Skip to main content
Global

17.4: تطبيق علم الجينوم

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196493

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

    المهارات اللازمة للتطوير

    • شرح علم الجينوم الدوائي
    • تعريف متعدد الجينات

    أدى إدخال تسلسل الحمض النووي ومشاريع تسلسل الجينوم الكامل، وخاصة مشروع الجينوم البشري، إلى توسيع نطاق تطبيق معلومات تسلسل الحمض النووي. يتم استخدام علم الجينوم الآن في مجموعة متنوعة من المجالات، مثل الميتاجينوميات وعلم الجينوم الدوائي وجينوميات الميتوكوندريا. التطبيق الأكثر شيوعًا لعلم الجينوم هو فهم وإيجاد علاجات للأمراض.

    توقع مخاطر الأمراض على المستوى الفردي

    يتضمن التنبؤ بخطر المرض فحص الأفراد الأصحاء حاليًا عن طريق تحليل الجينوم على المستوى الفردي. يمكن التوصية بالتدخل في تغييرات نمط الحياة والأدوية قبل ظهور المرض. ومع ذلك، يكون هذا النهج أكثر قابلية للتطبيق عندما تكمن المشكلة في عيب جيني واحد. مثل هذه العيوب لا تمثل سوى ما يقرب من 5 في المئة من الأمراض في البلدان المتقدمة. معظم الأمراض الشائعة، مثل أمراض القلب، متعددة العوامل أو متعددة الجينات، وهي خاصية نمطية تتضمن جينين أو أكثر، وتشمل أيضًا عوامل بيئية مثل النظام الغذائي. في أبريل 2010، نشر العلماء في جامعة ستانفورد تحليل الجينوم لفرد سليم (ستيفن كواك، عالم في جامعة ستانفورد، الذي قام بتسلسل الجينوم الخاص به)؛ تنبأ التحليل بميله إلى الإصابة بأمراض مختلفة. تم إجراء تقييم للمخاطر لتحليل نسبة خطر Quake لـ 55 حالة طبية مختلفة. تم العثور على طفرة جينية نادرة، مما أظهر أنه معرض لخطر الإصابة بنوبة قلبية مفاجئة. كما كان من المتوقع أن يكون لديه خطر الإصابة بسرطان البروستاتا بنسبة 23 في المائة وخطر الإصابة بمرض الزهايمر بنسبة 1.4 في المائة، وقد استخدم العلماء قواعد بيانات والعديد من المنشورات لتحليل البيانات الجينومية. على الرغم من أن التسلسل الجيني أصبح ميسور التكلفة وأن الأدوات التحليلية أصبحت أكثر موثوقية، إلا أن القضايا الأخلاقية المحيطة بالتحليل الجيني على مستوى السكان لا تزال بحاجة إلى معالجة.

    آرت كونيكشن

    يحدث اختبار PCA3 في ثلاث خطوات. في الخطوة الأولى، يتم تلدين PCA3 mRNA إلى بادئات الحمض النووي التكميلية المرفقة بالخرز. في الخطوة الثانية، يتم تضخيم mRNA باستخدام PCR بالنسخ العكسي. في الخطوة الثالثة، يتم اكتشاف الحمض النووي الريبوزي باستخدام مسبار كيميائي مضيء.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): PCA3 هو جين يتم التعبير عنه في الخلايا الظهارية للبروستاتا ويتم التعبير عنه بشكل مفرط في الخلايا السرطانية. يشير التركيز العالي لـ PCA3 في البول إلى سرطان البروستاتا. يعتبر اختبار PCA3 مؤشرًا أفضل للسرطان من اختبار PSA الأكثر شهرة، والذي يقيس مستوى PSA (مستضد خاص بالبروستاتا) في الدم.

    في عام 2011، أوصت فرقة عمل الخدمات الوقائية الأمريكية بعدم استخدام اختبار PSA لفحص الرجال الأصحاء لسرطان البروستاتا. تستند توصيتهم إلى أدلة على أن الفحص لا يقلل من خطر الوفاة بسبب سرطان البروستاتا. غالبًا ما يتطور سرطان البروستاتا ببطء شديد ولا يسبب مشاكل، بينما يمكن أن يكون لعلاج السرطان آثار جانبية شديدة. يعتبر اختبار PCA3 أكثر دقة، ولكن قد يؤدي الفحص إلى إصابة الرجال الذين لم يتضرروا من السرطان نفسه بآثار جانبية من العلاج. ماذا تعتقد؟ هل يجب فحص جميع الرجال الأصحاء لسرطان البروستاتا باستخدام اختبار PCA3 أو PSA؟ هل يجب فحص الأشخاص بشكل عام لمعرفة ما إذا كان لديهم خطر وراثي للإصابة بالسرطان أو أمراض أخرى؟

    علم الجينوم الدوائي وعلم السموم

    يتضمن علم الصيدلة الجيني، المعروف أيضًا باسم علم السموم، تقييم فعالية الأدوية وسلامتها على أساس المعلومات من التسلسل الجيني للفرد. يمكن دراسة الاستجابات الجينومية للأدوية باستخدام الحيوانات التجريبية (مثل الفئران المختبرية أو الفئران) أو الخلايا الحية في المختبر قبل الشروع في الدراسات مع البشر. يمكن أن توفر دراسة التغييرات في التعبير الجيني معلومات حول ملف النسخ في وجود الدواء، والذي يمكن استخدامه كمؤشر مبكر لإمكانية حدوث تأثيرات سامة. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي الجينات المشاركة في النمو الخلوي وموت الخلايا المتحكم فيه، عند اضطرابها، إلى نمو الخلايا السرطانية. يمكن أن تساعد الدراسات على مستوى الجينوم أيضًا في العثور على جينات جديدة تشارك في سمية الأدوية. يمكن استخدام معلومات تسلسل الجينوم الشخصي لوصف الأدوية التي ستكون أكثر فعالية وأقل سمية على أساس النمط الجيني للمريض الفردي. قد لا تكون التوقيعات الجينية دقيقة تمامًا، ولكن يمكن اختبارها مرة أخرى قبل ظهور الأعراض المرضية.

    علم الجينوم الميكروبي: ميتاجينوميكس

    تقليديًا، تم تدريس علم الأحياء الدقيقة من وجهة نظر مفادها أنه من الأفضل دراسة الكائنات الحية الدقيقة في ظل ظروف الاستزراع النقي، والتي تتضمن عزل نوع واحد من الخلايا وزراعتها في المختبر. نظرًا لأن الكائنات الحية الدقيقة يمكن أن تمر عبر عدة أجيال في غضون ساعات، فإن ملفات تعريف التعبير الجيني الخاصة بها تتكيف مع بيئة المختبر الجديدة بسرعة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الغالبية العظمى من الأنواع البكتيرية تقاوم الاستزراع في عزلة. لا تعيش معظم الكائنات الحية الدقيقة ككيانات معزولة، ولكن في المجتمعات الميكروبية المعروفة باسم الأغشية الحيوية. لكل هذه الأسباب، فإن الثقافة النقية ليست دائمًا أفضل طريقة لدراسة الكائنات الحية الدقيقة. الميتاجينوميكس هي دراسة الجينوم الجماعي لأنواع متعددة تنمو وتتفاعل في بيئة بيئية. يمكن استخدام الميتاجينوميكس لتحديد الأنواع الجديدة بسرعة أكبر وتحليل تأثير الملوثات على البيئة (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

    في علم الميتاجينوميات، يتم تقطيع كل الحمض النووي الجيني من بيئة معينة إلى أجزاء وربطه في ناقل الاستنساخ. يتم تسلسل الأجزاء، التي قد تكون من عدة أنواع مختلفة. تشير مناطق التداخل إلى أن شظيتين جاءتا من نفس النوع. وبالتالي، يمكن تحديد جينوم كل نوع موجود.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): تتضمن الميتاجينوميات عزل الحمض النووي من أنواع متعددة داخل مكانة بيئية.

    علم الجينوم الميكروبي: إنشاء وقود حيوي جديد

    يتم استخدام المعرفة بجينوم الكائنات الحية الدقيقة لإيجاد طرق أفضل لتسخير الوقود الحيوي من الطحالب والبكتيريا الزرقاء. المصادر الأساسية للوقود اليوم هي الفحم والنفط والخشب والمنتجات النباتية الأخرى، مثل الإيثانول. على الرغم من أن النباتات هي موارد متجددة، لا تزال هناك حاجة لإيجاد المزيد من مصادر الطاقة المتجددة البديلة لتلبية متطلبات الطاقة لسكاننا. يعد عالم الميكروبات أحد أكبر موارد الجينات التي تقوم بترميز الإنزيمات الجديدة وإنتاج مركبات عضوية جديدة، ولا يزال غير مستغل إلى حد كبير. تُستخدم الكائنات الحية الدقيقة لإنشاء منتجات، مثل الإنزيمات المستخدمة في الأبحاث والمضادات الحيوية وغيرها من الآليات المضادة للميكروبات. تساعد الجينوميات الميكروبية في تطوير أدوات التشخيص واللقاحات المحسنة وعلاجات الأمراض الجديدة وتقنيات التنظيف البيئي المتقدمة.

    جينوم الميتوكوند

    الميتوكوندريا هي عضيات داخل الخلايا تحتوي على الحمض النووي الخاص بها. يتحور الحمض النووي للميتوكوندريا بمعدل سريع وغالبًا ما يستخدم لدراسة العلاقات التطورية. ميزة أخرى تجعل دراسة جينوم الميتوكوندريا مثيرة للاهتمام هي أن الحمض النووي للميتوكوندريا في معظم الكائنات متعددة الخلايا ينتقل من الأم أثناء عملية الإخصاب. لهذا السبب، غالبًا ما تستخدم جينوم الميتوكوندريا لتتبع علم الأنساب.

    تم استخدام المعلومات والقرائن التي تم الحصول عليها من عينات الحمض النووي الموجودة في مسرح الجريمة كدليل في قضايا المحاكم، وتم استخدام العلامات الجينية في تحليل الطب الشرعي. أصبح التحليل الجيني مفيدًا أيضًا في هذا المجال. في عام 2001، تم نشر أول استخدام لعلم الجينوم في الطب الشرعي. كانت محاولة تعاونية بين مؤسسات البحث الأكاديمي ومكتب التحقيقات الفيدرالي لحل الحالات الغامضة للجمرة الخبيثة التي تم الإبلاغ عنها عبر خدمة البريد الأمريكية. باستخدام علم الجينوم الميكروبي، قرر الباحثون أنه تم استخدام سلالة معينة من الجمرة الخبيثة في جميع المراسلات.

    علم الجينوم في الزراعة

    يمكن أن يقلل علم الجينوم من التجارب والإخفاقات التي ينطوي عليها البحث العلمي إلى حد ما، مما قد يحسن جودة وكمية غلة المحاصيل في الزراعة. يساعد ربط السمات بالجينات أو التوقيعات الجينية على تحسين تربية المحاصيل لتوليد أنواع هجينة ذات أكثر الصفات المرغوبة. يستخدم العلماء البيانات الجينومية لتحديد السمات المرغوبة، ثم نقل تلك الصفات إلى كائن حي مختلف. يكتشف العلماء كيف يمكن للجينوم تحسين جودة وكمية الإنتاج الزراعي. على سبيل المثال، يمكن للعلماء استخدام السمات المرغوبة لإنشاء منتج مفيد أو تحسين منتج موجود، مثل جعل المحاصيل الحساسة للجفاف أكثر تحملاً لموسم الجفاف.

    ملخص

    الخيال هو العائق الوحيد أمام تطبيق علم الجينوم. يتم تطبيق علم الجينوم في معظم مجالات علم الأحياء؛ يتم استخدامه للطب الشخصي، والتنبؤ بمخاطر الأمراض على المستوى الفردي، ودراسة التفاعلات الدوائية قبل إجراء التجارب السريرية، ودراسة الكائنات الحية الدقيقة في البيئة بدلاً من المختبر. كما يتم تطبيقه على تطورات مثل توليد الوقود الحيوي الجديد، وتقييم الأنساب باستخدام الميتوكوندريا، والتقدم في علم الطب الشرعي، والتحسينات في الزراعة.

    اتصالات فنية

    الشكل\(\PageIndex{1}\): في عام 2011، أوصت فرقة عمل الخدمات الوقائية الأمريكية بعدم استخدام اختبار PSA لفحص الرجال الأصحاء لسرطان البروستاتا. تستند توصيتهم إلى أدلة على أن الفحص لا يقلل من خطر الوفاة بسبب سرطان البروستاتا. غالبًا ما يتطور سرطان البروستاتا ببطء شديد ولا يسبب مشاكل، بينما يمكن أن يكون لعلاج السرطان آثار جانبية شديدة. يعتبر اختبار PCA3 أكثر دقة، ولكن قد يؤدي الفحص إلى إصابة الرجال الذين لم يتضرروا من السرطان نفسه بآثار جانبية من العلاج. ماذا تعتقد؟ هل يجب فحص جميع الرجال الأصحاء لسرطان البروستاتا باستخدام اختبار PCA3 أو PSA؟ هل يجب فحص الأشخاص بشكل عام لمعرفة ما إذا كان لديهم خطر وراثي للإصابة بالسرطان أو أمراض أخرى؟

    إجابة

    لا توجد إجابات صحيحة أو خاطئة لهذه الأسئلة. في حين أنه من الصحيح أن علاج سرطان البروستاتا بحد ذاته يمكن أن يكون ضارًا، فإن العديد من الرجال يفضلون أن يدركوا أنهم مصابون بالسرطان حتى يتمكنوا من مراقبة المرض وبدء العلاج في حالة تقدمه. وعلى الرغم من أن الفحص الجيني قد يكون مفيدًا، إلا أنه مكلف وقد يسبب قلقًا لا داعي له. قد لا يصاب الأشخاص الذين لديهم عوامل خطر معينة بالمرض أبدًا، وقد تضر العلاجات الوقائية أكثر مما تنفع.

    مسرد المصطلحات

    الميتاجينوميكس
    دراسة الجينومات الجماعية لأنواع متعددة تنمو وتتفاعل في مكانة بيئية
    علم الجينوم الدوائي
    دراسة التفاعلات الدوائية مع الجينوم أو البروتيوم؛ وتسمى أيضًا علم السموم
    متعدد الجينات
    السمة المظهرية الناجمة عن جينين أو أكثر
    ثقافة نقية
    نمو نوع واحد من الخلايا في المختبر