Inhalte

• Einführung in die Genomik
• Einführung in die Proteomik
• Funktionelle Genomik
• Funktionelle Proteomik
• Unterschiede zwischen Genomik und Proteomik
• Transkriptomik | Stoffwechselprodukte
• Bioinformatik
• Wie Genom und Proteom verwandt sind
• Anwendung von Genomik und Proteomik
• Warum Computerdatenbanken in der Genomik und Proteomik wichtig sind
• Anwendung von Genomik und Proteomik bei der Pflanzenverbesserung
• Genomik und Proteomik bei Krebs
• Schlussfolgerungen

Unterschiede zwischen Genomik und Proteomik

Im Bereich der Genomik untersuchen wir den Satz von Genen, der in einem Organismus oder einer Zelle vorhanden ist, während Proteomik die detaillierte Untersuchung des gesamten Proteinsatzes eines Organismus oder einer Zelle ist. Genomik und Proteomik sind jedoch eng verwandte Gebiete der „Omics“-Wissenschaften.

Einführung in die Genomik

Genomik ist das Gebiet der Biologie, das sich auf die Entdeckung und Kenntnisnahme des gesamten Genoms eines Organismus bezieht. Das Genom wird als die Gesamtheit der Gene angesehen, die in der Zelle eines Organismus vorhanden sind. Genomik ist daher das Studium und die Erforschung der genetischen Ausstattung von Lebewesen.

Bestimmung der Sequenz genomischer DNA war erst der Anfang der Genomik. Später wurde diese Gensequenz verwendet, um die Funktion der verschiedenen in der DNA vorhandenen Gene zu untersuchen (ein Teil der funktionellen Genomik), zum Vergleich von Genen zweier Organismen (ein Teil der vergleichenden Genomik) oder um die 3D-Struktur von . zu erzeugen Proteine ​​aus jeder Proteinfamilie und geben anschließend eine Vorstellung von ihrer 3D-Struktur (ein Teil der strukturellen Genomik).

Bei pflanzenbasierten landwirtschaftlichen Prozessen besteht das grundlegende Motiv hinter der anwendungsbasierten Einführung der Genomik darin, das gesamte Genom von Pflanzen zu verstehen. Agronomisch bedeutsame Gene könnten unterschieden und fokussiert werden, um nahrhaftere und sicherere Lebensmittel zu liefern und gleichzeitig die Umwelt zu schützen.

Genomics ist ein Anfang, um einen Blick auf die anderen Wissenschaftsströme zu werfen, die mit „Omics“ verbunden sind. Die genetische Information eines Organismus, sein Genotyp, ist verantwortlich für die Morphologie oder das äußere Erscheinungsbild des Organismus, bekannt als „Phänotyp“ dieses Organismus. Der Phänotyp eines Organismus hängt jedoch auch von Umweltfaktoren ab

Die DNA im Genom ist nur ein einzelner Teil der Lebensprozesse, die einen Organismus am Leben erhalten – also die Interpretation der DNA ist eine Stufe zum Verständnis des Kreislaufs. Ungeachtet dessen, ohne die Hilfe von jemand anderem, zeigt es nicht alles an, was im Inneren des Lebewesens vor sich geht.

Einführung in die Proteomik

Proteomik wird als groß angelegte Analyse und Untersuchung von Proteinen betrachtet, im Allgemeinen durch biochemische Strategien. Das Wort Proteomik wird traditionell mit der Darstellung einer großen Menge von Proteinen aus einem bestimmten Organismus oder einer bestimmten Zelllinie auf zweidimensionalen Polyacrylamidgelen (2D-PAGE) in Verbindung gebracht.

 In diesem Zusammenhang reicht die Proteomik bis in die letzte Hälfte der 1970er Jahre zurück, als Forscher begannen, die Informationen oder Datenbanken von Proteinen mit der kürzlich entwickelten Strategie der zweidimensionalen Gelelektrophorese zusammenzustellen. Dies geschah in einer breiten Auflistung

von Flecken aus zweidimensionalen Gelen, um Datensätze von jedem in einem Organismus exprimierten Protein zu erstellen. In einem Fall, in dem solche Gele reproduzierbar zwischen Labors laufen konnten, war die Identifizierung der Proteine ​​jedoch aufgrund eines Bedarfs mühsam

schneller analytischer und sensitiver Strategien zur Proteinidentifizierung, -detektion und -charakterisierung (z. B. automatisierte DNA-Sequenzierung und Polymerase-Kettenreaktion zur DNA-Untersuchung).

In den 1990er Jahren entwickelte sich die Massenspektrometrie für biologische Proben zu einer erstaunlichen analytischen Strategie, die einen großen Teil der Einschränkungen, Einschränkungen und Unzulänglichkeiten der Proteinuntersuchung und -analyse beseitigte. Diese Wendung der Ereignisse, verbunden mit der Zugänglichkeit der gesamten menschlichen Kodierungssequenz in der öffentlich zugänglichen Datenbank, bedeutet den Beginn einer anderen Ära.

Heute deckt der Begriff Proteomik einen wesentlichen Teil der funktionellen Genanalyse oder „funktionellen Genomik“ ab, einschließlich Interaktionsstudien über das Hefe-Zwei-Hybrid-System, Lokalisierung und Identifizierung von Proteinen im großen Maßstab. Die umfangreichere Untersuchung der Proteinstruktur im großen Maßstab wird ohnehin generell ausgeschlossen und stattdessen der „unterliegenden Genomik“ zugeordnet.

 Darüber hinaus sollten Verfahren, die nur auf Gene oder mRNA abzielen, wie Antisense-Experimente oder Mutagenese im großen Maßstab, nicht als Teil der Proteomik angesehen werden.

Warum ist Proteomik notwendig?

Es gibt verschiedene Gründe, die die Bedeutung der Proteomik in der modernen Forschung rechtfertigen. Wir werden diskutieren, warum Proteomik für die heutige Molekularbiologie notwendig ist.

Die Proteomik gibt Aufschluss über die biologische Funktion von Proteinen durch die Verwendung großer Datenmengen. Proteomics leiten Datensätze entweder durch Aminosäuresequenzen von Proteinen oder durch die Analyse von Datenbanken von Gensequenzen ab, die später mit Hilfe von Softwaretools in die Aminosäuresequenz umgewandelt werden.

Wir sind dabei, das immense Potenzial der Proteomik und verwandter Techniken zu erforschen, mit besonderem Schwerpunkt auf ihrer Rolle in der fortgeschrittenen Molekularbiologie.

Mit der Sammlung großer Mengen an DNA-Sequenzen in Datensätzen verstehen Wissenschaftler, dass eine vollständige Genomsequenz allein nicht ausreicht, um die genaue biologische Funktion eines Proteins zu erklären. Eine Zelle unterliegt normalerweise einer Vielzahl von Regulations- und Stoffwechselwegen für ihre Ausdauer oder ihr Überleben. Es gibt keine direkte Verbindung zwischen Genen und dem Proteom einer Zelle.

Die Proteomik ist komplementär und entspricht der Genomik, da sie sich um das Produkt des Gens kümmert. Somit trägt die Proteomik direkt zur Arzneimittelentwicklung bei, da praktisch alle Arzneimittel gegen Proteine ​​synthetisiert werden.

Das Vorhandensein eines offenen Leserahmens (ORF) in genomischen Datensätzen lässt nicht wirklich auf das Vorhandensein eines funktionellen und aktiven Gens schließen. Ungeachtet der Fortschritte in der Bioinformatik ist es immer noch schwierig, Gene aus der Genomdatenbank genau vorherzusagen. Obwohl die Sequenzierung verwandter Lebewesen die Frage der genauen Vorhersage von Genen durch vergleichende Genomik erleichtern wird, ist die Erfolgsrate für die richtige Vorhersage der Sequenz noch gering.

Dies ist insbesondere aufgrund kleiner Gene (die vollständig übersehen werden können) oder der Gene, die fast keine Homologie zu anderen bereits bekannten Genen aufweisen, richtig. Eine jüngste Untersuchung ergab, dass die Fehlerquote bei der Annotation für 8 Gene aus dem Genom von Mycoplasma genitalium bei mindestens 340 % lag.

Für den Fall, dass solche Fehlerraten auf das Genom des Menschen extrapoliert werden, lässt sich das Ergebnis leicht vorhersagen. Daher ist die Bestätigung eines Genprodukts durch proteomische Techniken ein wichtiger Anfangsschritt bei der Genom-Annotation.

Wichtige Informationen zur Proteomik

Die Proteomik bietet eine unglaubliche Anordnung von Werkzeugen für die enorme Umfangsstudie, um die Funktionsweise eines Gens auf Proteinebene zu untersuchen. Insbesondere die massenspektrometrische Untersuchung von gelisolierten Proteinen führt zu einer Renaissance biochemischer Methoden, die sich mit der Proteinfunktion beschäftigen. Protein

Charakterisierung und Identifizierung werden weiter daran arbeiten, die Sensitivität, den Durchsatz und die Vollständigkeit zu verbessern. Posttranslationale Modifikationen können derzeit nicht mit hohem Durchsatz erlernt werden, aber bestimmte Untertypen wie die Phosphorylierung sind für nicht-exklusive Ansätze geeignet. In Zukunft wird sich die Proteomik von der Beobachtung von Protein-Protein-Interaktionsdaten entfernen, die die gesamte biologische Wissenschaft beeinflussen und über die zweidimensionale Gelelektrophorese-basierte Überwachung der Proteinexpression hinausgehen.

Es wird erwartet, dass massenspektrometrische Techniken, die Chromatographie (Affinitätsreinigung) gefolgt von nur eindimensionaler Elektrophorese verwenden, an Bedeutung gewinnen werden. Bald wird die Proteomik eine Fülle von Datensätzen zur Protein-Protein-Kooperation liefern, die wahrscheinlich ihre bedeutendste und schnellste Auswirkung auf die biologische Wissenschaft sein wird. Da Protein der Arbeit einen Schritt näher ist als das Gen, führen diese Untersuchungen direkt zu Hypothesen und biologischen Entdeckungen.

Die präparierte Zugänglichkeit zahlreicher Gene menschlichen Ursprungs als Volllängenklone ist selbst eine kritische Erweiterung der Genomprojekte, die proteomische Verfahren möglich machen. Biochemische Assays zur Bestimmung der Proteinfunktion unter Verwendung gereinigter Proteine ​​werden mechanisiert (automatisiert) und in verkleinerten Gerüstdesigns (Miniaturformate) gleichzeitig für Tausende von Proteinen betrieben.

Schließlich werden Fortschritte in der Genomik biochemische Assays für Proteine ​​in größerem Maßstab durch die Nutzung von genetischen Auslesungen, zum Beispiel dem Zwei-Hybrid-Screen, direkt vorantreiben.

Aus den verblüffenden Methoden der Genomsequenzierung wurde eine große Menge an Daten gesammelt und in den Datenbanken gespeichert; Bioinformatik-Tools werden entwickelt, um die wertvollen Daten für eine fruchtbare Nutzung der Genomik- und Proteomik-Informationen zu trennen. Genomsequenzierungsprojekte laufen seit dem Beginn der menschlichen Genomsequenzierung im Jahr 1990. Neben dem menschlichen Genom wurden auch Genome vieler lebender Organismen sequenziert. Danach wurden viel kompliziertere Genome zusätzlich sequenziert, um ihre latente Kapazität zu nutzen.

Die Erklärung für diesen eminenten Fortschritt könnte auf die Verbesserungen der Sequenzierinnovationen im Laufe der Jahrzehnte zurückgeführt werden, die zu einer hundertfachen Senkung der Kosten pro Basensequenz führten. Es wurde angenommen, dass die "Sequenzierungsmethoden der nächsten Generation" die Kosten der Genomsequenzierung weiter senken und dazu beitragen werden, die individuelle Genomsequenzierung zu fördern und anzuerkennen.

Erhebliche Schwierigkeiten bestehen darin, empfindliche und zuverlässige Werkzeuge und Software zu entwickeln, um die Gene aus Genomsequenzierungsinformationen zu erkennen, und den Genen ihre Funktionen zuzuweisen, die durch Bioinformatik identifiziert wurden, was häufig manuelle Eingaben erfordert.

Die Erforschung von Proteinen durchläuft einen extremen Wandel von der konventionellen Proteinwissenschaft zur Proteomik, in der sich viele neue Zweige wie Phosphoproteomik, Strukturproteomik, Glykoproteomik, klinische Proteomik, Zellproteomik usw. entwickeln. In Kombination mit Massenspektroskopie haben Proteintrennungsmethoden wie Chromatographie und zweidimensionale Polyacrylamid-Gelelektrophorese (2D-PAGE) eine schnellere und kostengünstigere detaillierte Untersuchung zahlreicher Proteine ​​ermöglicht.

Trotz der Tatsache, dass Genomik und Proteomik sehr vielversprechend sind Lösungen für zahlreiche komplexe Probleme In der Biologie muss wesentlich mehr erforscht werden, um die in den riesigen Datenbanken vorhandenen Methoden und Daten in verschiedenen Bereichen wie Ernährung und Landwirtschaft, medizinische Dienste, Umwelt und Forensik hilfreich zu machen. Durch die Verbesserung der „Omics“ entsteht ein weiterer Wissenschaftszweig namens „Systembiologie“, der sich mit der Untersuchung der Gene und ihres Zusammenspiels in Lebewesen befasst.

Methoden wie beispielsweise SNP-Typisierung, Microarray, SAGE (Serielle Analyse der Genexpression) und 2D-PAGE haben direkte Anwendungen in der Krankheitsanalyse. Die Wirtschaftlichkeit, das Fehlen von Automatisierung und die geringere Sensibilität widersetzen sich dem häufigen Einsatz dieser Methoden. Für die industrielle Anwendung müssen diese Verfahren optimiert und automatisiert werden, die Betriebskosten sollen gesenkt und darüber hinaus die gesamte Technik optimiert und standardisiert werden.

Auf dem Gebiet der posttranslationalen Modifikation von Proteinen wie Phosphorylierung und Glykosylierung sind umfangreiche Arbeiten erforderlich, da zahlreiche menschliche Erkrankungen aufgrund des Fehlens legitimer posttranslationaler Modifikationen beginnen.

Unser Bedarf für die kommenden Jahre besteht in der funktionellen Identifizierung der Gene, die noch nicht bekannt sind und von der Sequenzierung des menschlichen Genoms erwartet werden. Dies könnte durch vergleichende Genomik beschleunigt werden, indem man die menschliche Genomsequenz mit der Sequenz anderer Lebensformen-Genome als Modell betrachtet. Dies wird helfen, homologe Gene in den Organismen zu finden; wenn die Genfunktion im Modellorganismus bekannt ist, könnte dem menschlichen Gen eine äquivalente Funktion gegeben werden.

Mit ziemlicher Sicherheit haben Genomik und Proteomik in den letzten zwanzig Jahren das Interesse der Biotechnologieindustrie sowie der Akademiker an der innovativen Arbeit verschiedener Bereiche geweckt Krankheiten.

Funktionelle Genomik

Lebewesen modulieren die Funktionen ihres Körpers, indem sie das Muster der Genexpression sorgfältig anpassen. Verschiedene Techniken sind zugänglich, um Muster der Genexpression in Zellen zu betrachten. Nach der Genomsequenzierung wurden viele Überlegungen angestellt, um die Genexpression zu untersuchen. Ein anderer Teil der Genomik, der als funktionelle Genomik bekannt ist, hat sich entwickelt.

Wir werden die Elemente von Genomen aus einem Transkriptom herausarbeiten. Die funktionelle Genomik umfasst jedoch Proteomik, Phenomik und Metabolomik.

Schlüsselkonzepte der funktionellen Genomik

• Nicht alle Gene in einem Organismus werden zu jedem Zeitpunkt exprimiert; nur einige Gene werden jedes Mal exprimiert, während die anderen Gene irgendwann oder gemäß den Anforderungen des Körpers exprimiert werden.
• Frühere Untersuchungen waren für die Genexpressionsstudie ausschließlich für ein einzelnes Gen gedacht
• Hochdurchsatzstrategien zur Bestimmung der Genexpression konzentrieren sich auf alle transkribierten Gene oder Proteine ​​in einer Zelle.
• Northern Blot ist die älteste konventionelle Technik, um mRNA-Spiegel eines einzelnen Gens in einer Zelle bereitzustellen. Es liefert auch relative Informationen über die Genexpression.
• Differenzanzeige Umgekehrte Transkriptase Polymerase Kettenreaktion (DDRT-PCR) und Representational Display Analysis (RDA) werden verwendet, um die differentielle Genexpression auf mRNA-Ebene zu bestimmen.
• SAGE ist sowohl ein qualitativer als auch ein quantitativer Hochdurchsatz
• sequenzierungsbasierte Strategie zur Untersuchung des mRNA-Spiegels der transkribierten Gene in einer Zelle
• Microarray ist eine Hybridisierungs-basierte Hochdurchsatz-mRNA- oder Transkript-Untersuchungstechnik, die geeignet ist, das Expressionsmuster einer Vielzahl von Genen gleichzeitig zu untersuchen.
• Genexpressionsstrategien mit hohem Durchsatz wie SAGE und Microarray erfordern Computerprogrammierung, um Daten zu analysieren.

Einführung in die funktionelle Genomik

Um die Zellfunktion einer beliebigen Lebensform zu kennen, ist es wichtig, die Funktion ihrer Gene zu verstehen. Herkömmlicherweise wurde auf dem Gebiet der Molekularbiologie die Genfunktion einzelner Gene gleichzeitig untersucht. Es gab zu dieser Zeit nicht viele Gensequenzen sowie Hochdurchsatzverfahren zur Genexpression.

 Derzeit ist die gesamte Genomsequenz zahlreicher bedeutender Lebewesen zugänglich; Es ist an der Zeit, zahlreiche Gene in einer einzigen Untersuchung zu untersuchen. Ziel des Genomsequenzierungsprojekts ist es, die Funktionsfähigkeit aller im Genom vorhandenen Gene gleichzeitig zu kennen.

Die Informationen, die jedem exprimierbaren Gen zugeordnet werden können, können sein:

– Wenn das Gen exprimiert wird

• – Wie viele Kopien von Gentranskripten vorhanden sind (Expressionslevel)

– Die Zellen, in denen das spezifische Gen transkribiert wird

– Welche anderen Produkte der Genexpression sind als Ergebnis der Geninteraktion vorhanden?

Herkömmliche funktionelle Untersuchungen von Genen umfassen die phänotypische Kenntnis des Gens und anschließend die Sequenz dieses Gens. Diese Methode wird als Vorwärtsgenetik bezeichnet. Die Entdeckung der Genfunktion aus einer Gensequenz wird als reverse Genetik bezeichnet. Nach der Sequenzierung des gesamten Genoms eines Individuums kann man sich fragen, wie es weitergeht? Das einfache Einreichen einer großen Anzahl von DNA-Sequenzen im Datensatz ergibt keine Vorstellung über die Genfunktion und die Sequenz der zugehörigen Gene.

Hier kommt die funktionelle Genomik ins Spiel. Sie hilft bei der Identifizierung der Genfunktion aus ihrer Sequenz, wobei sowohl experimentelle als auch computergestützte Strategien verwendet werden. Wenn die Genfunktion nicht geklärt ist, erfüllen die Informationen der Gensequenz ihren Zweck nicht, und riesige Geldausgaben würden nutzlos. In diesem Sinne verbessert die utilitaristische Genomik die genomischen Informationen (Daten) und macht sie schließlich für das Wohl des Menschen wertvoll.

Funktionelle Genomik umfasst die Verwendung von Hochdurchsatzverfahren, um jedes Gen eines Organismus einschließlich aller transkribierten Gene und aller exprimierten Proteine ​​zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Zelle zu untersuchen. Es zeigt die Genfunktion und genetische Interaktionen.

Verschiedene Techniken werden verwendet, um die Expression von Genen zu betrachten. Herkömmliche Strategien waren von der Hybridisierung abhängig und liefern Daten über die Funktion eines einzelnen Gens. Nach der Ära der Genomik wurden zahlreiche Genexpressionsprofilierungstechniken entwickelt, die durch Computerisierung charakterisiert werden, um mehrere Proben gleichzeitig zu untersuchen. Es erfordert eine kleine Probenmenge und die synchrone Untersuchung von Tausenden von Genen.

Funktionelle Proteomik

Das Endprodukt bei der Expression eines Gens ist Protein. Sie sind die Einheiten, die für die Zellfunktion verantwortlich sind. Die Gesamtheit der Proteine, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Zelle vorhanden sind, wird als Proteom bezeichnet. Funktionelle Proteomik umfasst unterschiedliche Strategien zur Proteintrennung wie Massenspektrometrie, 2D-PAGE, strukturelle und funktionelle Analyse von Proteinen, die in einer Zelle vorhanden sind.

Einführung in die funktionale Proteomik

Schlüssel Konzepte

• Proteomik ist die groß angelegte Untersuchung aller exprimierten Proteine ​​einer Zelle.
• Wichtige Methoden bei der Proteinisolierung und -charakterisierung umfassen Flüssigchromatographie, 2D-PAGE und SDS-PAGE.
• SDS-PAGE ist das am häufigsten verwendete Verfahren zur Proteintrennung, obwohl es nur wenige Proteine ​​in einem einzigen Gel trennt.
• Die 2D-PAGE-Methode wurde entwickelt, um viele Proteine ​​in einem einzigen Gel zu trennen (die Zahl kann über tausend hinausgehen).
• Die mit 2D-PAGE gekoppelte Massenspektrometrie hat sich zu einer üblichen Hochdurchsatz-Proteincharakterisierungs- und -trennungstechnik entwickelt.
• Sowohl 2D-PAGE als auch Massenspektrometrie werden verwendet, um quantitative Proteomik zu untersuchen.

Proteine ​​haben ihre wesentliche Rolle in der Zellfunktion bereits vor der DNA erworben. Proteine ​​sind aufgrund ihrer vielfältigen Funktionen und Struktur die kompliziertesten Einheiten unter allen Biomolekülen. Keine der zellulären Funktionen funktioniert ohne Proteine. Von primären bis zu quartären Proteinen sind ihre Strukturen sehr komplex.

Proteine ​​werden in Übereinstimmung mit der genetischen Information gebildet, die in der Sequenz der DNA (Gen) vorhanden ist, aber für den Prozess der Replikation der DNA sind Proteine ​​​​wie (DNA-Polymerase) beteiligt. Proteine ​​wirken im Allgemeinen in Konjugation mit anderen Biomolekülen (andere Proteine, Lipide, Kohlenhydrate, DNA usw.) innerhalb der Zellen.

Proteine ​​sind die einzigartigsten Substanzen und die absoluten Vollstrecker von Zellkapazitäten und -funktionen. Obwohl die DNA der absolute Speicher für Erbinformationen ist, müssen diese Informationen bei der Synthese von Proteinen genutzt werden. Proteine

folgen einem allgemeinen Synthese- und Abbauweg. Der Prozess der Proteinsynthese ist als Translation bekannt, Proteine ​​unterliegen auch posttranslationalen Modifikationen, um verschiedene Funktionen zu erfüllen. Lineare Polypertidketten von Proteinen werden gefaltet, um großartige Strukturen in ihren sekundären und tertiären Formen anzupassen. Die Tertiärstruktur ist für ein Protein essentiell, um seine biologische Aktivität zu erlangen. Ein vollständig ausgereiftes Protein in seiner tertiären Form ist bereit, seine zugewiesene Funktion auszuführen.

Transkriptomik | Stoffwechselprodukte

Transcriptomics ist die Untersuchung des Transkriptoms, es sind die Daten aller Ribonukleinsäure-Moleküle (RNA), die zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Zelle, einem Gewebe oder einem Organ kollektiv verfügbar sind. RNA erfüllt verschiedene Funktionen innerhalb der Zelle, und die Untersuchung des Transkriptoms gibt bessere Einblicke in die Genfunktion und Proteinexpression.

Was ist das?

Es gibt mehrere Anwendungen der Transkriptomik, auf die wir in diesem Abschnitt ausführlich eingehen werden. die für die Transkriptomik erforderlichen Eingabeinformationen und das Endergebnis der Analyse.

Der Zweig der Transkriptomik umfasst die Analyse des Transkriptoms, dessen Daten den gesamten Satz von RNAs umfassen, die aus einer Probenzelle erhalten wurden. Die Transkriptomik gibt eine detaillierte Vorstellung von der Proteinexpression sowie der Genexpression einer Zelle.

Beim Menschen werden DNA-Fragmente durch eine als Transkription bekannte Methode in RNA repliziert, die es einer Zelle ermöglicht, den in der DNA kodierten "Richtungen" zu folgen. Verschiedene Arten von RNA haben unterschiedliche Aufgaben: Die Boten-RNA (mRNA) ist das Erste, was auf dem Weg der Genexpression produziert wird. Es fungiert als Zwischenmolekül zwischen DNA und Protein, während andere nicht-proteinkodierende RNAs andere Zellfunktionen erfüllen. Ein Transkriptom einer Zelle verändert sich ständig, abhängig von Notwendigkeiten und physiologischen Bedingungen einer Zelle.

Transkriptomik ist die explorative Untersuchung des gesamten Transkriptoms, im Wesentlichen unter Verwendung der RNA-Sequenzierung (RNA-seq) oder der Untersuchung bekannter RNAs unter Verwendung von Genexpressionspanels (GEPs).

Metabolomics ist eine der fortschrittlichsten „Omics“-Wissenschaften. Das Metabolom umfasst die Gesamtmenge der kleinen Biomoleküle in der Probe. Diese Biomoleküle sind im Allgemeinen die Nebenprodukte und Substrate von enzymkatalysierten Reaktionen, die innerhalb der Zelle stattfinden und den Zellphänotyp direkt beeinflussen. Daher liefert die Metabolomik das Gesamtprofil von Biomolekülen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Zelle unter einem bestimmten physiologischen und umweltbedingten Zustand vorhanden sind.

Genomik und Proteomik haben enorme Datenmengen in Bezug auf den Genotyp geliefert, jedoch nur eingeschränkte Daten über den Phänotyp. Die Biomoleküle sind diesem Phänotyp am ähnlichsten.

Metabolomics kann verwendet werden, um Kontraste zwischen den Graden von Tausenden von Biomolekülen zwischen einer normalen und einer erkrankten Zelle zu entscheiden.

Die Genomik gibt einen Überblick über die Gesamtheit der genetischen Richtungen, die von der DNA vorgegeben werden, während die Transkriptomik Muster der Genexpression untersucht. Die Proteomik untersucht dynamische Proteine ​​und Interaktionen zwischen Proteinen, während die Metabolomik Einblicke in den Stoffwechsel und das Stoffwechselprofil einer Zelle gibt.

Bioinformatik

Es ist ein interdisziplinäres Feld, das Strategien und softwarebasierte Werkzeuge entwickelt, um ein Verständnis für den biologischen Datensatz zu gewinnen, insbesondere wenn die Informationssammlungen enorm und kompliziert sind. Als multidimensionales Wissenschaftsgebiet integriert die Bioinformatik Naturwissenschaften, Software Engineering, Data Science, Statistik und Mathematik, um die biologischen Datensätze zu interpretieren und zu analysieren.

Bioinformatik wurde für in silico Untersuchungen von biologischen Untersuchungen unter Verwendung biostatistischer und mathematischer Methoden verwendet. Bioinformatik umfasst biologische Untersuchungen, die Computerprogrammierung als Merkmal ihres technischen Ansatzes verwenden, nur für eine spezifische Analyse „Pipelines“, die immer wieder verwendet werden, insbesondere in der Genomik. Bioinformatik wird häufig verwendet, um die Identifizierung von Genen und Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs).

Regelmäßig werden solche erkennbaren Identifizierungen vorgenommen, um die erblichen Aspekte von Krankheiten, einzigartige Variationen, vorteilhafte Eigenschaften (insbesondere bei landwirtschaftlichen Arten) oder gegensätzliche Merkmale zwischen Individuen besser zu verstehen. Die Bioinformatik versucht außerdem, die Organisationsprinzipien innerhalb der DNA und die Sequenz von Proteinen zu verstehen, die als Proteomik bezeichnet werden.

Wie Genom und Proteom verwandt sind

Einige frühere Berichte haben vorgeschlagen, dass der RNA-Spiegel nicht verwendet werden kann, um den Proteinspiegel vorherzusagen. Aber in einer anderen Untersuchung des KTH Royal Institute of Technology, die im Zeitschrift Molekulare Systembiologie, zeigten die Forscher, dass der Proteinspiegel aus dem RNA-Spiegel abgeleitet werden kann, wenn ein für dieses Gen spezifischer RNA-zu-Protein-Faktor verwendet wird.

Das menschliche Genom besteht aus DNA, es enthält die Anweisungen zum Aufbau sowie zur Erhaltung von Zellen. Für die zu übermittelnden Anweisungen sollte auch die DNA „gelesen“ und in mRNA transkribiert werden, die zur Proteinsynthese verwendet werden kann. Das Transkriptom ist eine Summe aller in einer Zelle vorhandenen mRNA-Transkripte. Ein wichtiger Aspekt der Molekularbiologie besteht darin, zu analysieren, ob das gegebene Gen zur Vorhersage seiner entsprechenden Proteinspiegel verwendet werden könnte.

Wissenschaftler haben eine auf Massenspektrometrie basierende Strategie entwickelt, die sowohl reproduzierbar als auch empfindlich ist, um unter konsistenten Zustandsbedingungen das Gesamtprotein in der Zelle zu quantifizieren und diese Spiegel mit den entsprechenden mRNA-Spiegeln unter Verwendung von Transkriptomik zu vergleichen.

Die entsprechenden mRNA-Transkript- und Proteinspiegel stimmen nicht genau überein, außer wenn ein vom Zelltyp unabhängiger genspezifischer RNA-zu-Protein (RTP)-Konversionsfaktor präsentiert wird, wodurch die Vorhersagbarkeit der Kopienzahl des Proteins insgesamt verbessert wird

Aus transkribierten mRNA-Spiegeln. Das Verhältnis von RTP unterscheidet sich zwischen verschiedenen Genen um einige signifikante Grade, bis zu hunderttausendfach, und ist anscheinend über verschiedene Zelltypen hinweg konserviert.

Diese neuen Informationen empfehlen, dass die Transkriptomuntersuchung als Werkzeug verwendet werden kann, um die Kopienzahl von Proteinen in einer Zelle vorherzusagen. Es gibt zahlreiche Studien auf der ganzen Welt, die den Transkriptspiegel in den Zellen bewusst bestimmen, einschließlich neuer Methoden wie der Einzelzellgenomik und der räumlichen Transkriptomik.

Diese Informationen legen nahe, dass die im Rahmen dieser Studien entwickelten wissensbasierten Transkriptomik-Ressourcen auch für Proteinstudien von Bedeutung sein werden und somit eine attraktive Verbindung zwischen dem Gebiet der Genomik und der Proteomik bilden.

Anwendung von Genomik und Proteomik

Die Daten und Erkenntnisse aus der Genomikstudie können in verschiedenen Umgebungen angewendet werden, einschließlich Sozialwissenschaften, Biotechnologie und Medizin. Proteomik wird verwendet, um Muster der Proteinexpression als Reaktion auf einen Stimulus zu einem bestimmten Zeitpunkt zu unterscheiden und darüber hinaus funktionelle Proteinnetzwerke zu identifizieren, die auf zellulärer Ebene oder im gesamten Organismus existieren

Anwendungen der Genomik

Medizinische Anwendungen

• Pflanzenimpfstoffe (oral), die bei der Anwendung Immunität verleihen, verwenden oft DNA und Transgene, um Oberflächenantigene herzustellen. Diese Pflanzenimpfstoffe haben sich bei Menschen als vielversprechend für die Immunisierung gegen Hepatitis B erwiesen.
• Das Malaria-Infektionsrisiko wird durch einen Zweikomponenten-Impfstoff, der mit DNA aus P. falciparum und modifiziertem Ankara-Virus formuliert ist, um bis zu 80 % verringert.
• Fosmidomycin und FR-900098 sind Chemikalien, die auf ihr Hemmpotential gegen die DOX-Reduktoisomerase im Körper getestet werden, die eine wichtige Rolle im Lebenszyklus von P. falciparum (einem Erreger der zerebralen Malaria) spielt.
• Genetische Beratung und effektive Beratung haben das Auftreten von Thalassämie in Sardinien von 1 von 250 auf 1 von 4000 Lebendgeburten verringert.

Biotechnologische Anwendungen

Die Genomik hat einige Anwendungen im Bereich der synthetischen Biologie und der Biotechnik. Wissenschaftler haben gezeigt, dass die Herstellung von teilweise konstruierten Arten von mikroskopischen Organismen. Für Beispiel Mycoplasma genitalium-Genom wurde verwendet, um das Bakterium Mycoplasma laboratorium zu kombinieren, das im Vergleich zum ursprünglichen Bakterium unverkennbare Merkmale aufweist.

Sozialwissenschaftliche Anwendungen

Naturschützer verwenden genomische Sequenzierungsinformationen, um Schlüsselvariablen zu bewerten, die mit der Erhaltung von Arten verbunden sind. Diese Informationen können auch verwendet werden, um die Auswirkungen evolutionärer Prozesse zu bestimmen und das Genmuster einer bestimmten Population zu erhalten, was zusätzlich dazu beitragen kann, Pläne zu formulieren, um der Art zu helfen und sie in die Zukunft zu bringen.

Anwendungen der Proteomik

Proteomik in der Medizin

• Die Proteomik wurde zuerst von Krebsbiologen zu Identifizierungs- und Prognosezwecken eingesetzt. Im Fall von Eierstockkrebs wurde beispielsweise eine auf Serum basierende proteomische Identifizierung gebildet, die auf eine andere Technik zur Krankheitserkennung hinweist.
• Daten der Proteinsequenzierung, die derzeit für verschiedene Mikroorganismen zugänglich sind, die zeitnah Erkenntnisse über ihre Antibiotikaresistenz liefern und darüber hinaus neue Kandidaten gegen antimikrobielle Resistenzen identifizieren. Die oberflächenverstärkte Laserdesorptions-/Ionisationsflugzeit (SELDI-TOF) wird derzeit verwendet, um Chagas-Krankheit, Tuberkulose, invasive Aspergillose und Schlafkrankheit schnell zu erkennen.
• Weitere Fortschritte in der Proteomik ermöglichten eine detaillierte Untersuchung des Mechanismus von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und lieferten nicht nur die identifizierten veränderten Proteine, sondern auch die Idee ihrer Veränderung oder Modifikation.
• Die Proteomik wandelt sich zudem zu einem Sicherheitskontrollprozess, der die Reinheit, Effizienz, Sicherheit und Identität verschiedener Blutprodukte in Transfusionsmedikamenten bestätigt.
• Der proteomische Ansatz ist eine bedeutende Methode, um das weltweite Screening von speicherbedingten Läsionen in den Erythrozyten durchzuführen und die physiologischen Folgen von Bluttransfusionen zu untersuchen

Proteomik in der Medikamentenentwicklung

• Die Proteomik nimmt in der Entwicklungsphase einer Formulierung eine äußerst zwingende Rolle ein, da die Krankheitsmechanismen häufig auf Proteinebene gezeigt werden.
• Fast alle Pharmaunternehmen haben derzeit eine Proteomics-Abteilung. Der Einsatz von Proteomics in der Formulierungsindustrie umfasst in erster Linie die Identifizierung und Zulassung. Wirksamkeit und Gefahren bei der Identifizierung von Biomarkern durch häufig verfügbare verfügbare biologische Flüssigkeiten; und Untersuchungen zu Komponenten der Medikationsaktivität oder -toxizität.
• Proteom-Mining wird verwendet, um neue Antimalaria-Formulierungen zu finden, die auf Purin-bindende Proteine ​​in der Blutinfektionsphase abzielen.
• Die derzeit am häufigsten verkauften Formulierungen zur Krankheitsbekämpfung sind entweder Proteine ​​oder sie wirken durch Protein-Targeting. Die Weiterentwicklung der Proteomik könnte dazu beitragen, maßgeschneiderte Rezepte für Menschen zu erstellen, um eine bessere Angemessenheit und weniger zufällige Nebenwirkungen zu erzielen.

Warum Computerdatenbanken in der Genomik und Proteomik wichtig sind

Biologische Datenbanken werden als Bibliotheken der biologischen Wissenschaften betrachtet, die aus wissenschaftlichen Laborexperimenten, experimenteller Hochdurchsatztechnologie, computergestützten Untersuchungen und veröffentlichten Arbeiten zusammengetragen wurden. Sie zeigen Daten aus Bereichen wie Phylogenetik, Microarray-Genexpression, Metabolomik, Proteomik und sogar Genomik.

Die in den biologischen Datensätzen vorhandenen Informationen beinhalten Ähnlichkeit der biologischen Struktur und Sequenzen, klinische Auswirkungen von Mutationen, zelluläre und chromosomale Lokalisierung von Genen oder Proteinen, Struktur und Funktion von Proteinen oder Genen. Biologische Datensätze lassen sich weitgehend in Funktions-, Struktur- und Sequenzdatenbanken klassifizieren. Proteine ​​und Nukleinsäuresequenzen werden in Datenbanken geladen, die Sequenzen enthalten. Die Struktur von Proteinen und Nukleinsäuren ist jedoch in strukturenthaltenden Datenbanken verfügbar.

Funktionelle Datensätze liefern Daten über die Rolle von Genprodukten in der Physiologie, wie Stoffwechselwege, Phänotypen der Mutanten und biochemische Aktivität von Enzymen. Datenbanken für Modellorganismen sind funktional, sie liefern speziesspezifische Informationen. Diese Datenbanken sind wichtige Werkzeuge, um Forschern dabei zu helfen, biologische Mechanismen aus biomolekularen Wechselwirkungen und Strukturen im Lichte des gesamten im Organismus ablaufenden Stoffwechselprozesses zu untersuchen und zu erarbeiten und die Evolution der Arten zu verstehen.

Diese Informationen helfen, den Kampf gegen verschiedene Krankheiten einzuleiten, helfen bei medizinischen Formulierungen, antizipieren verschiedene Erbkrankheiten und finden wesentliche phylogenetische Verbindungen zwischen den Arten. Biologische Informationen werden durch ein breites Spektrum allgemeiner und spezialisierter Datensätze vermittelt. Dies macht es oft schwierig, die Konsistenz der Daten zu gewährleisten. Integrative Bioinformatik ist ein Feld, das sich bemüht, dieses Problem durch einen einheitlichen Zugang zu lösen.

Eine Anordnung ist das Mittel, mit dem biologische Datenbanken auf einige andere Datensätze mit Zugangsnummern verweisen, um ihre Informationen miteinander zu verbinden. Relationale Datensätze, Ideen der Softwareentwicklung und Ideen zur Informationswiederherstellung digitaler Bibliotheken sind für das Verständnis natürlicher Datensätze unerlässlich. Entwurf eines biologischen Datensatzes, Entwicklung und Management von Bioinformatik. Datenbestandteile umfassen Informationen in den Forschungsarbeiten, die Sequenz von Genen, die Klassifikation von Merkmalen und die Ontologie, Tabellen und Zitate. Diese werden häufig als halborganisierte Informationen dargestellt und können als Tabellen, XML-Strukturen und durch Schlüssel getrennte Datensätze dargestellt werden.

Anwendung von Genomik und Proteomik bei der Pflanzenverbesserung

Angesichts der bevorstehenden Umweltveränderungen, einer sich schnell entwickelnden Weltbevölkerung, die innerhalb von dreißig Jahren voraussichtlich 9 Milliarden Menschen übersteigen wird, und des wachsenden Bedarfs an natürlichen Ressourcen wie Wasser und Mineralien wird erwartet, dass mehr prominente Erfahrungen in den Einrichtungen der nachhaltigen Produktion von Lebensmitteln eine effektive Ernteerträge und Anwendungen.

Um diese Ziele zu erreichen, werden neue Methoden benötigt, um Pflanzen gegen biotischen und abiotischen Stress zu schützen und den Mechanismus der Entwicklung der Lebensfähigkeit von Saatgut aufzulösen. „Omics“-Methoden sind nach wie vor vielversprechende Methoden für solche Untersuchungen. Da vollständige Genome für eine wachsende Zahl von Nutzpflanzen und Modellpflanzen zugänglich sind, werden integrierte „Omics“- oder Systembiologie-Ansätze helfen, den zugrunde liegenden Mechanismus komplexer Pflanzenmerkmale zu entwirren, wie zum Beispiel der Schutz vor Stress auf molekularer Ebene.

Der weitreichende Einsatz quantitativer proteomischer Methoden in Verbindung mit modernen bildgebenden Verfahren zur Kartierung und Identifizierung von PTMs ist erforderlich, um ein fundiertes Verständnis der Proteinregulation in komplexen biologischen Aggregaten zu erlangen. Solche multidisziplinären Systeme werden auch den Plan von Ansätzen zur Linderung der schädlichen Auswirkungen von Pflanzenstressoren und zur Förderung nützlicher Pflanzen-Mikroben-Verbindungen unterstützen. Die Untersuchung der Systembiologie wird ebenfalls bei der Reproduktion leistungsstarker ertragreicher Pflanzen helfen, die gegenüber Umweltstress nachgiebig sind und einen hohen gesundheitlichen Nutzen haben. Zukünftige Überlegungen zur Proteomik von Nutzpflanzen, die darauf abzielen, den strukturellen Grund für die Kommunikation zwischen Biomolekülen zu verstehen, werden für die Kontrolle der Funktion von mikrobiellen Proteinen und verwandten Nutzpflanzen entscheidend sein.

Genomik und Proteomik bei Krebs

Das Fortschreiten der Malignität wird durch die Sammlung von DNA-Veränderungen in den etwa 40 Genen auf den Chromosomen vorangetrieben. Bei Tumoren sind Chromosomenanomalien normal. Aberrationen im DNA-Reparaturprozess können eine Instabilität im Genom auslösen, die das weitere Fortschreiten der Krankheit vorantreiben kann. Der genetische Code ist der eigentliche Akteur des gesamten Prozesses, 000 bis 100,000 Millionen Proteine, die in (prä)malignen Zellen ebenfalls mehrfach verändert werden können.

In den letzten zehn Jahren hat sich unser Einblick in das menschliche Genom und die Genomik (die Untersuchung des menschlichen Genoms) bei (Prä-)Malignomen massiv erweitert und auch die Proteomik (die Untersuchung der Proteinergänzung des Genoms) hat sich stark entwickelt. Beide werden eine unbestreitbar bedeutende Rolle einnehmen.

Die Bewerbungen sind noch beschränkt, der bisherige Nachweis ist jedoch vielversprechend. Wird die Genomik die traditionelle Krankheitserkennung oder die andere prognostische Methodik ersetzen? Bei Brustkrebs ist das Spektrum der Genexpression effektiver als die herkömmlichen Methoden, jedoch sind bei der Endometriumhyperplasie quantitativ morphologische Merkmale teurer als die genetische Untersuchung. Für solide Argumente ist es noch zu früh, zumal damit zu rechnen ist, dass Genomik und Proteomik schnell wachsen werden. Trotzdem werden sie in der Überwachung, Diagnose und dem Verständnis von Krebserkrankungen eine zentrale Position einnehmen.

Schlussfolgerungen

Dieser Artikel enthält Schlüsselkonzepte und Informationen im Zusammenhang mit den „Omics“-Wissenschaften, insbesondere Genomics und Proteomics.

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Dr. Abdullah Arsalan

Ich bin Abdullah Arsalan und habe meinen Doktortitel in Biotechnologie abgeschlossen. Ich verfüge über 7 Jahre Forschungserfahrung. Ich habe bisher 6 Artikel in international renommierten Fachzeitschriften mit einem durchschnittlichen Impact-Faktor von 4.5 veröffentlicht und einige weitere kommen in Betracht. Ich habe Forschungsarbeiten auf verschiedenen nationalen und internationalen Konferenzen präsentiert. Mein Interessengebiet ist Biotechnologie und Biochemie mit besonderem Schwerpunkt auf Proteinchemie, Enzymologie, Immunologie, biophysikalischen Techniken und Molekularbiologie.