Funktionelle Genomik und Pfadanalyse

Die funktionelle Genomik fragt nicht nur, was in einem Genom geschrieben steht, sondern auch, was diese Sequenzen bewirken – wie Gene, regulatorische Elemente und ihre Produkte zur zellulären und organismischen Funktion beitragen. Die Pfadanalyse ist die interpretative Ebene, die Listen von Genen oder Varianten in den Kontext bekannter biologischer Pfade, Ontologien und Netzwerke stellt und rohe genomische Befunde in testbare biologische Hypothesen umwandelt.

Definition

Funktionelle Genomik ist die Untersuchung der Gen- und Genomfunktion – der Aktivitäten und Interaktionen von Transkripten, Proteinen und regulatorischen Elementen – auf Genom-Ebene, während die Pfadanalyse die Menge von rechnergestützten Methoden ist, die genomische Ergebnisse im Hinblick auf kuratierte biologische Pfade, Ontologien und molekulare Netzwerke interpretieren.

Scope

Dieser Bereich orientiert den Leser über die Disziplinen, die genomische Daten biologisch interpretieren: die Annotation der funktionellen Konsequenzen von Varianten, die Prüfung, ob Gensätze in definierten Pfaden angereichert sind, die Organisation der Genfunktion durch kontrollierte Vokabulare und kuratierte Datenbanken, die Modellierung von Genen und Proteinen als interagierende Netzwerke und die Ableitung von Funktionen über Spezies hinweg durch Orthologie. Es handelt sich um eine Referenz- und Bildungsübersicht, nicht um ein Protokoll oder eine klinische Leitlinie.

Sub-topics

• Vergleichende Genomik und Orthologen-Inferenz
• Funktionelle Annotation genomischer Varianten
• Gen-Ontologie und biologische Datenbanken
• Pathway-Anreicherung und Netzwerkanalyse
• Systemgenomik und Netzwerkbiologie

Core questions

• Welche biologische Funktion erfüllt ein bestimmtes Gen, eine Variante oder ein genomisches Element?
• Wenn eine Studie eine Genliste ergibt, welche Pfade oder biologischen Prozesse sind überrepräsentiert?
• Wie kann die Genfunktion in einem konsistenten, maschinenlesbaren Vokabular beschrieben werden?
• Wie interagieren Gene und Proteine als Systeme und nicht isoliert?
• Wie kann eine in einem Organismus etablierte Funktion durch evolutionäre Verwandtschaft auf einen anderen übertragen werden?

Key concepts

• Genotyp-Phänotyp-Interpretation
• Funktionelle Annotation
• Gen-Set-Anreicherung und Überrepräsentation
• Kontrollierte Vokabulare und Ontologien
• Biologische Pfade und Reaktionsnetzwerke
• Molekulare Interaktionsnetzwerke
• Orthologie und evolutionäre Konservierung der Funktion

Mechanisms

Die funktionelle Interpretation verknüpft mehrere Ebenen. Die Sequenz-Ebenen-Annotation prognostiziert die molekulare Konsequenz einer Variante, zum Beispiel ob sie eine protein-kodierende Sequenz oder eine regulatorische Region verändert, und greift dabei auf Ressourcen wie die von großen Konsortien erstellten genomweiten Kataloge funktioneller Elemente zurück. Die Gen-Ebenen-Interpretation aggregiert viele Gene zu Pfaden und prüft, ob ein Ergebnis in bestimmten biologischen Prozessen konzentriert ist, entweder durch Überrepräsentation in einer ausgewählten Liste oder durch Anreicherung in einer vollständig rangierten Genliste. Kontrollierte Vokabulare wie die Gene Ontology stellen die gemeinsamen Begriffe bereit, die diese Tests reproduzierbar machen, und kuratierte Pfaddatenbanken liefern die Reaktions- und Prozesskarten. Schließlich modellieren Netzwerk- und vergleichende Ansätze Beziehungen zwischen Genen – physikalische Interaktionen, funktionelle Assoziationen und orthologe Beziehungen über Spezies hinweg –, so dass Funktionen übertragen und Krankheitsmechanismen als Störungen verbundener Systeme verstanden werden können.

Clinical relevance

Funktionelle Genomik und Pfadanalyse untermauern, wie genomische Befunde in Forschung und translationalen Settings interpretiert werden: die Priorisierung von Kandidatenvarianten, die Erklärung, warum eine Reihe dysregulierter Gene auf einen bestimmten biologischen Prozess hinweist, und die Einordnung von Krankheiten als Netzwerkphänomen. Der Bereich beschreibt, wie biologische Bedeutung aus genomischen Daten extrahiert wird, und ist als Referenzorientierung gedacht, nicht als Grundlage für individuelle diagnostische oder Behandlungsentscheidungen.

History

Die funktionelle Genomik entstand aus der Genomsequenzierungsära der späten 1990er und 2000er Jahre, als vollständige Genomsequenzen die Notwendigkeit schufen, Tausende von Genen gleichzeitig zu interpretieren. Die Gene Ontology (2000) führte ein vereinheitlichendes Vokabular für die Genfunktion ein, KEGG (2000) systematisierte das Pfadwissen, und die Gen-Set-Anreicherungsanalyse (2005) lieferte einen statistischen Rahmen für die Auswertung ganzer Expressionsprofile. Große Kataloge funktioneller Elemente wie ENCODE (2012) erweiterten die Interpretation auf nicht-kodierende Regionen, und die Netzwerkmedizin (2011) definierte Krankheit als Ergebnis gestörter molekularer Netzwerke neu.

Key figures

• Michael Ashburner
• Minoru Kanehisa
• Aravind Subramanian
• Albert-László Barabási

Seminal works

• ashburner-2000
• kanehisa-2000
• subramanian-2005
• encode-2012

Frequently asked questions

Wie unterscheidet sich die funktionelle Genomik von der strukturellen Genomik oder Sequenzierung?

Sequenzierung und strukturelle Genomik bestimmen, was das Genom enthält und wie es organisiert ist; die funktionelle Genomik fragt, was diese Sequenzen bewirken – die Aktivitäten und Interaktionen von Genen, regulatorischen Elementen und ihren Produkten auf Genom-Ebene.

Wofür wird die Pfadanalyse verwendet?

Die Pfadanalyse interpretiert eine Liste oder Rangfolge von Genen oder Varianten, indem sie prüft, ob bekannte biologische Pfade, Ontologiebegriffe oder Netzwerke überrepräsentiert sind, und hilft so, ein genomisches Ergebnis in eine biologische Hypothese umzuwandeln.