तुलनात्मक जीनोमिक्स और ऑर्थोलॉग अनुमान

मानव जीन कार्यप्रणाली के बारे में जो कुछ भी ज्ञात है, उसका अधिकांश भाग पहले अन्य जीवों में सीखा गया था। तुलनात्मक जीनोमिक्स प्रजातियों के बीच जीनोम की तुलना करके इसका लाभ उठाता है, और ऑर्थोलॉग अनुमान संबंधित जीनों की पहचान करता है — वे जो प्रजातीकरण द्वारा एक सामान्य पैतृक जीन से उत्पन्न हुए हैं — ताकि कार्यात्मक ज्ञान को एक सैद्धांतिक विकासवादी आधार पर मॉडल जीवों से मनुष्यों में स्थानांतरित किया जा सके।

Definition

तुलनात्मक जीनोमिक्स प्रजातियों में जीनोम अनुक्रमों और सामग्री की तुलना करना है ताकि संरक्षित और भिन्न विशेषताओं की पहचान की जा सके, और ऑर्थोलॉग अनुमान ऑर्थोलॉग्स की पहचान है — विभिन्न प्रजातियों में जीन जो प्रजातीकरण के माध्यम से अपने अंतिम सामान्य पूर्वज में एक ही जीन से प्राप्त होते हैं — पैरालॉग्स से भिन्न, जो जीन दोहराव से उत्पन्न होते हैं।

Scope

यह विषय उन विकासवादी अवधारणाओं को शामिल करता है जो क्रॉस-प्रजाति तुलना (समरूपता, ऑर्थोलॉजी और पैरालॉजी) को रेखांकित करती हैं, ऑर्थोलॉगस संबंधों का अनुमान लगाने के लिए उपयोग की जाने वाली विधियाँ, और कार्य के हस्तांतरण और संरक्षण के अध्ययन में इन अनुमानों की भूमिका। यह एक संदर्भ और शैक्षिक विषय है और नैदानिक मार्गदर्शन प्रदान नहीं करता है।

Core questions

• ऑर्थोलॉग्स को पैरालॉग्स से क्या अलग करता है, और कार्य का अनुमान लगाने के लिए यह अंतर क्यों मायने रखता है?
• अनुक्रम डेटा से ऑर्थोलॉगस संबंधों का अनुमान कैसे लगाया जाता है?
• एक प्रजाति में स्थापित कार्य को दूसरी प्रजाति में कब स्थानांतरित किया जा सकता है?
• संरक्षण और विचलन के पैटर्न जीन कार्यप्रणाली के बारे में क्या बता सकते हैं?

Key concepts

• समरूपता, ऑर्थोलॉजी और पैरालॉजी
• प्रजातीकरण बनाम दोहराव की घटनाएँ
• अनुक्रम संरेखण और समानता खोज
• पारस्परिक सर्वोत्तम हिट और ऑर्थोलॉगस समूह
• कार्यात्मक एनोटेशन हस्तांतरण
• अनुक्रम संरक्षण और बाधा

Mechanisms

तुलनात्मक अनुमान अनुक्रम संरेखण (sequence alignment) से शुरू होता है, वह ऑपरेशन जो अनुक्रमों के बीच समानता को निर्धारित करता है, जिसे नीडलमैन-वुन्श (Needleman-Wunsch) वैश्विक संरेखण एल्गोरिथम और उसके उत्तराधिकारियों द्वारा औपचारिक रूप दिया गया है। चूंकि केवल समानता ही दो प्रकार की समरूपता को अलग नहीं करती है, फिच का भेद केंद्रीय है: ऑर्थोलॉग एक प्रजातीकरण घटना में भिन्न होते हैं और पैतृक कार्य को बनाए रखने की प्रवृत्ति रखते हैं, जबकि पैरालॉग दोहराव से भिन्न होते हैं और नई भूमिकाएं प्राप्त कर सकते हैं। अनुमान विधियाँ इस भेद को क्रियान्वित करती हैं — उदाहरण के लिए, जीनोम के बीच पारस्परिक सर्वोत्तम मिलान (reciprocal best matches) द्वारा, प्रारंभिक क्लस्टर्स ऑफ ऑर्थोलॉगस ग्रुप्स (Clusters of Orthologous Groups) में प्रोटीन को ऑर्थोलॉगस समूहों में समूहित करके, या ऑर्थोएमसीएल (OrthoMCL) में ग्राफ-आधारित क्लस्टरिंग द्वारा। एक बार जब ऑर्थोलॉग्स की पहचान हो जाती है, तो उचित सावधानी के साथ प्रजातियों के बीच कार्यात्मक एनोटेशन (functional annotation) को स्थानांतरित किया जा सकता है, और कई जीनोमों में संरक्षण का पैटर्न इंगित करता है कि कौन से अनुक्रम कार्यात्मक बाधा के अधीन हैं।

Clinical relevance

ऑर्थोलॉग अनुमान ही वह है जो मॉडल जीवों में खोजों को मानव जीनों की समझ को सूचित करने की अनुमति देता है, और प्रजातियों में संरक्षण वैरिएंट व्याख्या में कार्यात्मक महत्व का एक व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला संकेत है। यह विषय बताता है कि क्रॉस-प्रजाति संबंधों का अनुमान कैसे लगाया जाता है और उनका उपयोग कैसे किया जाता है; यह संदर्भ-उन्मुख है और व्यक्तिगत निदान या उपचार निर्णयों का आधार नहीं है।

History

वाल्टर फिच (Walter Fitch) के 1970 के ऑर्थोलॉग्स और पैरालॉग्स के बीच के भेद ने विकासवादी जीव विज्ञान को प्रजातियों में जीन कार्यप्रणाली के बारे में तर्क करने के लिए आवश्यक शब्दावली दी, जो नीडलमैन-वुन्श (1970) जैसे अनुक्रम-संरेखण विधियों पर आधारित थी। जैसे ही 1990 के दशक के अंत में पूर्ण जीनोम उपलब्ध हुए, क्लस्टर्स ऑफ ऑर्थोलॉगस ग्रुप्स (1997) फ्रेमवर्क ने क्रॉस-जीनोम तुलना को व्यवस्थित किया, और ऑर्थोएमसीएल (2003) जैसे ग्राफ-क्लस्टरिंग उपकरणों ने ऑर्थोलॉग अनुमान को यूकेरियोट्स के अधिक जटिल जीन परिवारों तक विस्तारित किया, जिससे बड़े पैमाने पर कार्य हस्तांतरण नियमित हो गया।

Debates

क्या ऑर्थोलॉजी विश्वसनीय रूप से समतुल्य कार्य की भविष्यवाणी करती है?

प्रजातियों में कार्य को स्थानांतरित करना यह मानता है कि ऑर्थोलॉग पैतृक भूमिका को बनाए रखते हैं, लेकिन दोहराव, हानि और विचलन इसे जटिल बनाते हैं; ऑर्थोलॉग्स को पैरालॉग्स से अलग करना और यह तय करना कि कार्य कब संरक्षित है, केंद्रीय कार्यप्रणाली संबंधी चुनौतियाँ बनी हुई हैं।

Key figures

• Walter Fitch
• Eugene Koonin
• David Lipman
• David Roos

Seminal works

• fitch-1970
• tatusov-1997
• li-2003

Frequently asked questions

ऑर्थोलॉग्स और पैरालॉग्स में क्या अंतर है?

ऑर्थोलॉग्स विभिन्न प्रजातियों में ऐसे जीन होते हैं जो प्रजातीकरण के माध्यम से अपने अंतिम सामान्य पूर्वज में एक ही जीन से उत्पन्न होते हैं और अक्सर एक ही कार्य को बनाए रखते हैं; पैरालॉग्स एक वंशावली के भीतर जीन दोहराव से उत्पन्न होते हैं और नए कार्य ग्रहण कर सकते हैं। यह अंतर मायने रखता है क्योंकि कार्य ऑर्थोलॉग्स के बीच अधिक reliably स्थानांतरित होता है।

प्रजातियों में अनुक्रम संरक्षण का उपयोग वेरिएंट की व्याख्या के लिए क्यों किया जाता है?

जो स्थितियाँ कई प्रजातियों में अपरिवर्तित रहती हैं, वे कार्यात्मक बाधा के अधीन होने की संभावना रखती हैं, इसलिए एक अत्यधिक संरक्षित साइट पर एक वैरिएंट उस स्थिति की तुलना में कार्य को बाधित करने की अधिक संभावना रखता है जो प्रजातियों के बीच स्वतंत्र रूप से भिन्न होती है।