Skip to main content
Global

17.4: יישום גנומיקה

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    205921

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מיומנויות לפיתוח

    • הסבר פרמקוגנומיקה
    • הגדר פוליגני

    הכנסת פרויקטים של רצף DNA ורצף גנום שלם, במיוחד פרויקט הגנום האנושי, הרחיבה את תחולת המידע על רצף ה- DNA. כיום נעשה שימוש בגנומיקה במגוון רחב של תחומים, כגון מטאנומיקה, פרמקוגנומיקה וגנומיקה מיטוכונדריאלית. היישום הנפוץ ביותר של גנומיקה הוא להבין ולמצוא תרופות למחלות.

    חיזוי סיכון למחלות ברמה האישית

    חיזוי הסיכון למחלות כרוך בבדיקת אנשים בריאים כיום על ידי ניתוח גנום ברמה האישית. התערבות עם שינויים באורח החיים ותרופות יכול להיות מומלץ לפני תחילת המחלה. עם זאת, גישה זו ישימה ביותר כאשר הבעיה שוכנת בתוך פגם גן יחיד. ליקויים כאלה מהווים רק כ -5 אחוזים מהמחלות במדינות מפותחות. מרבית המחלות השכיחות, כמו מחלות לב, הן רב-פקטורליות או פוליגניות, שהוא מאפיין פנוטיפי הכולל שני גנים או יותר, וכולל גם גורמים סביבתיים כמו תזונה. באפריל 2010 פרסמו מדענים מאוניברסיטת סטנפורד את ניתוח הגנום של אדם בריא (סטיבן קווייק, מדען מאוניברסיטת סטנפורד, שרצף את הגנום שלו); הניתוח ניבא את נטייתו לרכוש מחלות שונות. הערכת סיכונים בוצעה כדי לנתח את אחוז הסיכון של Quake עבור 55 מצבים רפואיים שונים. נמצאה מוטציה גנטית נדירה, שהראתה שהוא נמצא בסיכון להתקף לב פתאומי. כמו כן, הוא צפוי להיות בעל סיכון של 23 אחוזים לפתח סרטן הערמונית וסיכון של 1.4 אחוזים לפתח אלצהיימר. המדענים השתמשו במאגרי מידע ובכמה פרסומים כדי לנתח את הנתונים הגנומיים. למרות שרצף גנומי הופך לזול יותר וכלים אנליטיים הופכים לאמינים יותר, נותרו לטפל בסוגיות אתיות סביב ניתוח גנומי ברמת אוכלוסייה.

    חיבור אמנות

    בדיקת PCA3 מתרחשת בשלושה שלבים. בשלב הראשון, PCA3 mRNA מחלחל לפריימרים משלימים של DNA המחוברים לחרוזים. בשלב השני, ה- mRNA מוגבר באמצעות PCR הפוך טרנסקריפטאז. בשלב השלישי, ה- mRNA מזוהה באמצעות בדיקה כימילומינצנטית.
    איור\(\PageIndex{1}\): PCA3 הוא גן המתבטא בתאי אפיתל הערמונית ומתבטא יתר בתאים סרטניים. ריכוז גבוה של PCA3 בשתן מעיד על סרטן הערמונית. בדיקת PCA3 נחשבת לאינדיקטור טוב יותר לסרטן מאשר בדיקת ה- PSA הידועה יותר, המודדת את רמת ה- PSA (אנטיגן ספציפי לערמונית) בדם.

    בשנת 2011 המליץ צוות המשימה לשירותי מניעה בארצות הברית שלא להשתמש בבדיקת PSA לבדיקת גברים בריאים לסרטן הערמונית. המלצתם מבוססת על ראיות לכך שההקרנה אינה מפחיתה את הסיכון למוות מסרטן הערמונית. סרטן הערמונית מתפתח לעיתים קרובות לאט מאוד ואינו גורם לבעיות, בעוד שלטיפול בסרטן יכולות להיות תופעות לוואי קשות. בדיקת ה - PCA3 נחשבת למדויקת יותר, אך עדיין עלולה לגרום לכך שגברים שלא היו נפגעים מהסרטן עצמו סובלים מתופעות לוואי מהטיפול. מה אתה חושב? האם יש לבדוק את כל הגברים הבריאים לסרטן הערמונית באמצעות בדיקת PCA3 או PSA? האם יש לבדוק אנשים באופן כללי כדי לברר אם יש להם סיכון גנטי לסרטן או למחלות אחרות?

    פרמקוגנומיקה וטוקסיקוגנומיקה

    פרמקוגנומיקה, הנקראת גם טוקסיקוגנומיקה, כוללת הערכת היעילות והבטיחות של תרופות על בסיס מידע מהרצף הגנומי של הפרט. ניתן ללמוד תגובות גנומיות לתרופות באמצעות חיות ניסוי (כגון חולדות מעבדה או עכברים) או תאים חיים במעבדה לפני היציאה למחקרים עם בני אדם. לימוד שינויים בביטוי הגנים יכול לספק מידע על פרופיל התעתיק בנוכחות התרופה, אשר יכול לשמש אינדיקטור מוקדם לפוטנציאל להשפעות רעילות. לדוגמה, גנים המעורבים בצמיחה תאית ומוות תאים מבוקר, כאשר הם מופרעים, עלולים להוביל לצמיחה של תאים סרטניים. מחקרים רחבי הגנום יכולים גם לעזור למצוא גנים חדשים המעורבים ברעילות התרופה. ניתן להשתמש במידע על רצף הגנום האישי כדי לרשום תרופות שיהיו היעילות ביותר והפחות רעילות על בסיס הגנוטיפ של המטופל הבודד. חתימות הגנים אולי אינן מדויקות לחלוטין, אך ניתן לבדוק אותן עוד לפני שמתעוררים תסמינים פתולוגיים.

    גנומיקה מיקרוביאלית: מטאנומיקה

    באופן מסורתי, מיקרוביולוגיה נלמדה מתוך תפיסה שמיקרואורגניזמים נלמדים בצורה הטובה ביותר בתנאי תרבית טהורים, הכוללים בידוד סוג יחיד של תא וטיפוחו במעבדה. מכיוון שמיקרואורגניזמים יכולים לעבור מספר דורות תוך שעות ספורות, פרופילי ביטוי הגנים שלהם מסתגלים לסביבת המעבדה החדשה במהירות רבה. בנוסף, הרוב המכריע של מיני החיידקים מתנגדים לתרבות בבידוד. רוב המיקרואורגניזמים אינם חיים כישויות מבודדות, אלא בקהילות מיקרוביאליות המכונות ביופילמים. מכל הסיבות הללו, תרבות טהורה היא לא תמיד הדרך הטובה ביותר ללמוד מיקרואורגניזמים. Metagenomics הוא חקר הגנום הקולקטיבי של מינים מרובים הגדלים ומקיימים אינטראקציה בנישה סביבתית. Metagenomics יכול לשמש כדי לזהות מינים חדשים מהר יותר ולנתח את ההשפעה של מזהמים על הסביבה (איור). \(\PageIndex{2}\)

    במטאנומיקה, כל ה-DNA הגנומי מסביבה מסוימת נחתך לשברים וקשור לווקטור שיבוט. השברים, שעשויים להיות מכמה מינים שונים, הם ברצף. אזורי חפיפה מצביעים על כך ששני שברים הגיעו מאותו מין. לפיכך, ניתן לקבוע את הגנום של כל מין הקיים.
    איור\(\PageIndex{2}\): Metagenomics כרוך בבידוד DNA ממינים מרובים בתוך נישה סביבתית.

    גנומיקה מיקרוביאלית: יצירת דלקים ביולוגיים חדשים

    הידע על הגנומיקה של מיקרואורגניזמים נמצא בשימוש כדי למצוא דרכים טובות יותר לרתום דלק ביולוגי מאצות וציאנובקטריה. מקורות הדלק העיקריים כיום הם פחם, נפט, עץ ומוצרים צמחיים אחרים, כגון אתנול. למרות שצמחים הם משאבים מתחדשים, עדיין יש צורך למצוא מקורות אנרגיה מתחדשים חלופיים יותר כדי לענות על דרישות האנרגיה של האוכלוסייה שלנו. העולם המיקרוביאלי הוא אחד המשאבים הגדולים ביותר לגנים המקודדים לאנזימים חדשים ומייצרים תרכובות אורגניות חדשות, והוא נותר ברובו בלתי מנוצל. מיקרואורגניזמים משמשים ליצירת מוצרים, כגון אנזימים המשמשים במחקר, אנטיביוטיקה ומנגנונים אנטי-מיקרוביאליים אחרים. גנומיקה מיקרוביאלית מסייעת בפיתוח כלי אבחון, חיסונים משופרים, טיפולים חדשים במחלות וטכניקות ניקוי סביבתיות מתקדמות.

    גנומיקה מיטוכונדריאלית

    מיטוכונדריה הם אברונים תוך תאיים המכילים DNA משלהם. ה- DNA המיטוכונדריאלי משתנה בקצב מהיר ומשמש לעתים קרובות לחקר מערכות יחסים אבולוציוניות. תכונה נוספת שהופכת את לימוד הגנום המיטוכונדריאלי למעניין היא שה- DNA המיטוכונדריאלי ברוב האורגניזמים הרב-תאיים מועבר מהאם במהלך תהליך ההפריה. מסיבה זו, גנומיקה מיטוכונדריאלית משמשת לעתים קרובות להתחקות אחר גנאלוגיה.

    מידע ורמזים שהתקבלו מדגימות DNA שנמצאו בזירות פשע שימשו כראיה בתיקי משפט, וסמנים גנטיים שימשו בניתוח משפטי. ניתוח גנומי הפך שימושי גם בתחום זה. בשנת 2001 פורסם השימוש הראשון בגנומיקה בזיהוי פלילי. זה היה ניסיון משותף בין מוסדות מחקר אקדמיים לבין ה- FBI לפתור את המקרים המסתוריים של אנתרקס שהועברו באמצעות שירות הדואר האמריקאי. באמצעות גנומיקה מיקרוביאלית, החוקרים קבעו כי נעשה שימוש בזן ספציפי של אנתרקס בכל הדיוור.

    גנומיקה בחקלאות

    גנומיקה יכולה להפחית במידה מסוימת את הניסויים והכישלונות הכרוכים במחקר מדעי, מה שעלול לשפר את איכות וכמות יבול היבול בחקלאות. קישור תכונות לגנים או לחתימות גנים עוזר לשפר את גידול היבול ליצירת כלאיים בעלי התכונות הרצויות ביותר. מדענים משתמשים בנתונים גנומיים כדי לזהות תכונות רצויות, ולאחר מכן מעבירים את התכונות הללו לאורגניזם אחר. מדענים מגלים כיצד גנומיקה יכולה לשפר את איכות וכמות הייצור החקלאי. לדוגמה, מדענים יכולים להשתמש בתכונות רצויות כדי ליצור מוצר שימושי או לשפר מוצר קיים, כגון הפיכת יבול רגיש לבצורת לסובלני יותר לעונה היבשה.

    סיכום

    הדמיון הוא המחסום היחיד ליישום הגנומיקה. הגנומיקה מיושמת ברוב תחומי הביולוגיה; היא משמשת לרפואה מותאמת אישית, חיזוי סיכוני מחלה ברמה אינדיבידואלית, חקר אינטראקציות תרופתיות לפני ביצוע ניסויים קליניים וחקר מיקרואורגניזמים בסביבה בניגוד למעבדה. הוא מיושם גם על התפתחויות כמו יצירת דלקים ביולוגיים חדשים, הערכה גנאלוגית באמצעות מיטוכונדריה, התקדמות במדע הפלילי ושיפורים בחקלאות.

    חיבורי אמנות

    איור\(\PageIndex{1}\): בשנת 2011, צוות המשימה לשירותי מניעה בארצות הברית המליץ שלא להשתמש בבדיקת PSA כדי לבדוק גברים בריאים לסרטן הערמונית. המלצתם מבוססת על ראיות לכך שההקרנה אינה מפחיתה את הסיכון למוות מסרטן הערמונית. סרטן הערמונית מתפתח לעיתים קרובות לאט מאוד ואינו גורם לבעיות, בעוד שלטיפול בסרטן יכולות להיות תופעות לוואי קשות. בדיקת ה - PCA3 נחשבת למדויקת יותר, אך עדיין עלולה לגרום לכך שגברים שלא היו נפגעים מהסרטן עצמו סובלים מתופעות לוואי מהטיפול. מה אתה חושב? האם יש לבדוק את כל הגברים הבריאים לסרטן הערמונית באמצעות בדיקת PCA3 או PSA? האם יש לבדוק אנשים באופן כללי כדי לברר אם יש להם סיכון גנטי לסרטן או למחלות אחרות?

    תשובה

    אין תשובות נכונות או לא נכונות לשאלות אלו. אמנם נכון שטיפול בסרטן הערמונית עצמו יכול להזיק, אך גברים רבים מעדיפים להיות מודעים לכך שיש להם סרטן כדי שיוכלו לעקוב אחר המחלה ולהתחיל בטיפול אם היא מתקדמת. ולמרות שבדיקה גנטית עשויה להיות שימושית, היא יקרה ועלולה לגרום לדאגה מיותרת. אנשים עם גורמי סיכון מסוימים עשויים לעולם לא לפתח את המחלה, וטיפולים מונעים עשויים להזיק יותר מתועלת.

    רשימת מילים

    מטגנומיקה
    מחקר של הגנום הקולקטיבי של מינים מרובים הגדלים ומקיימים אינטראקציה בנישה סביבתית
    פרמקוגנומיקה
    מחקר על אינטראקציות תרופתיות עם הגנום או הפרוטום; נקרא גם טוקסיקוגנומיקה
    פוליגני
    מאפיין פנוטיפי הנגרם על ידי שני גנים או יותר
    תרבות טהורה
    גידול של סוג אחד של תא במעבדה