Genomika

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Jump to navigation Jump to search

Genomika je nauka koja izučava strukturu i organizaciju genoma, te mogućnostima njihovih vještačkih izmjena, tj. ciljanog rekomponiranja. To je područje genetike koje pročava metode rekombinantne DNK, metode analize DNK i bioinformatiku sekvenci, montažu i analizu strukture i funkcije genoma (u potpunom setu DNK unutar jedne ćelije organizma).[1]

Uključuje napore da se utvrdi kompletna struktura DNK organizama i fine postupke genetičkog mapiranja. U praksi su i studije intragenomskih fenomena kao što su heteroza, epistaza, plejotropija gena i druge interakcije između lokusa i alela unutar genoma.[2][3][4][5][6][7]

Nasuprot tome, istraživanje uloge i funkcije pojedinih gena je primarni ineteres molekularne biologije ili genetike i zajednička oblast modernih medicinskih i bioloških istraživanja. Istraživanje pojedinačnih gena ne ulazi u definiciju genomike, osim ako je cilj genetički ili platforma analize funkcionalne informacije, kako bi se rasvijetlio njihov uticaj (u prvom redu) na njegovu ulogu u genskoj mreži u cjelini genoma.

Etimologija[uredi | uredi izvor]

Prema grčkom gen (γεν), gene (γενε) = kreirati/kreacija, rođenje, a izvedene varijante su: geneza, genealogija, generičko, genetika, genski, genomera, genotip, genus itd. Međutim, riječ "genom" (potiče iz |njemačkog: genom, a prvi je upotrijebio Hans Winkler) je u upotrebi na engleskom jeziku još od 1926. godine.[8] Naziv "genomika" je skovao Tom Roderick (genetičar koji je radio u Jackson Laboratory Bar Harbor, Maine), na skupu održanom 1986. u Marylandu na temu o mapiranju ljudskog genoma.[9]

Prva sekvenciranja[uredi | uredi izvor]

Slijedeći potvrdu Rosalind Franklin (oko 1941.) da molekula DNK ima helikoidnu strukturu i publikacije o strukturi DNK (1953.), koju su potpisali James D. Watson i Francis Crick, Fred Sanger je objavio aminokiselinsku sekvencu insulina (1955.). U narednoj epohi, sekvenciranje nukleinskih kiselina postalo je glavni cilj istraživanja u oblasti molekularne biologije. Godine 1964., Robert W. Holley i saradnici su objavili prvu sekvencu nukleinske kiseline: ribonukleotidnu sekvencu za sintezu alanina (tRNK - transfer RNK). Proširujući svoj rad, Marshall Nirenberg i Philip Leder su otkrili prirodu tripleta (genetičkog koda) i bili su u mogućnosti da odrede sekvence 54 od ukupno 64 kodona u svojim eksperimentima. Zatim su 1972. Walter Fiers i njegov tim Laboratoriji za molekularnu biologiju pri Univerzitetu u Ghentu, Belgija bili prvi koji su odredili sekvencu za arginin: gen za protein-omotač bakteriofaga (Bakteriofag MS2). Fierova grupa je proširila svoj rad na proteinskom omotaču MS2, odredivši kompletnu nukleotidnu sekvencu bakteriofaga MS2-RNK (čiji genom kodira samo četiri gena 3.569 baznih parova) i SV40 majmunski virus 40, u 1976. i 1978..[10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20]

Razvoj tehnologije sekvenciranja[uredi | uredi izvor]

Frederick Sanger Walter Gilbert
Frederick Sanger Walter Gilbert


Pored svojih početnih radova na sekvenciranju aminokiselina insulina, Frederick Sanger i njegove kolege su odigrali ključnu ulogu u razvoju tehnika DNK sekvenciranja koja je omogućila uspostavljanje sveobuhvatnog sekvenciranja u projektima analize genoma. Godine 1975, on i Alan Coulson su objavili proceduru sekvenciranja upotrebom DNK polimeraze sa radioaktivno obilježenim nukleotidima, tzv. plus i minus tehnika. Ovo uključuje blisko srodne metode za stvaranje kratkih oligonukleotida sa definiranim 3' nazivima.

Ovo se moglo podijeliti elektroforezom na poliakrilamidnom gelu i vizualizirati pomoću autoradiografije. Postupak je mogao slijediti do 80 nukleotida u jednom pokušaju, što je bio veliki napredak u odnosu na ono što je bilo ranije, ali i dalje je to bilo vrlo mukotrpno. Ipak, 1977. godine, njegova grupa je bila u stanju da slijedi većinu od 5.386 nukleotida u pojedinačnom bakteriofagu φX174. To je bio završetak postupka prvog sekvenciranja sa potpunim rasporedom DNK-baziranog genoma. Usavršavanje plus i minus metoda dovelo je do razdvajanja lanca (Sanger metoda), koje čini osnovu tehnike DNK sekvenciranja, mapiranja genoma, skladištenje podataka i bioinformatičkih analiza. Ova metoda najviše ċe se koristiti u istračivanjima tokom narednih 25 godina. Iste godine Walter Gilbert i Allan Maxam sa Harvard Univerziteta nezavisno razvijaju metod Maxam-Gilbert sekvenciranja (poznat i kao hemijski metod DNK sekvenciranja). On uključuje prvo čišćenje DNK sa poznatim bazama, manje efikasnom metodom. Za njihov revolucionarni rad u sekvencioniranju nukleinskih kiselina, Gilbert i Sanger su 1980. dijelili Nobelovu nagradu u oblasti hemije sa Paulom Bergom (rekombinantna DNK).

Kompletirane sekvence[uredi | uredi izvor]

Pojava ovih tehnologija dovela je do ubrzavanja u obimu i brzini završetka sekvenciranja kod genom projekta. Prvi kompletan eukariotski genomski slijed je utvrđen kod ljudskih mitohondrija (16.568 bp, oko 16,6 kb (kilobaza) (1981.), a prvi hloroplastni genomi su slijedili 1986. Zatim je (1992.) prvi sekvencirani eukariotski hromosom] bio hromosom III pivskog kvasca (Saccharomyces cerevisiae) sa 315 kb. Prvi slobodno-živući organizam koji je sekvenciran bio je Haemophilus influenzae (1,8 Mb), 1995. Naredne godine, konzorcij istraživača iz laboratorija širom Sjeverne Amerike, Evrope i Japana najavio je završetak prvog potpuno sekvenciranog genoma eukariota Saccharomyces cerevisiae (12,1 Mb), a od tada sekvenciranje genoma se nastavlja i raste eksponencijalnim tempom. U oktobru 2011., kompletne sekvence su bile raspoložive kako slijedi: 2.719 virusi, 1.115 Archaea i bakterija, i 36 eukariota, od kojih su oko polovine bile gljive.

Broj genomskih projekata je rastao sa tehnološkim poboljšanjima i dalje su smanjivani troškovi sekvenciranja.
  • (A) Eksponencijalni rast broja sekvenciranja genoma (sekvence baza podataka od 1995.)
  • (B) Troškovi u američkim dolarima (USD) po milionu baza,
  • (C) Troškovi (u USD) sekvenciranja 3.000 Mb (ljudske veličine) genoma na logaritamski transformiranoj skali.
  • " Hockey stick" graf koji pokazuje eksponencijalni rast javnih baza podataka o sekvencama.

Većina mikroorganizama čiji su genomi potpuno sekvencirani su problematični patogeni, kao što su Haemophilus influenzae. To je dovelo do izražene privlačnosti za analizu, a zatim doprinijelo boljem poznavanju njihove filogenetske distribucije u odnosu na širinu bioraznolikosti mikroba. Ostale vrste, čiji je genom sekvencirana vrsta, u prvom redu su izabrane kao aktuelno ili potencijalno pogodni model organizmi. Kvasac (Saccharomyces cerevisiae) je dugo bio važan model organizam u eukariotskim ćelijama, dok je voćna mušica Drosophila melanogaster bila vrlo važan alat (posebno u ranoj pre-molekularnoj fazi razvoja genetike). Crv Caenorhabditis elegans se često koristi kao jednostavan model za višećelijske organizme. I riba-zebra (Brachydanio rerio) koristi se za mnoga istraživanja na molekularnoj razini, a biljka Arabidopsis thaliana je model organizam za cvjetnice ("biljna drozofila").

Japanske ribe Takifugu rubripes i četverozupka (Tetraodon nigroviridis) su zanimljive zbog malog i kompaktnog genoma, koji sadrže vrlo malo nekodirajuće DNK u odnosu na većinu vrsta. Sisari (Canis familiaris), smeđi pacov (Rattus norvegicus), miš (Mus musculus) i čimpanza (Pan troglodytes) su značajni modeli životinja u medicinskim istraživanjima.

Grubi nacrt ljudskog genoma je završen u okviru Projekta ljudskog genoma (Human Genome Project) početkom 2001. godine, stvarajući mnogo pompe. Ovaj projekat koji je završen 2003. godine, omogućio je sekvenciranje cijelog genoma jedne određene osobe, a do 2007. ova sekvenca je proglašena "gotovom" (sa manje od jedne greške u 20.000 baza u svim hromosomima).

U godinama nakon toga, sekvencirani su genomi i mnogih drugih osoba, dijelom pod pokroviteljstvom „Projekta 1000 genoma“, koji je (oktobra 2012.) najavio sekvencioniranje 1.092 genoma. Završetak ovog projekta omogućio je razvoj znatno efikasnijih metoda i tehnologija, koje zahtijevaju značajno unapređenje bioinformatike i značajnija sredstava iz široke međunarodne saradnje.[21][22][23][24][25][26][27][28][29]

Također pogledajte[uredi | uredi izvor]

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Culver K. W. et al. (2002): Genomics. In Robinson R. Ed.: Genetics. Macmillan Science Library. Macmillan Reference USA, ISBN 0028656067.
  2. ^ National Human Genome Research Institute (2012): A brief guide to genomics. Genome.gov. Concepts of genetics, 10th ed. Pearson Education, San Francisco, ISBN 9780321724120.
  3. ^ Culver K. W. et al. (2002): Genomics. In Robinson R., Ed.: Genetics. Macmillan Science Library. Macmillan Reference, ISBN 0028656067.
  4. ^ Genome (2012): Oxford English Dictionary. Oxford University Press, Oxford.
  5. ^ Herrero A., Flores E., Ed. (2008): The Cyanobacteria: Molecular Biology, Genomics and Evolution (1st ed.). Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-15-8.
  6. ^ Feero W. G., Guttmacher A.E., Hudson K. L. (2011): Genomic Medicine: Genomics, Health Care, and Society. The New England Journal of Medicine 365 (11): 1033–1041. doi:10.1056/NEJMra1010517 .ISSN 0028-4793. PMID 21916641.
  7. ^ Feero W. G. et al. (2011): Genomic Medicine: Genomics of Cardiovascular Disease.The New England Journal of Medicine 365 (22): 2098–109.doi:10.1056/NEJMra1105239 . ISSN 0028-4793. PMID 22129254.
  8. ^ Oxford Dictionary, Oxford
  9. ^ Beena M., Puthanveettil S. V. (2013): Genomics and proteomics in solving brain complexity. Molecular BioSystems, 7: 1807–1821
  10. ^ National Human Genome Research Institute (2010-11-08). A brief guide to genomics. Genome.gov.
  11. ^ Concepts of genetics, 10th ed. Pearson Education, San Francisco, 2012, ISBN 9780321724120.
  12. ^ Culver K. W. et. al. (2002): Genomics. In Richard Robinson R., Ed.: Genetics. Macmillan Science Library. Macmillan Reference USA.ISBN 0028656067.
  13. ^ Genome, n" (2012): Oxford English Dictionary Oxford University Press, Oxford.
  14. ^ National Human Genome Research Institute (2004-07-14). Dog Genome Assembled: canine genome now available to research community Worldwide.Genome.gov.
  15. ^ Keith J. M., Ed. (2008): Bioinformatics – Methods in Molecular Biology™453. doi:10.1007/978-1-60327-429-6 . ISBN 978-1-60327-428-9.
  16. ^ Herrero A., Flores E., Ed. (2008): The Cyanobacteria: Molecular biology, genomics and evolution (1st ed.). Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-15-8.
  17. ^ McElheny V. (2010). Drawing the map of life : inside the Human Genome Project. Basic Books, New York, ISBN 9780465043330.
  18. ^ Yadav S. P. (2007): The wholeness in suffix -omics, -omes, and the word om. Journal of biomolecular techniques : JBT 18 (5): 277. PMC 2392988.PMID 18166670.
  19. ^ Ankeny R. A. (2003): Sequencing the genome from nematode to human: changing methods, changing science" . Endeavour 27 (2): 87–92.doi:10.1016/S0160-9327(03)00061-9 . ISSN 0160-9327. PMID 12798815.
  20. ^ Holley R. W., Everett G. A., Madison J. T., Zamir A. (1965). Nucleotide sequences in the yeast alanine transfer ribonucleic acid. J. Biol. Chem. 240 (5): 2122–8. PMID 14299636.
  21. ^ National Human Genome Research Institute (2010). A brief guide to genomics. Genome.gov. Concepts of genetics, 10th ed. Pearson Education, San Francisco, 2012, ISBN 9780321724120.
  22. ^ National Human Genome Research Institute (2004): Dog genome assembled: Canine genome now available to research community Worldwide.Genome.gov.
  23. ^ Herrero A., Flores E., Ed. (2008): The Cyanobacteria: Molecular biology, genomics and evolution (1st ed.). Caister Academic Press, New York, ISBN 978-1-904455-15-8.
  24. ^ Feero W. G., Guttmacher A. E., Hudson K. L. (2011): Genomic Medicine: Genomics, Health Care, and Society. The New England Journal of Medicine 365 (11): 1033–1041,ISSN 0028-4793. PMID 21916641.
  25. ^ Church G. M., Regis E. (2012): Regenesis: How synthetic biology will reinvent nature and ourselves. Basic Books, New York, ISBN 9780465021758.
  26. ^ McElheny V. (2010): Drawing the map of life : inside the Human Genome Project. Basic Books, New York, ISBN 978-0465-0433-30.
  27. ^ McVean G. A. et al. (2012): An integrated map of genetic variation from 1,092 human genomes. Nature 491 (7422): 5665. PMC 3498066. PMID 23128226.
  28. ^ Ankeny R. A. (2003): Sequencing the genome from nematode to human: changing methods, changing science. Endeavour 27 (2): 87–92.doi:10.1016/S0160-9327(03)00061-9, ISSN 0160-9327. PMID 12798815.
  29. ^ Holley R. W., Everett G. A., Madison J. T., Zamir A. (1965): Nucleotide sequences in the yeast alanine transfer ribonucleic Acid. J. Biol. Chem., 240 (5): 2122–8. PMID 14299636.