Genoomikast ja selle arengusuundadest mittebioloogidele

1. Genoomika mõiste ja arengusuunad

Genoomika on geneetika haru, mis kasutab rekombinantse DNA ja DNA sekveneerimise metoodikaid koos bioinformaatikaga, et teha kindlaks nukleotiidne järjestus, assambleerida ja analüüsida genoomide funktsiooni ja struktuuri.

Genoom organismi rakus olev täielik DNA järjestus.

Eesmärgiks genoomide uurimisel on:

määrata organismi täielik DNA järjestus;
Fine – scale geneetiline kaardistamine;
intragenoomsete lookuste ja alleelide interaktsioonide uurimine nähtuste selgitamiseks : heteroos, epistaas, pleiotroopia.

Üksikute geenide rolli uurimine on molekulaarbioloogia või geneetika teema – see pole genoomika valdkond.

Kuidas defineerida mõiste „genotüüp”?

Nobeli preemia nukleiinhapete sekveneerimise reaktsiooni eest on antud teadlastele F. Sanger ja W. Gilbert aastal 1980.

Frederick Sanger on inglise biokeemik, kahekordne Nobeli preemia laureaat keemia alal (neljas inimene, kellel on kaks Nobelit). 1958 tunnustus valkude, peamiselt insuliini uuringute eest. 1980 panuse eest nukleiinhapete järjestuse määramisse.

Walter Gilbert on ameerika füüsik, biokeemik ja molekulaarbioloog. Arendas koos A. Maxamiga välja uue, keemilise DNA sekveneerimise metoodika. Rääkis esimesena eukarüootse geeni struktuurielementidena eksonitest ja intronitest (1978) ja RNA world hüpoteesist.

1975 – ilmus Sangeri ja Coulsoni publikatsioon sekveneerimismetoodika kohta, mis kasutas radioaktiivselt märgistatud nukleotiide ja DNA polümeraasi. Meetod oli töömahukas ja võimaldas sekveneerida korraga ainult üle 80 nukleotiidi.
1977 – esitlesid F. Sanger ja kaastöötajad metoodikat DNA sekveneerimiseks, mis kasutas ahela termineerimise reaktsiooni ja mida teatakse Sangeri meetodina. Sama metoodikat kasutati kogu inimese genoomi sekveneerimiseks.
1977 – sekveneeriti esimene täispikk DNA genoom >5000 np üheahelalisel bakteriofaagil φX174.

http://www.virology.wisc.edu/virusworld/viruslist.php?virus=174

Kaks Nobeli preemiat on saanud kokku 4 inimest. Kes on teised teadlased peale F. Sangeri, keda on hinnatud kahe Nobeliga?

Praegu on sekveneeritud kõigi peamiste mudelorganismide ja probleemsete patogeenide genoomid (2011 seisuga):

> 2700 viirusel
> 1115 arhel ja bakteril
> 36 eukarüootsel organismil
> pooled seened seeneriigist

Inimese genoomi sekveneerimine Inimese Genoomi Projekti (HGP) raames lõpetati 2003, tunnistati täielikult lõpetatuks alles 2007. aastal, mil kõik kromosoomid said sekveneeritud täpsusega <1 viga 20 000 aluspaari kohta.

2012 lõppes 1000 Genoomi Projekt, mille käigus sekveneeriti 1092 inimese genoomi.

Genoomi analüüs koosneb kolmest etapist:

DNA sekveneerimine
Kromosoomijärjestuse assembleerimine
Järjestuse ülevaatamine ja analüüs

http://genome.crg.es/courses/Madrid04/exercises/ensembl/

Genoomide sekveneerimise metoodikad võib jaotada:

a) Shotgun – metoodika (˃ 1000 np pikkuste järjestuste sekveneerimiseks). DNA järjestused lõhutakse väiksemateks (100 – 1000 np) lõikudeks, sekveneeritakse ja saadakse lugemid ehk read‘ id.

http://www.biomedcentral.com/1471-2164/11/438/figure/F1?highres=y
(Täpsema selgituse saamiseks metoodikast vt. infot internetiaadressilt http://www.biomedcentral.com/content/pdf/1471-2164-11-438.pdf ).

Alljärgnevalt lühike ja ülevaatlik skeem shotgun – metoodika kohta:

http://www.oxbridgebiotech.com/review/research-and-policy/whats-so-special-about-next-generation-sequencing/

b) High – throughput (ka next – generation) metoodikad – suuremahulised ja automatiseeritud genoomi analüüsid (96 DNA proovi sekveneeritakse ühe runiga, ööpäevas ˃ 48 runi). Töötati välja vajadusest odavama ja võimsama sekveneerimise järgi, mis võimaldaks sekveneerida tuhandeid, isegi miljoneid järjestusi üheaegselt.

Skeem uue generatsiooni sekveneerimise metoodikast. http://www.oxbridgebiotech.com/review/research-and-policy/whats-so-special-about-next-generation-sequencing/

Täpsema info saamiseks külasta järgmisi internetiaadresse:

Genoomika geneetika osana edeneb tänapäeval kiirelt ja on rakendatav erinevate teadusharude arengus. Genoomsete järjestuste analüüs võimaldab hankida teadmisi valdkondade toimimise ja koostoimimise kohta, nagu on näidatud alloleval skeemil:

Skeem, millel on näidatud, et genoomika hangib teadmisi genoomsetest, funktsionaalsetest ja analüütilistest uurimustest ning genoomiuuringute tulemuseks on uued teadmised kodeerivate ja regulatoorsete alade funktsioonidest, muutunud arusaamad füsioloogilistest protsessidest ja uued hüpoteesid, mis vajavad testimist. http://www.eh3.uc.edu/GenomicsPortals/

Uurimisvaldkondadest, kus kasutatakse genoomika meetodeid, on tuntumad funktsionaalne-, struktuurne-, farmako-, nutri-, meditsiiniline-, meta-, epigenoomika ja võrdlev genoomika. Neist valdkondadest tuleb juttu järgnevates alateemades.

Kirjandus: