мини|380x380пкс| Порамнувањето на целиот геном е вообичаен метод во споредбената геномика. Ова порамнување на осум геноми на бактеријата Yersinia открива 78 локално колинеарни блокови конзервирани меѓу сите осум таксони. Секој хромозом е поставен хоризонтално и хомологните блокови во секој геном се прикажани како идентично обоени региони поврзани меѓу геномите. Регионите кои се превртени во однос на геномот KIM на Y. pestis се поместени под средишната оска на геномот. Споредбена геномика ― поле на биолошко истражување во кое се споредувани геномските особини на различни организми. Геномските особини може да вклучуваат низа на ДНК, гени, редослед на гени, регулаторни низи и други геномски структурни обележја. Во оваа гранка на геномиката, цели или големи делови од геномите кои произлегуваат од геномските проекти, се споредувани за проучување на основните биолошки сличности и разлики, како и еволутивните односи меѓу организмите. Главното начело на споредбената геномика е дека заедничките особини на два организми честопати ќе бидат кодирани во ДНК што еволутивно е зачувана меѓу нив. Затоа, споредбените геномски пристапи започнуваат со правење некаков облик на усогласување на геномските секвенци и барање ортологни секвенци (секвенци кои имаат заедничко потекло ) во подредените геноми и проверка до кој степен тие низи се зачувани. Врз основа на нив, заклучувани се геномот и молекуларната еволуција и тоа може да биде ставено во контекст на, на пример, фенотипска еволуција или популациона генетика.
Виртуелно започна веднаш штом целиот геном на два организми станаа достапни (т.е. геномите на бактериите Haemophilus influenzae and Mycoplasma genitalium) во 1995 година, споредбената геномика сега е стандардна компонента на анализата на секоја нова геномска низа. Со зголемувањето на бројот на проекти за геном поради напредокот во технологиите насеквенционирање на ДНК, особено методите за масивното напоредно секвенционирање кон крајот на 2000-тите, ова поле станало пософистицирано, што овозможува да се справи со многу геноми во една студија. Споредбената геномика открила високи нивоа на сличност помеѓу тесно поврзани организми, како што се луѓето и шимпанзата, и, уште поизненадувачки, сличноста помеѓу навидум далечно поврзани организми, како што се луѓето и квасецотSaccharomyces cerevisiae. Исто така, ја покажа крајната разновидност на составот на гените во различни еволутивни лози.
Историја Поврзано: Историја на геномиката
Споредбената геномика има корен во споредбата на геномите на вирусите во раните 1980-ти. На пример, малите РНК вируси што инфицираат животни (пикорнавируси) и оние што ги инфицираат растенијата (грашест мозаичен вирус) биле споредени и било покажано дека споделуваат значајна сличност во низата и, делумно, редоследот на нивните гени. Во 1986 година, била објавена првата споредбена геномска студија во поголем обем, споредувајќи ги геномите на вирусот варичела-зостер и Епштајн-Баровиот вирус кои содржеле повеќе од 100 гени по секој.
Првата целосна геномска низа на клеточен организам, онаа на Haemophilus influenzae Rd, била објавена во 1995 година. Вториот труд за секвенционирање на геномот бил за малата паразитска бактерија Mycoplasma genitalium објавен во истата година. Поаѓајќи од овој труд, извештаите за новите геноми неизбежно станале споредбено-геномски студии.
Микробиолошки геноми
Првиот систем за споредба на целиот геном со висока резолуција на микробиолошки геноми од 10-15 kbp бил развиен во 1998 година од Арт Делчер, Сајмон Касиф и Стивен Салцберг и применет за споредба на цели високо поврзани микробни организми со нивните соработници во Институтот за геномски истражувања. Системот се нарекува MUMmer и е опишан во публикација во списанието Nucleic Acids Research во 1999 година. Системот им помага на истражувачите да идентификуваат големи преуредувања, мутации на единечна основа, превртувања, тандемско повторувачки ширења и други полиморфизми. Кај бактериите, MUMmer овозможува идентификација на полиморфизми кои се одговорни за вирулентност, патогеност и отпорност на антибиотици. Системот бил применет и на Проектот за минимален организам при Институтот за геномски истражувања и последователно на многу други проекти за споредбена геномика.
Геноми на еукариоти
Saccharomyces cerevisiae, лебниот квасец, бил првиот еукариот на кој неговата целосна геномска низа била објавена во 1996 година. По објавувањето на геномот на кружниот црв Caenorhabditis elegans во 1998 година и заедно со геномот на овошната мува Drosophila melanogaster во 2000 година, Џералд М. Рубин и неговата група објавиле труд со наслов „Споредбена геномика на еукариотите“, во кој тие ги споредиле геномите на еукариотите D. melanogaster, C. elegans и S. cerevisiae, како и прокариотот H. influenzae. Во исто време, Бони Бергер, Ерик Ландер и нивната група објавиле труд за споредба на целиот геном на човекот и глушецот.
Со објавувањето на големите геноми на 'рбетниците во 2000-тите, вклучително и човекот, јапонската надувувачка риба Takifugu rubripes и глушецот, претходно пресметаните резултати од споредбите на големиот геном биле објавени за преземање или за гледање во геномски прелистувач. Наместо да преземаат свои анализи, повеќето биолози можат да пристапат до овие големи споредби меѓу видовите и да ја избегнат непрактичноста предизвикана од големината на геномите.
Методите за масивно напоредното секвенционирање, кои првпат биле воведени во 2007 година, произвеле огромна количина на геномски податоци и им овозможиле на истражувачите да создаваат повеќекратни (прокариотски) нацрт-геномски низи одеднаш. Овие методи, исто така, можат брзо да откријат полиморфизми, вметнувања и бришења на единечен нуклеотид со картирање на несклопени читања против добро забележан референтен геном, и на тој начин да обезбедат список на можни генски разлики што може да бидат основа за какви било функционални варијации меѓу соевите.
Еволутивни начела
Еден особина на биологијата е еволуцијата, еволутивната теорија е и теоретска основа на споредбената геномика, а во исто време резултатите од споредбената геномика невидено ја збогатиле и ја развиле теоријата на еволуцијата. Кога се споредувани две или повеќе од геномската низа, може да бидат заклучени еволутивните односи на низите во филогенетското дрво. Врз основа на различни податоци од биолошкиот геном и проучување на вертикалните и хоризонталните постапки на еволуцијата, може да бидат разбрани виталните делови од структурата на генот и неговата регулаторна функција.
Сличноста на сродните геноми е основата на споредбената геномика. Ако две суштества имаат неодамнешен заеднички предок, разликите помеѓу геномите на двата вида еволуирале од геномот на предците. Колку е поблиска врската помеѓу два организми, толку се поголеми сличностите меѓу нивните геноми. Ако постои блиска врска меѓу нив, тогаш нивниот геном ќе прикаже линеарно однесување (синтенија), имено некои или сите генетски низи се зачувани. Така, геномските низи може да бидат користени за да биде идентификувана функцијата на генот, со анализа на нивната хомологија (сличност на низата) со гени со позната функција. десно|мини| Човечкиот ген FOXP2 и еволутивното зачувување се прикажани во и повеќекратно порамнување (на дното на сликата) на оваа слика од UCSC Genome Browser (прелистувач на геноми на Универзитетот во Калифорнија). Забележете дека зачувувањето има тежнеење да биде групирано околу регионите за кодирање (егзони). Ортологните низи се сродни низи во различни видови: ген постои во првобитниот вид, видот поделен на два вида, така што гените во новите видови се ортологни на низата во првобитниот вид. Паралогните низи се одвојуваат со генско клонирање (удвојување на гените): ако одреден ген во геномот е копиран, тогаш копијата од двете секвенци е паралогна на првобитниот ген. Еден пар ортологни низи се нарекуваат ортологни парови (ортолози), еден пар паралогни низи се нарекувани колатерални парови (паралози). Ортологните парови обично имаат иста или слична функција, што не е нужно случај за колатералните парови. Во колатералните парови, низите имаат тежнеење да еволуираат во различни функции.
Споредбената геномика ги искористува и сличностите и разликите во белковините, РНК и регулаторните региони на различни организми за да заклучи како одбирањето дејствувала врз овие елементи. Оние елементи кои се одговорни за сличностите меѓу различните видови треба да бидат зачувани низ времето (стабилизирачко одбирање), додека оние елементи одговорни за разликите меѓу видовите треба да бидат дивергентни (позитивно одбирање). Конечно, оние елементи кои не се важни за еволутивниот успех на организмот нема да бидат зачувани (одбирањето е неутрално).
Една од важните цели на теренот е идентификација на механизмите на еволуцијата на еукариотскиот геном. Меѓутоа, често е усложувано со мноштвото настани што се случиле низ историјата на поединечните лози, оставајќи само искривени и надредени траги во геномот на секој жив организам. Поради оваа причина, споредбените геномски студии на мали моделни организми (на пример, моделот Caenorhabditis elegans и тесно поврзаниот Caenorhabditis briggsae) се од голема важност за да биде унапредено разбирањето за општите механизми на еволуцијата.
Методи Сметачките пристапи се неопходни за споредување на геномот, со оглед на големиот број на податоци кодирани во геномите. Многу алатки сега се јавно достапни, почнувајќи од споредби на целиот геном до анализа на генско изразување. Ова ги вклучува пристапите од системите и контролата, теоријата на информации, анализата на соеви и рударењето податоци. Сметачките пристапи ќе останат критични за истражување и настава, особено кога науката за информации и биологијата на геномот се изучувани заедно. мини|258x258пкс| Филогенетско дрво на потомци и реконструирани предци. Бојата на гранката ги претставува стапките на точки на прекин во RACF (точки на прекин на милион години). Црните гранки претставуваат неодредени стапки на точка на прекин. Боите на врвовите го прикажуваат соседството на склопот: црна, склоп на геном на ниво на скеле; зелена, склоп на геном на ниво на хромозом; жолта, склоп на геном на ниво на скеле во скала на хромозом. Броевите до имињата на видовите означуваат диплоиден број на хромозом (ако е познат). Споредбената геномика започнува со основни споредби на големината на геномот и генската густина. На пример, големината на геномот е важна за капацитетот за кодирање и можеби поради регулаторни причини. Високата генска густина ја олеснува прибелешката на геномот, анализата на селекција на животната средина. Спротивно на тоа, ниската генска густина го попречува картирањето на генетските болести како во човечкиот геном.
Порамнување на низата Порамнувањата се користени за забележување информации за слични низи како што се потеклото, заедничкото еволутивно потекло или заедничката структура и функција. Порамнувања може да бидат направени и за генските и за белковинските низи. Порамнувањата се состојат од месни или општи порамнувања во пар, и порамнувања на повеќе низи. Еден начин да бидат најдени општи порамнувања е да биде користен динамичен програмски алгоритам познат како Нидлман-Вуншовиот алгоритам. Овој алгоритам може да биде изменет и да биде користен за наоѓање месни порамнувања. мини|288x288пкс| Пример за филогенетско дрво создадено од порамнување на 250 уникатни белковински низи на шилести од семејството Betacoronavirus.
Филогенетска реконструкција