जीनोमिक्स: जीनोमिक्स के संरचनात्मक और कार्यात्मक अध्ययन

जीनोमिक्स: जीनोमिक्स के संरचनात्मक और कार्यात्मक अध्ययन!

जीन विमोचन शब्द एच। विंकलर (1920) द्वारा एक जीव में मौजूद गुणसूत्र और अतिरिक्त गुणसूत्र जीन के पूर्ण सेट को दर्शाने के लिए पेश किया गया था, जिसमें एक वायरस भी शामिल है।

टीएच रोडरिक (1987) द्वारा निर्मित जीनोमिक्स शब्द का अर्थ है जीनोम की संरचना और संगठन का विश्लेषण करने के लिए मानचित्रण और अनुक्रमण। लेकिन वर्तमान में जीनोमिक्स में जीनोम की अनुक्रमण, एक जीव द्वारा एन्कोड किए गए प्रोटीन के पूर्ण सेट का निर्धारण, और एक जीव में जीन और चयापचय पथ के कामकाज शामिल हैं।

जीनोमिक्स के अध्ययन को निम्नलिखित दो डोमेन में विभाजित किया गया है:

1. संरचनात्मक जीनोमिक्स जीनोम के पूर्ण अनुक्रम या एक जीव द्वारा उत्पादित प्रोटीन के पूर्ण सेट के निर्धारण से संबंधित है। इसमें शामिल विभिन्न चरण हैं: (i) उच्च रिज़ॉल्यूशन के जेनेटिक और फिज़िकल मैप्स का निर्माण, (ii) जीनोम की सीक्वेंसिंग, और (iii) एक जीव में प्रोटीन के पूर्ण सेट का निर्धारण। इसमें संबंधित प्रोटीन की त्रि-आयामी संरचनाओं का निर्धारण भी शामिल है।

2. कार्यात्मक जीनोमिक्स जीन और चयापचय मार्गों के कामकाज का अध्ययन करता है, अर्थात, जीवों में जीन अभिव्यक्ति पैटर्न।

जीनोम की अनुक्रमण:

जीनोम की अनुक्रमण एक उच्च परिष्कृत और तकनीकी रूप से मांग की प्रक्रिया है। एक बार में, 500-600 बीपी के टुकड़े को अनुक्रमित किया जा सकता है। इसके विपरीत, जीनोम बहुत बड़े हैं, जैसे, ई। कोलाई के लिए 4.2 x 10 ⁶ और मनुष्यों के लिए 3.2 x 10 ⁹ बीपी। इसलिए, जीनॉक्स के अनुक्रम को बहुत बड़ी संख्या में छोटे टुकड़ों में प्राप्त करना पड़ता है, इन टुकड़ों को फिर जीनोम के लिए एक अनुक्रम में इकट्ठा किया जाता है।

अनुक्रमण के लिए उपयोग किए गए टुकड़े यादृच्छिक बिंदुओं पर जीनोमिक डीएनए को टुकड़ों में तोड़कर उत्पन्न होते हैं। नतीजतन, जीनोम में टुकड़े का स्थान प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया जाना है। किसी जीव के जीनोमिक डीएनए से प्राप्त सभी टुकड़ों को एक उपयुक्त वेक्टर में क्लोन किया जाता है जिससे जीव का एक जीनोमिक पुस्तकालय उत्पन्न होता है। जीनोम की अनुक्रमण के दो दृष्टिकोण हैं: (क) क्लोन-बाय-क्लोन अनुक्रमण और (ख) शॉट-गन अनुक्रमण।

(ए) क्लोन-द्वारा क्लोन अनुक्रमण:

इस विधि में, खंडों को पहले बीएसी कंटिग्स की निर्देशित अनुक्रमण के रूप में कहा जाता है। एक कंटिग में क्लोन की एक श्रृंखला होती है जिसमें एक गुणसूत्र या यहां तक कि पूरे गुणसूत्र के एक विशिष्ट क्षेत्र को परिवर्तित करने वाले डीएनए के अतिव्यापी टुकड़े होते हैं। वे आमतौर पर बीएसी (बैक्टीरियल कृत्रिम गुणसूत्र) और कॉस्मिड क्लोन का उपयोग करके निर्मित होते हैं।

कंघी के निर्माण में सामान्य दृष्टिकोण गुणसूत्र से सटे डीएनए खंडों की पहचान करना है, जैसे, गुणसूत्र घूमना, गुणसूत्र कूदना, आदि। इस प्रकार एक प्रतियोगी के सदस्यों को अपने स्थान के सटीक निर्धारण की अनुमति देने के लिए एक ही अतिव्यापी क्षेत्र होना चाहिए। -संगीत में। भौतिक मानचित्रण प्रक्रियाओं का अंतिम लक्ष्य जीनोम के प्रत्येक गुणसूत्र के लिए एक पूर्ण संदर्भ प्राप्त करना है।

एक कॉन्टेग के क्लोन डीएनए टुकड़े को लिंकेज या साइटोजेनेटिक टैपिंग से प्राप्त गुणसूत्र के साथ स्थानों से संबंधित किया जा सकता है। यह कॉन्टेस्ट के सदस्यों की पहचान करके प्राप्त किया जा सकता है जिसमें ऐसे जीन होते हैं जिनमें पहले से लिंकेज या साइट्रिक विधियों द्वारा मैप किया गया होता है। यह क्रोमोसोम के साथ कंटेस्ट के अन्य सदस्यों के संरेखण की अनुमति देगा। वैकल्पिक रूप से, RFLP (प्रतिबंध टुकड़ा लंबाई बहुरूपता) और अन्य डीएनए मार्करों का उपयोग एक कॉनगेस के सदस्यों के साथ लिंकेज मैप में स्थानों को सहसंबंधित करने के लिए किया जा सकता है।

(बी) शॉट-गन अनुक्रमण:

इस दृष्टिकोण में, यादृच्छिक रूप से चयनित क्लोनों को तब तक क्रमबद्ध किया जाता है जब तक कि जीनोमिक लाइब्रेरी के सभी क्लोनों का विश्लेषण नहीं किया जाता है। असेंबलर सॉफ्टवेयर न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम जानकारी का आयोजन करता है ताकि एक जीनोम अनुक्रम में प्राप्त किया जा सके। यह रणनीति प्रोकैरियोटिक जीनोम के साथ बहुत अच्छी तरह से काम करती है जिसमें थोड़ा दोहराव वाला डीएनए होता है। लेकिन यूकेरियोटिक जीनोम में बहुत बार-बार अनुक्रम होते हैं जो अनुक्रम के संरेखण में भ्रम पैदा करते हैं। इन समस्याओं को भारी कंप्यूटिंग शक्तियों, विशेष सॉफ्टवेयर का उपयोग करके और ऐसे क्षेत्रों से बचने से हल किया जाता है जो दोहरावदार डीएनए (जैसे, सेंट्रोमेरिक और टेलोमेरिक क्षेत्रों) में समृद्ध हैं।

जीनोम अनुक्रम संकलन:

जीनोम अनुक्रमण परियोजनाओं के माध्यम से उच्च थ्रूपुट प्रौद्योगिकियों के विकास की आवश्यकता होती है जो बहुत तेज़ दर पर डेटा उत्पन्न करते हैं। इसने सूचना की इस बाढ़ को प्रबंधित करने के लिए कंप्यूटर के उपयोग की आवश्यकता की और जैव सूचना विज्ञान नामक एक नए अनुशासन को जन्म दिया। जैव सूचना विज्ञान जैविक प्रणालियों के बारे में जानकारी के भंडारण, विश्लेषण, व्याख्या और उपयोग से संबंधित है (गतिविधियां जैसे जीनोम अनुक्रमों का संकलन, जीन की पहचान, पहचान किए गए जीन को कार्य सौंपना, डेटाबेस तैयार करना आदि)।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि जीनोम का न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम पूर्ण और त्रुटि मुक्त है, जीनोम को एक से अधिक बार अनुक्रमित किया जाता है। एक बार जब एक जीव के जीनोम को अनुक्रमित किया जाता है, संकलित किया जाता है और प्रूफरीड किया जाता है (त्रुटियों को ठीक करते हुए) जीनोमिक्स का अगला चरण, अर्थात, एनोटेशन, शुरू होता है।

जीन भविष्यवाणी और गिनती:

एक जीनोम अनुक्रम प्राप्त होने और सटीकता के लिए जाँच के बाद, अगला कार्य उन सभी जीनों को खोजना है जो प्रोटीन को एनकोड करते हैं। यह एनोटेशन का पहला चरण है। एनोटेशन एक ऐसी प्रक्रिया है जो जीन, उनके नियामक अनुक्रमों और उनके कार्य (ओं) की पहचान करती है। यह गैर-प्रोटीन कोडिंग जीन की पहचान भी करता है, जिसमें आर-आरएनए, टी-आरएनए और छोटे परमाणु आरएनए के लिए कोड शामिल हैं। इसके अलावा, मोबाइल आनुवंशिक तत्वों और दोहराव वाले अनुक्रम परिवारों की पहचान की जाती है और उनकी विशेषता होती है।

प्रोटीन-कोडिंग जीन का पता लगाना अनुक्रम का निरीक्षण करके, कंप्यूटर सॉफ्टवेयर का उपयोग करके या आंख से किया जाता है। प्रोटीन-कोडिंग जीन की पहचान ओपन-रीडिंग फ्रेम (ओआरएफ) द्वारा की जाती है। एक ओआरएफ में एक श्रृंखला होती है जिसमें एक एमिनो-एसिड अनुक्रम निर्दिष्ट होता है, यह एक दीक्षा कोडन (आमतौर पर एटीजी) से शुरू होता है और समाप्ति कोडन (टीएए) टीएजी या टीजीए) के साथ समाप्त होता है। ओआरएफ की पहचान आमतौर पर एक कंप्यूटर द्वारा की जाती है और यह बैक्टीरिया के जीनोम के लिए एक प्रभावी तरीका है।

यूकेरियोटिक जीनोम (मानव जीनोम सहित) में कई विशेषताएं हैं जो प्रत्यक्ष खोज को कम उपयोगी बनाती हैं। सबसे पहले, अधिकांश यूकेरियोटिक जीनों में एक्सॉन (कोडिंग क्षेत्र) का एक पैटर्न होता है, जो इंट्रोन्स (गैर-कोडिंग क्षेत्रों) के साथ वैकल्पिक होता है। नतीजतन, इन जीनों को निरंतर ओआरएफ के रूप में व्यवस्थित नहीं किया जाता है। दूसरे, मनुष्यों में जीन और अन्य यूकेरियोट्स को अक्सर व्यापक रूप से स्थान दिया जाता है, जिससे झूठे जीन की संभावना बढ़ जाती है। लेकिन यूकेरियोटिक जीनोम के लिए ओआरएफ स्कैनिंग सॉफ़्टवेयर के नए संस्करण स्कैनिंग को अधिक कुशल बनाते हैं।

एक जीनोम अनुक्रम का विश्लेषण किया जाता है और जीन की भविष्यवाणी की जाती है, प्रत्येक जीन को एन्कोडेड जीन उत्पाद के कार्य की पहचान करने के लिए एक बार जांच की जाती है और कार्यात्मक समूहों में वर्गीकृत किया जाता है। इस विश्लेषण में कई कार्यक्रम शामिल हैं। उदाहरण के लिए, कोई जीन बैंक जैसे डेटाबेस खोज सकता है, अन्य जीवों से अलग इसी तरह के जीन को खोजने के लिए। भविष्यवाणी की गई ORF की तुलना ज्ञात, सुव्यवस्थित जीवाणु जीन से की जा सकती है। अंत में, कोई व्यक्ति फ़ंक्शन के लिए ऐसे न्यूक्लियोटाइड अनुक्रमों की तलाश कर सकता है जो विशिष्ट कार्यों के साथ शामिल प्रोटीन डोमेन को एन्कोड करते हैं।

इस प्रकार, जीनोम विश्लेषण का उद्देश्य सभी जीनों के कार्यों को निर्धारित करना है और यह समझना है कि ये जीन जीव के विकास और कार्य में कैसे सहभागिता करते हैं।

कार्यात्मक जीनोमिक्स:

इसे किसी जीव के जीनोम द्वारा एन्कोड किए गए सभी जीन उत्पादों के कार्य के निर्धारण के रूप में परिभाषित किया जा सकता है। इसमें निम्नलिखित पैरामीटर शामिल हैं: (1) जब और जहां विशेष जीन व्यक्त किए जाते हैं (अभिव्यक्ति प्रोफाइलिंग), (ii) विशिष्ट जीन के कार्यों को चुनिंदा जीनों को म्यूट करके, और (iii) प्रोटीन और प्रोटीन के बीच होने वाले इंटरैक्शन और अन्य अणु। कार्यात्मक जीनोमिक्स एक बार में जीनोम में मौजूद सभी जीनों की जांच करने का प्रयास करता है। इसलिए, कार्यात्मक जीनोमिक्स में उपयोग की जाने वाली तकनीक उच्च थ्रूपुट विश्लेषण को सक्षम करती है जो बहुत तेजी से डेटा संचय को सक्षम करती है।

(i) अभिव्यक्ति रूपरेखा:

कोशिका प्रकार / ऊतकों का निर्धारण जिसमें एक जीन के रूप में अच्छी तरह से व्यक्त किया जाता है जब जीन व्यक्त किया जाता है, जिसे अभिव्यक्ति प्रोफाइलिंग कहा जाता है। कार्यात्मक जीनोमिक्स का उद्देश्य एक ही समय में जीनोम में मौजूद सभी जीनों के अभिव्यक्ति पैटर्न का अध्ययन करना है; इसे वैश्विक अभिव्यक्ति प्रोफाइलिंग कहा जाता है। यह या तो आरएनए स्तर पर या प्रोटीन स्तर पर किया जा सकता है। आरएनए स्तर पर, कोई भी प्रत्यक्ष अनुक्रम नमूनाकरण या डीएनए सरणियों का उपयोग कर सकता है।

प्रोटीन स्तर पर, कोई भी दो आयामी वैद्युतकणसंचलन का उपयोग कर सकता है, इसके बाद द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री या प्रोटीन सरणियां हो सकती हैं। वैश्विक अभिव्यक्ति रूपरेखा जटिल जैविक घटनाओं में अंतर्दृष्टि प्रदान करती है, जिसमें विभेदन, तनाव की प्रतिक्रिया, एक बीमारी की शुरुआत आदि शामिल है, यह सेलुलर फेनोटाइप को परिभाषित करने का एक नया तरीका भी प्रदान करता है।

(ii) जीन फंक्शन निर्धारण:

कार्यात्मक जीनोमिक्स का एक महत्वपूर्ण पहलू विशिष्ट जीन / अनाम अनुक्रमों के कार्य को निर्धारित करना है। एक शक्तिशाली तरीका यह है कि इस जीन को क्लोन किया जाए, इसे इन विट्रो में म्यूट किया जाए और उत्परिवर्तित जीन को मेजबान जीव में फिर से जोड़ा जाए और इसके प्रभाव का विश्लेषण किया जाए। उत्परिवर्ती पुस्तकालयों के तहत जीनोम को कई मॉडल जीवों जैसे बैक्टीरिया, खमीर, पौधों और स्तनधारियों में विकसित किया गया है। इसे कभी-कभी पारस्परिक जीनोमिक्स के रूप में जाना जाता है। इस तरह के पुस्तकालय को निम्नलिखित तीन तरीकों में से एक में उत्पन्न किया जा सकता है:

(ए) समय पर हर एक जीन का व्यवस्थित उत्परिवर्तन जो विशिष्ट उत्परिवर्ती उपभेदों का एक बैंक उत्पन्न करेगा।

(बी) यादृच्छिक दृष्टिकोण में, जीनों को अलग-अलग अंधाधुंध रूप से अलग-अलग उत्परिवर्तित किया जाता है और फिर सूचीबद्ध किया जाता है।

(iii) प्रोटीन सहभागिता:

जीन फ़ंक्शन उनके द्वारा एन्कोड किए गए प्रोटीन के व्यवहार को दर्शाता है। इस व्यवहार को विभिन्न प्रोटीनों के बीच और प्रोटीन और अन्य अणुओं के बीच बातचीत की एक श्रृंखला के रूप में देखा जा सकता है। प्रोटीन बातचीत का उच्च थ्रूपुट तकनीकों का उपयोग करके अध्ययन किया जाता है। लाइब्रेरी-आधारित प्रोटीन इंटरैक्शन मैपिंग विधियों की एक संख्या एक समय में सैकड़ों या हजारों प्रोटीनों की जांच करने की अनुमति देती है। इन इंटरैक्शन को इन विट्रो या विवो में स्वीकार किया जा सकता है। विभिन्न स्रोतों से प्रोटीन इंटरैक्शन डेटा को डेटाबेस में आत्मसात किया जाता है।