จีโนมิกส์เชิงหน้าที่และการวิเคราะห์วิถี

จีโนมิกส์เชิงหน้าที่ไม่ได้ถามเพียงว่ามีอะไรเขียนอยู่ในจีโนมเท่านั้น แต่ยังถามด้วยว่าลำดับเหล่านั้นทำหน้าที่อะไร — ยีน องค์ประกอบควบคุม และผลิตภัณฑ์ของพวกมันมีส่วนช่วยในการทำงานของเซลล์และสิ่งมีชีวิตอย่างไร การวิเคราะห์วิถีเป็นชั้นการตีความที่นำรายการยีนหรือรูปแบบที่แตกต่างกันไปอยู่ในบริบทของวิถีชีวภาพ ออนโทโลยี และเครือข่ายที่เป็นที่รู้จัก เปลี่ยนผลการค้นพบทางจีโนมิกส์ดิบให้เป็นสมมติฐานทางชีวภาพที่สามารถทดสอบได้

Definition

จีโนมิกส์เชิงหน้าที่คือการศึกษาการทำงานของยีนและจีโนม — กิจกรรมและการโต้ตอบของทรานสคริปต์ โปรตีน และองค์ประกอบควบคุม — ในระดับจีโนม ในขณะที่การวิเคราะห์วิถีคือชุดของวิธีการคำนวณที่ตีความผลลัพธ์ทางจีโนมิกส์ในแง่ของวิถีชีวภาพ ออนโทโลยี และเครือข่ายโมเลกุลที่ได้รับการดูแล

Scope

สาขานี้จะนำผู้อ่านไปสู่สาขาวิชาต่าง ๆ ที่ตีความข้อมูลจีโนมิกส์ในเชิงชีวภาพ: การระบุผลกระทบเชิงหน้าที่ของรูปแบบที่แตกต่างกัน การทดสอบว่าชุดยีนมีการเสริมสมบูรณ์ในวิถีที่กำหนดหรือไม่ การจัดระเบียบการทำงานของยีนผ่านคำศัพท์ควบคุมและฐานข้อมูลที่ได้รับการดูแล การสร้างแบบจำลองยีนและโปรตีนเป็นเครือข่ายที่โต้ตอบกัน และการอนุมานหน้าที่ข้ามสปีชีส์โดยอาศัยความสัมพันธ์แบบออร์โธโลกัส (orthology) นี่คือภาพรวมเชิงอ้างอิงและการศึกษา ไม่ใช่ระเบียบวิธีปฏิบัติหรือแนวทางทางคลินิก

Sub-topics

• Comparative Genomics and Ortholog Inference
• Functional Annotation of Genomic Variants
• Gene Ontology and Biological Databases
• Pathway Enrichment and Network Analysis
• Systems Genomics and Network Biology

Core questions

• ยีน รูปแบบที่แตกต่างกัน หรือองค์ประกอบจีโนมที่กำหนดมีหน้าที่ทางชีวภาพอะไร?
• เมื่อการศึกษาให้รายการยีน วิถีหรือกระบวนการทางชีวภาพใดที่มีการแสดงออกมากเกินไป?
• จะอธิบายการทำงานของยีนด้วยคำศัพท์ที่สอดคล้องกันและเครื่องอ่านได้ได้อย่างไร?
• ยีนและโปรตีนมีปฏิสัมพันธ์กันเป็นระบบอย่างไร แทนที่จะแยกกันอยู่?
• จะถ่ายทอดหน้าที่ที่กำหนดในสิ่งมีชีวิตหนึ่งไปยังอีกสิ่งมีชีวิตหนึ่งโดยความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการได้อย่างไร?

Key concepts

• การตีความจากจีโนไทป์สู่ฟีโนไทป์
• การระบุคำอธิบายเชิงหน้าที่
• การเสริมสมบูรณ์และการแสดงออกมากเกินไปของชุดยีน
• คำศัพท์ควบคุมและออนโทโลยี
• วิถีชีวภาพและเครือข่ายปฏิกิริยา
• เครือข่ายปฏิสัมพันธ์ระดับโมเลกุล
• ออร์โธโลกัสและการอนุรักษ์หน้าที่ทางวิวัฒนาการ

Mechanisms

การตีความเชิงหน้าที่เชื่อมโยงหลายชั้นเข้าด้วยกัน การระบุคำอธิบายในระดับลำดับจะทำนายผลกระทบระดับโมเลกุลของรูปแบบที่แตกต่างกัน เช่น ว่ามันเปลี่ยนแปลงลำดับการเข้ารหัสโปรตีนหรือบริเวณควบคุมหรือไม่ โดยอาศัยแหล่งข้อมูลเช่นแคตตาล็อกองค์ประกอบเชิงหน้าที่ทั่วทั้งจีโนมที่ผลิตโดยกลุ่มความร่วมมือขนาดใหญ่ การตีความระดับยีนจะรวบรวมยีนจำนวนมากเข้าเป็นวิถีและทดสอบว่าผลลัพธ์นั้นกระจุกตัวอยู่ในกระบวนการทางชีวภาพบางอย่างหรือไม่ ไม่ว่าจะโดยการมีอยู่มากเกินไปในรายการที่เลือก หรือโดยการเสริมสมบูรณ์ในรายการยีนที่จัดอันดับทั้งหมด คำศัพท์ควบคุมเช่น Gene Ontology ให้คำศัพท์ร่วมกันที่ทำให้การทดสอบเหล่านี้สามารถทำซ้ำได้ และฐานข้อมูลวิถีที่ได้รับการดูแลจะให้แผนที่ปฏิกิริยาและกระบวนการ สุดท้าย วิธีการเครือข่ายและการเปรียบเทียบจะสร้างแบบจำลองความสัมพันธ์ระหว่างยีน — ปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพ ความสัมพันธ์เชิงหน้าที่ และความสัมพันธ์แบบออร์โธโลกัสข้ามสปีชีส์ — เพื่อให้สามารถเผยแพร่หน้าที่และเข้าใจกลไกของโรคว่าเป็นการรบกวนของระบบที่เชื่อมโยงกัน

Clinical relevance

จีโนมิกส์เชิงหน้าที่และการวิเคราะห์วิถีเป็นพื้นฐานในการตีความผลการค้นพบทางจีโนมิกส์ในการวิจัยและการตั้งค่าการแปลผล: การจัดลำดับความสำคัญของรูปแบบที่แตกต่างกันที่เป็นไปได้ การอธิบายว่าทำไมชุดของยีนที่ทำงานผิดปกติจึงบ่งชี้ถึงกระบวนการทางชีวภาพบางอย่าง และการกำหนดโรคให้เป็นปรากฏการณ์เครือข่าย สาขานี้อธิบายวิธีการดึงความหมายทางชีวภาพจากข้อมูลจีโนมิกส์ และมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นแนวทางอ้างอิง ไม่ใช่เป็นพื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาเฉพาะบุคคล

History

จีโนมิกส์เชิงหน้าที่เติบโตขึ้นมาจากยุคการจัดลำดับจีโนมในช่วงปลายทศวรรษ 1990 และ 2000 เมื่อลำดับจีโนมที่สมบูรณ์สร้างความต้องการในการตีความยีนหลายพันยีนพร้อมกัน Gene Ontology (2000) ได้นำเสนอคำศัพท์ที่เป็นหนึ่งเดียวสำหรับการทำงานของยีน KEGG (2000) ได้จัดระบบความรู้เกี่ยวกับวิถี และการวิเคราะห์การเสริมสมบูรณ์ของชุดยีน (2005) ได้ให้กรอบสถิติสำหรับการอ่านโปรไฟล์การแสดงออกทั้งหมด แคตตาล็อกขนาดใหญ่ขององค์ประกอบเชิงหน้าที่เช่น ENCODE (2012) ได้ขยายการตีความไปยังบริเวณที่ไม่ใช่การเข้ารหัส และเวชศาสตร์เครือข่าย (2011) ได้กำหนดโรคใหม่ว่าเป็นผลมาจากการรบกวนของเครือข่ายโมเลกุล

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

จีโนมิกส์เชิงหน้าที่แตกต่างจากจีโนมิกส์เชิงโครงสร้างหรือการจัดลำดับอย่างไร?

การจัดลำดับและจีโนมิกส์เชิงโครงสร้างจะระบุว่าจีโนมประกอบด้วยอะไรและจัดระเบียบอย่างไร; จีโนมิกส์เชิงหน้าที่จะถามว่าลำดับเหล่านั้นทำหน้าที่อะไร — กิจกรรมและการโต้ตอบของยีน องค์ประกอบควบคุม และผลิตภัณฑ์ของพวกมันในระดับจีโนม

การวิเคราะห์วิถีใช้เพื่ออะไร?

การวิเคราะห์วิถีจะตีความรายการหรือการจัดอันดับของยีนหรือรูปแบบที่แตกต่างกันโดยการทดสอบว่าวิถีชีวภาพที่เป็นที่รู้จัก คำศัพท์ออนโทโลยี หรือเครือข่ายมีการแสดงออกมากเกินไปหรือไม่ ซึ่งช่วยเปลี่ยนผลลัพธ์ทางจีโนมิกส์ให้เป็นสมมติฐานทางชีวภาพ