Hệ gen chức năng và Hệ gen so sánh

Khi một hệ gen đã được giải trình tự, những câu hỏi khó hơn bắt đầu xuất hiện: những đoạn nào có chức năng, chúng làm gì và có thể học được gì bằng cách so sánh hệ gen đó với hệ gen của các loài khác.

Definition

Hệ gen chức năng (functional genomics) tìm cách gán vai trò sinh học cho các gen và các yếu tố hệ gen khác trên quy mô toàn bộ hệ gen, trong khi hệ gen so sánh (comparative genomics) suy luận chức năng và lịch sử tiến hóa bằng cách căn chỉnh và đối chiếu hệ gen của các loài khác nhau.

Scope

Chủ đề này bao gồm việc chú thích hệ gen để xác định gen và các yếu tố điều hòa, nghiên cứu biểu hiện thông lượng cao thông qua phân tích hệ phiên mã, gán chức năng gen một cách có hệ thống thông qua các thí nghiệm loại bỏ và sàng lọc, căn chỉnh và so sánh hệ gen giữa các loài để phát hiện các vùng được bảo tồn và phân kỳ, suy luận các gen tương đồng (orthologs) và gen song hệ (paralogs), cũng như các trình duyệt và cơ sở dữ liệu hệ gen tổ chức thông tin này. Nó đề cập đến việc giải thích trình tự hệ gen; việc xác định trình tự đó được đề cập trong chủ đề liền kề.

Core questions

• Làm thế nào để xác định và chú thích các gen và yếu tố điều hòa trong một trình tự hệ gen thô?
• Việc đo lường biểu hiện trong các điều kiện khác nhau tiết lộ điều gì về chức năng của gen?
• Sự bảo tồn trình tự giữa các loài cho thấy tầm quan trọng chức năng như thế nào?
• Làm thế nào để phân biệt các gen tương đồng (orthologs) và gen song hệ (paralogs), và tại sao điều đó lại quan trọng?

Key concepts

• Chú thích hệ gen về gen và các yếu tố điều hòa
• Hệ phiên mã học và lập hồ sơ biểu hiện
• Sàng lọc chức năng và loại bỏ gen
• Căn chỉnh trình tự và bảo tồn giữa các loài
• Gen tương đồng (orthologs), gen song hệ (paralogs) và trình duyệt hệ gen

Mechanisms

Chú thích kết hợp các tín hiệu trình tự như khung đọc mở (open reading frames) và vị trí nối (splice sites) với bằng chứng từ các bản phiên mã được biểu hiện; phân tích so sánh căn chỉnh các hệ gen sao cho các trình tự được bảo tồn vượt quá mức mà tiến hóa trung tính cho phép nổi bật như có khả năng chức năng, trong khi sự nhân đôi và mất gen theo dõi sự đổi mới đặc trưng theo dòng dõi.

Clinical relevance

Hệ gen chức năng và so sánh ưu tiên các gen gây bệnh tiềm năng, giải thích tác động có thể có của các biến thể dựa trên sự bảo tồn của chúng, hướng dẫn lựa chọn các sinh vật mô hình, và cung cấp các chú thích và trình duyệt mà các nhà lâm sàng và nhà nghiên cứu sử dụng để hiểu hệ gen của bệnh nhân.

History

Khi các trình tự hệ gen tích lũy từ cuối những năm 1990, trọng tâm chuyển từ giải trình tự sang giải thích: các tập đoàn lớn đã chú thích các yếu tố chức năng, các so sánh sinh vật mô hình đã tiết lộ sự bảo tồn sâu sắc, và các trình duyệt hệ gen công cộng như trình duyệt UCSC ra mắt năm 2002 đã giúp việc chú thích toàn bộ hệ gen trở nên dễ tiếp cận rộng rãi.

Key figures

• David Haussler
• Eric Lander
• Michael Ashburner

Seminal works

• kent2002
• brown2018

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa hệ gen chức năng và hệ gen so sánh là gì?

Hệ gen chức năng đặt câu hỏi về chức năng của các yếu tố hệ gen, thường thông qua các thí nghiệm đo lường biểu hiện hoặc tác động của việc làm gián đoạn gen, trong khi hệ gen so sánh suy luận chức năng và lịch sử tiến hóa bằng cách so sánh hệ gen của các loài khác nhau.

Tại sao sự bảo tồn trình tự lại gợi ý chức năng?

Các vùng thực hiện một chức năng quan trọng có xu hướng được bảo tồn bởi chọn lọc tự nhiên qua thời gian tiến hóa dài, vì vậy các trình tự vẫn tương tự nhau giữa các loài có quan hệ xa có khả năng bị ràng buộc về chức năng hơn là tự do đột biến.