Введение в геномику

Размещено на http://www.allbest.ru

Задача геномики -- установление полной генетической характеристики всей клетки -- количества содержащихся в ней генов и их последовательности, количества нуклеотидов в каждом гене и их последовательности, определение функций каждого гена по отношению к метаболизму организма или, более обще, применительно к его жизнедеятельности.

Геномика позволяет выразить сущность организма -- его потенциальные возможности, видовые (и даже индивидуальные) отличия от других организмов, предвидеть реакцию на внешние воздействия, зная последовательность нуклеотидов в каждом из генов и число генов.

Цель геномики -- получение информации обо всех потенциальных свойствах клетки, которые не реализуются на данный момент, например, "молчащие гены".

Геномика, наука о структуре и функционировании генома. Сформировалась как особое направление в 1980--1990-х гг. вместе с возникновением первых проектов по секвенированию геномов некоторых видов живых организмов. Первым был полностью секвенирован геном бактериофага Ц-X174; (5 368 нуклеотидов) в 1977 году. Следующим этапным событием было секвенирование генома бактерии Haemophilus influenzae (1.8 Mb) (1995). После этого были полностью секвенированы геномы ещё нескольких видов, включая геном человека (2001 год -- первый черновой вариант, 2003 год -- завершение проекта). Её развитие стало возможно не только благодаря совершенствованию биохимических методик, но и благодаря появлению более мощной вычислительной техники, которая позволила работать с огромными массивами данных. Протяженность геномов у живых организмов подчас измеряется миллиардами пар оснований. Например, объём генома человека составляет порядка 3 млрд. пар оснований. Самый крупный из известных (на начало 2010 года) геномов принадлежит одному из видов двоякодышаших рыб (примерно 110 млрд пар).

Считается, что термин срок "геномика" был придуман д-р Томом Родериком, генетиком в лаборатории Джексон (Бар Харбор, ME) на совещании, состоявшемся в Мэриленде касательно картирования генома человека в 1986 году.

В 1972 году, Уолтер Фирз и его команда в лаборатории молекулярной биологии Гентского университета (Гент, Бельгия) первыми определили последовательность гена структурного белка бактериофага MS2. В 1976 году команда определяет полную последовательность нуклеотидов РНК бактериофага MS2. Но первый полный сиквенс генома Фредериком Сенгером в 1977 году был сделан на основе ДНК генома для последовательности в полном объеме бактериофага Ц-X174.

Первым секвенированым клеточным организмом является ''Haemophilus influenzae'' 1995г. и с того времени секвенирование геномов пошло быстрыми темпами.

С октября 2011 года полностю секвенированы последовательности около 2719 вирусов, 1115 видов бактерий и примерно 36 эукариотических организмов, из которых около половины, грибы.

Большинство из бактерий, чьи геномы были полностью секвенированы, являются проблематичными болезнетворными агентами, такими, как ''Haemophilus influenzae''. Последовательности большинства других видовбыли выбраны, потому, что они хорошо изученные модельные объекты или могут ими стать. Дрожжи (''Saccharomyces cerevisiae'') уже давно являются важной моделью для эукариотических клеток, как и дрозофилы.

Червь ''Caenorhabditis elegans'' является часто используемой простой моделью для многоклеточных организмов. Brachydanio rerio используется для многих исследований на молекулярном уровне и цветок ''Arabidopsis thaliana'' является модельным организмом для растений. Из их небольших и компактный геномов, содержащих очень мало некодирующей ДНК по сравнению с большинством видов.

Структура и методы науки

Геномика дифференцируется по нескольким направлениям:

1) Структурная геномика, задачей которой является идентификация генов с помощью специальных компьютерных программ (ведется поиск открытых рамок считывания со старт и терминирующими кодонами). В результате изучаемый геном характеризуется по молекулярной массе, количеству генов и нуклеотидной последовательности в каждом гене; у прокариот -- в геноме хромосомы, у эукариот -- в каждой из хромосом.

Методы структурной геномики

3) Функциональная (метаболическая) геномика. Ее цель -- установление связи между геномом и метаболизмом, кластерами генов и многоступенчатыми метаболическими процессами, отдельными генами и конкретными метаболическими реакциями. Применительно к функциональной геномике относится понятие так называемых "модельных" организмов: прежде всего, это некоторые микроорганизмы, у которых прослежены связи между генами и кодируемыми этими генами ферментными и структурными белками, т.е. прокариоты и низшие эукариоты с полностью секвенированным геномом и досконально изученным метаболизмом. геномика организм нуклеотид гены

Примерами таких модельных микроорганизмов могут служить Escherichia coli (у прокариот) и Sacsharomyces cerevisiae (у эукариот). Сопоставление гена у изучаемого организма с близким по степени гомологии геном у модельного организма позволяет предположить функции гена. Отсутствие гомологии указывает на необходимость специального изучения функций нового гена.

Методы

Функциональная геномика включает в себя аспекты, связанные с геномом, такие как анализ мутаций и полиморфизма (например, SNP ), а также анализ молекулярных измерений. Последний включает ряд "-omics", такие как транскриптомика ( экспрессия генов ), протеомика ( экспрессии белка ), и метаболомикиа . Функциональная геномика использует в основном многостадийные методы для измерения численности многих или всех продуктов генов, таких как РНК или белки в биологическом образце .

На уровне ДНК это генетическое картирование

Систематическое удаление генов или ингибирование экспрессии может быть использовано для идентификации генов с соответствующей функцией, даже если они не взаимодействуют физически.

ENCODE проект

ENCODE (Энциклопедия ДНК-элементов) Проект углубленного анализа генома человека, целью которого является выявление всех функциональных элементов геномной ДНК, как в кодирующих и некодирующих регионах. До сих пор был завершен только экспериментальный этап исследования, с участием сотен анализов осуществленных на 44 регионах известных или неизвестных функций, включает 1% генома человека.

На уровне РНК: профилирование транскриптома

Microarrays используют для измерения количества мРНК в образце, который соответствует данному гену или последовательности ДНК зонда. Зонд иммобилизован на твердой поверхности и связывается с флуоресцентно меченой "целевой" мРНК. Интенсивность флуоресценции этом месте пропорциональна количеству целевых последовательностей, которая гибридизуется с этим местом, и, следовательно, изобилию, мРНК последовательности в образце.

SAGE

SAGE (серийный анализ экспрессии генов) является альтернативным методом анализа генной экспрессии на основе РНК последовательности, а не гибридизации. SAGE зависит от последовательности 10-17 пар основных тегов, которые являются уникальными для каждого гена. Это метки, которые производятся из поли-мРНК и лигируют из конца в конец, прежде чем секвенировать. SAGE дает объективное измерение числа последовательностей на клетку.

Знание генома человека очень важно для медицины. Раньше считали, что генетика - это только наследственные заболевания. Сейчас ясно, что наследственные заболевания составляют всего 2 % от всего числа заболеваний, т.е. не являются социально значимыми. До недавнего времени 98% заболеваний не связывалось с генетикой, теперь стало совершенно очевидно, что "все болезни от генов". При наследственных болезнях наблюдается дефект гена, а в других случаях - нарушение регуляции экспрессии гена. Для каждого патологического процесса можно выявить нарушение регуляции гена, в результате чего развивается этот патологический процесс. Все это социально значимые заболевания. Наблюдается тесная связь: геномика ® дефектные гены ® генная терапия. В настоящее время актуальны исследования по созданию новых лекарственных препаратов с использованием антисмысловых олигонуклеотидов, блокирующих экспрессию того или иного гена. Это то, что уже дала геномика. Основной недостаток геномики: мы знаем весь геном, но не знаем, что реально экспрессируется и что реально работает в клетке.

Все эти разделы геномики вносят вклад в фундаментальную биологию (индивидуальное развитие, эволюция), здравоохранение, сельское хозяйство и биотехнологию.

Размещено на Allbest.ru