összehasonlító genomika

a genomok általános jellemzőinek, például a genom méretének, a gének számának és a kromoszóma számának egyszerű összehasonlítása belépési pontot jelent az összehasonlító genomelemzéshez. Több teljesen szekvenált modellorganizmusra vonatkozó adatokat az 1.táblázat mutatja. Az összehasonlítások néhány feltűnő megállapítást emelnek ki. Például, míg az apró virágos növény, az Arabidopsis thaliana genomja kisebb, mint a Drosophila melanogaster gyümölcslégyé (157 millió bázispár v. 165 millió bázispár) közel kétszer annyi gént tartalmaz (25 000 v. 13 000). Valójában A. thaliana körülbelül ugyanannyi génnel rendelkezik, mint az emberek (~25 000). Így, a “genomikus korszakban” nagyon korai tanulság az, hogy a genom mérete nem korrelál az evolúciós státusszal, sem a gének száma arányos a genom méretével.

az emberek és más modellszervezetek összehasonlító genommérete

1. táblázat: Az emberek és más modellszervezetek összehasonlító genomméretei

konzervált szegmensek az emberi és egér genomjában

1.ábra: konzervált szegmensek az emberi és egér genomjában emberi és egér Genom
emberi kromoszómák, olyan szegmensekkel, amelyek legalább két gént tartalmaznak, amelyek sorrendje az egér genomjában színes blokkként konzerválódik. Minden szín egy adott egér kromoszómának felel meg. A centromerek, az 1., 9. és 16. kromoszóma szubentromer heterokromatinja, valamint a 13., 14., 15., 21. és 22. kromoszóma ismétlődő rövid karjai fekete színűek. (Nemzetközi emberi genom szekvenáló konzorcium; Lander, E. S. et al. 2001)

finomabb felbontású összehasonlítások lehetségesek a fajok közötti közvetlen DNS-szekvencia-összehasonlítással. Az 1. ábra az emberi és az egér genomjának kromoszóma-szintű összehasonlítását mutatja, amely a két emlős közötti szinteny szintjét mutatja. A Synteny olyan helyzet, amelyben a gének hasonló blokkokban vannak elrendezve különböző fajokban. A szinteny megőrzésének jellege és mértéke jelentősen eltér a kromoszómák között. Például az X kromoszómákat egyetlen, kölcsönös szintenikus blokkként ábrázolják. Az emberi 20. kromoszóma teljes egészében az egér 2.kromoszómájának egy részének felel meg, a rend szinte tökéletes megőrzésével szinte teljes hosszában, csak egy kis központi szegmens szakítja meg. Az emberi 17. kromoszóma teljes mértékben megfelel az egér 11. kromoszómájának egy részének. Más kromoszómák azonban a kiterjedtebb interkromoszomális átrendeződés bizonyítékát mutatják. Az ilyen eredmények rendkívüli bepillantást engednek a kromoszóma-változásokba, amelyek az egér és az emberi genomokat alakították ki, mióta 75-80 millió évvel ezelőtt eltérnek egy közös őstől.

a genomok diszkrét szegmenseinek összehasonlítása a különböző fajok homológ DNS-jének összehangolásával is lehetséges. Egy példa az ilyen összehangolás ábrán látható 2, ahol egy emberi gén (piruvát kináz: PKLR) és a megfelelő pklr homológok makákó, kutya, egér, csirke, és zebrafish vannak igazítva. A pklr gén 12 kilobázisos régiójában magas DNS-szekvencia-hasonlóságú régiókat ábrázolunk minden egyes organizmusra. Figyeljük meg az ember és a makákó (két főemlős) szekvenciájának nagyfokú hasonlóságát a gén mindkét pklr exonjában (kék), valamint az intronokban (piros) és a lefordítatlan régiókban (Világoskék). Ezzel szemben a csirke és a zebrahal emberhez való igazítása csak hasonlóságot mutat a kódoló exonok szekvenciáival; a szekvencia többi része olyan pontig eltért, ahol már nem lehet megbízhatóan összehangolni az emberi DNS-szekvenciával. Az ilyen számítógépes elemzés nullára a genomiális jellemzők, amelyek megmaradtak több organizmus több millió év alatt, kutatók képesek megtalálni a jeleket, amelyek képviselik a helyét a gének, valamint szekvenciák, amelyek szabályozzák a génexpresszió. Valójában az emberi genom funkcionális részeinek nagy részét felfedezték vagy igazolták az ilyen típusú szekvencia-összehasonlítással (Lander et al. 2001), és ma már minden új genomszekvencia elemzésének standard összetevője.

az emberi pklr génrégió a makákó, kutya, egér, csirke és zebrafish genomokhoz képest

2.ábra: az emberi Pklr génrégió a makákó, kutya, egér, csirke és zebrafish genomokhoz képest zebrafish genomok
a függőleges tengelyen lévő számok az azonos nukleotidok arányát képviselik egy 100 bp-os ablakban a diagram egy pontján. A vízszintes tengelyen lévő számok jelzik a nukleotid helyzetét a 12 kilobázisos humán genomiális szekvencia kezdetétől. A kékkel árnyékolt csúcsok megfelelnek a PKLR kódoló régióknak. A világoskék színnel árnyékolt csúcsok megfelelnek a PKLR mRNS lefordítatlan régióknak. A pirossal árnyékolt csúcsok konzervált nem kódoló régióknak (CNSs) felelnek meg, olyan területekként definiálva, ahol az átlagos identitás > 75%. Az igazítás a VISTA szekvencia-összehasonlító eszköz segítségével jött létre (http://pipeline.lbl.gov).

a genomok összehasonlítása különböző filogenetikai távolságokon konkrét kérdések megválaszolására szolgál.

3.ábra: a genomok összehasonlítása különböző filogenetikai távolságokon konkrét kérdések megválaszolására szolgál.

a homológ szekvencia-igazításból megtudtuk, hogy a két Genom összehasonlításával nyerhető információ nagymértékben függ a köztük lévő filogenetikai távolságtól. A filogenetikai távolság a két organizmus vagy genomjuk evolúciós skálán történő elválasztásának mértéke, általában a felhalmozott szekvencia-változások számában, az évek számában vagy a generációk számában kifejezve. A távolságokat gyakran filogenetikai fákra helyezik, amelyek megmutatják az organizmusok közötti levezetett kapcsolatokat (3.ábra). Minél távolabbi rokonságban van két organizmus, annál kevesebb szekvencia hasonlóságot vagy megosztott genomiális jellemzőt észlelnek közöttük. Így csak a megosztott gének osztályairól lehet általános betekintést gyűjteni genomi összehasonlításokkal nagyon hosszú filogenetikai távolságokon (például több mint egymilliárd évvel az elválasztásuk óta). Ilyen nagy távolságokon a gének sorrendje és a transzkripciót szabályozó szekvenciák aláírása ritkán konzerválódik.
közelebbi filogenetikai távolságoknál (50-200 millió év divergencia) mind a funkcionális, mind a nem funkcionális DNS megtalálható a konzervált szegmensekben. Ezekben az esetekben a funkcionális szekvenciák a szelekció aláírásait mutatják, mivel szekvenciáik kevésbé vagy lassabban változtak, mint a nem funkcionális DNS. Ezenkívül a funkcionális és a nem funkcionális DNS megkülönböztetésének képességén túl az összehasonlító genomika hozzájárul a fontos DNS-elemek általános osztályainak azonosításához is, mint például a gének kódoló exonjai, a nem kódoló RNS-ek és egyes génszabályozó helyek.
ezzel szemben a nagyon hasonló genomok, amelyeket körülbelül 5 millió éves evolúció választ el egymástól (mint például az ember és a csimpánz), különösen hasznosak a szekvencia különbségek megtalálásához, amelyek a biológiai forma finom különbségeit magyarázhatják. Ezek szekvenciaváltozások az irányválasztás alatt, egy olyan folyamat, amelynek során a természetes szelekció egyetlen fenotípust támogat, és folyamatosan egy irányba tolja az allélfrekvenciát. Az összehasonlító genomika tehát a biológiai felfedezés erőteljes és ígéretes megközelítése, amely egyre informatívabbá válik a genomiális szekvencia adatok felhalmozódásával.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.