να προβλεφθούν από τα επίπεδα RNA εάν ένας παράγοντας RNA-πρωτεΐνης χρησιμοποιείται ειδικά για αυτό το γονίδιο.

Το ανθρώπινο γονιδίωμα αποτελείται από DNA, περιέχει τις οδηγίες που απαιτούνται για τη δημιουργία αλλά και τη συντήρηση των κυττάρων. Για να μεταφερθούν οι οδηγίες, το DNA πρέπει επίσης να "διαβαστεί", να μεταγραφεί σε mRNA που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση πρωτεΐνης. Το μεταγράφημα είναι ένα σύνολο από όλες τις μεταγραφές mRNA που υπάρχουν σε ένα κύτταρο. Μια σημαντική πτυχή της μοριακής βιολογίας είναι η ανάλυση αν το δεδομένο γονίδιο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη των αντίστοιχων επιπέδων πρωτεΐνης.

Οι επιστήμονες δημιούργησαν μια στρατηγική βασισμένη στη φασματομετρία μάζας, η οποία είναι αναπαραγώγιμη και ευαίσθητη για ποσοτικοποίηση σε συνεχείς συνθήκες, συνολική πρωτεΐνη σε όλο το κύτταρο και αντιπαραβάλλει αυτά τα επίπεδα με τα αντίστοιχα επίπεδα mRNA χρησιμοποιώντας μεταγραφικά.

Η αντίστοιχη μεταγραφή του mRNA και τα επίπεδα πρωτεΐνης δεν ταιριάζουν με ακρίβεια, εκτός εάν παρουσιάζεται ένας αυτόνομος παράγοντας μετατροπής RNA σε πρωτεΐνη (RTP) αυτόνομος του κυτταρικού τύπου, αναβαθμίζοντας έτσι συνολικά την προβλεψιμότητα του αριθμού αντιγραφής πρωτεΐνης

Από μεταγραμμένα επίπεδα mRNA. Η αναλογία του RTP διαφέρει μερικούς σημαντικούς βαθμούς μεταξύ διαφόρων γονιδίων, έως και εκατό χιλιάδες φορές και προφανώς διατηρείται σε διάφορους τύπους κυττάρων.

Αυτές οι νέες πληροφορίες συνιστούν ότι η εξέταση μεταγραφής μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο για την πρόβλεψη του αριθμού αντιγραφής πρωτεΐνης σε ένα κύτταρο. Υπάρχουν πολλές μελέτες σε ολόκληρο τον κόσμο για να αποφασίσουν σκόπιμα τα επίπεδα μεταγραφής μέσα στα κύτταρα, συμπεριλαμβανομένων νέων μεθόδων όπως η γονιδιωματική μεμονωμένων κυττάρων και η χωρική μεταγραφή.

Αυτές οι πληροφορίες υποδηλώνουν ότι οι πηγές μεταγραφικής βασισμένες στη γνώση που αναπτύχθηκαν ως χαρακτηριστικό αυτών των μελετών θα είναι σημαντικές για τις μελέτες πρωτεϊνών, σχηματίζοντας συνεπώς μια ελκυστική σύνδεση μεταξύ του τομέα της γονιδιωματικής και της πρωτεομικής.

Εφαρμογή Γονιδιωματικής και Πρωτεομικής

Τα δεδομένα και οι γνώσεις από τη γονιδιωματική μελέτη μπορούν να εφαρμοστούν σε διαφορετικά περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένων των κοινωνικών επιστημών, της βιοτεχνολογίας και της ιατρικής. Το Proteomics χρησιμοποιείται για να διακρίνει το πρότυπο έκφρασης πρωτεΐνης σε αντίδραση σε ένα ερέθισμα σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, και επιπλέον για να εντοπίσει λειτουργικά δίκτυα πρωτεϊνών που υπάρχουν σε κυτταρικό επίπεδο ή σε ολόκληρο τον οργανισμό

Εφαρμογές της Γονιδιωματικής

ιατρικές εφαρμογές

  • Εμβόλια φυτών (από του στόματος) που παρέχουν ανοσία κατά τη χρήση, Συχνά χρησιμοποιούν DNA και διαγονίδια για την παραγωγή αντιγόνων επιφανείας. Αυτά τα φυτικά εμβόλια διαπιστώνεται ότι είναι πολλά υποσχόμενα σε άτομα για ανοσοποίηση κατά της ηπατίτιδας Β.
  • Ο κίνδυνος μόλυνσης από ελονοσία μειώνεται έως και 80%, με εμβόλιο δύο μερών που έχει διαμορφωθεί με DNA που λαμβάνεται από το P. falciparum και τροποποιημένο ιό της Άγκυρας.
  • Η φωσμιδομυκίνη και το FR-900098 είναι χημικές ουσίες που δοκιμάζονται για την ανασταλτική τους ικανότητα έναντι της αναγωγουϊσομεράσης DOX στο σώμα, η οποία παίζει σημαντικό ρόλο στον κύκλο ζωής του P. falciparum (αιτιολογικός οργανισμός της εγκεφαλικής ελονοσίας).
  • Η γενετική συμβουλευτική και η αποτελεσματική συμβουλευτική έχουν μειώσει τους ρυθμούς θαλασσαιμίας στη Σαρδηνία από 1 σε κάθε 250 σε 1 στις 4000 γεννήσεις.

Εφαρμογές βιοτεχνολογίας

Η γονιδιωματική έχει μερικές εφαρμογές, στον τομέα της συνθετικής Βιολογίας και της βιομηχανικής. Οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι η κατασκευή μερικώς κατασκευασμένων τύπων μικροσκοπικών οργανισμών. Για παράδειγμα, το γονιδίωμα Mycoplasma genitalium χρησιμοποιήθηκε στο συνδυασμό βακτηριδίου Mycoplasma laboratorium, το οποίο βρέθηκε ότι έχει αναμφισβήτητα χαρακτηριστικά σε σύγκριση με το αρχικό βακτήριο.

Εφαρμογές κοινωνικής επιστήμης

Οι συντηρητές χρησιμοποιούν πληροφορίες γονιδιωματικής αλληλουχίας για να αξιολογήσουν βασικές μεταβλητές που σχετίζονται με τη διατήρηση των ειδών. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό των επιπτώσεων των εξελικτικών διαδικασιών και τη λήψη γονιδιακού μοτίβου ενός συγκεκριμένου πληθυσμού, που μπορεί επιπλέον να βοηθήσει στη διαμόρφωση σχεδίων για να βοηθήσει τα είδη και να τους επιτρέψει να ανθίσουν στο μέλλον.

Εφαρμογές Proteomics

Πρωτεϊμολογία στην ιατρική

  • Το Proteomics χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τους Cancer Biologists για αναγνώριση και προγνωστικούς σκοπούς. Για παράδειγμα, σε περίπτωση καρκίνου των ωοθηκών, έχει δημιουργηθεί μια πρωτεϊμική ταυτοποίηση με βάση τον ορό, η οποία επισημαίνει μια άλλη τεχνική για την ταυτοποίηση της νόσου.
  • Δεδομένα αλληλουχίας πρωτεΐνης που είναι προς το παρόν προσβάσιμα για διαφορετικούς μικροοργανισμούς, τα οποία παρέχουν άμεση κατανόηση σχετικά με την αντοχή τους στα αντιβιοτικά και επιπλέον για τον εντοπισμό νέων υποψηφίων έναντι της αντιμικροβιακής αντοχής. Η επιφανειακά ενισχυμένη εκρόφηση λέιζερ/ο χρόνος ιονισμού της πτήσης (SELDI-TOF) χρησιμοποιείται προς το παρόν για την ταχεία αναγνώριση της νόσου του Chagas, της φυματίωσης, της διηθητικής ασπεργίλωσης και της ναυτίας.
  • Επιτρέπονται περαιτέρω εξελίξεις στην πρωτεϊνομετρική Λεπτομερή εξέταση του μηχανισμού πίσω από τις καρδιαγγειακές παθήσεις, παρέχοντας όχι μόνο τις προσδιορισμένες τροποποιημένες πρωτεΐνες, αλλά επιπλέον την ιδέα της αλλοίωσης ή τροποποίησης τους.
  • Η Proteomics μετατρέπεται επιπρόσθετα σε ένα κομμάτι διαδικασίας ελέγχου ασφάλειας που υποβάλλεται για να επιβεβαιώσει την καθαρότητα, την αποτελεσματικότητα, την ασφάλεια και την ταυτότητα των διαφόρων προϊόντων αίματος στα φάρμακα μετάγγισης.
  • Η πρωτεϊμική προσέγγιση είναι μια σημαντική μέθοδος για τη διεθνή εξέταση βλαβών που σχετίζονται με την αποθήκευση στα ερυθρά αιμοσφαίρια και την εξέταση των φυσιολογικών συνεπειών της μετάγγισης αίματος

Πρωτεϊνολογία στην ανάπτυξη φαρμάκων

  • Το Proteomics αναλαμβάνει ένα εξαιρετικά επιτακτικό μέρος σε ένα στάδιο ανάπτυξης σκευασμάτων, καθώς ο μηχανισμός της νόσου εμφανίζεται συχνά σε επίπεδο πρωτεΐνης.
  • Σχεδόν όλοι οι φαρμακευτικοί οργανισμοί διαθέτουν επί του παρόντος ένα τμήμα πρωτεομικής. Η απασχόληση πρωτεϊνών στη βιομηχανία τυποποίησης ενσωματώνει κυρίως αναγνώριση και έγκριση. Αποτελεσματικότητα και κίνδυνοι αναγνώρισης βιοδεικτών από τα συχνά διαθέσιμα εφικτά βιολογικά υγρά. και εξετάσεις σχετικά με συστατικά της φαρμακευτικής δραστηριότητας ή τοξικότητας.
  • Η εξόρυξη πρωτεϊνών χρησιμοποιείται για να βρεθούν νέα σκευάσματα κατά της ελονοσίας που στοχεύουν τις πρωτεΐνες που δεσμεύουν πουρίνες στη φάση της μόλυνσης του αίματος.
  • Τα κύρια σκευάσματα κορυφαίας πώλησης για τον έλεγχο ασθενειών είναι είτε πρωτεΐνες είτε δρουν με στόχευση πρωτεϊνών. Η πρόοδος της πρωτεϊνομικής μπορεί να βοηθήσει στη δημιουργία εξατομικευμένων συνταγών για άτομα, για καλύτερη επάρκεια και λιγότερες τυχαίες παρενέργειες.

Γιατί οι βάσεις δεδομένων υπολογιστών είναι σημαντικές στη γονιδιωματική και την πρωτεϊνομική

Οι βιολογικές βάσεις δεδομένων θεωρούνται οι βιβλιοθήκες βιολογικών επιστημών, που συγκεντρώθηκαν από επιστημονικά εργαστηριακά πειράματα, πειραματική τεχνολογία υψηλής απόδοσης, υπολογιστικές εξετάσεις και δημοσιευμένες εργασίες. Παρουσιάζουν δεδομένα από περιοχές που περιλαμβάνουν φυλογενετική, γονιδιακή έκφραση μικροσυστοιχιών, μεταβολική, πρωτεομική, ακόμη και γονιδιωματική.

Οι πληροφορίες που υπάρχουν στα σύνολα βιολογικών δεδομένων ενσωματώνουν ομοιότητα βιολογικής δομής και αλληλουχιών, κλινικές επιδράσεις μετάλλαξης, κυτταρικό και χρωμοσωμικό εντοπισμό γονιδίου ή πρωτεΐνης, δομή και λειτουργία πρωτεΐνης ή γονιδίου. Τα σύνολα βιολογικών δεδομένων μπορούν να ταξινομηθούν εκτενώς σε βάσεις δεδομένων λειτουργικών, δομικών και ακολουθιακών. Η αλληλουχία πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων φορτώνεται σε βάσεις δεδομένων που περιέχουν αλληλουχίες. Ωστόσο, η δομή των πρωτεϊνών και του νουκλεϊκού οξέος είναι διαθέσιμη σε δομή που περιέχει βάσεις δεδομένων.

Τα λειτουργικά σύνολα δεδομένων δίνουν δεδομένα σχετικά με το ρόλο των γονιδιακών προϊόντων στη φυσιολογία, όπως μεταβολικές οδούς, φαινοτύπους των μεταλλαγμένων και βιοχημική δραστηριότητα ενζύμων. Οι βάσεις δεδομένων μοντέλου οργανισμού είναι λειτουργικές, παρέχουν πληροφορίες που είναι συγκεκριμένες για το είδος. Αυτές οι βάσεις δεδομένων είναι σημαντικά εργαλεία για να βοηθήσουν τους ερευνητές να εξετάσουν και να αναπτύξουν βιολογικούς μηχανισμούς από βιομοριακές αλληλεπιδράσεις και δομές υπό το πρίσμα ολόκληρης της μεταβολικής διαδικασίας που λαμβάνει χώρα στον οργανισμό και για την κατανόηση της εξέλιξης του είδους.

Αυτές οι πληροφορίες βοηθούν στην έναρξη της μάχης ενάντια σε διάφορες ασθένειες, βοηθούν σε ιατρικά σκευάσματα, προβλέπουν διάφορες κληρονομικές ασθένειες και βρίσκουν ουσιαστικές φυλογενετικές συνδέσεις μεταξύ των ειδών. Οι βιολογικές πληροφορίες μεταφέρονται σε ένα ευρύ φάσμα γενικών και εξειδικευμένων συνόλων δεδομένων. Αυτό συχνά καθιστά δύσκολο να διασφαλιστεί η συνέπεια των δεδομένων. Η ολοκληρωμένη βιοπληροφορική είναι ένα από τα πεδία που προσπαθούν να χειριστούν αυτό το ζήτημα, παρέχοντας ενιαία πρόσβαση.

Εικόνα: Οι επιστήμες "Omics" χρησιμοποιούν βάσεις δεδομένων ως εισόδους για τη δημιουργία αποτελεσμάτων. Πίστωση εικόνας: Wikipedia

Μια ρύθμιση είναι το μέσο με το οποίο οι βιολογικές βάσεις δεδομένων διασταυρώνονται σε ορισμένα άλλα σύνολα δεδομένων με αριθμούς πρόσβασης για τη σύνδεση των πληροφοριών τους μεταξύ τους. Σχετικά σύνολα δεδομένων, ιδέες μηχανικής λογισμικού και ιδέες ανάκτησης πληροφοριών ψηφιακών βιβλιοθηκών είναι απαραίτητες για την κατανόηση φυσικών συνόλων δεδομένων. Σχεδιασμός βιολογικού συνόλου δεδομένων, ανάπτυξη και διαχείριση βιοπληροφορικής. Τα στοιχεία των δεδομένων ενσωματώνουν πληροφορίες στις ερευνητικές εργασίες, αλληλουχία γονιδίων, ταξινόμηση χαρακτηριστικών και οντολογία, πίνακες και παραπομπές. Αυτές απεικονίζονται συχνά ως ημι-οργανωμένες πληροφορίες και μπορούν να παρουσιαστούν ως πίνακες, δομές XML και βασικές οριοθετημένες εγγραφές.

Εφαρμογή γονιδιωματικών και πρωτεομικών στη βελτίωση των καλλιεργειών

Με την προσέγγιση των περιβαλλοντικών αλλαγών, ένας ταχέως αναπτυσσόμενος παγκόσμιος πληθυσμός που αναμένεται να ξεπεράσει τα 9 δισεκατομμύρια άτομα μέσα σε τριάντα χρόνια και η επέκταση της ανάγκης για φυσικούς πόρους, όπως το νερό και τα ορυκτά, πιο σημαντικές εμπειρίες στις εγκαταστάσεις βιώσιμης παραγωγής τροφίμων αναμένεται να εγγυηθούν αποτελεσματικά αποδόσεις και εφαρμογές καλλιεργειών.

Για την επίτευξη αυτών των στόχων, χρειάζονται νέες μέθοδοι για τη διασφάλιση των καλλιεργειών από βιοτικές και αβιοτικές καταπονήσεις και για την εκτόνωση του μηχανισμού ανάπτυξης της βιωσιμότητας των σπόρων. Οι μέθοδοι "Omics" εξακολουθούν να είναι πολλά υποσχόμενες μέθοδοι για τέτοιες έρευνες. Καθώς τα πλήρη γονιδιώματα είναι προσβάσιμα για έναν αυξανόμενο αριθμό καλλιεργειών και μοντέλων φυτών, οι ολοκληρωμένες προσεγγίσεις "Omics" ή βιολογικής συστημάτων θα βοηθήσουν στην αποσύνδεση του υποκείμενου μηχανισμού των πολύπλοκων χαρακτηριστικών των φυτών, όπως η προστασία μοριακού επιπέδου από καταπονήσεις.

Η εκτεταμένη χρήση ποσοτικών πρωτεϊμικών μεθόδων σε συνδυασμό με σύγχρονες διαδικασίες απεικόνισης για τη χαρτογράφηση και τον προσδιορισμό των PTMs απαιτείται για να δοθεί οριστική κατανόηση της ρύθμισης της πρωτεΐνης σε πολύπλοκα βιολογικά συγκροτήματα. Τέτοια πολυεπιστημονικά συστήματα θα υποστηρίξουν επίσης το σχέδιο προσεγγίσεων για την ανακούφιση των επιβλαβών επιπτώσεων των στρεσογόνων φυτών και την προώθηση ευεργετικών συνδέσεων φυτών -μικροβίων. Η εξέταση της βιολογίας του συστήματος θα βοηθήσει επίσης στην αναπαραγωγή ισχυρών φυτών που παράγουν καλλιέργειες που είναι επιεικείς στο περιβαλλοντικό στρες και έχουν υψηλό υγιές όφελος. Το μέλλον των πρωτεομικών καλλιεργειών που στρέφονται προς την κατανόηση του δομικού λόγου της επικοινωνίας μεταξύ βιομορίων θα είναι κρίσιμο για τον έλεγχο της λειτουργίας των μικροβιακών πρωτεϊνών και των σχετικών καλλιεργειών.

Genomics and Proteomics in Cancer

Η πρόοδος της κακοήθειας οδηγείται από τη συλλογή αλλαγών του DNA στα περίπου 40 γονίδια που υπάρχουν στα χρωμοσώματα. Σε όγκους, οι χρωμοσωμικές ανωμαλίες είναι φυσιολογικές. Οι εκτροπές στη διαδικασία επιδιόρθωσης του DNA μπορεί να προκαλέσουν αστάθεια στο γονιδίωμα, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε περαιτέρω εξέλιξη της νόσου. Ο γενετικός κώδικας είναι ο πραγματικός παράγοντας σε όλη τη διαδικασία, 000 έως 100,000 εκατομμύρια πρωτεΐνες, οι οποίες σε (προ) κακοήθη κύτταρα μπορούν επίσης να τροποποιηθούν με διάφορους τρόπους.

Κατά την προηγούμενη δεκαετία, η εικόνα μας για το ανθρώπινο γονιδίωμα και τη γονιδιωματική (η διερεύνηση του ανθρώπινου γονιδιώματος) σε (προ) κακοήθειες έχει επεκταθεί μαζικά και η Proteomics (η έρευνα για το συμπλήρωμα πρωτεΐνης του γονιδιώματος) έχει επίσης απογειωθεί. Και οι δύο θα αναλάβουν ένα αναμφισβήτητα σημαντικό μέρος.

Οι αιτήσεις είναι ακόμη περιορισμένες, ωστόσο οι μέχρι στιγμής αποδείξεις είναι ελπιδοφόρες. Θα αντικαταστήσει η γονιδιωματική την παραδοσιακή ταυτοποίηση της νόσου ή την άλλη προγνωστική μεθοδολογία; Σε περίπτωση καρκίνου του μαστού, η σειρά γονιδιακής έκφρασης είναι πιο αποτελεσματική από τις συμβατικές μεθόδους, ωστόσο στην υπερπλασία του ενδομητρίου, τα ποσοτικά μορφολογικά χαρακτηριστικά είναι πιο ακριβά από τη γενετική εξέταση. Είναι ακόμη πολύ νωρίς για να κάνουμε βάσιμα επιχειρήματα, ακόμη περισσότερο υπό το φως του γεγονότος ότι αναμένεται ότι η γονιδιωματική και η πρωτεϊνομική θα αναπτυχθούν γρήγορα. Παρ 'όλα αυτά, αν ληφθούν υπόψη, θα λάβουν κεντρική θέση στην παρακολούθηση, τη διάγνωση και την κατανόηση των καρκίνων.

συμπεράσματα

Αυτό το άρθρο περιέχει βασικές έννοιες και πληροφορίες που σχετίζονται με τις Επιστήμες "Omics", συγκεκριμένα τη Γονιδιωματική και την Πρωτεομική.

Σχετικά με τον Δρ. Abdullah Arsalan

Είμαι ο Αμπντουλάχ Αρσλάν, Ολοκλήρωσε το διδακτορικό μου στη Βιοτεχνολογία. Έχω 7 χρόνια ερευνητικής εμπειρίας. Έχω δημοσιεύσει έως τώρα 6 δημοσιεύσεις στα περιοδικά διεθνούς φήμης με μέσο συντελεστή αντίκτυπου 4.5 και λίγα ακόμη είναι υπό εξέταση. Έχω παρουσιάσει ερευνητικές εργασίες σε διάφορα εθνικά και διεθνή συνέδρια. Το αντικείμενο που ενδιαφέρομαι είναι η βιοτεχνολογία και η βιοχημεία με ιδιαίτερη έμφαση στη χημεία πρωτεϊνών, την ενζυμολογία, την ανοσολογία, τις βιοφυσικές τεχνικές και τη μοριακή βιολογία.

Ας συνδεθούμε μέσω του LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/abdullah-arsalan-a97a0a88/) ή του μελετητή Google (https://scholar.google.co.in/citations?user=AeZVWO4AAAAJ&hl=el).

Lambda Geeks