геномика. доклад геномика. Успехи генетики, молекулярной биологии и биохимии привели к формированию в 1990х гг двух новых фундаментальных дисциплин геномики и протеомики
 Скачать 27.48 Kb.
|
|
Успехи генетики, молекулярной биологии и биохимии привели к формированию в 1990-х гг. двух новых фундаментальных дисциплин — геномики и протеомики. Бурное развитие этих дисциплин обеспечивает в наше время прогресс в ряде разделов биотехнологии, в том числе фармацевтической. Термин "геномика" производный от генома — совокупности всех генов организма; — "протеомика" — производный от протеома — совокупности структурных и каталитических белков в клетке укариота или прокариота. Обе дисциплины можно считать как бы терминологическим оформлением современного этапа развития генетики и белковой химии, приближающим их к целостной клетке. И по времени возникновения, и в методологическом аспекте главенствующее значение здесь занимает геномика; протеомика базируется на геномике, являясь этапом познания живого уже на белковом уровне. Генетика начала XIX в. получила позднее название формальной, поскольку исследования велись на уровне "ген-признак" (открытие знаменитых основополагающих законов Г. Менделем). Существование гена было постулировано, но материальная его природа оставалась неизвестной. Лишь в 1950-е гг. после появления и быстрого подтверждения справедливости концепции о двойной спирали ДНК и о гене как участке ДНК, началось бурное развитие молекулярной генетики: были установлены размеры отдельных генов, функциональные участки в гене и т.д. Параллельно биохимиками с участием генетиков был установлен матричный механизм белкового синтеза с передачей генетического кода от ДНК к белку. Геномика - наука о генах (геноме) – раздел молекулярной генетики , изучает последовательность ДНК, функциональные свойства генов, их функционирование в живых системах. Использует геномное сканирование, которое позволяет сравнивать сразу весь геном Геномное сканирование может варьировать от использования нескольких десятков или сотен маркеров до истинного геномного сканирования путем полного секвенирования геномов. - Функциональная – главная задача, которой – это выяснение механизма функционирования клетки в динамическом режиме, когда белки классифицируются и по массе, и по функции; изучение генов конкретного организма и определение функций конкретного гена. - Сравнительная (эволюционная) – с помощью сравнительного компьютерного позволяет анализировать геномы разных организмов, чтобы понимать процессы эволюции, для картирования генов, для создания универсальной «геномной» системы классификации живых организмов. Функциональная геномика Главная задача - охарактеризовать как можно большее количество генов, составляющих геномы, изучение механизмов их регуляции, взаимодействия друг с другом и с факторами среды в норме и при патологии. Главный элемент исследований определение нуклеотидной последовательности генов, белковых продуктов этих генов, изучение взаимодействия разных генов и белков, а также механизмы регуляции всей системы генома. После расшифровки генома усилия исследователей фокусируются на изучении белковых продуктов генов. Этим занимается протеомика. Ее задача — определить все белки, синтезируемые в клетке, выяснить их строение,количество,локализацию, модификацию и механизмы взаимодействия. Еще одно важное направление функциональной геномики — транскриптомика — изучает координированную работу генов, образование первичных транскриптов, процессы сплайсинга и формирования зрелых мРНК. Благодаря технологии микрочипов удается одновременно анализировать картину транскрипции мРНК со ста тысяч генов. Исследование «транскриптома» этим методом позволяет установить различия между экспрессией генов в разных тканях, проанализировать характер экспрессии разные периоды болезни, а также классифицировать белки - на секретируемые и связанные с мембранами (определяя положение их мРНК). Протеомика - наука, изучающая белковый состав биологических объектов, а также структурно-функциональные свойства белковых молекул. Задачи: - идентификация и количественное определение совокупных индивидуальных белков, которые содержатся в биологических образцах (сыворотка крови, спинномозговая жидкость, моча, биоптаты) на разных стадиях развития заболевания, а также на фоне проводимой терапии. Протеомикой называют науку, изучающую все белки клетки, ткани или организма, то есть осуществляющую систематический крупномасштабный анализ белков. Под протеомом понимают полный набор белков, продуцируемых данной клеткой или организмом при определенных условиях. Белки являются продуктом функционирующих генов и непосредственно участвуют почти в каждом биологическом процессе, поэтому их всесторонний анализ в клетке дает понимание того, как эти молекулы взаимодействуют для создания и поддержания работающей биологической системы. Таким образом, функция каждого гена определяется тем, какой белок он кодирует и каким образом этот белок влияет на биохимические реакции в клетке и организме. Клетка реагирует на внутренние и внешние изменения, регулируя уровень и активность своих белков, поэтому качественные и количественные изменения в протеоме как системе обеспечивают моментальный снимок этой системы в действии. Белки выполняют широкий спектр функций внутри организмов, а аномальная экспрессия белка вызывает отклонения посттранскрипционной модификации или взаимодействия белка с другим белком или нуклеиновыми кислотами и таким образом может нарушать функцию клетки. Протеомика В 2001 г. была основана «Human Proteome Organisation» (HUPO) – международная организация, которая объединяет и направляет усилия ученых. На официальной странице HUPO подробно изложены основные направления исследований: протеом человека, протеомика мозга, изучение антител, болезни, вызванные нарушениями метаболизма сахаров, протеомика сердечно-сосудистых заболеваний, протеомика стволовых клеток, определение биомаркеров заболеваний, изучение заболеваний человека на мышиных моделях и т. д. Направления протеомики Структурная – изучает структуру индивидуальных белков; Функциональная - получает информацию о межбелковых взаимодействиях и их влиянии на экспрессию и модуляцию активности генов, а также пост-трансляционную модификацию белков в составе белковых комплексов. Медицинская (клиническая) позволяет адаптировать достижения функциональной протеомики, геномики и биоинформатики. Структурная протеомика – получение информации не об одном, а о множестве белков одновременно. Уже разработан цикл специальных процедур и высокоточные приборы для проведения такого анализа. Функциональная протеомика изучает функции и свойства белков, взаимодействия белков между собой, взаимодействие структуры и функции. Сегодня до 96% медикаментозных средств воздействуют именно на белки. Практическая протеомика системными методами позволит ускорить процесс создания лекарственных препаратов, необходимых многим, и создать лекарства от неизлечимых ранее болезней. Еще одно важное направление функциональной геномики — транскриптомика — изучает координированную работу генов, образование первичных транскриптов, процессы сплайсинга и формирования зрелых мРНК. Благодаря технологии микрочипов удается одновременно анализировать картину транскрипции мРНК со ста тысяч генов. Исследование «транскриптома» этим методом позволяет установить различия между экспрессией генов в разных тканях, проанализировать характер экспрессии в разные периоды болезни, а также классифицировать белки - на секретируемые и связанные с мембранами (определяя положение их мРНК). Клиническая протеомика – нахождение количества белков и их распознавание из образца(сыворотка крови, моча, спинномозговая жидкость, биопсия) и наблюдение за изменениями их концентрации. Протеомика гемостаза – заключается в расшифровке механизмов гемостаза. Например, протеомика тромбоцитов –получена новая информация о белках коагуляции, найдены неизвестные ранее мишени для новых лекарств. Для исследования генов мультигенных систем, обусловливающих развитие мультифакториальных заболеваний, в основном применяется два подхода: изучение кандидатных генов и анализ сцепления. Однако в ряде случаев при изучении этой группы патологии необходимо сравнение полных геномов. Использование полногеномного скрининга позволило идентифицировать ген предрасположенности к диабету второго типа, продукт которого является представителем кальпаин подобного цистеинового семейства протеаз. Этот результат может свидетельствовать о существовании до сих пор не описанного пути регуляции метаболизма глюкозы и, следовательно, о недостаточности наших знаний о биохимических процессах, происходящих в организме, и непонимании механизмов развития мультифакториальных заболеваний. Индивидуальная вариабельность ответа на прием лекарственных препаратов послужила основой для развития нового направления исследований - фармакогеномики. Эта область геномики изучает вклад генетической компоненты в токсичность и эффективность лекарственного препарата для данного организма. Было обнаружено, например, что у людей, страдающих недостаточностью глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы, в ответ на противомалярийные и другие оксиданты возникает тяжелая гемолитическая анемия. Эффективность и токсичность противотуберкулезного препарата изониазида обусловлены скоростью инактивации этого лекарства у конкретного больного. Такие исследования создают предпосылки для подбора лекарственного препарата и его дозы строго индивидуально, в соответствии с данными ДНК-типирования и биохимичесими особенностями каждого пациента. В популяциях с высокой частотой побочных эффектов на лекарственный препарат, используемый для лечения распространенного заболевания, генетический скрининг проводить особенно важно. Идентификация генов резистентности к лекарственным препаратам у патогенных организмов позволяет скринировать их популяции с помощью ДНК-технологии. Подобные эпидемиологические исследования необходимы для повышения эффективности терапии инфекционных заболеваний в каждой конкретной популяции. Онкопротеомика Основные задачи таковы: • построение протеомов и анализ их динамики при возникновении и развитии различных опухолей; • идентификация путей передачи клеточных сигналов, приводящих к онкогенезу; • идентификация маркеров для диагностики онкологических заболеваний и для мониторинга ответа опухоли и организма на хирургическое вмешательство и на разные типы терапии; • определение иммунного ответа на онкогенез. Онкомаркеры — макромолекулы (обычно белки с липидным или углеводным компонентом), наличие и концентрации которых в плазме крови и/или другой биологической жидкости коррелируют в определенной степени с наличием и ростом злокачественной опухоли. Реализация наследственной информации, заключенной в генотипе организма — это сложный процесс, который требует тонкой регуляции для того, чтобы в клетках разной тканевой принадлежности в определенное время в процессе развития организма обеспечить синтез специфических белков в необходимом количестве. Все клетки многоклеточного организма, возникая из зиготы путем митоза, получают полноценный набор генетической информации. Несмотря на это, они отличаются друг от друга по морфологии, биохимическим и функциональным свойствам. В основе этих различий лежит активное функционирование в разных клетках неодинаковых частей генома. Большая часть генома находится в клетках организма в неактивном, репрессированном, состоянии, и только 7–10 % генов дерепрессированы, то есть активно транскрибируются. Спектр функционирующих генов зависит от тканевой принадлежности клетки, от периода ее жизненного цикла и стадии индивидуального развития организма. Известно несколько типов механизмов, с помощью которых один и тот же набор генов в неодинаковых условиях жизнедеятельности организма и на разных стадиях развития детерминирует синтез белков. Регуляция экспрессии (выражения) генов может осуществляться на нескольких уровнях: генном, транскрипционном, трансляционном и функциональном. Первый из них связан с изменением количества или локализации генов, контролирующих данный признак. Второй определяет, какие и сколько и РНК должны синтезироваться в данный момент. Третий обеспечивает отбор иРНК, транслирующихся на рибосомах. Четвертый связан c аллостерической регуляцией активности ферментов. Наконец, контроль действия генов может осуществляться путем посттрансляционной модификации полипептидов, посттранскрипционной модификации иРНК и другими путями. Наиболее изучен транскрипционный уровень регуляции. Транскрипция — это процесс считывания генетической информации с молекулы ДНК и копирование ее на молекулу иРНК. Транскриптомика Цель - исследование совокупности транскриптов и белков клетки в структурно-функциональной взаимосвязи. Задачи: Идентификация всех матричных РНК, кодирующих белки; Определение количества каждой индивидуальной мРНК; Определение закономерностей экспрессии всех генов, кодирующих белки. Когда геном человека был полностью секвенирован, фокус внимания сместился на идентификацию и аннотирование его функциональных элементов, включая те, которые регулируют экспрессию генов. Идентификация таких элементов, в том числе выявление геномных вариантов, связанных с устойчивостью и восприимчивостью к различным заболеваниям, является важным шагом к развитию персонализированной прецизионной медицины (Проект «Энциклопедия элементов ДНК» (ENCODE). Все процессы на уровне РНК, включая активацию или ингибирование транскрипции, процессинг мРНК и ее транспорт, регулируются различными функциональными элементами геномной ДНК. Тем не менее, наиболее важная регуляция происходит на уровне инициации транскрипции с помощью регуляторных элементов, которые называются цис-регуляторными элементами/ последовательностями (участки некодирующей ДНК, которые регулируют транскрипцию соседних генов: IRES, TATA-бокс и др.) и транс-регуляторными элементами/ последовательностями - представляют собой последовательности ДНК, кодирующие вышестоящие регуляторы, т. е. транс-действующие факторы, которые могут изменять или регулировать экспрессию отдаленных генов. Факторы транскрипции (TF), такие как активаторы и репрессоры (включая коактиваторы и корепрессоры), взаимодействуют со специфическими участками ДНК, то есть с цис-действующими регуляторными последовательностями/элементами, которые включают основной промотор (с ТАТА-боксом и другими связывающими элементами), проксимальный промотор, энхансер, сайленсер, инсулятор и область контроля локуса (LCR). Исследование перечисленных регуляторных элементов является сложной задачей для ученых ввиду трудностей в идентификации положения региона старта транскрипции (TSS - transcription start sites) и региона связывания факторов транскрипции (TFBS - transcription factor binding site) в коровом промоторе. Однако на данный момент существует несколько экспериментальных и биоинформатических подходов для решения этой задачи. Применение транскриптомики Для диагностики и мониторинга лечения ряда заболеваний предложены подходы транскриптомики, т.е. инвентаризации РНК с помощью технологий микрочипов и высокопроизводительного секвенирования нуклеиновых кислот. Это позволяет дифференцировать отдельные виды рака и их подтипы, требующие разных схем терапии. Имеются сообщения о применении подходов транскриптомики к ряду других заболеваний: сердечно-сосудистых, ревматических, неврологических и др. Появление «омиксных» технологий, геномики, транкскриптомики, протеомики, эпигеномики, а также высокопроизводительных методов секвенирования следующего поколения (NGS) и биоинформатики значительно ускорили развитие наук о жизни за последние два десятилетия и приблизили так называемую «постгеномную эру». Однако наступление этой эры было бы невозможным без достижений функциональной генетики и геномики. Функциональная генетика - важная отрасль молекулярной биологии, поскольку она изучает не только структуру и устройство генов, но и конечный результат их работы, то есть функцию, которая связана с влиянием конкретного гена на фенотип. Кроме того, функциональная генетика исследует метаболические и регуляторные цепи каждого гена во взаимодействии с другими генами и, тем самым, является неотъемлемой частью системной и сетевой биологии, которые в совокупности с компьютерной биологией (биоинформатикой) могут предсказывать фенотипы и их изменения в результате взаимодействия с окружающей средой за счет переключения регуляторных сигналов и их трансдукции. Например, с помощью функциональной генетики можно предсказывать формулы новых лекарств и эффект их воздействия на организм. Причем, в случае наличия отсеквенированного генома пациента и знания индивидуального состава его аллелей можно выяснить индивидуальный эффект лекарства на организм каждого отдельного пациента. Таким образом, функциональная генетика является базой для создания персонализированной медицины. Некоторые примеры этого рассмотрены нами в параграфе «Геном человека». Также функциональная генетика крайне важна для интенсификации и «экологизации» сельского хозяйства. Имея информацию о взаимодействии метаболических путей ключевых белков и регуляции кодирующих их генов, можно предсказать биохимические свойства и качество урожая, наличие или отсутствие токсичности растительной биомассы, влияние растения на почву и воздействие удобрений на растение. Однако для более точного прогнозирования взаимодействия метаболических путей организма и способах их регуляции необходима полная информация о совокупности работы всех генов генома клетки, ткани и организма во времени и пространстве, то есть на разных стадиях онтогенеза (индивидуального развития организма) и в различных тканях и органах. Работой и регуляцией всех генов клетки занимается функциональная геномика. Она помогает выяснить качественные и количественные и отличия в накоплении транксриптов и белков в различных клетках. Суммируя всю информацию о функции и регуляции каждого отдельного гена, полученную исследованиями функциональной генетики, функциональная геномика фактически позволяет с высокой точностью прогнозировать и ставить эксперименты in silico, то есть на компьютере, а не в лаборатории, тем самым ускоряя и удешевляя развитие медицины, фармакологии, микробиологии, сельского хозяйства и других биологических дисциплин. Функциональную геномику вместе с биоинформатикой и биотехнологией можно назвать науками будущего, от которых в ближайшее время можно ожидать крупнейшие открытия, которые помогут значительно улучшить качество нашей жизни. |