Геномика ― меѓудисциплинарно поле на биологијата што се насочува на структурата, функцијата, еволуцијата, картирањето и уредувањето на геномите. Геномот е целосен сет на ДНК на организмот, вклучувајќи ги сите негови гени, како и неговата хиерархиска, тридимензионална структурна конфигурација. За разлика од генетиката, која се однесува на проучување на „поединечни“ гени и нивните улоги во наследувањето, геномиката има за цел збирно одликување и квантификација на „сите“ гени на организмот, нивните меѓусебни односи и влијание врз организмот. Гените може да го насочат производството на протеини со помош на ензими и молекули на гласници. За возврат, протеините ги сочинуваат телесните структури како органи и ткива, како и контролираат хемиски реакции и носат сигнали помеѓу клетките. Геномиката, исто така, вклучува секвенционирање и анализа на геномите преку употреба на секвенционирање на ДНК со висока пропусна моќ и биоинформатика за да се соберат и анализираат функцијата и структурата на цели геноми. Напредокот во геномијата предизвика револуција во истражувањето засновано на откритија и системската биологија за да биде олеснето разбирањето дури и на најсложените биолошки системи како што е мозокот.
Областа, исто така, вклучува студии за интрагеномски (во рамките на геномот) феномени како што се епистаза (ефект на еден ген врз друг), плејотропија (еден ген што влијае на повеќе од една карактеристика), хетероза (хибридна сила) и други меѓудејствија помеѓу локусите и алелите во геномот.
Историја
Етимологија Од грчкиот збор „ген“ (гама, ипсилон, ну, ипсилон) што значи „стане, создава, создавање, раѓање“ и последователни варијанти: генеалогија, генеза, генетика, ген, геном, генотип, генус (род) итн. Додека зборот геном (од германскиот збор genom, припишан на Ханс Винклер) бил во употреба на англиски уште во 1926 година, поимот геномика бил измислен од Том Родерик, генетичар во Џексоновата лабораторија (Бар Харбор, Мејн), за време на пиење пиво со Џим Вомак, Том Шоус и Стивен О'Брајан на состанокот одржан во Мериленд за картирање на човечкиот геном во 1986 година. Прво како име за ново списание, а потоа како сосема нова научна дисциплина.
Рани напори за секвенционирање По потврдата на Розалинд Френклин за спиралната структура на ДНК, публикацијата на Џејмс Вотсон и Френсис Крик, за структурата на ДНК во 1953 година, и публикацијата на Фред Сенгер за аминокиселинската секвенца на инсулинот во 1955 година, секвенцирањето на јадрената киселина станала главна цел на раните молекуларни биолози. Во 1964 година, Роберт В. Холи и неговите колеги ја објавиле првата секвенца на јадрена киселина што некогаш била утврдена, рибонуклеотидната секвенца на аланинска преносна РНК. Проширувајќи ја оваа работа, Маршал Ниренберг и Филип Ледер ја откриле тројната природа на генетскиот код и биле во можност да ги одредат секвенците на 54 од 64 кодони во нивните опити. Во 1972 година, Валтер Фиерс и неговата екипа во Лабораторијата за молекуларна биологија на Универзитетот во Гент (Гент, Белгија) биле првите кои ја утврдиле низата на генот: генот за бактериофагскиот MS2 обвивен протеин. Групата на Фиерс ја проширила својата работа на MS2 обвивката на протеините, одредувајќи ја целосната јадрена секвенца на бактериофагот MS2-RNA (чиј геном кодира само четири гени во 3569 базни парови) и Симјан вирус 40 во 1976 и 1978 година, соодветно.
Развивање на технологијата за секвенционирање на ДНК
Покрај неговата основна работа на аминокиселинската секвенца на инсулинот, Фредерик Сенгер и неговите колеги одиграле клучна улога во развојот на техники за секвенционирање на ДНК кои овозможиле воспоставување на сеопфатни проекти за секвенционирање на геномот. Во 1975 година, тој и Алан Коулсон објавиле постапка за секвенционирање користејќи ДНК полимераза со радиоозначени нуклеотиди што тој ја нарекол Техника „плус и минус“. Ова вклучува два тесно поврзани методи кои создаваат кратки олигонуклеотиди со дефинирани 3' завршници. Тие може да бидат поделени со електрофореза на полиакриламиден гел (наречен електрофореза со полиакриламиден гел) и да бидат видени со користење на авторадиографија. Постапката можела да биде секвенционирана до 80 нуклеотиди во едно движење и било големо подобрување, но сепак била многу макотрпна. Како и да е, во 1977 година неговата група успеала да ги секвенционира повеќето од 5.386 нуклеотиди на едноверижниот бактериофаг φX174, завршувајќи го првиот целосно секвенциониран геном заснован на ДНК. Усовршувањето на методот „плус и минус“ резултирало со завршување на синџирот, или Сенгеровиот метод (види подолу), кој ја образувал основата на техниките на секвенционирање на ДНК, картирањето на геномот, складирање податоци и биоинформатска анализа најшироко користени во следните 25-годишни истражувања. Истата година, Волтер Гилберт и Алан Максам од Универзитетот Харвард независно го развиле Максам-Гилбертовиот медот (исто така познат како „хемиски метод“) за секвенционирање на ДНК, што вклучува преференцијално расцепување на ДНК на познати бази, помалку ефикасен метод. За нивната револуционерна работа во секвенционирањето на нуклеинските киселини, Гилберт и Сенгер ја поделиле половина од Нобеловата награда за хемија во 1980 година со Пол Берг (рекомбинантна ДНК).
Целосни геноми Доаѓањето на овие технологии резултирала со брзо интензивирање на обемот и брзината на завршување на проектите за секвенционирање на геномот. Првата целосна геномска секвенца на еукариотска органела, човечкиот митохондрион (16,568 bp, околу 16,6 kb [килобаза]), била пријавена во 1981 година, и првите геноми на хлоропласти следеле во 1986 година. Во 1992 година, првиот еукариотски хромозом, хромозомот III на пивскиот квасец Saccharomyces cerevisiae (315 kb) бил секвенциониран. Првиот слободно жив организам што бил секвенциониран бил оној на Haemophilus influenzae (1,8 Mb [мегабаза]) во 1995 година. Следната година, конзорциум од истражувачи од лаборатории низ Северна Америка, Европа и Јапонија го објавиле завршувањето на првата целосна геномска секвенца на еукариот, S. cerevisiae (12,1 Mb), и оттогаш геномите продолжиле да бидат секвенирани со експоненцијално растечки темпо. Согласно 2011 година, целосните секвенци се достапни за: 2.719 вируси, 1.115 археи и бактерии и 36 еукариоти, од кои околу половина се габи. лево|мини|300п| Бројот на геномски проекти бил зголемен бидејќи технолошките подобрувања продолжуваат да ги намалуваат трошоците за секвенционирање. (А) Експоненцијален раст на базите на бази на секвенци на геном од 1995 година. (Б) Трошоците во американски долари за секвенционирање на еден милион бази. (В) Трошоците во долари за секвенционирање на геном од 3.000 Mb (со човечка големина) на логаритмичка скала. Повеќето од микроорганизмите чии геноми се целосно секвенционирани се проблематични патогени, како што е Haemophilus influenzae, што резултирало со изразена пристрасност во нивната филогенетска распространетост во споредба со ширината на микробната разновидност. Од другите секвенционирани видови, повеќето биле избрани затоа што биле добро проучени организми-модели или ветиле дека ќе станат добри модели. Лебниот квасец (Saccharomyces cerevisiae) долго време биле важен моделен организам за еукариотската клетка, додека овошната мушичка Drosophila melanogaster била многу важна алатка (особено во раната предмолекуларна генетика). Црвот Caenorhabditis elegans е често користен едноставен модел за многуклеточни организми. Зебрестата риба Brachydanio rerio е користена за многу развојни студии на молекуларно ниво, а растението Arabidopsis thaliana е модел на организам за цветни растенија. Јапонската дуечка риба (Takifugu rubripes) и Точкестата зелена дуечка риба (Tetraodon nigroviridis) се интересни поради нивните мали и збиени геноми, кои содржат многу малку некодирачка ДНК во споредба со повеќето видови. Од цицачите, домашното куче (Canis familiaris), кафеавиот стаорец (Rattus norvegicus), глушецот (Mus musculus) и обичното шимпанзо (Pan troglodytes) се сите важни животни-модели во медицинските истражувања.
Груб нацрт на човечкиот геном бил завршен од страна на Проектот за човечки геном на почетокот на 2001 година, создавајќи многу одбележани настани. Овој проект, завршен во 2003 година, го секвенционирал целиот геном за една посебна личност, а до 2007 година оваа низа била прогласена за „завршена“ (помалку од една грешка во 20.000 бази и сите собрани хромозоми). Во годините оттогаш, геномите на многу други поединци биле секвенционирани, делумно под покровителство на Проектот „1000 геноми“, кој го објавил секвенционирањето на 1.092 геноми во октомври 2012 година. Завршувањето на овој проект било овозможено со развојот на драматично поефикасни технологии за секвенционирање и барало посветеност на значајни биоинформатички ресурси од голема меѓународна соработка. Постојаната анализа на човечките геномски податоци има длабоки политички и општествени реперкусии за човечките општества.
Револуцијата на „омика“. Неологизмот „омикс“ (omics) на англиски јазик неформално се однесува на поле на студии по биологија што завршува на „-омика“, како што се геномика, протеомика или метаболомика. Поврзаниот суфикс „-ом“ (-ome) е користен за адресирање на предметите на проучување на таквите полиња, како што се геномот, протеомот или метаболомот (липидом), соодветно. Наставката -ом како што е користена во молекуларната биологија се однесува на некаков „тоталитет“; на сличен начин, „омиката“ претежно се однесува на проучување на големи, сеопфатни збирки на биолошки податоци. Додека растот на употребата на поимот доведе некои научници (Џонатан Ајзен, меѓу другите) да тврдат дека тој е прекористен, тој ја одразува промената во ориентацијата кон квантитативната анализа на целосна или речиси целосна асортиман на сите составни делови на еден систем. Во проучувањето на симбиозите, на пример, истражувачите кои некогаш биле ограничени на проучување на еден производ од еден ген, сега можат истовремено да го споредат вкупниот комплемент на неколку видови биолошки молекули.
Анализа на геном
Откако ќе биде избран организам, геномските проекти вклучуваат три компоненти: секвенционирање на ДНК, составување на таа низа за да се создаде претстава на првичниот хромозом и прибелешка и анализа на таа претстава. мини|301x301пкс| Преглед на проект за геном. Прво, мора да биде избран геномот, кој вклучува неколку фактори, вклучувајќи цена и релевантност. Второ, секвенцата се создава и се составува во даден центар (установа) за секвенционирање (како што се BGI или DOE JGI). Трето, геномската секвенца е означена на неколку нивоа: ДНК, протеин, генски патишта или споредбено.
Секвенционирање
Историски гледано, секвенционирањето се правело во центри за секвенционирање, централизирани работни единици (од големи независни установи како што е Заедничкиот институт за геном кој секвенционира десетици терабази годишно, до месни основни работни единици за молекуларна биологија) кои содржат истражувачки лаборатории со неопходна скапа инструментација и техничка поддршка. Меѓутоа, како што технологијата на секвенционирање продолжува да биде подобрувана, новата генерација на ефективни секвенционери за брзо превртување е на дофат на просечната академска лабораторија. Во целина, пристапите за секвенционирање на геномот спаѓаат во две широки категории, т.н. „сачмарка“ и секвенционирање со т.н. „висок пропуст“ (или „следна генерација“).
Секвенционирање со „сачмарка“ лево|мини| Генетски анализатор ABI PRISM 3100. Ваквите капиларни секвенционери ги автоматизираа раните големи напори за секвенционирање на геномот.