Βιοπληροφορική: Τι σημαίνει η αλληλουχία;

Τι είναι βιοπληροφορική?

Όπως μπορείτε να φανταστείτε, αλληλουχία Ολόκληρα γονιδιώματα παράγουν τεράστιο όγκο πληροφοριών. Το πεδίο του βιοπληροφορική συνδυάζει τη βιολογία, τα μαθηματικά, την επιστήμη των υπολογιστών και τη στατιστική για να μετατρέψει ακατέργαστα δεδομένα νουκλεοτιδίων στη θέση και τη δυνητική λειτουργία γονιδίων ή υποτιθέμενων γονιδίων σε γονιδιώματα με αλληλουχία χρησιμοποιώντας μια πολύπλοκη διαδικασία που ονομάζεται σχολιασμός γονιδιώματος. Μόλις εντοπιστούν τα γονίδια, οι βιοπληροφορικοί μπορούν να πραγματοποιήσουν ανάλυση σε υπολογιστή ή σε silico για να εξετάσουν περαιτέρω το γονιδίωμα.

Τι Σημαίνει η Ακολουθία;

Προφανώς, απόκτηση αλληλουχίες νουκλεοτιδίων χωρίς την κατανόηση της θέσης και της λειτουργίας μεμονωμένων γονιδίων θα ήταν μια άσκοπη άσκηση. Ο στόχος του σχολιασμός γονιδιώματος είναι ο εντοπισμός κάθε δυνητικού (υποθετικού) γονιδίου που κωδικοποιεί πρωτεΐνη καθώς και κάθε γονιδίου που κωδικοποιεί rRNA και tRNA. Ένα γονίδιο που κωδικοποιεί πρωτεΐνη συνήθως αναγνωρίζεται ως ένα ανοιχτό πλαίσιο ανάγνωσης (ORF); για να βρείτε όλα τα ORF, και τα δύο σκέλη του DNA πρέπει να αναλυθούν και στα τρία πλαίσια ανάγνωσης.

ΕΝΑ βακτηριακό ή αρχαιοειδές ORF ορίζεται γενικά ως μια ακολουθία τουλάχιστον 100 κωδικονίων (300 ζεύγη βάσεων) που δεν διακόπτεται από κωδικόνιο λήξης και έχει αλληλουχίες τερματισμού στο 3′ άκρο. Το 5′ άκρο του γονιδίου θα πρέπει επίσης να φέρει μια θέση δέσμευσης ριβοσώματος. Μόνο εάν υπάρχουν αυτά τα στοιχεία θεωρείται ένα ORF ως υποτιθέμενο πρωτεΐνη– κωδικοποιητικό γονίδιο. Αυτή η διαδικασία εκτελείται από προγράμματα πρόβλεψης γονιδίων που έχουν σχεδιαστεί για την εύρεση γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες ή λειτουργικά προϊόντα RNA. Στην ιδανική περίπτωση, τα γονίδια που προσδιορίζονται από υπολογιστή επιθεωρούνται στη συνέχεια χειροκίνητα από βιοπληροφορικούς για να επαληθεύσουν τις εκχωρήσεις γονιδίων που δημιουργούνται από υπολογιστή. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται επιμέλεια γονιδιώματος.

Τα ORF που φαίνεται να κωδικοποιούν πρωτεΐνες ονομάζονται κωδικοποιητικές ακολουθίες (CDS). Οι βιοπληροφορικοί έχουν αναπτύξει αλγόριθμους για να συγκρίνουν την αλληλουχία των προβλεπόμενων CDS με αυτές σε μεγάλες βάσεις δεδομένων που περιέχουν αλληλουχίες νουκλεοτιδίων και αμινοξέων γνωστών πρωτεϊνών. Η σύγκριση βάση προς βάση δύο ή περισσότερων αλληλουχιών γονιδίων ονομάζεται ευθυγραμμία. Ευθυγραμμίσεις μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί με σύγκριση αμινοξέων αλληλουχίες μεταξύ δύο πρωτεϊνών.

Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν συχνότερα BLAST (βασικό εργαλείο αναζήτησης τοπικής ευθυγράμμισης) προγράμματα για την εκτέλεση αυτής της εργασίας. Αυτά τα προγράμματα συγκρίνουν την αλληλουχία νουκλεοτιδίων (ή αμινοξέων) που μας ενδιαφέρει, που ονομάζεται αλληλουχία ερωτήματος, με όλες τις άλλες αλληλουχίες που εισάγονται στη βάση δεδομένων. Τα αποτελέσματα («επιτυχίες») ταξινομούνται με σειρά φθίνουσας ομοιότητας. Σε κάθε στοίχιση εκχωρείται μια τιμή E. Αυτή η τιμή μετρά την πιθανότητα να επιτευχθεί η ευθυγράμμιση τυχαία. Έτσι οι εξαιρετικά ομόλογες αλληλουχίες έχουν πολύ χαμηλές τιμές Ε.

Μπορούν συχνά να συναχθούν σημαντικές πληροφορίες από μεταφρασμένες αλληλουχίες αμινοξέων πιθανών γονιδίων. Συχνά ένα σύντομο μοτίβο αμινοξέων, που ονομάζεται α μοτίβο ή τομέα, θα αντιπροσωπεύει μια λειτουργική μονάδα μέσα σε μια πρωτεΐνη, όπως η ενεργή θέση ενός ενζύμου. Για παράδειγμα, το σχήμα δείχνει τον Ο-τελικό τομέα της πρωτεΐνης κυτταρικής διαίρεσης MinD από έναν αριθμό μικροβίων.

Επειδή αυτά τα αμινοξέα βρίσκονται σε τόσο μεγάλο εύρος οργανισμών, θεωρούνται φυλογενετικά καλά διατηρημένα. Σε αυτή την περίπτωση, η συντηρημένη περιοχή προβλέπεται να σχηματίσει ένα πηνίο που απαιτείται για τον σωστό εντοπισμό της πρωτεΐνης στη μεμβράνη. Η εύρεση αυτού του υψηλού επιπέδου διατήρησης (ομοιότητας) επιτρέπει στον επιμελητή του γονιδιώματος να εκχωρήσει με σιγουριά μια λειτουργία στον τομέα.

Γονίδια από διαφορετικούς οργανισμούς με τέτοια παρόμοια ORF ονομάζονται ορθολόγοι. Μερικές φορές φαίνεται να υπάρχει
διπλά γονίδια στο ίδιο γονιδίωμα. Αυτό ανακαλύπτεται όταν δύο ή περισσότερα γονίδια έχουν πολύ παρόμοιες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων. Τέτοια γονίδια ονομάζονται παράλογοι.

Καθώς ο αριθμός των αλληλουχούμενων γονιδιωμάτων έχει επεκταθεί, τόσο αυξάνεται η ανάγκη να καθοριστεί προσεκτικά πώς ονομάζονται τα νέα γονίδια και πρωτεΐνες. Η χρήση ενός δομημένου λεξιλογίου ονομάζεται οντολογίακαι ένα πρότυπο γονιδιακή οντολογία Το (GO) έχει υιοθετηθεί ως το μέσο με το οποίο ονομάζονται συνήθως οι πρωτεΐνες ή τα μοτίβα εντός των πρωτεϊνών. Αυτό βασίζεται στις ομοιότητες των αλληλουχιών αμινοξέων μεταξύ των ορθολογικών πρωτεϊνών. Ένας όρος GO όχι μόνο αντικατοπτρίζει τη λειτουργία της πρωτεΐνης αλλά καθορίζει επίσης την κυτταρική διαδικασία στην οποία συμμετέχει η πρωτεΐνη (π.χ. κινητικότητα) και την κυτταρική θέση της πρωτεΐνης (π.χ. μαστίγιο).

Πρωτεΐνες που δεν ευθυγραμμίζονται με γνωστές αλληλουχίες αμινοξέων εμπίπτουν σε δύο τάξεις:

1. Διατηρημένες υποθετικές πρωτεΐνες κωδικοποιούνται από γονίδια που έχουν αντιστοιχίσεις στη βάση δεδομένων, αλλά δεν έχει εκχωρηθεί ακόμη συνάρτηση σε καμία από τις αλληλουχίες.
2. Πρωτεΐνες άγνωστης λειτουργίας είναι προϊόντα γονιδίων μοναδικών για αυτόν τον οργανισμό. Από τη μια πλευρά, καθώς δημοσιεύονται περισσότερα γονιδιώματα, αυξάνεται η πιθανότητα να βρεθεί ένα ταίρι σε άλλο οργανισμό. Αλλά από την άλλη πλευρά, καθώς γίνονται διαθέσιμα περισσότερα μεταγονιδιωματικά δεδομένα, το ίδιο συμβαίνει και με τη δεξαμενή των υποτιθέμενων πρωτεϊνών με άγνωστες λειτουργίες (δηλαδή, διατηρημένες υποθετικές πρωτεΐνες).

Μόλις όλα τα γονίδια έχουν σχολιάζεται, μπορεί να σχεδιαστεί ένας φυσικός χάρτης που αντιπροσωπεύει ολόκληρο το γονιδίωμα. Ένας φυσικός χάρτης σχεδιάζεται συνήθως ως ομόκεντροι κύκλοι που απεικονίζουν ένα βακτηριακό ή αρχαϊκό χρωμόσωμα με κάθε γονίδιο να περιγράφεται ανά λειτουργική τάξη (π.χ. μεταβολισμός ενέργειας), η οποία είναι κωδικοποιημένη με χρώμα. Η απόκλιση από το μέσο % G + C υποδεικνύεται συχνά στον εσωτερικό κύκλο. Τέτοιες αποκλίσεις είναι συχνές όταν το DNA έχει αποκτηθεί με οριζόντια μεταφορά γονιδίου. Εάν το μικρόβιο έχει πολλαπλές χρωμοσώματα ή πλασμίδια, ένας χάρτης γονιδιώματος θα δείχνει κάθε χρωμόσωμα και πλασμίδιο.

Αναφορά και Πηγές

• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21136/
• https://quizlet.com/71004695/chapter-18-micro-flash-cards/
• https://quizlet.com/450287536/microbio-ch-18-genomics-flash-cards/
• https://www.pnas.org/content/103/34/12879
• https://europepmc.org/articles/PMC3706743

Διαβάστε επίσης:

• Μεταθέσιμα στοιχεία
• Τι είναι η γονιδιακή έκφραση;
• Διάνυσμα: ιδιότητες, τύποι και χαρακτηριστικά
• Δεύτερη Χρυσή Εποχή της Μικροβιολογίας
• Πλασμίδιο: Ιδιότητες, Τύποι, Αντιγραφή και Οργάνωση
• Μεταλλάξεις: Εισαγωγή, Τύποι, Αίτια και Μηχανισμοί Επιδιόρθωσης
• Αλληλουχία κυνηγετικού όπλου ολόκληρου του γονιδιώματος: επισκόπηση, βήματα και επιτεύγματα
• Βακτηριοφάγος: χαρακτηριστικά και αντιγραφή του λυτικού και του λυσογονικού κύκλου
• Εργαλεία Γενετικής Μηχανικής για Τροποποιήσεις Γονιδιώματος
• Αντιγραφή DNA σε ευκαρυώτες: Έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός
• Μύκητες: Κατανομή, Μορφολογία, Αναπαραγωγή, Ταξινόμηση