Genomik: Studi Struktural dan Fungsional Genomik



Genomik: Studi Struktural dan Fungsional Genomik!

Istilah genom diperkenalkan oleh H. Winkler (1920) untuk menunjukkan set lengkap gen kromosom dan ekstra kromosom yang ada dalam suatu organisme, termasuk virus.

Istilah genomik yang diciptakan oleh TH Roderick (1987) berarti pemetaan dan pengurutan untuk menganalisis struktur dan organisasi genom. Tapi saat ini genomik mencakup pengurutan genom, penentuan set lengkap protein yang dikodekan oleh suatu organisme, dan fungsi gen dan jalur metabolisme dalam suatu organisme.

Studi genomik dibagi menjadi dua domain berikut:

  1. Genomik struktural berkaitan dengan penentuan urutan lengkap genom atau rangkaian lengkap protein yang diproduksi oleh suatu organisme. Berbagai langkah yang terlibat adalah: (i) konstruksi peta genetik dan fisik beresolusi tinggi, (ii) Pengurutan genom, dan (iii) penentuan set lengkap protein dalam suatu organisme. Ini juga mencakup penentuan struktur tiga dimensi dari protein yang bersangkutan.
  2. Genomik fungsional mempelajari fungsi gen dan jalur metabolisme, yaitu pola ekspresi gen dalam organisme.

Pengurutan Genom:

Pengurutan genom adalah proses yang sangat canggih dan menuntut secara teknis. Sekali jalan, fragmen 500-600 bp dapat diurutkan. Sebaliknya, genom sangat besar, misalnya 4,2 x 10 6 untuk E. coli dan 3,2 x 10 9 bp untuk manusia. Oleh karena itu, urutan genoxne harus diperoleh dalam potongan-potongan kecil dalam jumlah yang sangat besar, potongan-potongan ini kemudian dirangkai menjadi urutan genom.

Potongan-potongan yang digunakan untuk pengurutan dihasilkan dengan memecah DNA genom menjadi fragmen-fragmen pada titik-titik acak. Akibatnya, lokasi fragmen dalam genom harus ditentukan secara eksperimental. Semua fragmen yang diperoleh dari DNA genom suatu organisme dikloning dalam vektor yang sesuai, ini menghasilkan perpustakaan genom organisme tersebut. Dua pendekatan untuk pengurutan genom adalah: (a) pengurutan klon demi klon dan (b) pengurutan senapan.

(a) Pengurutan Klon demi Klon:

Dalam metode ini, fragmen-fragmen tersebut pertama-tama diselaraskan ke dalam contigs yang juga disebut sebagai pengurutan terarah dari contigs BAC. Contig terdiri dari serangkaian klon yang berisi potongan DNA yang tumpang tindih yang mengubah wilayah tertentu dari kromosom atau bahkan seluruh kromosom. Mereka biasanya dibangun menggunakan BAC (bakteri buatan kromosom) dan klon kosmid.

Pendekatan umum dalam pembuatan contig adalah untuk mengidentifikasi klon yang memiliki segmen DNA yang berdekatan dari kromosom, misalnya berjalan kromosom, melompat kromosom, dll. Dengan demikian anggota contig harus mengandung wilayah tumpang tindih yang sama untuk memungkinkan penentuan lokasi mereka secara tepat. -di konting. Tujuan akhir dari prosedur pemetaan fisik adalah untuk mendapatkan contig lengkap untuk setiap kromosom genom.

Fragmen DNA yang dikloning dari sebuah contig dapat dikorelasikan dengan lokasi di sepanjang kromosom yang diperoleh dari keterkaitan atau pemetaan sitogenetik. Ini dapat dicapai dengan mengidentifikasi anggota contig yang berisi sisipan yang memiliki gen seperti itu yang telah dipetakan dengan metode keterkaitan atau sitologi. Ini akan memungkinkan penyelarasan anggota contig lainnya di sepanjang kromosom. Atau, RFLP (polimorfisme panjang fragmen restriksi) dan penanda DNA lainnya dapat digunakan untuk mengkorelasikan lokasi dalam peta keterkaitan dengan anggota contig.

(b) Pengurutan Shot-Gun:

Dalam pendekatan ini, klon yang dipilih secara acak diurutkan sampai semua klon di perpustakaan genom dianalisis. Perangkat lunak assembler mengatur informasi urutan nukleotida sehingga diperoleh menjadi urutan genom. Strategi ini bekerja sangat baik dengan genom prokariotik yang memiliki sedikit DNA berulang. Tetapi genom eukariotik memiliki banyak urutan berulang yang menimbulkan kebingungan dalam penyelarasan urutan. Masalah-masalah ini diselesaikan dengan menggunakan kekuatan komputasi yang sangat besar, perangkat lunak khusus dan menghindari wilayah yang kaya akan DNA berulang (misalnya wilayah sentromerik dan telomerik).

Kompilasi Urutan Genom:

Proyek pengurutan genom memerlukan pengembangan teknologi throughput tinggi yang menghasilkan data dengan kecepatan sangat cepat. Ini mengharuskan penggunaan komputer untuk mengelola banjir informasi ini dan melahirkan disiplin baru yang disebut bioinformatika. Bioinformatika berkaitan dengan penyimpanan, analisis, interpretasi, dan pemanfaatan informasi tentang sistem biologis (aktivitas seperti kompilasi sekuens genom, identifikasi gen, penetapan fungsi pada gen yang diidentifikasi, persiapan database, dll.).

Untuk memastikan urutan nukleotida genom lengkap dan bebas kesalahan, genom diurutkan lebih dari satu kali. Setelah genom suatu organisme diurutkan, disusun, dan dikoreksi (memperbaiki kesalahan) tahap genomik berikutnya, yaitu, anotasi, dimulai.

Prediksi dan Penghitungan Gen:

Setelah urutan genom diperoleh dan diperiksa keakuratannya, tugas selanjutnya adalah menemukan semua gen yang menyandikan protein. Ini adalah langkah pertama dalam anotasi. Anotasi adalah proses yang mengidentifikasi gen, urutan pengaturannya, dan fungsinya. Ini juga mengidentifikasi gen pengkode non-protein termasuk yang mengkode r-RNA, t-RNA dan RNA nuklir kecil. Selain itu, elemen genetik bergerak dan keluarga urutan berulang diidentifikasi dan dikarakterisasi.

Menemukan gen penyandi protein dilakukan dengan memeriksa urutannya, menggunakan perangkat lunak komputer atau dengan mata. Gen penyandi protein diidentifikasi oleh open-reading frames (ORFs). ORF memiliki serangkaian kodon yang menentukan urutan asam amino, dimulai dengan kodon inisiasi (biasanya ATG) dan diakhiri dengan kodon terminasi (TAA) TAG atau TGA). ORF biasanya diidentifikasi oleh komputer dan merupakan metode yang efektif untuk genom bakteri.

Gen dalam genom eukariotik (termasuk genom manusia) memiliki beberapa fitur yang membuat pencarian langsung menjadi kurang berguna. Pertama, sebagian besar gen eukariotik memiliki pola ekson (daerah pengkode) yang diselingi dengan intron (daerah bukan pengkode). Akibatnya, gen-gen ini tidak diatur sebagai ORF yang berkelanjutan. Kedua, gen pada manusia dan eukariota lainnya sering berjarak jauh sehingga meningkatkan kemungkinan menemukan gen palsu. Tetapi versi yang lebih baru dari perangkat lunak pemindaian ORF untuk genom eukariotik membuat pemindaian menjadi lebih efisien.

Setelah urutan genomik dianalisis dan gen diprediksi, setiap gen diperiksa satu per satu untuk mengidentifikasi fungsi produk gen yang disandikan dan diklasifikasikan ke dalam kelompok fungsional. Analisis ini melibatkan beberapa program. Misalnya, seseorang dapat mencari database seperti Bank Gen, untuk menemukan gen serupa yang diisolasi dari organisme lain. ORF yang diprediksi dapat dibandingkan dengan ORF dari gen bakteri yang dikenal dan terkarakterisasi dengan baik. Akhirnya, seseorang dapat mencari urutan nukleotida untuk motif fungsi yang menyandikan domain protein yang terlibat dengan fungsi tertentu.

Dengan demikian, tujuan dari analisis genom adalah untuk menentukan fungsi semua gen dan untuk memahami bagaimana gen tersebut berinteraksi dalam perkembangan dan fungsi organisme.

Genomik Fungsional:

Ini dapat didefinisikan sebagai penentuan fungsi semua produk gen yang dikodekan oleh genom suatu organisme. Ini mencakup parameter berikut: (1) kapan dan di mana gen tertentu diekspresikan (profil ekspresi), (ii) fungsi gen spesifik dengan memutasikan gen yang diinginkan secara selektif, dan (iii) interaksi yang terjadi di antara protein dan antar protein dan molekul lainnya. Genomik fungsional mencoba memeriksa semua gen yang ada dalam genom sekaligus. Oleh karena itu, teknik yang digunakan dalam genomik fungsional memungkinkan analisis throughput tinggi yang memungkinkan akumulasi data yang sangat cepat.

(i) Pembuatan Profil Ekspresi:

Penentuan jenis sel/jaringan di mana gen diekspresikan serta kapan gen diekspresikan disebut profil ekspresi. Tujuan genomik fungsional adalah untuk mempelajari pola ekspresi semua gen yang ada dalam genom pada saat yang bersamaan; ini disebut profil ekspresi global. Ini dapat dilakukan baik pada tingkat RNA atau pada tingkat protein. Pada tingkat RNA, seseorang dapat menggunakan pengambilan sampel urutan langsung atau susunan DNA.

Pada tingkat protein, seseorang dapat menggunakan elektroforesis dua dimensi, diikuti dengan spektrometri massa atau susunan protein. Profil ekspresi global memberikan wawasan tentang fenomena biologis yang kompleks, termasuk diferensiasi, respons terhadap stres, timbulnya penyakit, dll. Ini juga memberikan cara baru untuk menentukan fenotipe seluler.

(ii) Penentuan Fungsi Gen:

Aspek penting dari genomik fungsional adalah untuk menentukan fungsi gen spesifik/urutan anonim. Cara ampuh untuk mencapai hal ini adalah dengan mengkloning gen, memutasikannya secara in vitro dan memperkenalkan kembali gen yang bermutasi ke dalam organisme inang dan menganalisis pengaruhnya. Genom di bawah perpustakaan mutan telah dikembangkan di beberapa organisme model seperti bakteri, ragi, tanaman, dan mamalia. Ini kadang-kadang disebut sebagai genomik mutasi. Perpustakaan semacam itu dapat dibuat dengan salah satu dari tiga cara berikut:

(a) Mutasi sistematis dari setiap gen satu per satu yang akan menghasilkan bank galur mutan tertentu.

(b) Dalam pendekatan acak, gen dimutasi tanpa pandang bulu, mutasi individu kemudian dicirikan dan dikatalogkan.

(c) Dalam pendekatan ini, sekelompok teknik digunakan untuk mencegah ekspresi gen tertentu/kelompok.

(iii) Interaksi Protein:

Fungsi gen mencerminkan perilaku protein yang dikodekan olehnya. Perilaku ini dapat dilihat sebagai rangkaian interaksi antara berbagai protein, dan antara protein dan molekul lain. Interaksi protein dipelajari menggunakan teknik throughput tinggi. Sejumlah metode pemetaan interaksi protein berbasis perpustakaan memungkinkan ratusan atau ribuan protein disaring sekaligus. Interaksi ini dapat diuji secara in vitro atau in vivo. Data interaksi protein dari berbagai sumber diasimilasi dalam database.

Related Posts