Αρχική Λειτουργική Γονιδιωματική

Λειτουργική Γονιδιωματική

Λειτουργική Γονιδιωματική

ιατρική ακριβείας

Τι είναι η Λειτουργική Γονιδιωματική

Λειτουργική Γονιδιωματική ονομάζουμε τον επιστημονικό κλάδο ο οποίος χρησιμοποιεί διαφορετικές τεχνικές της γενετικής, της μοριακής βιολογίας και της βιοπληροφορικής με σκοπό [1]:

  1. Να βρει την αλληλουχία
  1. Να κάνει την συναρμολόγηση και
  1. Να αναλύσει τη δομή και τη λειτουργία των γονιδιωμάτων. Δηλαδή ολόκληρης της γενετικής πληροφορίας που περιέχεται σε ένα κύτταρο ενός οργανισμού

Η αποκρυπτογράφηση της πρωταρχικής αλληλουχίας του DNA και η ταυτοποίηση χιλιάδων γονιδίων με ακόλουθη κατανόηση της δομικής και λειτουργικής οργάνωσης του ανθρώπινου γονιδιώματος έχουν ανοίξει δρόμους για νέες ευκαιρίες στην ανακάλυψη αιτιολογίας εμφάνισης και της παθογένεσης των μονογονιδιακών και πολυπαραγοντικών ασθενειών.

Υπάρχουν πολλές υποδιαιρέσεις της γονιδιωματικής, κυρίως όσον αφορά τις διαφορετικές τεχνικές που είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν κάθε φορά [6, 19].

Για παράδειγμα, η δομική γονιδιωματική ασχολείται με το μαζικό προσδιορισμό τρισδιάστατων δομών πρωτεϊνών από ολόκληρα γονιδιώματα, ενώ η λειτουργική γονιδιωματική ασχολείται με τη μελέτη των λειτουργικών περιοχών στα γονιδιώματα (υποκινητές μικρά RNA όπως miRNA, siRNA,  κ.λπ.), καθώς επίσης χρησιμοποιεί τα τεράστια δεδομένα που παράγονται από το γονιδίωμα και τα αντίγραφά τους και από τους μεταβολίτες τους (όπως η αλληλουχία του γονιδιώματος, η αλληλουχία RNA, SNPs, metabolomics κ.α.) [2, 3, 4, 5, 6, 19].

Η Λειτουργική Γονιδιωματική,  με βάση τα δεδομένα της γενετικής μοναδικότητας κάθε ατόμου, έχει ξεκινήσει τη μελέτη στη φαρμακογενετική, αναλύοντας τις αιτίες των χαμηλών ή αντιθέτως αυξημένων ευαισθησιών των ατόμων ή των μεμονωμένων πληθυσμών στις επιδράσεις των διαφόρων φαρμάκων ή χημικών ουσιών [7-13, 19]

Στη φαρμακογονιδιωματική αναπτύσσονται θεμέλια για την εξατομικευμένη θεραπεία και για τη δημιουργία νέων φαρμάκων που δρουν στοχευμένα σε ξεχωριστά μονοπάτια της παθολογικής διαδικασίας [10, 14, 15, 19].

Τι μελετά η Λειτουργική Γονιδιωματική

Η Λειτουργική Γονιδιωματική μελετά τον τρόπο με τον οποίο το γονιδίωμα, τα αντίγραφα (γονίδια), οι πρωτεΐνες και οι μεταβολίτες συνεργάζονται για την παραγωγή ενός συγκεκριμένου φαινοτύπου (Εικόνα 1) [6].

Επικεντρώνεται στις δυναμικές πτυχές όπως η μεταγραφή των γονιδίων, η μετάφραση, η ρύθμιση της έκφρασης γονιδίων και οι αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης, σε αντίθεση με τις στατικές πτυχές των γονιδιωματικών πληροφοριών όπως η ακολουθία ή οι δομές DNA (Εικόνα 1) [6].

Εικόνα 1. There are several specific functional genomics approaches depending on what we are focused on (EMBL-EBI, https://www.ebi.ac.uk/training )

Η Λειτουργική Γονιδιωματική επίσης προσπαθεί να ποσοτικοποιήσει τις διαφορές στις βιολογικές διεργασίες και έτσι να βελτιώσει την κατανόησή μας για τις λειτουργίες και τις αλληλεπιδράσεις γονιδίων, των πρωτεϊνών και των μεταβολιτών τους, που τελικά διαμορφώνουν τον εκάστοτε φαινότυπο (παθολογικό, παθοφυσιολογικό ή φυσιολογικό).

Η Λειτουργική Γονιδιωματική επιτρέπει την ανίχνευση της ατομικής ποικιλομορφίας και επιτρέπει την ταυτοποίηση κάθε ατόμου με εξειδίκευση 100%. Επιτρέπει επίσης την ανίχνευση της ενδο-ατομικής μεταβλητότητας, ενώ για το ίδιο άτομο μπορεί να ποικίλει ανάλογα με την φυσιολογική κατάσταση, την αναπτυξιακή ή παθολογική κατάσταση των κυττάρων, των ιστών, των οργάνων ή ολόκληρου του οργανισμού.

Μέσω της λειτουργικής γονιδιωματικής είναι εφικτό να δοθεί μια εξήγηση σε θέματα όπως: γιατί κάποιος αισθάνεται κόπωση (ενώ δεν έχει έντονη ζωή και παράλληλα έχει πλήρη γεύματα) ή να διευκρινιστεί σε κάποιον υπάρχει η τάση για φλεγμονές η μικροφλεγμονές κ.α.

Ο στόχος της Λειτουργικής Γονιδιωματικής

Ένα βασικό χαρακτηριστικό των λειτουργικών μελετών γονιδιωματικής είναι η προσέγγιση τους σε όλο το γονιδίωμα σε αυτά τα ερωτήματα, που γενικά περιλαμβάνουν μεθόδους υψηλής απόδοσης και όχι μια πιο παραδοσιακή προσέγγιση ” γονίδιο-από-γονίδιο”.

Ο στόχος της λειτουργικής γονιδιωματικής είναι να καθοριστεί πώς τα μεμονωμένα συστατικά ενός βιολογικού συστήματος συνεργάζονται για την παραγωγή ενός συγκεκριμένου φαινοτύπου.

Η λειτουργική γονιδιωματική επικεντρώνεται στη δυναμική έκφραση των γονιδιακών προϊόντων σε ένα συγκεκριμένο πλαίσιο, για παράδειγμα, σε ένα συγκεκριμένο στάδιο ανάπτυξης ή κατά τη διάρκεια μιας ασθένειας.

Στη λειτουργική γονιδιωματική, προσπαθούμε να χρησιμοποιήσουμε τις τρέχουσες γνώσεις μας για τη λειτουργία των γονιδίων για να αναπτύξουμε ένα μοντέλο που συνδέει τον γονότυπο με τον φαινότυπο (Εικ. 2) [16, 17].

Ο όρος λειτουργική γονιδιωματική χρησιμοποιείται συχνά προκειμένου να αναφερθούμε στις πολλές τεχνικές προσεγγίσεις για να μελετήσουμε τα γονίδια και τις πρωτεΐνες ενός οργανισμού, συμπεριλαμβανομένων των «βιοχημικών, κυτταρικών, ή/και φυσιολογικών ιδιοτήτων κάθε προϊόντος των γονιδίων.

Η λειτουργική γονιδιωματική μπορεί επίσης να περιλαμβάνει μελέτες φυσικής γενετικής παραλλαγής με την πάροδο του χρόνου (όπως η ανάπτυξη ενός οργανισμού) ή χώρου (όπως οι περιοχές του σώματός του), καθώς και λειτουργικές διαταραχές όπως επιδράσεις από το οξειδωτικό στρες, το περιβάλλον, τις μεταλλάξεις (SNPs) ή τις επιγενετικές διαφοροποιήσεις [16, 17]. 

Εικόνα 2. Γονιδιακό δίκτυο ρύθμισης οξειδοαναγωγής, που εξασφαλίζει την προσαρμογή του οργανισμού στο περιβάλλον

Εικ. 2 Γονιδιακό δίκτυο ρύθμισης οξειδοαναγωγής, που εξασφαλίζει την προσαρμογή του οργανισμού στο οξειδωτικό στρες και στο περιβάλλον, και ενσωματώνει τοπικά γονιδιακά δίκτυα μέσω βασικών μεταγραφικών παραγόντων [16, 17].

Ο στόχος της λειτουργικής γονιδιωματικής είναι να παράγει και να συνθέτει την γονιδιωματική, την βιοχημική γενετική – μεταβολομική και την πρωτεομική γνώση σε μια κατανόηση των δυναμικών ιδιοτήτων ενός οργανισμού.

Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να παρέχει μια πληρέστερη εικόνα του τρόπου με τον οποίο το γονιδίωμα καθορίζει τη λειτουργία σε σύγκριση με τις μελέτες των μεμονωμένων γονιδίων. Η ενσωμάτωση των λειτουργικών δεδομένων γονιδιωματικής είναι συχνά μέρος των προσεγγίσεων της βιολογίας των συστημάτων.

Τεχνικές & εφαρμογές

Η λειτουργική γονιδιωματική περιλαμβάνει πτυχές του ίδιου του γονιδιώματος που σχετίζονται με τη λειτουργία, όπως η μετάλλαξη και ο πολυμορφισμός (όπως η ανάλυση του απλού νουκλεοτιδικού πολυμορφισμού (SNP) καθώς και η μέτρηση των μοριακών δραστηριοτήτων.

Το τελευταίο περιλαμβάνει μια σειρά από “-omics”, όπως transcriptomics (έκφραση γονιδίων), πρωτεομική (παραγωγή πρωτεΐνης), και metabolomics (παραγωγή μεταβολιτών των κυτταρικών βιοχημικών διαδικασιών) (Εικόνα 3) [18].

Εικόνα 3 Η ιεραρχία των τοπικών γονιδιακών δικτύων

Εικ. 3 Η ιεραρχία των τοπικών γονιδιακών δικτύων που ελέγχουν τις μεμονωμένες λειτουργίες σε ένα ενιαίο γονιδιακό δίκτυο του οργανισμού [18].

Η λειτουργική γονιδιωματική χρησιμοποιεί πολύπλοκες τεχνικές για τη μέτρηση της αφθονίας πολλών ή όλων των γονιδιακών προϊόντων, όπως mRNAs, των πρωτεϊνών, ή των μεταβολιτών μέσα σε ένα βιολογικό δείγμα.

Μια πιο εστιασμένη λειτουργική προσέγγιση γονιδιωματικής θα μπορούσε να δοκιμάσει τη λειτουργία όλων των παραλλαγών ενός γονιδίου και να ποσοτικοποιήσει τα αποτελέσματα των διαφοροποιήσεων κατά επίπεδο ελέγχου ή/και λειτουργικότητας (Εικόνα 1) χρησιμοποιώντας την εκάστοτε αλληλουχία αποτελέσματος ως ένδειξη της δραστηριότητας [1-6].

Αυτές οι λεπτομέρειες μέτρησης προσπαθούν να ποσοτικοποιήσουν τις διάφορες βιολογικές διεργασίες και να βελτιώσουν την κατανόησή μας για τις λειτουργίες και τις αλληλεπιδράσεις γονιδίων και πρωτεϊνών που τελικά διαμορφώνουν τον εκάστοτε κυτταρικό φαινότυπο.

Μαζί, με όλα τα παραπάνω η  λειτουργική γονιδιωματική που περιγράφει τα αντίγραφα, τις πρωτεΐνες και τους μεταβολίτες ενός βιολογικού συστήματος, η ενσωμάτωση αυτών των δεδομένων  παρέχει ένα πλήρες μοντέλο του υπό μελέτη βιολογικού συστήματος [19].

Βιβλιογραφία

  1. Συγκριτική Γονιδιωματική – UTH e-Class, Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, Click Here
  2. An Introduction to Functional Genomics and Systems Biology, Evelien M. Bunnik and Karine G. Le Roch, ADVANCES IN WOUND CARE, VOLUME 2, NUMBER 9, DOI: 10.1089/wound.2012.0379.
  3. Functional genetics, Giovanna Marchetti, Mirko Pinotti, Barbara Lunghi, Caterina Casari, Francesco Bernardi, Mini Review, Thrombosis Research 129 (2012) 336–340, doi:10.1016/j.thromres.2011.10.028.
  4. Studying human and nonhuman primate evolutionary biology with powerful in vitro and in vivo functional genomics tools, Kathleen E. Grogan and George H. Perry, Evolutionary Anthropology. 2020;1–16, DOI: 10.1002/evan.21825.
  5. Functional Genomics, Shalini Kaushik, Sandeep Kaushik and Deepak Sharma, Encyclopedia of Bioinformatics and Computational Biology 2018, doi:10.1016/B978-0-12-809633-8.20222-7.
  6. EMBL-EBI, https://www.ebi.ac.uk/training
  7. Baranov V, Baranova E, Ivashchenko T, Aseev M. The human genome and the genes of “predisposition”: an introduction to predictive medicine. SPb .: Inter-medika; 2000; p. 263.
  8. Baranov V. Molecular medicine – the basis of gene therapy. 2000; Vol. 34 (4): pp. 684–695.
  9. Baranov V. The program “Human Genome” as a scientific basis for preventive medicine. Vestn. RAMS; 2000; № 10: pp. 27–37.
  10. Kukes V. Metabolism of drugs: clinical and pharmacological aspects. Moskow: Refarm Publishing House; 2004; p.144.
  11. Sychev D. Clinical pharmacogenetics. Moskow: GEOTAR-Media; 2007; p. 245.
  12. Constans A. Making Medicine Personal.The Scientist; 2005; Vol. 16 (19): pp. 7–14.
  13. Nebert D. Ecogenetics: from biology to health. Toxicol. Indust. Hlth.; 1997; Vol. 13: pp. 163–192.
  14. Altman R. Challenges for biomedical informatics and pharmacogenomics. Ann. Rev. Toxicol. Pharmacol; 2001; Vol. 42: pp. 113–133.
  15. Evans W. Pharmacogenomics: the inherited basis for individual differences in drug response. Ann. Rev. in Genet. Human Genomics; 2001; Vol. 2: pp. 9–39.
  16. Kolchanov N, Podkolodnaya O, Ignatieva E. Integration of gene networks that con-trol the physiological functions of the body. VOGIS Bulletin; 2005; Vol. 9 (2); pp. 179–199
  17. Stepanenko I. Regulation of gene networks of the stress response by active forms of oxygen. Ekol. genetics.; 2004; Vol 2 (1): pp. 4–12.
  18. Kolchanov N, Ananko E, Kolpakov F. [et.al.] Gene networks. Molecular Biology. 2000: Vol. 34 (4): pp. 617–629.
  19. Pharmacometabolomics-aided Pharmacogenomics in Autoimmune Disease, Theodora Katsila, Evangelia Konstantinou, Ioanna Lavda, Harilaos Malakis, Ioanna Papantoni, Lamprini Skondra, George P. Patrinos, EBioMedicine 5 (2016) 40–45, DOI:https://doi.org/10.1016/j.ebiom.2016.02.001.
588