Геномика — разлика између измена
Садржај обрисан Садржај додат
Нема описа измене |
Нема описа измене |
||
Ред 1:
{{Радови у току}}
'''Геномика''' је област [[Молекуларна биологија|молекуларне биологије]] која се бави проучавањем структуре, функције, организације, [[Еволуција (биологија)|еволуције]] и [[Mapiranje gena|мапирања]] [[Геном|генома]] . Геном је скуп свих гена једне хаплоидне ћелије. За разлику од [[Генетика|генетике]], која се бави проучавањем структуре појединачних [[Ген|гена]] и њихове улоге у наслеђивању, геномика има за циљ колективну карактеризацију и квантификацију свих гена организма, њихове међусобне везе и утицај на организам, као и анализу осталих функционалних елемената генома попут [[Regulatorni region|регулаторних региона]] итд.<ref>{{Cite web|url=https://www.who.int/genomics/geneticsVSgenomics/en/|title=WHO definitions of genetics and genomics|publisher=World Health Organization}}</ref><ref name=":1">{{Cite book|title=Основи манипулисања генима|last=Стевановић|first=Милена|publisher=Биолошки факултет, Универзитет у Београду|year=2016|isbn=978-86-7078-132-0|location=Београд|pages=108}}</ref> Гени могу да усмеравају производњу [[Протеин|протеина]] уз помоћ [[Ензим|ензима]] и молекула. Протеини изграђују телесне структуре као што су органи и ткива, учествују у контроли хемијских реакција и преноса сигнала унутар и између ћелија. Геномика такође укључује секвенцирање и анализу генома путем [[DNK sekvenciranje|секвенцирања ДНК]] и [[Биоинформатика|биоинформатике]].<ref>{{Cite book|url=https://www.worldcat.org/oclc/747232752|title=Concepts of genetics|date=2012|publisher=Pearson Education|others=William S. Klug|isbn=978-0-321-72412-0|edition=10th ed|location=San Francisco|oclc=747232752}}</ref><ref>{{Cite book|url=https://www.worldcat.org/oclc/55983868|title=Genetics|date=2003|publisher=Macmillan Reference USA|others=Richard Robinson|isbn=0-02-865890-6|location=New York|oclc=55983868}}</ref> Напредак у геномици покренуо је револуцију у различитим истраживањима и [[Sistemska biologija|системској биологији]] са идејом да се олакша разумевање чак и најсложенијих биолошких система као што је мозак.<ref>{{Cite journal|last=Kadakkuzha|first=Beena M.|last2=Puthanveettil|first2=Sathyanarayanan V.|date=July 2013|title=Genomics and proteomics in solving brain complexity|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6425491/|journal=Molecular bioSystems|volume=9|issue=7|pages=1807–1821|doi=10.1039/c3mb25391k|issn=1742-206X|pmc=6425491|pmid=23615871}}</ref>
Област укључује студије интрагеномских (унутар генома) феномена као што су [[Интеракције гена|епистаза]] (утицај једног гена на други), [[плејотропија]] (појава да један ген утиче на више особина), [[Хетерозис|хетероза]] и друге интеракције између [[Lokus (genetika)|локуса]] и [[Алел|алела]] унутар геном.<ref name=":2">{{Cite book|url=https://www.worldcat.org/oclc/253189041|title=Bioinformatics and functional genomics|last=Pevsner|first=Jonathan|date=2009|publisher=Wiley-Blackwell|isbn=978-0-470-08585-1|edition=2nd ed|location=Hoboken, N.J.|oclc=253189041}}</ref>
Доживљава процват преласком из 20. у 21. век када се одређује примарна структура (мапа) људског генома (2003), тачно 50 година од открића структуре [[ДНК]] од стране [[Džejms D. Votson|Вотсона]] и [[Fransis Krik|Крика]]. Уско је повезана са [[Биотехнологија|биотехнологијом]] и компјутерским технологијама.
Ред 10:
=== Етимологија ===
Реч Ген потиче из Грчког језика, ΓΕΝ
=== Историјат секвенцирања ===
[[Фредерик Сангер]], добитник Нобелове награде за утврђивање секвенце [[аминокиселина]] у [[Инсулин|инсулину]], је заједно са колегама одиграо кључну улогу у развоју техника секвенцирања [[ДНК]].<ref name=":2" /> Године 1975., Алан Колсон и Сангер су објавили поступак секвенцирања помоћу [[ДНК полимераза|ДНК полимеразе]] и радиоактивно обележених [[Нуклеотид|нуклеотида]]. Технику су назвали „Плус и Минус техника”.<ref>{{Cite book|url=https://www.worldcat.org/oclc/949283348|title=Principles of genetics|last=Tamarin|first=Robert H.|date=2004.|publisher=McGraw-Hill|isbn=978-0-07-124320-9|edition=7th ed|location=Boston|oclc=949283348}}</ref><ref>Sanger F (1980). [https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1980/sanger-lecture.pdf "Nobel lecture: Determination of nucleotide sequences in DNA"] (PDF). Nobelprize.org. Retrieved 2010-10-18.</ref> Процес је укључивало две блиско повезане методе које су генерисале кратке олигонуклеотиде са дефинисаним 3' крајевима. Олигонулкеотиди се даље могу фракционисати [[Електрофореза|електрофорезом]] на [[Полиакриламид|полиакриламидном]] гелу (електрофореза у полиакриламидном гелу) и визуализовати помоћу [[Ауторадиографија|ауторадиографије]]. Овим поступком је било могуће секвенцирати секвенцу дугу до 80 нуклеотида у једном потезу, што је било велико побољшање, али је и даље био врло временски напоран процес. Ипак, 1977. године је Сангерова група успела да секвенцира већину од 5.386 нуклеотида једноланчаног [[Bakteriofag|бактериофага]] [[φКс174]].<ref name=":3">{{Cite journal|last=Sanger|first=F.|last2=Air|first2=G. M.|last3=Barrell|first3=B. G.|last4=Brown|first4=N. L.|last5=Coulson|first5=A. R.|last6=Fiddes|first6=J. C.|last7=Hutchison|first7=C. A.|last8=Slocombe|first8=P. M.|last9=Smith|first9=M.|date=February 1977|title=Nucleotide sequence of bacteriophage φX174 DNA|url=https://www.nature.com/articles/265687a0|journal=Nature|language=en|volume=265|issue=5596|pages=687–695|doi=10.1038/265687a0|issn=1476-4687}}</ref> Тиме су комплетирали и секвенцирали први геном у целини.
=== Комплетни геноми ===
[[Датотека:Number_of_prokaryotic_genomes_and_sequencing_costs.svg|алт="Hockey stick" graph showing the exponential growth of public sequence databases.|мини|300x300пискел|Број геномских пројеката се повећао услед технолошких побољшања који су довели до смањења трошкова секвенцирања. '''(А)''' Експоненцијални раст база података о секвенцама генома од 1995. '''(Б)''' Трошкови у америчким доларима (енгл. USD) за секвенцирање једног милиона база. '''(Ц)''' Трошкови у USD за секвенцирање генома од 3.000 Mb (у људској величини) на логаритамски трансформисаној скали.]]
Појава различитих технологија секвенцирања резултирала је брзим напретком и довела до завршетка [[Genomski projekat|пројеката секвенцирања генома]]. Први комплетно секвенциран [[Митохондријски геном|геном]] [[Organela|еукариотске органеле]], [[Митохондрија|митохондрије]] човека (16.568 бп, око 16,6 кб [килобаза] ), пријављен је 1981. године<ref>{{Cite journal|last=Anderson|first=S.|last2=Bankier|first2=A. T.|last3=Barrell|first3=B. G.|last4=de Bruijn|first4=M. H. L.|last5=Coulson|first5=A. R.|last6=Drouin|first6=J.|last7=Eperon|first7=I. C.|last8=Nierlich|first8=D. P.|last9=Roe|first9=B. A.|date=April 1981|title=Sequence and organization of the human mitochondrial genome|url=https://www.nature.com/articles/290457a0|journal=Nature|language=en|volume=290|issue=5806|pages=457–465|doi=10.1038/290457a0|issn=1476-4687}}</ref>, а први секвенцирани [[Хлоропластни геном|геноми хлоропласта]] уследили су 1986. године.<ref>{{Cite journal|last=Shinozaki|first=K.|last2=Ohme|first2=M.|last3=Tanaka|first3=M.|last4=Wakasugi|first4=T.|last5=Hayashida|first5=N.|last6=Matsubayashi|first6=T.|last7=Zaita|first7=N.|last8=Chunwongse|first8=J.|last9=Obokata|first9=J.|date=September 1986|title=The complete nucleotide sequence of the tobacco chloroplast genome: its gene organization and expression|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1167080/|journal=The EMBO Journal|volume=5|issue=9|pages=2043–2049|issn=0261-4189|pmc=1167080|pmid=16453699}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Ohyama|first=Kanji|last2=Fukuzawa|first2=Hideya|last3=Kohchi|first3=Takayuki|last4=Shirai|first4=Hiromasa|last5=Sano|first5=Tohru|last6=Sano|first6=Satoshi|last7=Umesono|first7=Kazuhiko|last8=Shiki|first8=Yasuhiko|last9=Takeuchi|first9=Masayuki|date=August 1986|title=Chloroplast gene organization deduced from complete sequence of liverwort Marchantia polymorpha chloroplast DNA|url=https://www.nature.com/articles/322572a0|journal=Nature|language=en|volume=322|issue=6079|pages=572–574|doi=10.1038/322572a0|issn=1476-4687}}</ref> Године 1992. године секвенциран је први еукариотски [[хромозом]], хромозом пивског квасца ''[[Saccharomyces cerevisiae]]''
Већина микроорганизама чији су геноми потпуно секвенцирани су [[Patogen|патогени]], као што је ''[[Haemophilus influenzae]].''<ref>{{Cite news|url=https://www.nytimes.com/2009/12/29/science/29microbes.html|title=Scientists Start a Genomic Catalog of Earth’s Abundant Microbes|last=Zimmer|first=Carl|date=2009-12-28|work=The New York Times|access-date=2021-06-01|language=en-US|issn=0362-4331}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Wu|first=Dongying|last2=Hugenholtz|first2=Philip|last3=Mavromatis|first3=Konstantinos|last4=Pukall|first4=Rüdiger|last5=Dalin|first5=Eileen|last6=Ivanova|first6=Natalia N.|last7=Kunin|first7=Victor|last8=Goodwin|first8=Lynne|last9=Wu|first9=Martin|date=2009-12-24|title=A phylogeny-driven genomic encyclopaedia of Bacteria and Archaea|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3073058/|journal=Nature|volume=462|issue=7276|pages=1056–1060|doi=10.1038/nature08656|issn=0028-0836|pmc=3073058|pmid=20033048}}</ref> Од осталих врста које су секвенциране, већина је изабрана јер су били добро проучени организми или се претпоставило да ће постати добри [[модел организми]]ː квасац (лат. ''[[Saccharomyces cerevisiae]]'') је дуго био важан модел организам [[Еукариоте|еукариотске ћелије]], док је винска мушица ''[[Vinska mušica|Drosophila melanogaster]]'' била врло важан модел нарочито у раној пре-молекуларној [[Генетика|генетици]]; ваљкасти црв ''[[Caenorhabditis elegans]]'' је често коришћен модел за [[Višećelijski organizam|вишећелијске организме]]; ''Danio rerio'' (зебрица) користи се за многа истраживања развоја на молекуларном нивоу, а биљка ''[[Arabidopsis thaliana]]'' је модел организам за [[Скривеносеменице|цветнице]]; [[пас]] (лат. ''Canis lupus familiaris'')<ref>{{Cite web|url=https://www.genome.gov/12511476/2004-advisory-dog-genome-assembled|title=Dog Genome Assembled|website=Genome.gov|language=en|access-date=2021-06-01}}</ref>, смеђи пацов (''[[Rattus norvegicus]]''), миш (лат. [[Кућни миш|''Mus musculus'']]) и шимпанза (лат. ''[[Обична шимпанза|Pan troglodytes]]'') су све значајне животиње, модел организми у медицинским истраживањима.<ref>Darden L, James Tabery (2010). [https://plato.stanford.edu/archives/fall2010/entries/molecular-biology/ "Molecular Biology"]. In Zalta EN (ed.). ''The Stanford Encyclopedia of Philosophy'' (Fall 2010 ed.).</ref>
Груби нацрт [[Хумани геном|људског генома]] добијен је током [[Projekat ljudskog genoma|пројекта људског генома]] почетком 2001. године.<ref name=":4">{{Cite book|url=https://www.worldcat.org/oclc/435418566|title=Drawing the map of life : inside the Human Genome Project|last=McElheny|first=Victor K.|date=2010|publisher=Basic Books|isbn=978-0-465-04333-0|location=New York, NY|oclc=435418566}}</ref> Током овог пројекта који је завршен 2003. године, секвенциран је читав геном једне одређене особе, а до 2007. секвенца је проглашена „завршеном“ са мање од једне грешке у 20.000 база.<ref name=":4" /> У годинама од тада, секвенцирани су геноми многих других појединаца, делимично под покровитељством [[Пројекат 1000 генома|Пројекта 1000 генома]], који је најавио секвенцирање 1.092 генома у октобру 2012.<ref>{{Cite journal|date=2012-11-01|title=An integrated map of genetic variation from 1,092 human genomes|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3498066/|journal=Nature|volume=491|issue=7422|pages=56–65|doi=10.1038/nature11632|issn=0028-0836|pmc=3498066|pmid=23128226}}</ref> Завршетак овог пројекта омогућен је развојем ефикаснијих технологија секвенцирања и захтевао је посвећеност значајних [[Биоинформатика|ресурса биоинформатике]] из велике међународне сарадње.<ref>{{Cite journal|last=Nielsen|first=Rasmus|date=October 2010|title=In search of rare human variants|url=https://www.nature.com/articles/4671050a|journal=Nature|language=en|volume=467|issue=7319|pages=1050–1051|doi=10.1038/4671050a|issn=1476-4687}}</ref>
[[File:Metabolomics_schema.png|мини|Општа шема која приказује везе [[Геном|генома]], [[Транскриптом|транскриптома]], [[Proteom|протеома]] и [[Metabolom|метаболома]]. ]]
Ред 30:
== Анализа генома ==
Анализа генома укључује три процеса: секвенцирање ДНК, састављање (асемблирање) секвенце да би се створио приказ оригиналног хромозома и анотација и анализа података.<ref name=":2" />
=== Секвенцирање ===
Секвенцирање се првобитно вршило у великим центрима са скупом потребном инструментацијом и техничком подршком. Како се технологија секвенцирања и даље побољшава, нова генерација ефикасних брзих секвенцера омогућава секвенцирање и у просечним академским лабораторијама.<ref>Baker M (14 September 2012). [http://blogs.nature.com/news/2012/09/benchtop-sequencers-ship-off.html "Benchtop sequencers ship off"] (Blog). ''Nature News Blog''. Retrieved 2012-12-22.</ref><ref>{{Cite journal|last=Quail|first=Michael A|last2=Smith|first2=Miriam|last3=Coupland|first3=Paul|last4=Otto|first4=Thomas D|last5=Harris|first5=Simon R|last6=Connor|first6=Thomas R|last7=Bertoni|first7=Anna|last8=Swerdlow|first8=Harold P|last9=Gu|first9=Yong|date=2012-07-24|title=A tale of three next generation sequencing platforms: comparison of Ion Torrent, Pacific Biosciences and Illumina MiSeq sequencers|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3431227/|journal=BMC Genomics|volume=13|pages=341|doi=10.1186/1471-2164-13-341|issn=1471-2164|pmc=3431227|pmid=22827831}}</ref> Приступи секвенцирању генома могу се поделити у две широке категорије, насумично секвенцирање (енгл. ''shotgun'') и високопропусно (или секвенцирање нове генерације - ''NGS'') секвенцирање.<ref name=":2" />
==== Насумично секвенцирање ====
[[Датотека:ABI_PRISM_3100_Genetic_Analyzer_3.jpg|мини|Генетски анализатор АБИ ПРИСМ 3100. Такви капиларни секвенцери аутоматизовали су ране велике напоре за секвенцирање генома.]]
Насумично секвенцирање је метода секвенцирања дизајнирана за анализу секвенци ДНК дужих од 1000 базних парова, укључујући и читаве хромозоме.<ref name=":5">{{Cite journal|last=Staden|first=R|date=1979-06-11|title=A strategy of DNA sequencing employing computer programs.|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC327874/|journal=Nucleic Acids Research|volume=6|issue=7|pages=2601–2610|issn=0305-1048|pmid=461197}}</ref> Назван је по аналогији брзим испаљивањем хитаца из [[Сачмарица|сачмарице]]. Сам процес укључује насумично фрагментисање ДНК молекула до фрагмената малих дужина и до неколико кб. Фрагменти се даље клонирају у плазмидним векторима и секвенцирају.<ref name=":1" /> Након неколико рунди фрагментирања и секвенцирања добијају се вишеструка очитавања која се преклапају за циљну ДНК. Насумичне секвенце се даље анализирају помоћу одређених програма и алгоритама за претраживање преклапајућих секвенци.<ref name=":5" /><ref>{{Cite journal|last=Anderson|first=S|date=1981-07-10|title=Shotgun DNA sequencing using cloned DNase I-generated fragments.|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC327328/|journal=Nucleic Acids Research|volume=9|issue=13|pages=3015–3027|issn=0305-1048|pmid=6269069}}</ref> Овакво секвенцирање је погодно за анализу мањих генома, попут прокариотских генома.<ref name=":1" />
Током већег дела своје историје, технологија заснована на насумичном секвенцирању била је класична метода прекида ланца или „Сангерова метода”, која се заснива на селективном укључивању [[Дидеоксинуклеотид|дидеоксинуклеотида]] који се додају на крај ДНК фрагмента помоћу [[ДНК полимераза|ДНК полимеразе]] током [[in vitro]] [[Репликација ДНК|репликације ДНК]].<ref name=":3" /><ref>{{Cite journal|date=1975-05-25|title=A rapid method for determining sequences in DNA by primed synthesis with DNA polymerase|url=https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0022283675902132|journal=Journal of Molecular Biology|language=en|volume=94|issue=3|pages=441–448|doi=10.1016/0022-2836(75)90213-2|issn=0022-2836}}</ref> Дидеоксинуклеотидима недостаје 3'- [[Hidroksil|OH]] група потребна за формирање [[Фосфодиестарска веза|фосфодиестерске везе]] између два нуклеотида, што доводи до тога да ДНК полимераза престаје са синтетисањем ДНК молекула након њихове уградње. Могу бити [[Радиоактивност|радиоактивно]] или [[Fluorescencija|флуоресцентно]] обележени што је потребно за детектовање у ДНК секвенаторима.<ref name=":2" /> Типично, ове машине могу секвенцирати до 96 узорака ДНК у једној серији у до 48 циклуса дневно.<ref>Illumina, Inc. (28 February 2012). ''[https://www.illumina.com/Documents/products/Illumina_Sequencing_Introduction.pdf An Introduction to Next-Generation Sequencing Technology]'' (PDF). San Diego, California, USA: Illumina, Inc. p. 12. Retrieved 2012-12-28.</ref>
Данас је насумично секвенцирање све чешће замењено са новим, високопропусним методама секвенцирања. Међутим, Сангерова метода остаје у широкој употреби, пре свега за пројекте мањег обима и за добијање нарочито дугих секвенци ДНК (> 500 нуклеотида).<ref>{{Cite journal|last=Mavromatis|first=Konstantinos|last2=Land|first2=Miriam L.|last3=Brettin|first3=Thomas S.|last4=Quest|first4=Daniel J.|last5=Copeland|first5=Alex|last6=Clum|first6=Alicia|last7=Goodwin|first7=Lynne|last8=Woyke|first8=Tanja|last9=Lapidus|first9=Alla|date=2012-12-12|title=The Fast Changing Landscape of Sequencing Technologies and Their Impact on Microbial Genome Assemblies and Annotation|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3520994/|journal=PLoS ONE|volume=7|issue=12|doi=10.1371/journal.pone.0048837|issn=1932-6203|pmc=3520994|pmid=23251337}}</ref>
==== Секвенцирање нове генерације ====
[[Датотека:Illumina_Genome_Analyzer_II_System.jpg|мини|''Illumina Genome Analyzer II'' систем апарат. Illumina технологија је поставила стандарде за масовно, паралелно секвенцирање са великом пропусношћу. ]]
Велика потражња за нижим трошковима секвенцирања покренула је развој технологија које би омогућиле паралелно секвенцирање са коначним производом од хиљаде или милиона секвенци одједном.<ref>{{Cite journal|last=Hall|first=Neil|date=2007-05-01|title=Advanced sequencing technologies and their wider impact in microbiology|url=https://doi.org/10.1242/jeb.001370|journal=Journal of Experimental Biology|volume=210|issue=9|pages=1518–1525|doi=10.1242/jeb.001370|issn=0022-0949}}</ref><ref>{{Cite web|url=https://www.scientificamerican.com/article/genomes-for-all/|title=Genomes for All|website=Scientific American|language=en|doi=10.1038/scientificamerican0106-46|access-date=2021-06-01}}</ref> Циљ је био да се оваквим секвенцирањем умање трошкови у односу на класичне методе. Код оваквог секвенцирања је могуће да се обави истовремено̠̟/паралелно чак 500,000 операција (енгл. ''run'').<ref>{{Cite journal|last=ten Bosch|first=John R.|last2=Grody|first2=Wayne W.|date=November 2008|title=Keeping Up With the Next Generation|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2570630/|journal=The Journal of Molecular Diagnostics : JMD|volume=10|issue=6|pages=484–492|doi=10.2353/jmoldx.2008.080027|issn=1525-1578|pmc=2570630|pmid=18832462}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Tucker|first=Tracy|last2=Marra|first2=Marco|last3=Friedman|first3=Jan M.|date=2009-08-14|title=Massively Parallel Sequencing: The Next Big Thing in Genetic Medicine|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2725244/|journal=American Journal of Human Genetics|volume=85|issue=2|pages=142–154|doi=10.1016/j.ajhg.2009.06.022|issn=0002-9297|pmc=2725244|pmid=19679224}}</ref>
Illumina секвенцирање је метода која се заснива на коришћењу обојених реверзибилних терминатора се на реверзибилним терминаторима бојила. Развијена је 1996. године на Институту за биомедицинска истраживања у Женеви од стране Паскала Мајера и Лаурента Фаринелија.<ref>Kawashima EH, Farinelli L, Mayer P (12 May 2005). [https://patents.google.com/patent/US20050100900 "Method of nucleic acid amplification"]. Retrieved 2012-12-22.</ref> Кораци у овој методи јесу фрагментисање молекула ДНК и везивања адаптера за крајеве фрагмената. Фрагменти се затим наливају на стаклене проточне ћелије на којима се налази велики број олигонуклеотида који су комеплементарни адаптерима за које се и везују. Оба адаптера хибридузују са нукеотидима и тако се формира мост након чега следи амплификација фрагмената чиме се добијају кластери (велики број фрагмената-копија једног почетног фрагмента). Проточна ћелија се ставља у апарат за секвенцирање и додају јој се ДНК полимераза и флуоресцентно обојени терминатори, нуклеотиди који имају интктивирану 3'-OH групу што омогућава да након уградње ових нуклеотида полимераза не може да настави са додавањем нуклеотида (синтезом ланца) па се ласером у сваком циклусу детектује боја и тиме одговарајући нуклеотид.<ref name=":1" /> Након сваке рунде се хемијском реакцијом уклања обележени терминатор и наставља са процесом секвенцирања.<ref>{{Cite web|url=https://web.archive.org/web/20130518193940/http://www.lcg.unam.mx/frontiers/files/frontiers/annurev.genom.9.081307.164359.pdf|title=Wayback Machine|date=2013-05-18|website=web.archive.org|access-date=2021-06-01}}</ref> Софтвер показује секвенцу сваког појединачног кластера.
Алтернативни приступ заснован је на хемији репликације ДНК. Ова технологија мери ослобађање јона водоника сваки пут када се угради база током полимеризације ДНК. Микробунар који садржи ДНК ланац за секвенцирање преплављен је једном врстом деоксирибонуклеотид трифосфата (dNTP). Ако је уведени dNTP комплементаран са темплејтом (секвенцом ДНК), биће уграђен у растући комплементарни ланац и ово узрокује ослобађање јона водоника који бележи јонски сензор.<ref name="davies1">{{Cite journal|year=2011|title=Powering Preventative Medicine|url=http://www.bio-itworld.com/issues/2011/sept-oct/powering-preventative-medicine.html|journal=Bio-IT World|issue=September–October}}</ref>
=== Асемблирање генома ===
Асемблирање генома се односи на [[Poravnavanje sekvenci|поравнавање]] и спајање фрагмената једног много дужег [[Дезоксирибонуклеинска киселина|низа ДНК]] у циљу реконструкције оригиналне секвенце.<ref name=":2" /> Овај корак је потребан јер тренутна [[DNK sekvenciranje|технологија секвенцирања ДНК]] не може читаве геноме читати као континуирану секвенцу, већ чита мале делове (низове) између 20 и 1000 база, зависно од технологије. Технологије секвенцирања треће генерације као што су PacBio или Oxford Nanopore омогућавају секвенцирање фрагмената дужине веће од 10 кб. Међутим, ове технике се одликују и високом стопом грешака од око 15 процената.
Асемблирање се може широко категоризирати у два приступа: ''де ново'' секвенцирање - код генома који нису слични ниједном геному секвенцираном у прошлости и упоредно (компаративно) асемблирање у ком се користи постојећи, раније очитан редослед секвенци код сродних организама.<ref>{{Cite journal|last=Pop|first=Mihai|date=July 2009|title=Genome assembly reborn: recent computational challenges|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2691937/|journal=Briefings in Bioinformatics|volume=10|issue=4|pages=354–366|doi=10.1093/bib/bbp026|issn=1467-5463|pmc=2691937|pmid=19482960}}</ref> Де ново асемблирање је далеко неповољнија метода, нарочито код кратких секвенци.
=== Анотација генома ===
Познавање саме секвенце генома није довољно, па су потребне додатне анализе информација садржаних у геному.<ref name=":2" /> [[Анотација генома]] је поступак везивања биолошких информација за [[DNK sekvenciranje|секвенце]] и састоји се од три главна корака:<ref>{{Cite journal|last=Stein|first=Lincoln|date=July 2001|title=Genome annotation: from sequence to biology|url=https://www.nature.com/articles/35080529|journal=Nature Reviews Genetics|language=en|volume=2|issue=7|pages=493–503|doi=10.1038/35080529|issn=1471-0064}}</ref>
# идентификовање делова генома који не кодирају протеине
Ред 63:
# везивање биолошких информација за ове елементе.
Алати за аутоматско бележење покушавају да изврше ове кораке ''[[in silico]]'', за разлику од ручне анотације, корака који укључује људску стручност и потенцијалну експерименталну верификацију.<ref>{{Cite web|url=https://web.archive.org/web/20130529013309/http://www.genomics.arizona.edu/553/Readings/2012/Brent_2008.pdf|title=Wayback Machine|date=2013-05-29|website=web.archive.org|access-date=2021-06-01}}</ref>
Основни ниво анотације је коришћење [[BLAST|БЛАСТ-а]], алгоритма за проналажење сличности, а затим анотацију генома на основу хомолога.<ref name=":2" /> У новије време, додатне информације се додају на платформу за анотацију. Додатне информације омогућавају ручним анотаторима да отклоне неслагања између гена којима се даје иста анотација. Неке базе података користе информације о контексту генома, оцене сличности, експерименталне податке и интеграције других ресурса. Остале базе података (нпр. [[Ensembl|Енсембл]]) ослањају се на оба извора података, као и на низ софтверских алата за аутоматизовану анотацију генома.<ref>{{Cite journal|last=Flicek|first=Paul|last2=Ahmed|first2=Ikhlak|last3=Amode|first3=M. Ridwan|last4=Barrell|first4=Daniel|last5=Beal|first5=Kathryn|last6=Brent|first6=Simon|last7=Carvalho-Silva|first7=Denise|last8=Clapham|first8=Peter|last9=Coates|first9=Guy|date=2012-11-30|title=Ensembl 2013|url=https://doi.org/10.1093/nar/gks1236|journal=Nucleic Acids Research|volume=41|issue=D1|pages=D48–D55|doi=10.1093/nar/gks1236|issn=0305-1048|pmc=PMC3531136|pmid=23203987}}</ref> Структурна анотација се састоји од идентификације геномских елемената, пре свега [[Otvoreni okvir čitanja|ОРФ-ова]] (отворених оквира читања) и њихове локализације, или генске структуре. Функционална анотација састоји се од везивања биолошких информација за геномске елементе.
Потреба за поновљивошћу и ефикасним управљањем великом количином података повезаних са пројектима генома значи да рачунари и информатика имају важну примену у геномици.<ref>{{Cite journal|date=2008|editor-last=Keith|editor-first=Jonathan M.|title=Bioinformatics|url=https://link.springer.com/book/10.1007/978-1-60327-429-6|journal=Methods in Molecular Biology™|language=en-gb|doi=10.1007/978-1-60327-429-6|issn=1064-3745}}</ref>
== Области истраживања геномике ==
Ред 78:
=== Структурна геномика ===
[[Датотека:Argonne's_Midwest_Center_for_Structural_Genomics_deposits_1,000th_protein_structure.jpg|мини|300x300пискел|Пример протеинске структуре коју је детерминисао ''Midwest Center''.]]
[[Strukturna genomika|Структурна геномика]] настоји да опише [[Протеинска структура|тродимензионалну структуру]] сваког протеина кодираног датим [[Геном|геномом]].<ref>{{Cite journal|last=Marsden|first=Russell L|last2=Lewis|first2=Tony A|last3=Orengo|first3=Christine A|date=2007-03-09|title=Towards a comprehensive structural coverage of completed genomes: a structural genomics viewpoint|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1829165/|journal=BMC Bioinformatics|volume=8|pages=86|doi=10.1186/1471-2105-8-86|issn=1471-2105|pmc=1829165|pmid=17349043}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Brenner|first=S. E.|last2=Levitt|first2=M.|date=January 2000|title=Expectations from structural genomics.|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2144435/|journal=Protein Science : A Publication of the Protein Society|volume=9|issue=1|pages=197–200|issn=0961-8368|pmc=2144435|pmid=10739263}}</ref> Одређивање структуре се врши комбинацијом експерименталних приступа и приступа моделирања. Основна разлика између структурне геномике и [[Предвиђање структуре протеина|традиционалних структурних предвиђања]] је у томе што структурна геномика покушава да одреди структуру сваког протеина кодираног геномом, уместо да се фокусира на један одређени протеин. Са доступним секвенцама потпуно очитаног генома, предвиђање структуре може се извршити брже комбинацијом експерименталних приступа и приступа моделирања, посебно зато што доступност великог броја секвенцираних генома и претходно детерминисаних протеинских структура омогућавају научницима да моделирају структуру протеина на основу структура претходно детерминисаних хомолога. Структурна геномика укључује коришћење великог броја приступа одређивању структуре, укључујући експерименталне методе које користе геномске секвенце или приступе засноване на моделирању засноване на секвенци или [[Homologno modelovanje|структурној хомологији]] протеина познате структуре или засноване на хемијским и физичким принципима за протеин без хомологије. За разлику од традиционалне [[Strukturna biologija|структурне биологије]], одређивање [[Протеинска структура|структуре протеина]] кроз структурни геномички приступ често (али не увек) претходи информацијама о функцији тог протеина. Ово поставља нове изазове у [[Strukturna bioinformatika|структурној биоинформатици]], односно одређивању функције протеина на основу њене очитане [[Тродимензионални простор|3D]] структуре.<ref>Brenner SE (October 2001). [http://compbio.berkeley.edu/people/brenner/pubs/brenner-2001-nrg-strgen.pdf "A tour of structural genomics"] (PDF). ''Nature Reviews. Genetics''. '''2''' (10): 801–9. doi:10.1038/35093574. <nowiki>PMID 11584296</nowiki>. S2CID 5656447.</ref>
=== Епигеномика ===
[[Епигеномика]] проучава целокупи скупа [[Епигенетика|епигенетских]] модификација генетског материјала ћелије, познатог као [[Епигеноме|епигеном]]. Епигенетске модификације су реверзибилне модификације ћелијске ДНК или хистона које утичу на експресију гена без промене саме секвенце ДНК
=== Метагеномика ===
[[Метагеномија|Метагеномика]] се бави проучавањем метагенома, [[Генетика|генетског]] материјала који се добија директно из узорака [[Животна средина|околине.]] Ова област се такође може назвати геномиком животне средине, екогеномиком или геномиком заједнице. Док се традиционална [[микробиологија]] и микробно [[Секвенцирање генома|секвенцирање]] ослањају на култивисане [[Molekulsko kloniranje|клонске]] [[Микробиолошка култура|културе]], рано секвенцирање гена из околине клонирало је специфичне гене (често [[16С рибосомска РНК|16S rRNK]] ген) да би се добио профил разноликости у природном узорку. То је довело до открића да је велика већина [[Biološka raznovrsnost|микробиолошке разноликости]] пропуштена методама заснованим на култивацији.<ref>{{Cite journal|last=Hugenholtz|first=Philip|last2=Goebel|first2=Brett M.|last3=Pace|first3=Norman R.|date=September 1998|title=Impact of Culture-Independent Studies on the Emerging Phylogenetic View of Bacterial Diversity|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC107498/|journal=Journal of Bacteriology|volume=180|issue=18|pages=4765–4774|issn=0021-9193|pmid=9733676}}</ref> Недавне студије користе Сангерово секвенцирање или масовно паралелно пиросеквенцирање да би се добили узорци свих гена од свих чланова узоркованих заједница.<ref>{{Cite journal|last=Eisen|first=Jonathan A|date=March 2007|title=Environmental Shotgun Sequencing: Its Potential and Challenges for Studying the Hidden World of Microbes|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1821061/|journal=PLoS Biology|volume=5|issue=3|doi=10.1371/journal.pbio.0050082|issn=1544-9173|pmc=1821061|pmid=17355177}}</ref> Због своје моћи да открије претходно скривену разноликост микроскопског живота, метагеномика омогућава посматрање микробног света. Све то доводи до потенцијалне промене у разумевању читавог живог света.<ref>{{Cite book|url=https://www.worldcat.org/oclc/351318426|title=Metagenomics : theory, methods, and applications|date=2010|publisher=Caister Academic Press|others=Diana Marco|isbn=978-1-904455-54-7|location=Wymondham|oclc=351318426}}</ref><ref>{{Cite book|url=https://www.worldcat.org/oclc/707229125|title=Metagenomics : current innovations and future trends|date=2011|publisher=Caister Academic Press|others=Diana Marco|isbn=978-1-904455-87-5|location=Norfolk, UK|oclc=707229125}}</ref>
== Примене геномике ==
Геномика је нашла своју примену у многим областима, укључујући [[Медицина|медицину]], [[Биотехнологија|биотехнологију]], [[Антропологија|антропологију]] и друге [[Društvene nauke|друштвене науке]].<ref>{{Cite book|url=https://www.worldcat.org/oclc/435816715|title=Genomes and what to make of them|last=Barnes|first=Barry|date=2008|publisher=University of Chicago Press|others=John Dupré|isbn=978-0-226-17296-5|location=Chicago|oclc=435816715}}</ref>
=== Геномска медицина ===
Геномске технологије нове генерације (енгл. ''NGS'') омогућавају медицинарима и биомедицинским истраживачима да драстично повећају количину геномских података коју прикупњају током студија на великој популацији.<ref>{{Cite web|url=https://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMra1010517|title=Genomics, Health Care, and Society|last=Hudson|first=Kathy L.|date=14.09.2011|website=|language=EN|doi=10.1056/nejmra1010517|url-status=live|access-date=06.02.2021.}}</ref> У комбинацији са новим информатичким приступима који интегришу многе врсте података са геномским подацима у истраживањима болести, истраживачима је омогућено да боље разумеју генетске основе одговора пацијената на терапије
=== Синтетичка биологија и биоинжењеринг ===
Пораст знања из области геномике омогућио је све софистицираније примене [[Sintetička biologija|синтетичке биологије]].<ref>{{Cite book|url=https://www.worldcat.org/oclc/795575088|title=Regenesis : how synthetic biology will reinvent nature and ourselves|last=Church|first=George M.|date=2012|publisher=Basic Books|others=Edward Regis|isbn=978-0-465-02175-8|location=New York|oclc=795575088}}</ref> Године 2010. истраживачи са Института ''J. Craig Venter'' најавили су креирање делимично синтетичке врсте [[Бактерије|бактерија]], ''[[Mycoplasma laboratorium]]'', изведене из [[Геном|генома]] ''Mycoplasma genitalium.''<ref>{{Cite journal|last=Baker|first=Monya|date=May 2011|title=The next step for the synthetic genome|url=https://www.nature.com/articles/473403a|journal=Nature|language=en|volume=473|issue=7347|pages=403–408|doi=10.1038/473403a|issn=1476-4687}}</ref>
=== Популациона и конзервациона геномика ===
Популациона геномика се развила као популарно поље истраживања, где се методе геномског секвенцирања користе за вршење опсежних поређења секвенци ДНК међу популацијама - изван граница генетичких маркера који се традиционално користе у [[Популациона генетика|популационој генетици]]. Популациона геномика проучава [[Геном|ефекте на цео геном]] како би побољшала наше разумевање [[Микроеволуција|микроеволуције]] у циљу разумевања [[Filogenija|филогенетске]] историје и [[Демографија|демографије]] популације.<ref>Luikart, G.; England, P. R.; Tallmon, D.; Jordan S.; Taberlet P. (2003). "The Power and Promise of Population Genomics: From Genotyping to Genome Typing". ''Nature Reviews'' (4): 981-994</ref> Методе популационе геномике користе се у многим различитим областима, укључујући [[Evoluciona biologija|еволуциону биологију]], [[Екологија|екологију]], [[Биогеографија|биогеографију]], [[Конзерваторска биологија|биологију очувања (конзервације)]] и [[управљање рибарством]] . Слично томе, пејзажна геномика развила се од пејзажне генетике и обухвата употребу геномских метода за идентификовање односа између образаца еколошких и генетских варијација.
Заштитари природе могу користити информације прикупљене геномским секвенцирањем како би боље проценили генетске факторе кључне за очување врста, попут генетске разноликости популације или да ли је појединац хетерозиготан за генетиски поремећај који се рецесивно наслеђује.
== Види још ==
| |||