الاستدلال التطوري باستخدام بيانات النسخ الجيني

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

في علم الوراثة الجزيئية ، تُحدد العلاقات بين الأفراد باستخدام سمات مميزة، مثل الحمض النووي (DNA) أو الحمض النووي الريبوزي (RNA) أو البروتين ، والتي يمكن الحصول عليها باستخدام تقنيات تسلسل متنوعة . وقد أصبح التسلسل عالي الإنتاجية من الجيل التالي تقنية شائعة في علم النسخ ، الذي يمثل لقطة لتعبير الجينات. في حقيقيات النوى ، يُعقّد التضفير البديل عملية الاستدلال على العلاقات التطورية باستخدام الحمض النووي الريبوزي (RNA) ، حيث ينتج عنه نسخ متعددة من جين واحد . ولذلك، يمكن استخدام مناهج متنوعة لتحسين الاستدلال على العلاقات التطورية باستخدام بيانات النسخ المُستقاة من تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA-Seq) والمعالجة باستخدام علم الوراثة الحاسوبي .

الحصول على التسلسل

استُخدمت العديد من تقنيات علم النسخ لجمع معلومات التسلسل حول النسخ الجينية . ومع ذلك، فإن أكثرها استخدامًا هو تقنية RNA-Seq .

تسلسل الحمض النووي الريبوزي

يمكن الحصول على قراءات الحمض النووي الريبوزي (RNA) باستخدام مجموعة متنوعة من طرق تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA-seq).

قواعد البيانات العامة

يوجد عدد من قواعد البيانات العامة التي تحتوي على بيانات تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA-Seq) المتاحة مجاناً.

حَشد

تجميع التسلسل

يمكن تجميع بيانات تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA-Seq) مباشرةً في نسخ باستخدام تجميع التسلسل . ويمكن تمييز فئتين رئيسيتين من تجميع التسلسل :

  1. تجميع النسخ الجيني من الصفر - وهو أمر بالغ الأهمية بشكل خاص عندمالا يتوفر جينوم مرجعي لنوع معين .
  2. التجميع الموجه بالجينوم (أو التجميع الموجه بالتخطيط أو التجميع الموجه بالمرجع) - قادر على استخدام مرجع موجود مسبقًا لتوجيه تجميع النسخ

تحاول كلتا الطريقتين توليد تراكيب على مستوى النظائر البروتينية ذات تمثيل بيولوجي من بيانات تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA-seq)، وتسعى عمومًا إلى ربط النظائر البروتينية بتراكيب على مستوى الجينات. مع ذلك، قد يتعقد تحديد التراكيب على مستوى الجينات بسبب التضاعفات الحديثة ، أو الجينات المتشابهة ، أو التضفير البديل ، أو اندماج الجينات . وقد تُسبب هذه التعقيدات أيضًا مشاكل لاحقة أثناء استنتاج الجينات المتماثلة. عند اختيار بيانات التسلسل أو توليدها، من الضروري أيضًا مراعاة نوع النسيج، والمرحلة التطورية، والظروف البيئية للكائنات الحية. بما أن النسخ الجيني يُمثل لقطة من التعبير الجيني ، فإن التغييرات الطفيفة في هذه الظروف قد تؤثر بشكل كبير على النسخ المُعبر عنها. وهذا بدوره قد يؤثر سلبًا على اكتشاف الجينات المتماثلة لاحقًا. [ 1 ]

قواعد البيانات العامة

يمكن أيضًا الحصول على الحمض النووي الريبوزي (RNA) من قواعد البيانات العامة، مثل GenBank و RefSeq و 1000 Plants (1KP) و 1KITE . توفر قواعد البيانات العامة تسلسلات مُدققة، مما يُحسّن جودة الاستدلال ويُجنّب العبء الحسابي المُصاحب لتجميع التسلسلات .

استنتاج التماثل/التشابه بين أزواج الجينات

الأساليب

يتطلب استنتاج التماثل الجيني أو التماثل المتوازي تقييمًا لتماثل التسلسل ، عادةً عبر محاذاة التسلسل . غالبًا ما تُدرس التحليلات التطورية ومحاذاة التسلسل معًا، إذ تتطلب التحليلات التطورية باستخدام الحمض النووي DNA أو RNA محاذاة التسلسل، وغالبًا ما تمثل المحاذاة نفسها فرضيةً ما للتماثل . ولأن تحديد التماثل الجيني الصحيح أمرٌ محوريٌّ للتحليلات التطورية، تتوفر طرقٌ متنوعةٌ لاستنتاج التماثل الجيني والتماثل المتوازي . [ 2 ]

تُصنّف هذه الطرق عمومًا إلى خوارزميات قائمة على الرسوم البيانية وخوارزميات قائمة على الأشجار. من أمثلة الطرق القائمة على الرسوم البيانية: InParanoid [ 3 ] ، و MultiParanoid [ 4 ] ، وOrthoMCL [ 5 ] ، و HomoloGene [ 6 ] ، وOMA [ 7 ] . أما الخوارزميات القائمة على الأشجار فتشمل برامج مثل OrthologID وRIO [ 8 ] [ 2 ] .

تُستخدم طرق BLAST المتنوعة غالبًا للكشف عن الجينات المتماثلة بين الأنواع كجزء من خوارزميات قائمة على الرسوم البيانية، مثل MegaBLAST وBLASTALL، أو غيرها من أشكال BLAST الشاملة، وقد تكون هذه الطرق قائمة على محاذاة النيوكليوتيدات أو البروتينات . [ 9 ] [ 10 ] بل إن RevTrans [ 11 ] يستخدم بيانات البروتينات لتوجيه محاذاة الحمض النووي، مما قد يُفيد في تحديد العلاقات التطورية البعيدة. غالبًا ما تفترض هذه الطرق أن أفضل التطابقات المتبادلة التي تتجاوز عتبة معينة، مثل التطابق أو قيمة E أو نسبة المحاذاة، تُمثل جينات متماثلة ، وقد تتأثر هذه النتائج بتصنيف غير مكتمل للسلالات . [ 12 ] [ 13 ]

قواعد البيانات والأدوات

من المهم ملاحظة أن علاقات التماثل في قواعد البيانات العامة تمثل عادةً التماثل على مستوى الجينات ولا تقدم معلومات تتعلق بمتغيرات الربط البديلة المحفوظة .

تشمل قواعد البيانات التي تحتوي على العلاقات المتماثلة و/أو تكشف عنها ما يلي:

محاذاة التسلسل المتعدد

بما أن عملية النسخ في حقيقيات النوى عملية معقدة، حيث يمكن من خلالها توليد نسخ متعددة من جين واحد عبر التضفير البديل مع تعبير متغير ، فإن استخدام الحمض النووي الريبوزي (RNA) أكثر تعقيدًا من الحمض النووي (DNA). ومع ذلك، فإن تسلسل النسخ الجينية (transctancetomes) أقل تكلفة من تسلسل الجينومات الكاملة، ويمكن الحصول عليها دون استخدام جينوم مرجعي موجود مسبقًا . [ 1 ]

ليس من غير المألوف ترجمة تسلسل الحمض النووي الريبوزي (RNA) إلى تسلسل بروتيني عند استخدام بيانات النسخ الجيني، خاصةً عند تحليل التصنيفات شديدة التباين. تُعد هذه خطوة بديهية، إذ يُتوقع أن تُشفّر العديد من النسخ (وليس جميعها) أشكالًا بروتينية مختلفة . تشمل الفوائد المحتملة تقليل التحيزات الطفرية وتقليل عدد الأحرف، مما قد يُسرّع التحليلات. مع ذلك، قد يؤدي هذا التقليل في عدد الأحرف إلى فقدان أحرف قد تكون ذات دلالة. [ 1 ]

تتوفر العديد من الأدوات لمحاذاة التسلسلات المتعددة ، ولكل منها نقاط قوة وضعف، وقد تكون متخصصة في أنواع تسلسلات محددة (DNA، RNA، أو بروتين). لذا، قد يكون برنامج المحاذاة الذي يراعي مواقع الربط مثاليًا لمحاذاة تسلسلات RNA، بينما قد يكون برنامج المحاذاة الذي يأخذ في الاعتبار بنية البروتين أو معدلات استبدال الأحماض الأمينية أفضل لبيانات تسلسل RNA المترجمة.

الفرص والقيود

إن استخدام الحمض النووي الريبي (RNA) في التحليل الوراثي له مجموعة فريدة من نقاط القوة والضعف.

المزايا

  • مجموعة كبيرة من الشخصيات
  • فعال من حيث التكلفة
  • غير معتمد على جينوم مرجعي

العيوب

  • تكاليف أخذ عينات تصنيفية واسعة النطاق
  • صعوبة في تحديد النسخ الكاملة أحادية النسخة والجينات المتماثلة
  • احتمال حدوث أخطاء في تجميع النصوص (خاصة عند وجود نسخ مكررة)
  • البيانات المفقودة كناتج للترانسكريبتوم الذي يمثل لقطة من التعبير أو فرز السلالة غير المكتمل [ 14 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ١ ٢ ٣ هوراندل، إلفيرا؛ أبيلهانز، مارك (٢٠١٥). تسلسل الجيل التالي في تصنيف النباتات . كتب كولتز العلمية. ISBN 978-3-87429-492-8.
  2. 1 2 ساليكوس، ليونيداس؛ روكاس، أنتونيس؛ فيرهيد، سيسيل (13 أبريل 2011). "تقييم خوارزميات التنبؤ بالأورثولوج في فرع نموذجي من الخميرة" . PLOS ONE . 6 (4) e18755. Bibcode : 2011PLoSO...618755S . doi : 10.1371/journal.pone.0018755 . PMC 3076445. PMID 21533202 .  
  3. ↑ أوستلوند، ج.؛ شميت، ت.؛ فورسلوند، ك.؛ كوستلر، ت.؛ ميسينا، د.ن.؛ روبرا، س.؛ فرينغز، أ.؛ سونهمر، إ.ل.ل. (5 نوفمبر 2009). "InParanoid 7: خوارزميات وأدوات جديدة لتحليل التماثل في حقيقيات النوى" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 38 (قاعدة البيانات): D196– D203. doi : 10.1093/nar/gkp931 . PMC 2808972. PMID 19892828 .  
  4. ↑ أليكسينكو، أ.؛ تاماس، إ.؛ ليو، ج.؛ سونهمر، إ.ل.ل. (27 يوليو 2006). "التجميع التلقائي للجينات المتماثلة والجينات المتشابهة المشتركة بين بروتينات متعددة" . المعلوماتية الحيوية . 22 (14): e9– e15. doi : 10.1093/bioinformatics/btl213 . PMID 16873526 . 
  5. ↑ لي، ل . (1 سبتمبر 2003). "OrthoMCL: تحديد مجموعات الجينات المتماثلة في الجينومات حقيقية النواة" . أبحاث الجينوم . 13 (9): 2178-2189 . doi : 10.1101/gr.1224503 . PMC 403725. PMID 12952885 .  
  6. ^ سايرز، إي دبليو. باريت، T.؛ بنسون، دا. بولتون، إي. براينت، ش. كانيز، ك؛ تشيتفيرنين، V.؛ الكنيسة، مارك ألماني؛ ديكوتشيو، م. فيديرهين، س.؛ فيولو، م.؛ فينجرمان، آي إم؛ جير، LY. هيلمبرج، دبليو؛ كابوستين، Y.؛ لاندسمان، د.؛ ليبمان، دي جي؛ لو، Z .؛ مادن، TL؛ ماديج، ت.؛ الأماكن القريبة : مارشلر باور، أ؛ ميلر، V.؛ مزراحي، أنا؛ أوستيل، J.؛ بانتشينكو، أ. فان، ل.؛ برويت، دينار كويتي. شولر، ج.د. سيكويرا، إي. شيري، ST. شمواي، م.؛ سيروتكين، ك. سلوتا، د.؛ سوفوروف، أ. ستارتشينكو، ج.؛ تاتوسوفا، ت. أ.؛ فاغنر، ل.؛ وانغ، ي.؛ ويلبر، و. ج.؛ ياشينكو، إ.؛ يي، ج. (21 نوفمبر 2010). "موارد قاعدة بيانات المركز الوطني لمعلومات التقانة الحيوية" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 39 (قاعدة البيانات): D38– D51 . doi : 10.1093/nar/gkq1172 . PMC 3013733. PMID 21097890 .  
  7. ↑ ألتنهوف، أ.م.؛ كونكا، ن.؛ غلوفر، ن.؛ ترين، س.-م.؛ سوكي، أ.؛ بيليوتا، إ.؛ غوري، ك.؛ توميتشيك، ب.؛ مولر، س.؛ ريديستيج، هـ.؛ غونيت، ج.هـ.؛ ديسيموز، س. (15 نوفمبر 2014). "قاعدة بيانات OMA للتماثل الجيني في عام 2015: تنبؤات وظيفية، ودعم أفضل للنباتات، وعرض للتماثل الجيني، وتحسينات أخرى" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 43 (D1): D240– D249 . doi : 10.1093/nar/gku1158 . PMC 4383958. PMID 25399418 .  
  8. ↑ زماسيك، كريستيان م؛ إيدي ، شون ر (2002). "RIO: ​​تحليل البروتينات باستخدام علم الوراثة التطورية الآلي من خلال الاستدلال المُعاد تجميعه للأورثولوجات" . BMC Bioinformatics . 3 (1): 14. doi : 10.1186/1471-2105-3-14 . PMC 116988. PMID 12028595 .  
  9. ↑ باركر، إم إس؛ فوغل، إتش؛ شرانز، إم إي (5 أكتوبر 2009). "تعدد الصيغ الصبغية القديمة في الكرنبيات: تحليلات النسخ الجيني لـ Cleome توضح تاريخ تضاعف الجينوم في نبات الرشاد وأنواع أخرى من الكرنبيات" . علم الأحياء التطوري وعلم الجينوم . 1 : 391-399 . doi : 10.1093/gbe/evp040 . PMC 2817432. PMID 20333207 .  
  10. ↑ يانغ، شو؛ تشنغ، يو-فو؛ دينغ، كاو؛ ما، يان؛ وانغ، تشي-وين؛ تشن، شيويه-هاو؛ شيويه، لين-باو (2014). "تحليل مقارن للمستنسخات في الباذنجان (Solanum melongena L.) والتوت البري (Solanum torvum Sw. ) : علم الوراثة العرقي وتحليل مقاومة الأمراض" . BMC Genomics . 15 (1): 412. doi : 10.1186/1471-2164-15-412 . PMC 4070557. PMID 24885385 .  
  11. ↑ فيرنرسون، ر. (1 يوليو 2003). "RevTrans: محاذاة متعددة للحمض النووي المشفر من تسلسلات الأحماض الأمينية المحاذية" . أبحاث الأحماض النووية . 31 (13): 3537-3539 . doi : 10.1093/nar/gkg609 . PMC 169015. PMID 12824361 .  
  12. ↑ مورينو-هاغلسيب، ج.؛ لاتيمر، ك. (26 نوفمبر 2007). "اختيار خيارات BLAST لتحسين الكشف عن الجينات المتماثلة كأفضل نتائج متبادلة" . المعلوماتية الحيوية . 24 (3): 319-324 . doi : 10.1093/bioinformatics/btm585 . PMID 18042555 . 
  13. ↑ كاستيلو-راميريز، سانتياغو؛ غونزاليس، فيكتور (2008). "العوامل المؤثرة على التوافق بين أشجار الجينات المتماثلة وشجرة الأنواع في البكتيريا" . مجلة BMC لعلم الأحياء التطوري . 8 (1): 300. Bibcode : 2008BMCEE...8..300C . doi : 10.1186/1471-2148-8-300 . PMC 2614993. PMID 18973688 .  
  14. ↑ وين، جون؛ شيونغ، تشي تشيانغ؛ ني، زي لونغ؛ ماو، ليكاي؛ تشو، يابينغ؛ كان، شيان تشاو؛ إيكرت بوند، ستيفاني م.؛ غيراث، جين؛ زيمر، إليزابيث أ.؛ فانغ، شياو دونغ؛ كانديلا، هيكتور (17 سبتمبر 2013). "تسلسلات النسخ الجيني تكشف العلاقات العميقة لعائلة العنب" . PLOS ONE . 8 (9) e74394. Bibcode : 2013PLoSO...874394W . doi : 10.1371/ journal.pone.0074394 . PMC 3775763. PMID 24069307 .