معلومة

10.3: علم الجينوم والبروتيوميات - علم الأحياء

10.3: علم الجينوم والبروتيوميات - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

بدأت دراسة الأحماض النووية باكتشاف الحمض النووي ، وتقدمت إلى دراسة الجينات والشظايا الصغيرة ، وانتشرت الآن في مجال علم الجينوم. علم الجينوم هو دراسة الجينوم بأكمله ، بما في ذلك المجموعة الكاملة من الجينات ، وتسلسل النوكليوتيدات وتنظيمها ، وتفاعلاتها داخل الأنواع ومع الأنواع الأخرى. أصبح التقدم في علم الجينوم ممكنًا بفضل تقنية تسلسل الحمض النووي. تمامًا كما أدت تكنولوجيا المعلومات إلى خرائط Google التي تمكننا من الحصول على معلومات مفصلة حول المواقع في جميع أنحاء العالم ، يتم استخدام المعلومات الجينومية لإنشاء خرائط مماثلة للحمض النووي للكائنات المختلفة.

رسم خرائط الجينوم

رسم خرائط الجينوم هو عملية العثور على موقع الجينات على كل كروموسوم. الخرائط التي يتم إنشاؤها قابلة للمقارنة مع الخرائط التي نستخدمها للتنقل في الشوارع. الخريطة الجينية هي توضيح يسرد الجينات وموقعها على الكروموسوم. تقدم الخرائط الجينية الصورة الكبيرة (على غرار خريطة الطرق السريعة بين الولايات) وتستخدم العلامات الجينية (على غرار المعالم). الواسمات الجينية هي جين أو تسلسل على كروموسوم يُظهر ارتباطًا جينيًا مع سمة ذات أهمية. تميل العلامة الجينية إلى أن تكون موروثة مع الجين المعني ، وأحد مقاييس المسافة بينهما هو تكرار إعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي. أطلق علماء الوراثة الأوائل على تحليل الارتباط هذا.

تدخل الخرائط المادية في التفاصيل الدقيقة للمناطق الأصغر من الكروموسومات (على غرار خارطة الطريق التفصيلية) (الشكل 10.3.1). الخريطة المادية هي تمثيل للمسافة المادية ، في النيوكليوتيدات ، بين الجينات أو العلامات الجينية. كل من خرائط الارتباط الجيني والخرائط المادية مطلوبة لبناء صورة كاملة للجينوم. إن وجود خريطة كاملة للجينوم يجعل من السهل على الباحثين دراسة الجينات الفردية. تساعد خرائط الجينوم البشري الباحثين في جهودهم لتحديد الجينات المسببة للأمراض البشرية والمتعلقة بأمراض مثل السرطان وأمراض القلب والتليف الكيسي ، على سبيل المثال لا الحصر. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام خرائط الجينوم للمساعدة في تحديد الكائنات الحية ذات السمات المفيدة ، مثل الميكروبات التي لديها القدرة على تنظيف الملوثات أو حتى منع التلوث. قد تؤدي الأبحاث التي تتضمن رسم خرائط الجينوم النباتي إلى طرق تنتج غلات محاصيل أعلى أو إلى تطوير نباتات تتكيف بشكل أفضل مع تغير المناخ.

توفر الخرائط الجينية المخطط التفصيلي ، وتوفر الخرائط المادية التفاصيل. من السهل أن نفهم سبب أهمية كلا النوعين من تقنيات رسم خرائط الجينوم لإظهار الصورة الكبيرة. يتم استخدام المعلومات التي تم الحصول عليها من كل تقنية في تركيبة لدراسة الجينوم. يتم استخدام رسم الخرائط الجينومية مع الكائنات الحية النموذجية المختلفة المستخدمة في البحث. لا يزال رسم خرائط الجينوم عملية مستمرة ، ومع تطوير تقنيات أكثر تقدمًا ، من المتوقع حدوث المزيد من التقدم. يشبه رسم خرائط الجينوم إكمال لغز معقد باستخدام كل جزء من البيانات المتاحة. يتم إدخال معلومات الخرائط التي تم إنشاؤها في المختبرات في جميع أنحاء العالم في قواعد البيانات المركزية ، مثل المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية (NCBI). تُبذل الجهود لجعل الوصول إلى المعلومات أسهل للباحثين وعامة الناس. تمامًا كما نستخدم أنظمة تحديد المواقع العالمية بدلاً من الخرائط الورقية للتنقل عبر الطرق ، يسمح لنا NCBI باستخدام أداة عارض الجينوم لتبسيط عملية استخراج البيانات.

المفهوم في العمل

الوراثة المندلية في الإنسان عبر الإنترنت (OMIM) عبارة عن كتالوج عبر الإنترنت يمكن البحث فيه عن الجينات البشرية والاضطرابات الوراثية. يعرض موقع الويب هذا رسم خرائط الجينوم ، ويفصل أيضًا التاريخ والبحث عن كل سمة واضطراب. انقر فوق الارتباط للبحث عن السمات (مثل استخدام اليدين) والاضطرابات الوراثية (مثل مرض السكري).

تسلسل الجينوم الكامل

على الرغم من حدوث تقدم كبير في العلوم الطبية في السنوات الأخيرة ، لا يزال الأطباء مرتبكين بسبب العديد من الأمراض ويستخدم الباحثون تسلسل الجينوم الكامل للوصول إلى جوهر المشكلة. تسلسل الجينوم الكامل هو عملية تحدد تسلسل الحمض النووي للجينوم بأكمله. تسلسل الجينوم الكامل هو نهج القوة الغاشمة لحل المشكلات عندما يكون هناك أساس وراثي في ​​جوهر المرض. تقدم العديد من المختبرات الآن خدمات لتسلسل الجينوم بأكمله وتحليله وتفسيره.

في عام 2010 ، تم استخدام تسلسل الجينوم الكامل لإنقاذ صبي صغير كانت أمعائه تعاني من عدة خراجات غامضة. خضع الطفل لعدة عمليات في القولون دون راحة. أخيرًا ، كشف تسلسل الجينوم الكامل عن وجود خلل في المسار الذي يتحكم في موت الخلايا المبرمج (موت الخلية المبرمج). تم استخدام زرع نخاع العظم للتغلب على هذا الاضطراب الوراثي ، مما أدى إلى علاج للصبي. كان أول شخص يتم تشخيصه بنجاح باستخدام تسلسل الجينوم الكامل.

كانت الجينومات الأولى التي تم تسلسلها ، مثل تلك التي تنتمي إلى الفيروسات والبكتيريا والخميرة ، أصغر من حيث عدد النيوكليوتيدات من جينومات الكائنات متعددة الخلايا. جينومات الكائنات الحية النموذجية الأخرى ، مثل الفأر (موس العضلات) ذبابة الفاكهة (ذبابة الفاكهة سوداء البطن) والديدان الخيطية (أنواع معينة انيقة) معروفة الآن. يتم إجراء قدر كبير من الأبحاث الأساسية في الكائنات الحية النموذجية لأن المعلومات يمكن تطبيقها على كائنات أخرى. الكائن النموذجي هو نوع تمت دراسته كنموذج لفهم العمليات البيولوجية في الأنواع الأخرى التي يمكن أن يمثلها الكائن الحي النموذجي. على سبيل المثال ، ذبابة الفاكهة قادرة على استقلاب الكحول مثل البشر ، لذلك تمت دراسة الجينات التي تؤثر على الحساسية للكحول في ذباب الفاكهة في محاولة لفهم التباين في الحساسية للكحول لدى البشر. يساعد وجود تسلسل جينوم كامل في جهود البحث في هذه الكائنات الحية النموذجية (الشكل 10.3.2).

نُشر أول تسلسل للجينوم البشري في عام 2003. ويزداد عدد الجينومات الكاملة التي تم تسلسلها بشكل مطرد ، وهي تشمل الآن مئات الأنواع وآلافًا من الجينومات البشرية الفردية.

تطبيق علم الجينوم

أدى إدخال تسلسل الحمض النووي ومشاريع تسلسل الجينوم الكامل ، ولا سيما مشروع الجينوم البشري ، إلى توسيع نطاق تطبيق معلومات تسلسل الحمض النووي. يتم الآن استخدام علم الجينوم في مجموعة متنوعة من المجالات ، مثل علم الجينوميات ، وعلم الجينوم الصيدلاني ، وجينوميات الميتوكوندريا. إن أكثر تطبيقات علم الجينوم شيوعًا هو فهم الأمراض وإيجاد علاجات لها.

توقع مخاطر المرض على المستوى الفردي

يتضمن التنبؤ بمخاطر المرض فحص وتحديد الأفراد الأصحاء حاليًا من خلال تحليل الجينوم على المستوى الفردي. يمكن التوصية بالتدخل في تغييرات نمط الحياة والأدوية قبل ظهور المرض. ومع ذلك ، فإن هذا النهج هو الأكثر قابلية للتطبيق عندما تنشأ المشكلة من طفرة جينية واحدة. تمثل هذه العيوب حوالي 5 في المائة فقط من الأمراض الموجودة في البلدان المتقدمة. معظم الأمراض الشائعة ، مثل أمراض القلب ، متعددة العوامل أو متعددة الجينات ، مما يشير إلى خاصية نمطية تحددها جينات أو أكثر ، وكذلك عوامل بيئية مثل النظام الغذائي. في أبريل 2010 ، نشر العلماء في جامعة ستانفورد تحليل الجينوم لفرد سليم (ستيفن كوايك ، عالم في جامعة ستانفورد ، الذي حصل على تسلسل الجينوم الخاص به) ؛ توقع التحليل ميله إلى الإصابة بأمراض مختلفة. تم إجراء تقييم للمخاطر لتحليل النسبة المئوية لمخاطر Quake لـ 55 حالة طبية مختلفة. تم العثور على طفرة جينية نادرة أظهرت أنه معرض لخطر الإصابة بنوبة قلبية مفاجئة. وتوقع أيضا أن يكون لديه 23 في المائة من مخاطر الإصابة بسرطان البروستاتا و 1.4 في المائة للإصابة بمرض الزهايمر. استخدم العلماء قواعد البيانات والعديد من المنشورات لتحليل البيانات الجينومية. على الرغم من أن التسلسل الجيني أصبح ميسور التكلفة بشكل أكبر وأصبحت الأدوات التحليلية أكثر موثوقية ، إلا أن القضايا الأخلاقية المحيطة بالتحليل الجينومي على مستوى السكان لا تزال بحاجة إلى المعالجة. على سبيل المثال ، هل يمكن استخدام هذه البيانات بشكل شرعي لتحصيل رسوم أكثر أو أقل للتأمين أو للتأثير على التصنيفات الائتمانية؟

دراسات الارتباط على مستوى الجينوم

منذ عام 2005 ، أصبح من الممكن إجراء نوع من الدراسة يسمى دراسة الارتباط على مستوى الجينوم ، أو GWAS. GWAS هي طريقة تحدد الاختلافات بين الأفراد في تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs) التي قد تكون متورطة في التسبب في الأمراض. هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص للأمراض التي قد تتأثر بتغير جيني واحد أو أكثر في جميع أنحاء الجينوم. من الصعب للغاية تحديد الجينات المرتبطة بمثل هذا المرض باستخدام معلومات تاريخ العائلة. تعتمد طريقة GWAS على قاعدة بيانات جينية قيد التطوير منذ عام 2002 تسمى مشروع HapMap الدولي. قام مشروع HapMap بتسلسل جينومات عدة مئات من الأفراد من جميع أنحاء العالم وحدد مجموعات من النيوكلوتايد. تتضمن المجموعات SNPs الموجودة بالقرب من بعضها البعض على الكروموسومات بحيث تميل إلى البقاء معًا من خلال إعادة التركيب. حقيقة أن المجموعة تبقى معًا تعني أن تحديد SNP علامة واحدة هو كل ما هو مطلوب لتحديد جميع SNPs في المجموعة. تم تحديد عدة ملايين من تعدد الأشكال ، ولكن تحديدها في الأفراد الآخرين الذين لم يتم تسلسل الجينوم الكامل لديهم أسهل بكثير لأنه لا يلزم تحديد سوى علامة SNPs.

في تصميم مشترك لـ GWAS ، يتم اختيار مجموعتين من الأفراد ؛ مجموعة واحدة مصابة بالمرض والمجموعة الأخرى لا. يتم مطابقة الأفراد في كل مجموعة في خصائص أخرى لتقليل تأثير المتغيرات المربكة التي تسبب اختلافات بين المجموعتين. على سبيل المثال ، قد تختلف الأنماط الجينية لأن المجموعتين مأخوذة في الغالب من أجزاء مختلفة من العالم. بمجرد اختيار الأفراد ، وعادة ما تكون أعدادهم ألفًا أو أكثر حتى تنجح الدراسة ، يتم الحصول على عينات من الحمض النووي الخاص بهم. يتم تحليل الحمض النووي باستخدام أنظمة مؤتمتة لتحديد الفروق الكبيرة في نسبة تعدد الأشكال الخاصة بين المجموعتين. غالبًا ما تفحص الدراسة مليون أو أكثر من النيوكلوتايد في الحمض النووي. يمكن استخدام نتائج GWAS بطريقتين: يمكن استخدام الاختلافات الجينية كعلامات للتعرض للمرض لدى الأفراد غير المشخصين ، ويمكن أن تكون الجينات المحددة المحددة أهدافًا للبحث في المسار الجزيئي للمرض والعلاجات المحتملة. كان أحد فروع اكتشاف ارتباطات الجينات بالأمراض هو تكوين الشركات التي توفر ما يسمى بـ "الجينوميات الشخصية" التي ستحدد مستويات المخاطر للأمراض المختلفة بناءً على مكمل النيوكليوتيد SNP للفرد. العلم وراء هذه الخدمات مثير للجدل.

نظرًا لأن GWAS تبحث عن الارتباطات بين الجينات والأمراض ، فإن هذه الدراسات توفر بيانات لأبحاث أخرى في الأسباب ، بدلاً من الإجابة على أسئلة محددة بأنفسهم. لا يعني الارتباط بين الاختلاف الجيني والمرض بالضرورة وجود علاقة السبب والنتيجة. ومع ذلك ، قدمت بعض الدراسات معلومات مفيدة حول الأسباب الجينية للأمراض. على سبيل المثال ، حددت ثلاث دراسات مختلفة في عام 2005 جينًا لبروتين يشارك في تنظيم الالتهاب في الجسم المرتبط بالعمى المسبب لمرض يسمى التنكس البقعي المرتبط بالعمر. فتح هذا إمكانيات جديدة للبحث في سبب هذا المرض. تم تحديد عدد كبير من الجينات المرتبطة بمرض كرون باستخدام GWAS ، وقد اقترح بعضها آليات افتراضية جديدة لسبب المرض.

علم الجينات الصيدلية

يتضمن علم الصيدلة الجينومي تقييم فعالية الأدوية وسلامتها على أساس المعلومات من التسلسل الجيني للفرد. يمكن استخدام معلومات تسلسل الجينوم الشخصي لوصف الأدوية الأكثر فعالية والأقل سمية على أساس التركيب الجيني للمريض الفردي. يمكن أن توفر دراسة التغييرات في التعبير الجيني معلومات حول ملف النسخ الجيني في وجود الدواء ، والتي يمكن استخدامها كمؤشر مبكر على احتمالية التأثيرات السامة. على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي الجينات المشاركة في النمو الخلوي وموت الخلايا المتحكم فيه ، عند الاضطراب ، إلى نمو الخلايا السرطانية. يمكن أن تساعد الدراسات على مستوى الجينوم أيضًا في العثور على جينات جديدة متورطة في سمية الأدوية. قد لا تكون التواقيع الجينية دقيقة تمامًا ، ولكن يمكن اختبارها بشكل أكبر قبل ظهور الأعراض المرضية.

Metagenomics

تقليديا ، تم تدريس علم الأحياء الدقيقة مع الرأي القائل بأن الكائنات الحية الدقيقة من الأفضل دراستها في ظل ظروف الاستزراع البحت ، والتي تتضمن عزل نوع واحد من الخلايا وزراعته في المختبر. نظرًا لأن الكائنات الحية الدقيقة يمكن أن تمر عبر عدة أجيال في غضون ساعات ، فإن ملفات تعريف التعبير الجيني الخاصة بها تتكيف مع بيئة المختبر الجديدة بسرعة كبيرة. من ناحية أخرى ، تقاوم العديد من الأنواع الاستزراع بمعزل عن غيرها. لا تعيش معظم الكائنات الحية الدقيقة ككيانات منعزلة ، بل تعيش في مجتمعات ميكروبية تُعرف باسم الأغشية الحيوية. لكل هذه الأسباب ، فإن الثقافة النقية ليست دائمًا أفضل طريقة لدراسة الكائنات الحية الدقيقة. Metagenomics هي دراسة الجينومات الجماعية لأنواع متعددة تنمو وتتفاعل في مكانة بيئية. يمكن استخدام علم الميتاجينوميات لتحديد الأنواع الجديدة بسرعة أكبر ولتحليل تأثير الملوثات على البيئة (الشكل 10.3.3). يمكن الآن أيضًا تطبيق تقنيات الميتاجينوميات على مجتمعات حقيقيات النوى الأعلى ، مثل الأسماك.

إنشاء وقود حيوي جديد

يتم استخدام معرفة جينوم الكائنات الحية الدقيقة لإيجاد طرق أفضل لتسخير الوقود الحيوي من الطحالب والبكتيريا الزرقاء. المصادر الرئيسية للوقود اليوم هي الفحم والنفط والخشب والمنتجات النباتية الأخرى مثل الإيثانول. على الرغم من أن النباتات هي موارد متجددة ، لا تزال هناك حاجة لإيجاد المزيد من مصادر الطاقة المتجددة البديلة لتلبية متطلبات الطاقة لسكاننا. يعد عالم الميكروبات أحد أكبر الموارد للجينات التي تشفر إنزيمات جديدة وتنتج مركبات عضوية جديدة ، ولا تزال غير مستغلة إلى حد كبير. يمتلك هذا المورد الجيني الواسع القدرة على توفير مصادر جديدة للوقود الحيوي (الشكل 10.3.4).

جينوم الميتوكوندريا

الميتوكوندريا هي عضيات داخل الخلايا تحتوي على الحمض النووي الخاص بها. يتطور الحمض النووي للميتوكوندريا بمعدل سريع وغالبًا ما يستخدم لدراسة العلاقات التطورية. ميزة أخرى تجعل دراسة جينوم الميتوكوندريا مثيرة للاهتمام هي أنه في معظم الكائنات متعددة الخلايا ، يتم تمرير الحمض النووي للميتوكوندريا من الأم أثناء عملية الإخصاب. لهذا السبب ، غالبًا ما يُستخدم علم جينوم الميتوكوندريا لتتبع علم الأنساب.

علم الجينوم في تحليل الطب الشرعي

تم استخدام المعلومات والأدلة التي تم الحصول عليها من عينات الحمض النووي التي تم العثور عليها في مسرح الجريمة كدليل في قضايا المحكمة ، واستخدمت العلامات الجينية في تحليل الطب الشرعي. أصبح التحليل الجينومي مفيدًا أيضًا في هذا المجال. في عام 2001 ، نُشر أول استخدام لعلم الجينوم في الطب الشرعي. لقد كان جهدًا تعاونيًا بين مؤسسات البحث الأكاديمي ومكتب التحقيقات الفيدرالي لحل الحالات الغامضة للجمرة الخبيثة (الشكل 10.3.5) التي تم نقلها بواسطة خدمة البريد الأمريكية. تم تحويل بكتيريا الجمرة الخبيثة إلى مسحوق معدي وإرسالها بالبريد إلى وسائل الإعلام واثنين من أعضاء مجلس الشيوخ الأمريكي. أصاب المسحوق الموظفين الإداريين وعمال البريد الذين فتحوا الرسائل أو تعاملوا معها. توفي خمسة أشخاص ، وأصيب 17 آخرون من البكتيريا. باستخدام علم الجينوم الميكروبي ، قرر الباحثون استخدام سلالة معينة من الجمرة الخبيثة في جميع الرسائل البريدية. في النهاية ، تم تتبع المصدر لعالم في مختبر الدفاع البيولوجي الوطني في ولاية ماريلاند.

علم الجينوم في الزراعة

يمكن لعلم الجينوم أن يقلل من التجارب والإخفاقات التي ينطوي عليها البحث العلمي إلى حد معين ، مما قد يؤدي إلى تحسين جودة وكمية غلات المحاصيل في الزراعة (الشكل 10.3.6). يساعد ربط السمات بالجينات أو التوقيعات الجينية على تحسين تربية المحاصيل لتوليد أنواع هجينة تتمتع بأكثر الصفات المرغوبة. يستخدم العلماء البيانات الجينية لتحديد السمات المرغوبة ، ثم ينقلون تلك السمات إلى كائن حي مختلف لإنشاء كائن حي جديد معدل وراثيًا ، كما هو موضح في الوحدة السابقة. يكتشف العلماء كيف يمكن لعلم الجينوم أن يحسن نوعية وكمية الإنتاج الزراعي. على سبيل المثال ، يمكن للعلماء استخدام السمات المرغوبة لإنشاء منتج مفيد أو تحسين منتج موجود ، مثل جعل المحاصيل الحساسة للجفاف أكثر تحملاً لموسم الجفاف.

البروتيوميات

البروتينات هي المنتجات النهائية للجينات التي تؤدي الوظيفة المشفرة بواسطة الجين. تتكون البروتينات من الأحماض الأمينية وتلعب أدوارًا مهمة في الخلية. جميع الإنزيمات (باستثناء الريبوزيمات) هي بروتينات وتعمل كمحفزات تؤثر على معدل التفاعلات. البروتينات هي أيضًا جزيئات تنظيمية ، وبعضها هرمونات. تساعد بروتينات النقل ، مثل الهيموجلوبين ، في نقل الأكسجين إلى أعضاء مختلفة. الأجسام المضادة التي تدافع ضد الجسيمات الغريبة هي أيضًا بروتينات. في حالة المرض ، يمكن أن تتأثر وظيفة البروتين بسبب التغيرات على المستوى الجيني أو بسبب التأثير المباشر على بروتين معين.

البروتين هو المجموعة الكاملة من البروتينات التي ينتجها نوع من الخلايا. يمكن دراسة البروتينات باستخدام معرفة الجينوم لأن الجينات ترمز إلى mRNAs ، وترميز mRNAs البروتينات. تسمى دراسة وظيفة البروتينات البروتينات. تكمل البروتيوميات علم الجينوم وتكون مفيدة عندما يريد العلماء اختبار فرضياتهم القائمة على الجينات. على الرغم من أن جميع الخلايا في كائن متعدد الخلايا لها نفس مجموعة الجينات ، فإن مجموعة البروتينات المنتجة في أنسجة مختلفة مختلفة وتعتمد على التعبير الجيني. وبالتالي ، فإن الجينوم ثابت ، لكن البروتين يختلف ويصبح ديناميكيًا داخل الكائن الحي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تقطيع الحمض النووي الريبي بدلاً من ذلك (قص ولصق لإنشاء مجموعات جديدة وبروتينات جديدة) ، ويتم تعديل العديد من البروتينات بعد الترجمة. على الرغم من أن الجينوم يوفر مخططًا ، إلا أن البنية النهائية تعتمد على عدة عوامل يمكن أن تغير تطور الأحداث التي تولد البروتين.

تجري دراسة الجينومات والبروتينات للمرضى الذين يعانون من أمراض معينة لفهم الأساس الجيني للمرض. يعتبر السرطان من أبرز الأمراض التي تتم دراستها باستخدام الأساليب البروتينية (الشكل 10.3.7). تُستخدم الأساليب البروتينية لتحسين الفحص والكشف المبكر عن السرطان ؛ يتم تحقيق ذلك من خلال تحديد البروتينات التي يتأثر تعبيرها بعملية المرض. يُطلق على البروتين الفردي اسم المرمز الحيوي ، بينما تسمى مجموعة البروتينات ذات مستويات التعبير المتغيرة توقيع البروتين. لكي يكون المرقم الحيوي أو توقيع البروتين مفيدًا كمرشح للفحص المبكر واكتشاف السرطان ، يجب إفرازه في سوائل الجسم مثل العرق أو الدم أو البول ، بحيث يمكن إجراء فحوصات واسعة النطاق بطريقة غير باضعة . المشكلة الحالية في استخدام المؤشرات الحيوية للكشف المبكر عن السرطان هي ارتفاع معدل النتائج السلبية الكاذبة. النتيجة السلبية الخاطئة هي نتيجة اختبار سلبية يجب أن تكون إيجابية. بعبارة أخرى ، لا يتم اكتشاف العديد من حالات السرطان ، مما يجعل المؤشرات الحيوية غير موثوقة. بعض الأمثلة على المؤشرات الحيوية للبروتين المستخدمة في الكشف عن السرطان هي CA-125 لسرطان المبيض و PSA لسرطان البروستاتا. قد تكون بصمات البروتين أكثر موثوقية من المؤشرات الحيوية لاكتشاف الخلايا السرطانية. تُستخدم البروتيوميات أيضًا لتطوير خطط علاج فردية ، والتي تتضمن التنبؤ بما إذا كان الفرد سيستجيب لعقاقير معينة أم لا والآثار الجانبية التي قد يعاني منها الفرد. تُستخدم البروتيوميات أيضًا للتنبؤ بإمكانية تكرار المرض.

طور المعهد الوطني للسرطان برامج لتحسين اكتشاف وعلاج السرطان. تعد تقنيات البروتينات السريرية للسرطان وشبكة أبحاث الاكتشاف المبكر جهودًا لتحديد بصمات البروتين الخاصة بأنواع مختلفة من السرطانات. تم تصميم برنامج البروتينات الطبية الحيوية لتحديد بصمات البروتين وتصميم علاجات فعالة لمرضى السرطان.

ملخص

يشبه رسم خرائط الجينوم حل لغز كبير ومعقد بقطع من المعلومات الواردة من المختبرات في جميع أنحاء العالم. توفر الخرائط الجينية مخططًا تفصيليًا لموقع الجينات داخل الجينوم ، وتقدير المسافة بين الجينات والعلامات الجينية على أساس تكرار إعادة التركيب أثناء الانقسام الاختزالي. توفر الخرائط المادية معلومات مفصلة حول المسافة المادية بين الجينات. تتوفر المعلومات الأكثر تفصيلاً من خلال تعيين التسلسل. يتم دمج المعلومات من جميع مصادر الخرائط والتسلسل لدراسة الجينوم بأكمله.

تسلسل الجينوم الكامل هو أحدث الموارد المتاحة لعلاج الأمراض الوراثية. يستخدم بعض الأطباء تسلسل الجينوم الكامل لإنقاذ الأرواح. يحتوي علم الجينوم على العديد من التطبيقات الصناعية ، بما في ذلك تطوير الوقود الحيوي والزراعة والأدوية ومكافحة التلوث.

الخيال هو العائق الوحيد لتطبيق علم الجينوم. يتم تطبيق علم الجينوم في معظم مجالات علم الأحياء. يمكن استخدامه للطب الشخصي ، والتنبؤ بمخاطر المرض على المستوى الفردي ، ودراسة التفاعلات الدوائية قبل إجراء التجارب السريرية ، ودراسة الكائنات الحية الدقيقة في البيئة بدلاً من المختبر. كما يتم تطبيقه على توليد أنواع جديدة من الوقود الحيوي ، وتقييم الأنساب باستخدام الميتوكوندريا ، والتقدم في علوم الطب الشرعي ، والتحسينات في الزراعة.

علم البروتينات هو دراسة مجموعة البروتينات الكاملة التي يتم التعبير عنها بواسطة نوع معين من الخلايا في ظل ظروف بيئية معينة. في الكائن متعدد الخلايا ، سيكون للأنواع المختلفة من الخلايا بروتينات مختلفة ، وسوف تختلف باختلاف التغيرات في البيئة. على عكس الجينوم ، يكون البروتين ديناميكيًا ويخضع لتدفق مستمر ، مما يجعله أكثر تعقيدًا وفائدة من معرفة الجينوم وحده.

قائمة المصطلحات

المرقم الحيوي
بروتين فردي يتم إنتاجه بشكل فريد في حالة مرضية
الخريطة الجينية
مخطط تفصيلي للجينات وموقعها على كروموسوم يعتمد على ترددات إعادة التركيب بين العلامات
علم الجينوم
دراسة الجينومات بأكملها ، بما في ذلك المجموعة الكاملة من الجينات ، وتسلسل النيوكليوتيدات وتنظيمها ، وتفاعلاتها داخل الأنواع ومع الأنواع الأخرى
الميتاجينوميات
دراسة الجينومات الجماعية لأنواع متعددة تنمو وتتفاعل في مكانة بيئية
كائن نموذجي
أحد الأنواع التي تمت دراستها واستخدامها كنموذج لفهم العمليات البيولوجية في الأنواع الأخرى التي يمثلها الكائن النموذجي
علم الجينات الصيدلية
دراسة التفاعلات الدوائية مع الجينوم أو البروتين ؛ وتسمى أيضًا علم الوراثة السمي
خريطة البدنية
تمثيل للمسافة المادية بين الجينات أو العلامات الجينية
توقيع البروتين
مجموعة من البروتينات المفرطة أو ناقصة التعبير المميزة للخلايا في نسيج مريض معين
البروتينات
دراسة وظيفة البروتينات

هندسة الجينوم والبروتيوميات في الطب والبيولوجيا

هندسة الجينوم والبروتيوميات في الطب والبيولوجيا يقدم مناقشة شاملة ومتعددة التخصصات لموضوع في طليعة كل من البيولوجيا الجزيئية والهندسة الحيوية. يجمع هذا الكتاب مساهمات الخبراء المعروفين ، ويسلط الضوء على التطبيقات الحديثة للمعلوماتية الطبية الحيوية ، بالإضافة إلى التطورات في مجالات علم الجينوم والبروتيوميات. تُستخدم الهياكل والخوارزميات لتحليل البيانات الجينومية وتطوير حلول حسابية لفهم المرض.

تشمل الموضوعات التي تمت مناقشتها ما يلي:

  • نماذج المعرفة النوعية
  • تفسير بيانات المصفوفة الدقيقة
  • تنظيم المعلومات الحيوية الجينية
  • طرق تحليل المصفوفة الدقيقة
  • سلوك السرطان والعلاج الإشعاعي
  • أكواد التحكم في الخطأ والجينوم
  • استعلامات قواعد بيانات متعددة في علوم الحياة المعقدة
  • تحليل البروتين الحسابي
  • تفاعلات البروتينات الكابتة للورم والورم

اشتري كلاهما ووفر 25٪!

هذه الماده: هندسة الجينوم والبروتيوميات في الطب والبيولوجيا

لا يمكن دمجها مع أي عروض أخرى.

اشتري كلاهما ووفر 25٪!

هذه الماده: هندسة الجينوم والبروتيوميات في الطب والبيولوجيا

لا يمكن دمجها مع أي عروض أخرى.

اشتري كلاهما ووفر 25٪!

هذه الماده: هندسة الجينوم والبروتيوميات في الطب والبيولوجيا

لا يمكن دمجها مع أي عروض أخرى.


التقنيات الأساسية في تحليل البروتين

الهدف النهائي للبروتينات هو تحديد أو مقارنة البروتينات التي يتم التعبير عنها من جينوم معين في ظل ظروف محددة ، ودراسة التفاعلات بين البروتينات ، واستخدام المعلومات للتنبؤ بسلوك الخلية أو تطوير أهداف دوائية. مثلما يتم تحليل الجينوم باستخدام التقنية الأساسية لتسلسل الحمض النووي ، تتطلب البروتينات تقنيات لتحليل البروتين. الطريقة الأساسية لتحليل البروتين ، مماثلة لتسلسل الحمض النووي ، هي قياس الطيف الكتلي. يستخدم مطياف الكتلة لتحديد خصائص الجزيء وتحديدها. سمح التقدم في قياس الطيف للباحثين بتحليل عينات صغيرة جدًا من البروتين. يمكّن علم البلورات بالأشعة السينية ، على سبيل المثال ، العلماء من تحديد البنية ثلاثية الأبعاد لبلورة البروتين بدقة الذرات. تستخدم تقنية تصوير البروتين الأخرى ، وهي الرنين المغناطيسي النووي (NMR) ، الخصائص المغناطيسية للذرات لتحديد البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات في محلول مائي. كما تم استخدام مصفوفات البروتين الدقيقة لدراسة التفاعلات بين البروتينات. قدمت التعديلات واسعة النطاق للشاشة الأساسية ثنائية الهجين ([رابط]) الأساس لمصفوفات البروتين الدقيقة. يتم استخدام برامج الكمبيوتر لتحليل الكمية الهائلة من البيانات التي تم إنشاؤها للتحليل البروتيني.

التحليلات الجينومية والبروتيومية هي جزء من بيولوجيا الأنظمة. بيولوجيا الأنظمة هي دراسة الأنظمة البيولوجية الكاملة (الجينومات والبروتينات) بناءً على التفاعلات داخل النظام. يعمل المعهد الأوروبي للمعلومات الحيوية ومنظمة البروتينات البشرية (HUPO) على تطوير وإنشاء أدوات فعالة لفرز الكومة الهائلة من بيانات بيولوجيا الأنظمة. نظرًا لأن البروتينات هي نتاج مباشر للجينات وتعكس نشاطًا على المستوى الجيني ، فمن الطبيعي استخدام البروتينات لمقارنة ملامح البروتين للخلايا المختلفة لتحديد البروتينات والجينات المشاركة في عمليات المرض. تستهدف معظم تجارب الأدوية الصيدلانية البروتينات. يتم استخدام المعلومات التي تم الحصول عليها من البروتينات لتحديد الأدوية الجديدة وفهم آليات عملها.


يتمثل التحدي الذي تواجهه التقنيات المستخدمة في التحليلات البروتينية في صعوبة اكتشاف الكميات الصغيرة من البروتينات. على الرغم من أن قياس الطيف الكتلي مفيد للكشف عن الكميات الصغيرة من البروتينات ، إلا أن الاختلافات في تعبير البروتين في الحالات المريضة قد يكون من الصعب تمييزها. البروتينات جزيئات غير مستقرة بشكل طبيعي ، مما يجعل التحليل البروتيني أكثر صعوبة من التحليل الجيني.


ملخص القسم

علم البروتينات هو دراسة مجموعة البروتينات الكاملة التي يتم التعبير عنها بواسطة نوع معين من الخلايا في ظل ظروف بيئية معينة. في الكائن متعدد الخلايا ، سيكون للأنواع المختلفة من الخلايا بروتينات مختلفة ، وسوف تختلف باختلاف التغيرات في البيئة. على عكس الجينوم ، يكون البروتين ديناميكيًا وفي تدفق مستمر ، مما يجعله أكثر تعقيدًا وفائدة من معرفة الجينوم وحده.

تعتمد مناهج البروتيوميات على تحليل البروتين ، ويتم تحديث هذه التقنيات باستمرار. تم استخدام البروتيوميات لدراسة أنواع مختلفة من السرطان. يتم استخدام مؤشرات حيوية مختلفة وتوقيعات البروتين لتحليل كل نوع من أنواع السرطان. الهدف المستقبلي هو الحصول على خطة علاج مخصصة لكل فرد.


مشروع الجينوم البشري

في محاولة لتنظيم هذه التطورات السريعة ، اقترح روبرت إل. سينشايمر من جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز رسميًا في عام 1985 إمكانية بذل جهد منسق لتسلسل الجينوم البشري. في عام 1986 ، كتب ريناتو دولبيكو ، الحائز على جائزة نوبل وعضو في معهد سالك ، في صفحات علم مجلة مقترح مماثل لتقديم الدعامة لدراسة السرطان (Dulbecco ، 1986). التقارير المؤثرة والمنتشرة على نطاق واسع من قبل وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ، مكتب الكونجرس للتقييم التكنولوجي (الكونجرس الأمريكي ، 1988) ، والمجلس القومي للبحوث (NRC ، 1988) اتبعت وأوصت بمثل هذا المشروع. أوصى تقرير المجلس النرويجي للاجئين بأن تدعم الحكومة الأمريكية مشروعًا ماليًا وقدم مخططًا لخطة بحث متعددة الخطوات لتحقيق الهدف على مدار 15 عامًا. بعد ذلك بوقت قصير ، وقعت المعاهد الوطنية للصحة ووزارة الطاقة مذكرة تفاهم لـ & # x0201c توفير التنسيق الرسمي & # x0201d لأنشطتهم & # x0201cto خريطة وتسلسل الجينوم البشري. & # x0201d في السنة المالية 1988 ، أطلق الكونجرس رسميًا مشروع الجينوم البشري ( HGP) من خلال تخصيص الأموال لكل من وزارة الطاقة والمعاهد الوطنية للصحة لهذا الغرض المحدد.

كما هو متصور في تقرير المجلس النرويجي للاجئين ، لم يبدأ HGP على الفور بالتسلسل البشري. بدلاً من ذلك ، سعى البرنامج إلى بناء البنية التحتية من خلال مجموعة متنوعة من المشاريع. تضمنت هذه الجهود استكشاف تقنيات التسلسل البديلة ، وتكييف التقنيات الحالية مع المشكلة الأبسط المتمثلة في تسلسل الجينوم الأصغر للكائنات المختبرية ، وتطوير خرائط منخفضة الدقة للجينوم البشري. بدأت دول أخرى & # x02014in ، ولا سيما بريطانيا وفرنسا واليابان & # x02014 ، أيضًا HGP ، وفي الواقع جاءت العديد من النجاحات المبكرة من خارج الولايات المتحدة.

على الرغم من الدعم الحكومي الواسع ، أثار HGP جدلًا كبيرًا في المجتمع العلمي. أدى التحول من العلم التقليدي ، القائم على الفرضية ، والمختبر الصغير ، وجين واحد ، وبروتين واحد في كل مرة إلى هذا البرنامج الهندسي الواسع النطاق المدفوع بالبيانات إلى خلق مقاومة في مجتمع علم الوراثة الجزيئية. حتى أنصار المشروع لم يكونوا متحدين في رؤيتهم حول أفضل السبل للمضي قدمًا. شعر الكثيرون أن المشروع سيصبح مجديًا فقط مع اكتشاف طرق تسلسل جديدة تمامًا والتي من شأنها أن تكون أوامر من حيث الحجم أسرع وأرخص من الطرق السابقة. جادل آخرون ، ولا سيما كريج فنتر ، الذي كان حينها محققًا في المعاهد الوطنية للصحة ، بأنه بالنسبة للجينوم البشري & # x02014 عندما كان يعتقد أن الكثير من التسلسل بدون وظيفة (ما يسمى بالحمض النووي غير الهام) & # x02014 ، فإن الإستراتيجية الأكثر فاعلية ستكون التسلسل فقط جينات ترميز البروتين من خلال cDNAs ، وبالتالي تقليل كمية التسلسل المطلوب بعامل 10 أو أكثر.

على الرغم من التوقعات المحافظة ، تم إحراز تقدم سريع على العديد من الجبهات. سرعان ما ظهرت خريطة جينية بشرية إطارية ، بدقة أكبر بكثير مما كان متوقعًا في البداية. صُممت جزيئات الدنا الدائرية ، أو النواقل ، لنقل كميات أكبر من الدنا إلى البكتيريا ، وبالتالي تسهيل بناء الخرائط الفيزيائية للجينومات الكاملة. أدى تكيف مناهج تسلسل الحمض النووي التقليدية مع الآلات المؤتمتة للغاية إلى توسع كبير في قدرة تسلسل الحمض النووي العالمية التي أنتجت في تتابع سريع تسلسل الجينوم البكتيري الأول (إنفلونزا المستدمية) ، الجينوم الأول لحقيقيات النوى ، كائن حي له نواة خلوية (خميرة الخباز أو S. cerevisiae) ، وأول جينوم لحيوان متعدد الخلايا (الدودة المستديرة C. ايليجانس). نظرًا للطبيعة البراغماتية لمعظم العلماء ، لم يكن مفاجئًا أن الفائدة الهائلة لتسلسلات الجينوم بأكملها عبر المؤسسة العلمية البيولوجية تغلبت بسرعة على اعتراضات المتشككين المتبقين. Novel sequencing methods were not required instead, the basic Sanger method was almost completely transformed by new machines�veloped, for example, by Lloyd Smith, Leroy Hood, and Michael Hunkapiller at the California Institute of Technology𠅊nd software by others, such as Phil Green, to deal with the data. The early enthusiasm for sequencing cDNAs or their cousins, expressed sequence tags (ESTs), waned as this information proved to be no substitute for the full genome sequence. However, once a full genome sequence was obtained, both cDNA and EST information proved highly useful in finding genes. EST and cDNA sequencing also provided a rapid means of identifying and characterizing some medically significant genes, opening a path to early intellectual property claims. Venter pursued EST sequencing vigorously, and two companies, Incyte and Human Genome Sciences, devoted extensive resources to capturing these sequences and obtaining patent rights to them (see Chapter 3).

Based on this initial flurry of success, the international HGP began the systematic sequencing of the human genome in 1996 on a pilot scale and in 1999 initiated a full-scale effort. Because many investigators wanted to participate in such a historic project, the pilot phase included laboratories throughout the world. The pilot phase was intended to evaluate the cost and quality of the product, select among the variations in sequencing strategies that were still in play, and determine whether performance and economies of scale warranted reducing the number of participants.

Funded participants met in early 1996 to coordinate their efforts. Among the critical decisions made by the group was the adoption of the �rmuda Rules” as the basis for data sharing and release (see discussion and Box B). In a subsequent meeting, the group also considered a proposal to switch from a clone-based strategy to a whole-genome shotgun, or fragment-based, approach. The potential value of rapid access to large parts of the genome (and therefore genes) was not disputed, but the proponents could not describe a path from the shotgun data to a high-quality complete sequence. The challenges of assembling sequences of individual DNA fragments and in turn assigning all the pieces to specific chromosomal locations in the correct order and orientation were additional concerns. After vigorous debate, the switch in strategy was rejected.

BOX B

Birth of the Biotechnology Industry. The birth of the modern biotechnology industry can be traced to the early 1970s, with the discovery of genetic engineering techniques, such as recombinant DNA methods and hybridoma production. These discoveries were (more. )

As the pilot phase drew to a close, the successful groups coalesced around a common strategy and methodology, and a few groups emerged as leaders. Economies of scale also were evident. Most importantly, the pilot phase demonstrated that the strategy was capable of producing high-quality sequences in large contiguous blocks at acceptable costs and that costs were continuing to fall. Funding agencies in the United States and the United Kingdom elected to proceed with a full-scale effort, limiting resource allocations to only a small number of highly successful research teams.

Just as these decisions were being made, Craig Venter and the DNA sequencing instrument manufacturer Applied Biosystems, Inc. (ABI) surprised the genomics community with their announcement of a joint venture to sequence the human genome using a whole-genome shotgun approach, in direct competition with the international effort. Unlike the public project, their data were to be held by a company (Celera, Inc.) and initially released only to paying subscribers. Patents would be sought for genes of interest. The scientists leading both the public and private ventures had strong motives to pursue their own courses, and they justified their plans to their funders. A race was on.

On June 26, 2000, the public and private groups announced jointly at a White House-sponsored event that each had succeeded in producing an initial draft of the human sequence, with simultaneous publications describing their findings appearing in 2001 (Lander et al., 2001 Venter et al., 2001). The international HGP published a full and significantly more accurate human genome sequence in 2004. Genome sequences from species across the evolutionary tree continue to flood the databases today.


البروتيوميات

Changes in DNA, RNA, or epigenetic events may be responsible for the abnormal function associated with many tumors, but the analysis of the proteins themselves is the most direct method to assess for critical changes in a cell’s function. Recall that the purpose of DNA is to provide the code (via RNA) for all proteins. The field of proteomics uses a variety of techniques that allow for the separation of the thousands of proteins in a cell, as well as the structure and function of many of these molecules. Proteomics is usually divided into two critical phases. First is the separation of the different proteins in a sample—typically achieved by their size and overall charge (basic or acidic) and second is the identification of the different proteins—usually achieved through a technique called mass spectroscopy. As with genomic analysis, tissue is necessary for proteomics however because many tumors shed their proteins in the blood or cerebral spinal fluid (CSF), these samples can sometimes act as surrogates to tumor tissue. Our increasing ability to identify the location, quantity, and activity of different proteins in a tumor sample has provided the pharmaceutical industry with the targets on which tumor specific inhibitors can be developed. In fact, a number of these drugs are already being used for a variety of different adult cancers and have started testing in pediatric patients as well.


PARPs and ADP-ribosylation: recent advances linking molecular functions to biological outcomes

The discovery of poly(ADP-ribose) >50 years ago opened a new field, leading the way for the discovery of the poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) family of enzymes and the ADP-ribosylation reactions that they catalyze. Although the field was initially focused primarily on the biochemistry and molecular biology of PARP-1 in DNA damage detection and repair, the mechanistic and functional understanding of the role of PARPs in different biological processes has grown considerably of late. This has been accompanied by a shift of focus from enzymology to a search for substrates as well as the first attempts to determine the functional consequences of site-specific ADP-ribosylation on those substrates. Supporting these advances is a host of methodological approaches from chemical biology, proteomics, genomics, cell biology, and genetics that have propelled new discoveries in the field. New findings on the diverse roles of PARPs in chromatin regulation, transcription, RNA biology, and DNA repair have been complemented by recent advances that link ADP-ribosylation to stress responses, metabolism, viral infections, and cancer. These studies have begun to reveal the promising ways in which PARPs may be targeted therapeutically for the treatment of disease. In this review, we discuss these topics and relate them to the future directions of the field.

الكلمات الدالة: DNA repair RNA biology gene regulation mono(ADP-ribose) (MAR) poly(ADP-ribose) (PAR) poly(ADP-ribose) polymerase (PARP).

© 2017 Gupte et al. Published by Cold Spring Harbor Laboratory Press.

الأرقام

A variety of effectors mediate…

A variety of effectors mediate intracellular ADP-ribosylation dynamics. PARPs act as “writers” that…

Structures of ARBDs. ( أ…

Structures of ARBDs. ( أ ) The ARBDs shown include a macrodomain from…

A time line of discoveries…

A time line of discoveries for PARPs and ADP-ribosylation. The schematic illustrates our…

Varied roles of ADP-ribosylation in…

Varied roles of ADP-ribosylation in the regulation of gene regulation. ( أ )…

PARP monoenzymes and catalytically inactive…

PARP monoenzymes and catalytically inactive PARPs participate in diverse biological processes. ( أ…

New technologies to detect and…

New technologies to detect and study cellular ADP-ribosylation. The schematic illustrates different technologies…

Chemistry of PAR cleavage for…

Chemistry of PAR cleavage for use in MS methods. ( أ ) Chemical…

Chemical biology approaches to identify…

Chemical biology approaches to identify PARP-specific ADP-ribosylation events. ( أ ) Molecular structures…

Comparison of techniques used to…

Comparison of techniques used to map genome-wide ADP-ribosylation. ( أ ) ADPr-ChAP by…


"Mind the gap"

You might think that celebrating the completion of 90% of a task is unusual, particularly in the context of scientific research. Why rejoice now? Why not wait until we have mapped 100% of the human proteome?

An appreciation for the sheer complexity of the proteome, the growing capabilities of analytical technologies and the pressures faced by an arguably under-funded research field – particularly when compared to genomics – is pertinent to understand why 90% يكون a huge triumph, and a cause for celebration. And so, the HPP chooses to "mind the gap", respecting this achievement whilst acknowledging the intention to complete the coverage with "high fidelity" in due course.

Credit: Suad Kamardeen on Unsplash.

The "missing" proteins of the human proteome may be hiding out of sight in rare cells or tissues, expressed at specific fetal or childhood developmental stages or perhaps in quantities that are too low to be detected by current mass spectrometry approaches. Others may be hiding in plain sight, but their amino acid sequence and chemical composition may render such proteins not amenable to current mass spectrometry instrumentation and methodology. When asked whether it is possible that some proteins may never be mapped, Petricoin says that it would be dogmatic to say never: "Science is always improving and getting better. Right now, it is a product of these 10% being extremely low abundance, having extremely short half-lives and mass spectrometry still not being analytically sensitive enough to 'see' these markers," he explained.


علم الأحياء 171

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

Proteins are the final products of genes, which help perform the function that the gene encodes. Amino acids comprise proteins and play important roles in the cell. All enzymes (except ribozymes) are proteins that act as catalysts to affect the rate of reactions. Proteins are also regulatory molecules, and some are hormones. Transport proteins, such as hemoglobin, help transport oxygen to various organs. Antibodies that defend against foreign particles are also proteins. In the diseased state, protein function can be impaired because of changes at the genetic level or because of direct impact on a specific protein.

A proteome is the entire set of proteins that a cell type produces. We can study proteoms using the knowledge of genomes because genes code for mRNAs, and the mRNAs encode proteins. Although mRNA analysis is a step in the right direction, not all mRNAs are translated into proteins. Proteomics is the study of proteomes’ function. Proteomics complements genomics and is useful when scientists want to test their hypotheses that they based on genes. Even though all multicellular organisms’ cells have the same set of genes, the set of proteins produced in different tissues is different and dependent on gene expression. Thus, the genome is constant, but the proteome varies and is dynamic within an organism. In addition, RNAs can be alternately spliced (cut and pasted to create novel combinations and novel proteins) and many proteins modify themselves after translation by processes such as proteolytic cleavage, phosphorylation, glycosylation, and ubiquitination. There are also protein-protein interactions, which complicate studying proteomes. Although the genome provides a blueprint, the final architecture depends on several factors that can change the progression of events that generate the proteome.

Metabolomics is related to genomics and proteomics. Metabolomics involves studying small molecule metabolites in an organism. The metabolome is the complete set of metabolites that are related to an organism’s genetic makeup. Metabolomics offers an opportunity to compare genetic makeup and physical characteristics, as well as genetic makeup and environmental factors. The goal of metabolome research is to identify, quantify, and catalogue all the metabolites in living organisms’ tissues and fluids.

Basic Techniques in Protein Analysis

The ultimate goal of proteomics is to identify or compare the proteins expressed from a given genome under specific conditions, study the interactions between the proteins, and use the information to predict cell behavior or develop drug targets. Just as scientists analyze the genome using the basic DNA sequencing technique, proteomics requires techniques for protein analysis. The basic technique for protein analysis, analogous to DNA sequencing, is mass spectrometry. Mass spectrometry identifies and determines a molecule’s characteristics. Advances in spectrometry have allowed researchers to analyze very small protein samples. X-ray crystallography, for example, enables scientists to determine a protein crystal’s three-dimensional structure at atomic resolution. Another protein imaging technique, nuclear magnetic resonance (NMR), uses atoms’ magnetic properties to determine the protein’s three-dimensional structure in aqueous solution. Scientists have also used protein microarrays to study protein interactions. Large-scale adaptations of the basic two-hybrid screen ((Figure)) have provided the basis for protein microarrays. Scientists use computer software to analyze the vast amount of data for proteomic analysis.

Genomic- and proteomic-scale analyses are part of systems biology , which is the study of whole biological systems (genomes and proteomes) based on interactions within the system. The European Bioinformatics Institute and the Human Proteome Organization (HUPO) are developing and establishing effective tools to sort through the enormous pile of systems biology data. Because proteins are the direct products of genes and reflect activity at the genomic level, it is natural to use proteomes to compare the protein profiles of different cells to identify proteins and genes involved in disease processes. Most pharmaceutical drug trials target proteins. Researchers use information that they obtain from proteomics to identify novel drugs and to understand their mechanisms of action.


Scientists are challenged when implementing proteomic analysis because it is difficult to detect small protein quantities. Although mass spectrometry is good for detecting small protein amounts, variations in protein expression in diseased states can be difficult to discern. Proteins are naturally unstable molecules, which makes proteomic analysis much more difficult than genomic analysis.

Cancer Proteomics

Researchers are studying patients’ genomes and proteomes to understand the genetic basis of diseases. The most prominent disease researchers are studying with proteomic approaches is cancer. These approaches improve screening and early cancer detection. Researchers are able to identify proteins whose expression indicates the disease process. An individual protein is a biomarker whereas, a set of proteins with altered expression levels is a protein signature . For a biomarker or protein signature to be useful as a candidate for early cancer screening and detection, they must secrete in body fluids, such as sweat, blood, or urine, such that health professionals can perform large-scale screenings in a noninvasive fashion. The current problem with using biomarkers for early cancer detection is the high rate of false-negative results. A false negative is an incorrect test result that should have been positive. In other words, many cancer cases go undetected, which makes biomarkers unreliable. Some examples of protein biomarkers in cancer detection are CA-125 for ovarian cancer and PSA for prostate cancer. Protein signatures may be more reliable than biomarkers to detect cancer cells. Researchers are also using proteomics to develop individualized treatment plans, which involves predicting whether or not an individual will respond to specific drugs and the side effects that the individual may experience. Researchers also use proteomics to predict the possibility of disease recurrence.

The National Cancer Institute has developed programs to improve cancer detection and treatment. The Clinical Proteomic Technologies for Cancer and the Early Detection Research Network are efforts to identify protein signatures specific to different cancer types. The Biomedical Proteomics Program identifies protein signatures and designs effective therapies for cancer patients.

ملخص القسم

Proteomics is the study of the entire set of proteins expressed by a given type of cell under certain environmental conditions. In a multicellular organism, different cell types will have different proteomes, and these will vary with environmental changes. Unlike a genome, a proteome is dynamic and in constant flux, which makes it both more complicated and more useful than the knowledge of genomes alone.

Proteomics approaches rely on protein analysis. Researchers are constantly upgrading these techniques. Researchers have used proteomics to study different cancer types. Medical professionals are using different biomarkers and protein signatures to analyze each cancer type. The future goal is to have a personalized treatment plan for each individual.

إستجابة مجانية

How has proteomics been used in cancer detection and treatment?

Proteomics has provided a way to detect biomarkers and protein signatures, which have been used to screen for the early detection of cancer.

What is personalized medicine?

Personalized medicine is the use of an individual’s genomic sequence to predict the risk for specific diseases. When a disease does occur, it can be used to develop a personalized treatment plan.

قائمة المصطلحات


Sca1+ Progenitor Cells (Ex vivo) Exhibits Differential Proteomic Signatures From the Culture Adapted Sca1+ Cells (In vitro), Both Isolated From Murine Skeletal Muscle Tissue

Stem Cell Reviews and Reports (2021)

Forensic proteomics

  • Glendon J. Parker
  • , Heather E. McKiernan
  • , Kevin M. Legg
  • & Zachary C. Goecker

Forensic Science International: Genetics (2021)

Intron retention and its impact on gene expression and protein diversity: A review and a practical guide

  • David F. Grabski
  • , Lucile Broseus
  • , Bandana Kumari
  • , David Rekosh
  • , Marie‐Louise Hammarskjold
  • & William Ritchie

A pilot study indicating the dysregulation of the complement and coagulation cascades in treated schizophrenia and bipolar disorder patients

  • Elisa Castañeda Santa Cruz
  • , Flávia da Silva Zandonadi
  • , Wagner Fontes
  • & Alessandra Sussulini

Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics (2021)


شاهد الفيديو: الفرق بين Gene و Genome و Chromatin و Chromatid و chromosome (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Rickward

    أوافق ، إنها العبارة المضحكة

  2. Dugis

    موضوع رائع

  3. Yazid

    في هذا الشيء فكرة ممتازة ، فإنه يتفق معك.

  4. Martyn

    إنها معلومات رائعة وقيمة للغاية

  5. Kyrell

    لأن هذا يبدو مثيرًا للاهتمام

  6. Qaseem

    ATP أحبه!

  7. Northwode

    أحسنت ، يبدو لي أن هذه هي الفكرة الرائعة



اكتب رسالة