Genética

Genômica: o que é, pra que serve, utilização

Genômica: o que é, pra que serve, utilização
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O estudo dos ácidos nucleicos começou com a descoberta do DNA, progrediu para o estudo de genes e pequenos fragmentos e explodiu agora no campo da genômica . Genômica é o estudo de genomas inteiros, incluindo o conjunto completo de genes, sua seqüência e organização de nucleotídeos e suas interações dentro de uma espécie e com outras espécies. Os avanços na genômica foram possíveis graças à tecnologia de sequenciamento de DNA. Assim como a tecnologia da informação levou ao Google Maps que nos permite obter informações detalhadas sobre locais em todo o mundo, a informação genômica é usada para criar mapas semelhantes do DNA de diferentes organismos.

Mapeando Genomas

O mapeamento do genoma é o processo de encontrar a localização dos genes em cada cromossomo. Os mapas criados são comparáveis ​​aos mapas que usamos para navegar pelas ruas. Um mapa genético é uma ilustração que lista genes e sua localização em um cromossomo. Os mapas genéticos fornecem o quadro geral (semelhante a um mapa de rodovias interestaduais) e usam marcadores genéticos (semelhantes aos marcos).

Um marcador genético é um gene ou sequência em um cromossomo que mostra ligação genética com um traço de interesse. O marcador genético tende a ser herdado com o gene de interesse, e uma medida de distância entre eles é a frequência de recombinação durante a meiose. Os primeiros geneticistas chamaram essa análise de ligação.

Os mapas físicos entram nos detalhes íntimos de regiões menores dos cromossomos (semelhante a um roteiro detalhado) ( Figura). Um mapa físico é uma representação da distância física, em nucleotídeos, entre genes ou marcadores genéticos. Ambos os mapas de ligação genética e mapas físicos são necessários para construir um quadro completo do genoma.

Ter um mapa completo do genoma torna mais fácil para os pesquisadores estudarem genes individuais. Os mapas do genoma humano ajudam os pesquisadores em seus esforços para identificar genes causadores de doenças em humanos relacionados a doenças como câncer, doenças cardíacas e fibrose cística, para citar alguns.

Além disso, o mapeamento do genoma pode ser usado para ajudar a identificar organismos com características benéficas, como micróbios com a capacidade de limpar poluentes ou até mesmo evitar a poluição. Pesquisas envolvendo o mapeamento do genoma de plantas podem levar a métodos que produzam maiores rendimentos de culturas ou ao desenvolvimento de plantas que se adaptam melhor às mudanças climáticas.

Um diagrama mostrando um cromossomo humano com bandas reveladas com uma mancha de Giemsa. As bandas são rotuladas com Xp e um número no braço curto e Xq e um número no braço longo. Certos genes são encontrados em algumas das bandas. Esses genes são rotulados à direita: anemia B de Fanconi, síndrome de Wiskott-Aldrich, doença de Pelizaeus-Merzbacher, síndrome do X-frágil e deficiência de G6PD [0].
Este é um mapa físico do cromossomo X humano. (crédito: modificação do trabalho pelo NCBI, NIH)

Os mapas genéticos fornecem o esboço e os mapas físicos fornecem os detalhes. É fácil entender por que ambos os tipos de técnicas de mapeamento do genoma são importantes para mostrar o quadro geral. A informação obtida de cada técnica é usada em combinação para estudar o genoma.

O mapeamento genômico é usado com diferentes organismos modelo que são usados ​​para pesquisa. O mapeamento do genoma ainda é um processo contínuo e, à medida que técnicas mais avançadas são desenvolvidas, mais avanços são esperados. O mapeamento do genoma é semelhante a concluir um quebra-cabeça complicado usando todos os dados disponíveis.

As informações de mapeamento geradas em laboratórios em todo o mundo são inseridas em bancos de dados centrais, como o Centro Nacional de Informações sobre Biotecnologia (NCBI). Esforços são feitos para tornar a informação mais facilmente acessível aos pesquisadores e ao público em geral.

Sequenciamento Completo do Genoma

Embora tenha havido avanços significativos nas ciências médicas nos últimos anos, os médicos ainda são confundidos por muitas doenças e os pesquisadores estão usando o sequenciamento completo do genoma para chegar ao fundo do problema.

O sequenciamento completo do genoma é um processo que determina a sequência de DNA de um genoma inteiro. O sequenciamento genético completo é uma abordagem de força bruta para a resolução de problemas quando existe uma base genética no núcleo de uma doença. Vários laboratórios agora fornecem serviços para sequenciar, analisar e interpretar genomas inteiros.

Em 2010, o sequenciamento genômico completo foi usado para salvar um menino cujos intestinos apresentavam múltiplos abscessos misteriosos. A criança teve várias operações de cólon sem alívio. Finalmente, uma seqüência completa do genoma revelou um defeito em uma via que controla a apoptose (morte celular programada).

Um transplante de medula óssea foi usado para superar esse distúrbio genético, levando a uma cura para o menino. Ele foi a primeira pessoa a ser diagnosticada com sucesso usando o sequenciamento genômico completo.

Os primeiros genomas a serem sequenciados, como os pertencentes a vírus, bactérias e leveduras, foram menores em termos do número de nucleotídeos do que os genomas de organismos multicelulares. Os genomas de outros organismos modelo, tais como o rato ( Mus musculus ), a mosca da fruta ( Drosophila melanogaster ) e o nemátodo ( Caenorhabditis elegans ) são agora conhecidos.

Uma grande quantidade de pesquisa básica é realizada em organismos modelo porque a informação pode ser aplicada a outros organismos. Um organismo modelo é uma espécie que é estudada como modelo para entender os processos biológicos em outras espécies que podem ser representadas pelo organismo modelo.

Por exemplo, as moscas da fruta são capazes de metabolizar o álcool como seres humanos, então os genes que afetam a sensibilidade ao álcool foram estudados em moscas da fruta, em um esforço para entender a variação na sensibilidade ao álcool em humanos. Ter genomas inteiros sequenciados ajuda nos esforços de pesquisa nesses organismos modelo ( Figura ).

Cinco fotos são do mouse, Mus musculus; a mosca da fruta, Drosophila melanogaster; o nematóide Caenorhabditis elegans, visualizado através de um microscópio eletrônico de varredura; a levedura Saccharomyces cerevisiae, vista em uma micrografia de luz de contraste de interferência diferencial; e uma pequena flor branca, Arabidopsis thaliana
Muita pesquisa básica é feita com organismos modelo, como o rato Mus musculus ; a mosca da fruta, Drosophila melanogaster; o nemátodo Caenorhabditis elegans ; a levedura Saccharomyces cerevisiae ; e a erva comum, Arabidopsis thaliana . (credit “mouse”: modificação do trabalho por Florean Fortescue; crédito “nematodes”: modificação do trabalho por “snickclunk” / Flickr; crédito “common weed”: modificação do trabalho por Peggy Greb, USDA; dados da barra de escala de Matt Russell )

A primeira sequência do genoma humano foi publicada em 2003. O número de genomas inteiros que foram sequenciados aumenta constantemente e agora inclui centenas de espécies e milhares de genomas humanos individuais.

Para entender melhor esse assunto veja também:

Aplicando conceitos da Genômica

A introdução de sequenciamento de DNA e projetos de sequenciamento genômico completo, particularmente o Projeto Genoma Humano, expandiu a aplicabilidade das informações de sequência de DNA. A genômica está sendo usada agora em uma ampla variedade de campos, como metagenômica, farmacogenômica e genômica mitocondrial. A aplicação mais comumente conhecida da genômica é entender e encontrar curas para doenças.

Prevendo o risco de doenças no nível individual

A previsão do risco de doença envolve a triagem e a identificação de indivíduos atualmente saudáveis ​​pela análise do genoma no nível individual. A intervenção com mudanças de estilo de vida e drogas pode ser recomendada antes do início da doença.

No entanto, esta abordagem é mais aplicável quando o problema surge de uma única mutação genética. Esses defeitos representam apenas cerca de 5% das doenças encontradas em países desenvolvidos. A maioria das doenças comuns, como doença cardíaca, é multifatorial ou poligênica, que se refere a uma característica fenotípica que é determinada por dois ou mais genes, e também a fatores ambientais, como a dieta.

Em abril de 2010, cientistas da Universidade de Stanford publicaram a análise do genoma de um indivíduo saudável (Stephen Quake, cientista da Universidade de Stanford, que teve seu genoma sequenciado); a análise previu sua propensão para adquirir várias doenças. Uma avaliação de risco foi feita para analisar o percentual de risco do Quake para 55 condições médicas diferentes. Uma rara mutação genética foi encontrada e mostrou que ele estava em risco de ataque cardíaco súbito.

Ele também estava previsto para ter um risco de 23 por cento de desenvolver câncer de próstata e um risco de 1,4 por cento de desenvolver a doença de Alzheimer. Os cientistas usaram bancos de dados e várias publicações para analisar os dados genômicos.

Embora o sequenciamento genômico esteja se tornando mais acessível e as ferramentas analíticas estejam se tornando mais confiáveis, as questões éticas que envolvem a análise genômica em nível populacional ainda precisam ser abordadas. Por exemplo, esses dados poderiam ser legitimamente usados ​​para cobrar mais ou menos por seguros ou para afetar as classificações de crédito?

Uma avaliação de risco foi feita para analisar o percentual de risco do Quake para 55 condições médicas diferentes. Uma rara mutação genética foi encontrada e mostrou que ele estava em risco de ataque cardíaco súbito. Ele também estava previsto para ter um risco de 23 por cento de desenvolver câncer de próstata e um risco de 1,4 por cento de desenvolver a doença de Alzheimer.

Os cientistas usaram bancos de dados e várias publicações para analisar os dados genômicos. Embora o sequenciamento genômico esteja se tornando mais acessível e as ferramentas analíticas estejam se tornando mais confiáveis, as questões éticas que envolvem a análise genômica em nível populacional ainda precisam ser abordadas. Por exemplo, esses dados poderiam ser legitimamente usados ​​para cobrar mais ou menos por seguros ou para afetar as classificações de crédito?

Uma avaliação de risco foi feita para analisar o percentual de risco do Quake para 55 condições médicas diferentes. Uma rara mutação genética foi encontrada e mostrou que ele estava em risco de ataque cardíaco súbito. Ele também estava previsto para ter um risco de 23 por cento de desenvolver câncer de próstata e um risco de 1,4 por cento de desenvolver a doença de Alzheimer.

Os cientistas usaram bancos de dados e várias publicações para analisar os dados genômicos. Embora o sequenciamento genômico esteja se tornando mais acessível e as ferramentas analíticas estejam se tornando mais confiáveis, as questões éticas que envolvem a análise genômica em nível populacional ainda precisam ser abordadas.

Por exemplo, esses dados poderiam ser legitimamente usados ​​para cobrar mais ou menos por seguros ou para afetar as classificações de crédito? Uma rara mutação genética foi encontrada e mostrou que ele estava em risco de ataque cardíaco súbito.

Ele também estava previsto para ter um risco de 23 por cento de desenvolver câncer de próstata e um risco de 1,4 por cento de desenvolver a doença de Alzheimer. Os cientistas usaram bancos de dados e várias publicações para analisar os dados genômicos.

Embora o sequenciamento genômico esteja se tornando mais acessível e as ferramentas analíticas estejam se tornando mais confiáveis, as questões éticas que envolvem a análise genômica em nível populacional ainda precisam ser abordadas.

Por exemplo, esses dados poderiam ser legitimamente usados ​​para cobrar mais ou menos por seguros ou para afetar as classificações de crédito? Uma rara mutação genética foi encontrada e mostrou que ele estava em risco de ataque cardíaco súbito.

Ele também estava previsto para ter um risco de 23 por cento de desenvolver câncer de próstata e um risco de 1,4 por cento de desenvolver a doença de Alzheimer. Os cientistas usaram bancos de dados e várias publicações para analisar os dados genômicos.

Embora o sequenciamento genômico esteja se tornando mais acessível e as ferramentas analíticas estejam se tornando mais confiáveis, as questões éticas que envolvem a análise genômica em nível populacional ainda precisam ser abordadas. Por exemplo, esses dados poderiam ser legitimamente usados ​​para cobrar mais ou menos por seguros ou para afetar as classificações de crédito?

Embora o sequenciamento genômico esteja se tornando mais acessível e as ferramentas analíticas estejam se tornando mais confiáveis, as questões éticas que envolvem a análise genômica em nível populacional ainda precisam ser abordadas.

Por exemplo, esses dados poderiam ser legitimamente usados ​​para cobrar mais ou menos por seguros ou para afetar as classificações de crédito? Embora o sequenciamento genômico esteja se tornando mais acessível e as ferramentas analíticas estejam se tornando mais confiáveis, as questões éticas que envolvem a análise genômica em nível populacional ainda precisam ser abordadas. Por exemplo, esses dados poderiam ser legitimamente usados ​​para cobrar mais ou menos por seguros ou para afetar as classificações de crédito?

Estudos de associação genômica ampla

Desde 2005, tem sido possível realizar um tipo de estudo chamado estudo de associação genômica ampla, ou GWAS. Um GWAS é um método que identifica diferenças entre indivíduos em polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) que podem estar envolvidos na causa de doenças.

O método é particularmente adequado para doenças que podem ser afetadas por uma ou muitas alterações genéticas em todo o genoma. É muito difícil identificar os genes envolvidos em tal doença usando informações da história familiar. O método GWAS baseia-se em um banco de dados genético que está em desenvolvimento desde 2002, chamado International HapMap Project.

O Projeto HapMap sequenciou os genomas de várias centenas de indivíduos de todo o mundo e identificou grupos de SNPs. Os grupos incluem SNPs localizados próximos uns dos outros nos cromossomos, então eles tendem a permanecer juntos por recombinação.

O fato de o grupo permanecer unido significa que a identificação de um marcador SNP é tudo o que é necessário para identificar todos os SNPs do grupo. Existem vários milhões de SNPs identificados, mas identificá-los em outros indivíduos que não tiveram seu genoma completo sequenciado é muito mais fácil, porque apenas os SNPs marcadores precisam ser identificados.

Em um projeto comum para um GWAS, dois grupos de indivíduos são escolhidos; um grupo tem a doença e o outro não. Os indivíduos de cada grupo são pareados em outras características para reduzir o efeito de variáveis ​​de confusão causando diferenças entre os dois grupos.

Por exemplo, os genótipos podem diferir porque os dois grupos são na sua maioria tomados de diferentes partes do mundo. Uma vez que os indivíduos são escolhidos, e normalmente seus números são mil ou mais para o estudo funcionar, amostras de seu DNA são obtidas.

O DNA é analisado usando sistemas automatizados para identificar grandes diferenças na porcentagem de SNPs específicos entre os dois grupos. Muitas vezes, o estudo examina um milhão ou mais de SNPs no DNA.

Os resultados do GWAS podem ser usados ​​de duas maneiras: as diferenças genéticas podem ser usadas como marcadores para a suscetibilidade à doença em indivíduos não diagnosticados, e os genes específicos identificados podem ser alvos para a pesquisa da via molecular da doença e terapias potenciais.

Um desdobramento da descoberta de associações de genes com doenças tem sido a formação de empresas que fornecem a chamada “genômica pessoal”, que identificará os níveis de risco para várias doenças com base no complemento de SNP de um indivíduo.

A ciência por trás desses serviços é controversa. Um desdobramento da descoberta de associações de genes com doenças tem sido a formação de empresas que fornecem a chamada “genômica pessoal”, que identificará os níveis de risco para várias doenças com base no complemento de SNP de um indivíduo.

A ciência por trás desses serviços é controversa. Um desdobramento da descoberta de associações de genes com doenças tem sido a formação de empresas que fornecem a chamada “genômica pessoal”, que identificará os níveis de risco para várias doenças com base no complemento de SNP de um indivíduo. A ciência por trás desses serviços é controversa.

Como o GWAS procura associações entre genes e doenças, esses estudos fornecem dados para outras pesquisas sobre causas, em vez de responder a perguntas específicas em si. Uma associação entre uma diferença genética e uma doença não significa necessariamente que exista uma relação de causa e efeito.

No entanto, alguns estudos forneceram informações úteis sobre as causas genéticas das doenças. Por exemplo, três estudos diferentes em 2005 identificaram um gene para uma proteína envolvida na regulação da inflamação no corpo que está associada a uma cegueira causadora de doença chamada degeneração macular relacionada à idade. Isso abriu novas possibilidades de pesquisa sobre a causa dessa doença. Um grande número de genes foi identificado como estando associado à doença de Crohn usando GWAS,

Farmacogenômica

Farmacogenômica envolve a avaliação da eficácia e segurança dos medicamentos com base na informação da sequência genômica de um indivíduo. A informação pessoal da sequência do genoma pode ser usada para prescrever medicamentos que serão mais eficazes e menos tóxicos com base no genótipo individual do paciente.

Estudar mudanças na expressão gênica poderia fornecer informações sobre o perfil de transcrição gênica na presença do fármaco, o que pode ser usado como um indicador precoce do potencial de efeitos tóxicos. Por exemplo, genes envolvidos no crescimento celular e na morte celular controlada, quando perturbados, podem levar ao crescimento de células cancerígenas.

Estudos em todo o genoma também podem ajudar a encontrar novos genes envolvidos na toxicidade de drogas. As assinaturas gênicas podem não ser completamente precisas, mas podem ser testadas antes que surjam sintomas patológicos.

Metagenômica

Tradicionalmente, a microbiologia tem sido ensinada com a visão de que os microrganismos são melhor estudados sob condições de cultura puras, o que envolve isolar um único tipo de célula e cultivá-la em laboratório. Como os microrganismos podem passar por várias gerações em questão de horas, seus perfis de expressão gênica se adaptam rapidamente ao novo ambiente de laboratório. Por outro lado, muitas espécies resistem a ser cultivadas isoladamente.

A maioria dos microrganismos não vive como entidades isoladas, mas em comunidades microbianas conhecidas como biofilmes. Por todas essas razões, a cultura pura nem sempre é a melhor maneira de estudar micro-organismos. Metagenômica é o estudo dos genomas coletivos de múltiplas espécies que crescem e interagem em um nicho ambiental. A metagenômica pode ser usada para identificar novas espécies mais rapidamente e analisar o efeito de poluentes no ambiente ( Figura ). As técnicas de metagenômica agora também podem ser aplicadas a comunidades de eucariotos superiores, como peixes.

O diagrama mostra 3 anéis individuais representando o DNA, com uma pequena porção de cada um em uma cor contrastante. As pequenas porções representam o DNA de uma espécie diferente. Os três anéis têm a legenda “Todo o DNA genômico de um ambiente particular é cortado em fragmentos e ligado em um vetor de clonagem. Os fragmentos são seqüenciados, e regiões de sobreposição são usadas para determinar as seqüências genômicas. ”Abaixo dos anéis há muitas partes das porções de cores contrastantes apenas, com uma seta apontando para linhas sólidas mais longas das 3 cores.
Metagenômica envolve o isolamento de DNA de várias espécies dentro de um nicho ambiental. O DNA é cortado e sequenciado, permitindo que sequências inteiras de genoma de múltiplas espécies sejam reconstruídas a partir das sequências de peças sobrepostas.

Criação de Novos Biocombustíveis

O conhecimento da genômica de micro-organismos está sendo usado para encontrar maneiras melhores de aproveitar os biocombustíveis a partir de algas e cianobactérias. As principais fontes de combustível hoje são carvão, petróleo, madeira e outros produtos vegetais, como o etanol. Embora as plantas sejam recursos renováveis, ainda há necessidade de encontrar mais fontes renováveis ​​de energia para atender às demandas energéticas de nossa população. O mundo microbiano é um dos maiores recursos para genes que codificam novas enzimas e produzem novos compostos orgânicos, e permanece em grande parte inexplorado. Esse vasto recurso genético tem o potencial de fornecer novas fontes de biocombustíveis ( Figura ).

Uma foto de um grande recipiente de fluido verde, com uma tela em segundo plano com o título "Do campo à frota".
Combustíveis renováveis ​​foram testados em navios da Marinha e aeronaves no primeiro Fórum de Energia Naval. (crédito: modificação do trabalho de John F. Williams, Marinha dos EUA)

Genômica Mitocondrial

As mitocôndrias são organelas intracelulares que contêm seu próprio DNA. O DNA mitocondrial sofre mutações rápidas e é frequentemente usado para estudar as relações evolutivas. Outra característica que torna o estudo do genoma mitocondrial interessante é que, na maioria dos organismos multicelulares, o DNA mitocondrial é transmitido da mãe durante o processo de fertilização. Por essa razão, a genômica mitocondrial é freqüentemente usada para traçar a genealogia.

Genômica em análise forense

Informações e pistas obtidas de amostras de DNA encontradas em cenas de crime têm sido usadas como evidência em processos judiciais, e marcadores genéticos têm sido usados ​​em análises forenses. A análise genômica também se tornou útil nesse campo. Em 2001, o primeiro uso de genômica em análise forense foi publicado.

Foi um esforço colaborativo entre instituições de pesquisa acadêmica e o FBI para resolver os misteriosos casos de antraz ( Figura) que foi transportado pelo Serviço Postal dos EUA. As bactérias do antraz foram transformadas em pó infeccioso e enviadas à mídia e a dois senadores americanos.

O pó infectou o pessoal administrativo e os funcionários dos correios que abriram ou manejaram as cartas. Cinco pessoas morreram e 17 ficaram doentes com as bactérias. Usando a genômica microbiana, os pesquisadores determinaram que uma linhagem específica de antraz era usada em todas as correspondências; Eventualmente, a fonte foi rastreada até um cientista em um laboratório nacional de biodefesa em Maryland.

Uma foto de microscópio de luz das hastes longas da bactéria antraz. Várias linhas de pontos vermelhos podem ser vistas também.
Bacillus anthracis é o organismo causador do antraz. (crédito: modificação do trabalho pelo CDC; dados da barra de escala de Matt Russell)

Genômica na Agricultura

A genômica pode reduzir os ensaios e as falhas envolvidas na pesquisa científica, até certo ponto, o que poderia melhorar a qualidade e a quantidade de produtividade agrícola ( Figura ). Vincular traços a genes ou assinaturas gênicas ajuda a melhorar o melhoramento genético para gerar híbridos com as qualidades mais desejáveis.

Os cientistas usam dados genômicos para identificar características desejáveis ​​e, em seguida, transferem essas características para um organismo diferente para criar um novo organismo geneticamente modificado, conforme descrito no módulo anterior. Os cientistas estão descobrindo como a genômica pode melhorar a qualidade e quantidade da produção agrícola. Por exemplo, os cientistas poderiam usar traços desejáveis ​​para criar um produto útil ou aprimorar um produto existente, como tornar uma cultura sensível à seca mais tolerante à estação seca.

Uma foto de várias ameixas roxas e as folhas da árvore de ameixa. Uma ameixa foi cortada ao meio para expor a carne amarela e o pequeno caroço marrom.
Plantas agrícolas transgênicas podem ser feitas para resistir a doenças. Essas ameixas transgênicas são resistentes ao vírus da plum pox. (crédito: Scott Bauer, USDA ARS)

Glossário

biomarcador
uma proteína individual que é produzida exclusivamente em um estado doente
mapa genético
um esboço de genes e sua localização em um cromossomo que é baseado em freqüências de recombinação entre marcadores
genômica
o estudo de genomas inteiros, incluindo o conjunto completo de genes, sua seqüência e organização de nucleotídeos e suas interações dentro de uma espécie e com outras espécies.
metagenômica
o estudo dos genomas coletivos de múltiplas espécies que crescem e interagem em um nicho ambiental
organismo modelo
uma espécie que é estudada e usada como modelo para entender os processos biológicos em outras espécies representadas pelo organismo modelo
farmacogenômica
o estudo das interações medicamentosas com o genoma ou proteoma; também chamado de toxicogenômica
mapa físico
uma representação da distância física entre genes ou marcadores genéticos
assinatura de proteína
um conjunto de proteínas super ou su-bexpressas características de células em um tecido doente específico
proteômica
estudo da função dos proteomas
sequenciamento completo do genoma
um processo que determina a sequência nucleotídica de um genoma inteiro

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