علم النسخيات وتحليل التعبير الجيني

علم النسخيات (Transcriptomics) هو دراسة النسخيوم (transcriptome) — أي المجموعة الكاملة من نسخ الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي ينتجها الجينوم تحت ظروف معينة — وتحليل التعبير الجيني هو مجموعة الأساليب المستخدمة لقياس الجينات التي يتم نسخها، وكميتها، وفي أي الخلايا. نظرًا لأن الجينوم ثابت إلى حد كبير بينما يختلف التعبير عبر الأنسجة، ومراحل النمو، وحالات المرض، فإن النسخيوم يُعد قراءة ديناميكية لكيفية ترجمة النمط الجيني إلى وظيفة خلوية.

Definition

يشمل علم النسخيات وتحليل التعبير الجيني التقنيات والأساليب التحليلية لفهرسة وتحديد كمية نسخ الحمض النووي الريبوزي (RNA) في الخلايا أو الأنسجة أو الكائنات الحية، بهدف تحديد نشاط الجينات وتنظيمها.

Scope

يوجه هذا المجال القارئ إلى كيفية قياس وفرز وفرة الحمض النووي الريبوزي (RNA). ويشمل منصات القياس الرئيسية (المصفوفات الدقيقة وتسلسل الحمض النووي الريبوزي عالي الإنتاجية)، ورسم خرائط المتغيرات الجينية للتعبير (مواضع السمات الكمية للتعبير)، والتحليل على مستوى الخلايا الفردية والموقع النسيجي (علم النسخيات أحادي الخلية والمكاني)، والطبقات التنظيمية للتضفير البديل والحمض النووي الريبوزي غير المشفر. ويتناول هذه المواضيع كمسائل منهجية ومفاهيمية ضمن علم الجينوم، وليس كإرشادات سريرية.

Sub-topics

• التوصيل البديل ووظيفة الحمض النووي الريبوزي غير المشفر
• مواضع السمات الكمية للتعبير الجيني (eQTL)
• تحديد ملامح التعبير الجيني باستخدام المصفوفات الدقيقة
• طرق وتقنيات تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA)
• علم الجينوم الفردي والفضائي للنسخ

Core questions

• ما هي الجينات التي يتم التعبير عنها في خلية أو نسيج معين، وبأي مستوى؟
• كيف يختلف التعبير بين الظروف، مثل الحالات الصحية مقابل الحالات المرضية؟
• كيف تشكل المتغيرات الجينية والعناصر التنظيمية وفرة وبنية النسخ؟
• كيف يتم تنظيم التعبير بدقة الخلايا الفردية والموقع المكاني داخل النسيج؟

Key concepts

• النسخيوم (Transcriptome)
• التعبير الجيني التفاضلي
• القياس القائم على التهجين (المصفوفات الدقيقة)
• القياس القائم على التسلسل (RNA-seq)
• عد القراءات والتطبيع
• مواضع السمات الكمية للتعبير (eQTL)
• الدقة أحادية الخلية والمكانية
• التضفير البديل والحمض النووي الريبوزي غير المشفر

Mechanisms

يُقاس التعبير الجيني إما عن طريق تهجين النسخ الموسومة بمجسات تكميلية على مصفوفة، مما ينتج عنه إشارة فلورية نسبية لكل مجس، أو عن طريق النسخ العكسي وتسلسل شظايا الحمض النووي الريبوزي (RNA) وحساب القراءات التي تتطابق مع كل جين أو نسخة. تقارن المصفوفات الدقيقة التعبير بمجموعة مجسات ثابتة، بينما يقوم تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA) بأخذ عينات من النسخ مباشرة، مما يسمح باكتشاف نسخ جديدة، ونظائر (isoforms)، ومواقع تضفير (splice junctions)، ونطاق ديناميكي أوسع. يقوم التحليل اللاحق بتطبيع الاختلافات في عمق التسلسل وتركيبه، ثم يختبر وجود وفرة تفاضلية بين الظروف؛ ويمكن تقسيم نفس البيانات على مستوى القراءة حسب المتغير الجيني (رسم خرائط eQTL)، أو حسب الخلية الفردية (تسلسل الحمض النووي الريبوزي أحادي الخلية)، أو حسب الإحداثيات المكانية (علم النسخيات المكاني).

Clinical relevance

تُعد دراسة التعبير الجيني أساسًا للتصنيفات الجزيئية للأمراض — على سبيل المثال، الأنواع الفرعية النسخية للأورام — وهي أساس العديد من فحوصات التعبير الجيني البحثية والتشخيصية. وكمجال مرجعي، يوضح هذا العلم كيفية توليد وتفسير الأدلة على مستوى الحمض النووي الريبوزي (RNA)؛ ويصف أساليب البحث وليس أساسًا لقرارات التشخيص أو العلاج الفردية.

Evidence & guidelines

تستند الأدبيات المنهجية إلى الأوراق البحثية الأساسية للمنصات (مصفوفة cDNA الدقيقة لسكينا وزملاؤه عام 1995؛ مراجعات تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA-seq) لوونغ وزملاؤه) وإلى الموارد المرجعية الكبيرة مثل موسوعة ENCODE للعناصر الوظيفية للحمض النووي (DNA) وأطلس GTEx للتأثيرات التنظيمية على مستوى الأنسجة، والتي تحدد معًا المعايير الحالية لقياس وتفسير التعبير الجيني البشري.

History

انتقل قياس التعبير من الأساليب منخفضة الإنتاجية مثل التلطيخ الشمالي (Northern blotting) نحو تحديد السمات على نطاق الجينوم في منتصف التسعينيات، عندما سمحت مصفوفات الحمض النووي المكمل (cDNA) والأوليغونوكليوتيدات بمراقبة آلاف الجينات في وقت واحد. في أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أعاد التسلسل عالي الإنتاجية صياغة المجال باسم RNA-seq، الذي يحسب النسخ مباشرة ويحلل بنية النظائر (isoform). دفعت التطورات اللاحقة الدقة إلى الخلايا الفردية وإلى الموقع المكاني داخل الأنسجة، بينما قامت مشاريع الكونسورتيوم مثل ENCODE وGTEx ببناء خرائط مرجعية للتعبير والتحكم الجيني فيه.

Key figures

• Patrick O. Brown
• Mark Gerstein
• Michael Snyder
• Barbara Wold

Seminal works

• schena-1995
• wang-2009
• encode-2012
• gtex-2020

Frequently asked questions

ما الفرق بين الجينوم والنسخيوم؟

الجينوم هو تسلسل الحمض النووي (DNA) (الثابت إلى حد كبير) للكائن الحي، بينما النسخيوم هو مجموعة نسخ الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي يتم إنتاجها بالفعل في وقت ومكان معينين. لذلك يختلف النسخيوم حسب نوع الخلية، والحالة، والوضع، مما يجعله قراءة ديناميكية لنشاط الجينات.

لماذا حل تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA) إلى حد كبير محل المصفوفات الدقيقة في العديد من الدراسات؟

يقيس تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA) النسخ مباشرة بدلاً من التهجين بمجسات ثابتة، لذلك يمكنه اكتشاف نسخ ونظائر جديدة، ويوفر نطاقًا ديناميكيًا أوسع، ولا يعتمد على المعرفة المسبقة بالتسلسلات المراد فحصها. تظل المصفوفات الدقيقة مفيدة حيث تكون مجموعة المجسات المحددة والتكلفة المنخفضة كافية.