Genomik

 Genomik, genomların yapısı, işlevi, evrimi, haritalanması ve düzenlenmesine odaklanan disiplinler arası bir biyoloji alanıdır. Bir genom, bir organizmanın tüm genleri de dahil olmak üzere eksiksiz bir DNA setidir. Tek tek genlerin ve bunların kalıtımdaki rollerinin incelenmesine atıfta bulunan genetiğin aksine, genomik, bir organizmanın tüm genlerinin, bunların birbirleriyle olan ilişkilerinin ve organizma üzerindeki etkisinin kolektif karakterizasyonunu ve miktarını belirlemeyi amaçlar. Genler, enzimlerin ve haberci moleküllerin yardımıyla protein üretimini yönlendirebilir. Buna karşılık proteinler, organlar ve dokular gibi vücut yapılarını oluşturur, kimyasal reaksiyonları kontrol eder ve hücreler arasında sinyaller taşır. Genomik ayrıca, tüm genomların işlevini ve yapısını bir araya getirmek ve analiz etmek için yüksek verimli DNA dizilimi ve biyoinformatik kullanımı yoluyla genomların dizilenmesini ve analizini içerir. Genomikteki ilerlemeler, beyin gibi en karmaşık biyolojik sistemlerin bile anlaşılmasını kolaylaştırmak için keşfe dayalı araştırma ve sistem biyolojisinde bir devrimi tetikledi.

Alan ayrıca epistasis (bir genin diğeri üzerindeki etkisi), pleiotropi (bir genin birden fazla özelliği etkilediği), heterosis (hibrit canlılık) ve lokuslar ve aleller arasındaki diğer etkileşimler gibi intragenomik (genom içinde) fenomen çalışmalarını içerir. 

Genom Analizi

Bir organizma seçildikten sonra, genom projeleri üç bileşen içerir: DNA'nın dizilenmesi, orijinal kromozomun bir temsilini oluşturmak için bu dizinin birleştirilmesi ve bu temsilin açıklama ve analizi.

Sıralama

Tarihsel olarak, dizileme, gerekli maliyetli enstrümantasyon ve gerekli teknik desteğe sahip araştırma laboratuvarları içeren dizileme merkezlerinde, merkezi tesislerde (yılda düzinelerce terabazı dizileyen Ortak Genom Enstitüsü gibi büyük bağımsız kurumlardan yerel moleküler biyoloji çekirdek tesislerine kadar) yapılırdı. Sıralama teknolojisi gelişmeye devam ettikçe, yeni nesil etkili, hızlı geri dönüşlü masaüstü sıralayıcılar, ortalama akademik laboratuvarın erişimine girmiştir. Genel olarak, genom dizileme yaklaşımları iki geniş kategoriye ayrılır: pompalı tüfek ve yüksek verimli (veya yeni nesil) dizileme.

Shotgun Dizilimi

Shotgun dizileme, tüm kromozomları içeren 1000 baz çiftinden daha uzun DNA dizilerinin analizi için tasarlanmış bir dizileme yöntemidir. Bir av tüfeğinin hızla genişleyen, yarı rastgele ateşleme modeline benzetilerek adlandırılır. Jel elektroforezi dizilemesi yalnızca oldukça kısa diziler (100 ila 1000 baz çifti) için kullanılabildiğinden, daha uzun DNA dizileri, daha sonra okuma elde etmek için dizilen rasgele küçük parçalara bölünmelidir. Bu parçalanma ve dizilemenin birkaç turu gerçekleştirilerek hedef DNA için çoklu örtüşen okumalar elde edilir. Bilgisayar programları daha sonra farklı okumaların üst üste binen uçlarını kullanarak bunları sürekli bir sıra halinde birleştirir. Shotgun dizilimi, belirli bir nükleotidin yeniden yapılandırılmış dizide temsil edilmesini sağlamak için aşırı örnekleme gerektiren rastgele bir örnekleme işlemidir; Bir genomun aşırı örneklendiği ortalama okuma sayısı, kapsama alanı olarak adlandırılır.

Tarihinin büyük bir bölümünde, av tüfeği dizilemesinin altında yatan teknoloji, in vitro DNA replikasyonu sırasında DNA polimeraz tarafından zincir sonlandırıcı dideoksinükleotitlerin seçici olarak dahil edilmesine dayanan klasik zincir sonlandırma yöntemi veya 'Sanger yöntemi' idi. Son zamanlarda, özellikle büyük ölçekli, otomatikleştirilmiş genom analizleri için, yüksek verimli dizileme yöntemleri, av tüfeği dizilemesinin yerini almıştır. Bununla birlikte, Sanger yöntemi, öncelikle daha küçük ölçekli projeler ve özellikle uzun bitişik DNA dizi okumaları (>500 nükleotid) elde etmek için yaygın olarak kullanılmaya devam etmektedir. Zincir sonlandırma yöntemleri, tek iplikli bir DNA şablonu, bir DNA primeri, bir DNA polimeraz, normal deoksinükleosittrifosfatlar (dNTP'ler) ve DNA iplikçik uzamasını sonlandıran modifiye nükleotidler (dideoksiNTP'ler) gerektirir. Bu zincir sonlandırıcı nükleotitler, iki nükleotit arasında bir fosfodiester bağının oluşumu için gerekli olan bir 3'-OH grubundan yoksundur ve bir ddNTP dahil edildiğinde DNA polimerazın DNA'nın uzamasını durdurmasına neden olur. ddNTP'ler, DNA dizileyicilerinde tespit için radyoaktif veya floresan olarak etiketlenebilir. Tipik olarak, bu makineler tek bir partide (çalışmada) 96'ya kadar DNA örneğini günde 48 çalışmaya kadar sıralayabilir.

Yüksek Verimli Sıralama

Düşük maliyetli dizileme için yüksek talep, dizileme sürecini paralel hale getiren, aynı anda binlerce veya milyonlarca dizi üreten yüksek verimli dizileme teknolojilerinin geliştirilmesine neden oldu. Yüksek verimli dizileme, standart boya sonlandırıcı yöntemlerle mümkün olanın ötesinde DNA dizileme maliyetini düşürmeyi amaçlar. Ultra yüksek verimli sıralamada, 500.000'e kadar sentez yoluyla sıralama işlemi paralel olarak çalıştırılabilir.

Illumina boya dizileme yöntemi, tersinir boya sonlandırıcılara dayanmaktadır ve 1996'da Cenevre Biyomedikal Araştırma Enstitüsü'nde Pascal Mayer ve Laurent Farinelli tarafından geliştirilmiştir. Bu yöntemde, DNA molekülleri ve primerler önce bir slayt üzerine eklenir ve polimeraz ile amplifiye edilir, böylece başlangıçta "DNA kolonileri" olarak adlandırılan lokal klonal koloniler oluşturulur. Diziyi belirlemek için, dört tip tersinir sonlandırıcı baz (RT-bazları) eklenir ve dahil edilmemiş nükleotitler yıkanır. Pyrosequencing'den farklı olarak, DNA zincirleri bir seferde bir nükleotid uzatılır ve gecikmeli bir anda görüntü alımı gerçekleştirilebilir, bu da tek bir kameradan alınan ardışık görüntüler tarafından çok büyük DNA kolonisi dizilerinin yakalanmasına izin verir. Enzimatik reaksiyonun ayrıştırılması ve görüntü yakalama, optimal verim ve teorik olarak sınırsız sıralama kapasitesi sağlar; en uygun konfigürasyonla, cihazın nihai verimi yalnızca kameranın A/D dönüşüm oranına bağlıdır. Kamera, flüoresan etiketli nükleotitlerin görüntülerini alır, ardından terminal 3' bloker ile birlikte boya, DNA'dan kimyasal olarak çıkarılır ve bir sonraki döngüye izin verilir.

Alternatif bir yaklaşım, iyon yarı iletken dizilimi, standart DNA replikasyon kimyasına dayanır. Bu teknoloji, bir baz dahil edildiğinde bir hidrojen iyonunun salınımını ölçer. Şablon DNA içeren bir mikro kuyu, tek bir nükleotid ile doldurulur, nükleotid şablon sarmalın tamamlayıcısıysa, dahil edilecek ve bir hidrojen iyonu serbest bırakılacaktır. Bu sürüm, bir ISFET iyon sensörünü tetikler. Şablon dizisinde bir homopolimer mevcutsa, tek bir taşma döngüsüne birden fazla nükleotid dahil edilecek ve tespit edilen elektrik sinyali orantılı olarak daha yüksek olacaktır.

Fonksiyonel Genomik

Fonksiyonel genomik, gen (ve protein) fonksiyonlarını ve etkileşimlerini tanımlamak için genomik projeler (genom dizileme projeleri gibi) tarafından üretilen geniş veri zenginliğinden yararlanmaya çalışan bir moleküler biyoloji alanıdır. Fonksiyonel genomik, DNA dizisi veya yapıları gibi genomik bilginin statik yönlerinin aksine, gen transkripsiyonu, translasyon ve protein-protein etkileşimleri gibi dinamik yönlere odaklanır. Fonksiyonel genomik, DNA'nın işlevi hakkındaki soruları genler, RNA transkriptleri ve protein ürünleri düzeyinde yanıtlamaya çalışır. Fonksiyonel genomik araştırmalarının önemli bir özelliği, daha geleneksel bir "gen-gen" yaklaşımından ziyade genellikle yüksek verimli yöntemleri içeren bu sorulara genom çapında yaklaşımlarıdır.

Genomiğin önemli bir dalı hala çeşitli organizmaların genomlarının dizilenmesiyle ilgilenmektedir, ancak tam genomların bilgisi, esas olarak çeşitli koşullar sırasında gen ekspresyon kalıplarıyla ilgilenen fonksiyonel genomik alanı için olasılık yaratmıştır. Buradaki en önemli araçlar mikrodiziler ve biyoinformatiktir.

Yapısal Genomik

Yapısal genomik, belirli bir genom tarafından kodlanan her proteinin 3 boyutlu yapısını tanımlamaya çalışır. Bu genom tabanlı yaklaşım, deneysel ve modelleme yaklaşımlarının bir kombinasyonu ile yüksek verimli bir yapı belirleme yöntemine izin verir. Yapısal genomik ile geleneksel yapısal tahmin arasındaki temel fark, yapısal genomiğin belirli bir proteine ​​odaklanmak yerine genom tarafından kodlanan her proteinin yapısını belirlemeye çalışmasıdır. Mevcut tam genom dizileri ile, özellikle çok sayıda dizili genomun ve önceden çözülmüş protein yapılarının mevcudiyeti, bilim adamlarının protein yapısını daha önce çözülmüş yapılar üzerinde modellemesine izin verdiği için, deneysel ve modelleme yaklaşımlarının bir kombinasyonu yoluyla yapı tahmini daha hızlı yapılabilir. homologlar. Yapısal genomik, genomik dizileri kullanan deneysel yöntemler veya bilinen yapıya sahip bir proteine ​​diziye veya yapısal homolojiye dayalı modellemeye dayalı yaklaşımlar veya homoloji olmayan bir protein için kimyasal ve fiziksel ilkelere dayanan, yapı belirlemeye yönelik çok sayıda yaklaşımın alınmasını içerir. Bilinen herhangi bir yapı. Geleneksel yapısal biyolojinin aksine, bir yapısal genomik çabayla bir protein yapısının belirlenmesi, genellikle (ancak her zaman değil) protein işleviyle ilgili herhangi bir şeyin bilinmesinden önce gelir. Bu, yapısal biyoinformatikte, yani protein fonksiyonunun 3D yapısından belirlenmesinde yeni zorluklar ortaya çıkarmaktadır.

Epigenomik

Epigenomik, epigenom olarak bilinen bir hücrenin genetik materyali üzerindeki tüm epigenetik modifikasyonların incelenmesidir. Epigenetik modifikasyonlar, bir hücrenin DNA'sında veya DNA dizisini değiştirmeden gen ekspresyonunu etkileyen histonlarda geri dönüşümlü modifikasyonlardır (Russell 2010 s. 475). En belirgin epigenetik modifikasyonlardan ikisi, DNA metilasyonu ve histon modifikasyonudur. Epigenetik modifikasyonlar, gen ekspresyonu ve düzenlenmesinde önemli bir rol oynar ve farklılaşma/gelişme ve tümörijenez gibi çok sayıda hücresel süreçte yer alır. Küresel düzeyde epigenetik çalışması, ancak son zamanlarda genomik yüksek verimli tahlillerin uyarlanmasıyla mümkün olmuştur.