Салыстырмалы геномика және түрлердің генетикалық байланыстары

Кіріспе

Биологиялық зерттеулер саласы

Салыстырмалы геномика – биологиялық зерттеулердің бір саласы, ол адамдар мен егеуқұйрықтардан бастап бактериялар мен шимпанзелерге дейінгі әртүрлі организмдердің геномдық тізбектерін зерттейді. Бұл кең ауқымды, жүйелі тәсіл екі немесе одан көп геномды салыстырып, геномдар арасындағы ұқсастықтар мен айырмашылықтарды анықтап, әрбір геномның биологиясын зерттейді. Толық геномдық тізбектерді салыстыру организмдердің гендер деңгейінде бір-бірімен қалай байланысты екенін егжей-тегжейлі көрсетеді. Геномдардың толық тізбектерін салыстыру арқылы зерттеушілер организмдер арасындағы генетикалық қатынастарды анықтайды және эволюциялық өзгерістерді зерттейді. + 1-кесте: Адамдар мен басқа модельді организмдердің салыстырмалы геномдық мөлшері 60 22,000 Жеміс шыбыңы (Drosophila melanogaster) 165 миллион 8 13,000 Өсімдік (Arabidopsis thaliana) 157 миллион 10 25,000 Дөңгелек құрт (Caenorhabditis elegans) 97 миллион 12 19,000 Ашытқы (Saccharomyces cerevisiae) 12 миллион 32 6,000 Бактерия (Escherichia coli) 4.6 миллион 1 3,200

Салыстырмалы геномикада синтен – туысқан түрлердің хромосомаларындағы гендердің сақталып қалған реті, олардың ортақ атадан шыққандығын көрсетеді. Синтен геномдар арасындағы гомологты гендер мен гендер ретінің сақталуын анықтауға мүмкіндік береді. Синтендік блоктар – ортақ атадан алынған гомологты гендердің ортақ ретін бөлісетін геномдар арасындағы хромосома аймақтары ретінде нақтырақ анықталады. Сақталған синтен немесе коллинеарлық сияқты баламалы атаулар жиі қолданылады. Түрлер арасындағы және ішіндегі геномдық синтенді салыстыру эволюциялық процестерді зерттеуге мүмкіндік береді, бұл көптеген тұқымдарда хромосома саны мен құрылымының әртүрлілігіне әкеледі; мұндай тәсілдерді қолданатын алғашқы жаңалықтар: нематодалар мен ашытқылардағы хромосомалық сақталған аймақтар, жануарлар мен өсімдіктердегі өте сақталған Хокс гендер кластерлерінің эволюциялық тарихы мен фенотиптік белгілері, MADS гендер отбасы және сүтқоректілер мен өсімдіктердегі кариотип эволюциясы. Сонымен қатар, екі геномды салыстыру сақталған домендерді немесе синтенді ғана емес, сонымен қатар көшірме санының өзгеруін, жалғыз нуклеотидтік полиморфизмдерді (SNP), инделдерді және басқа геномдық құрылымдық өзгерістерді анықтауға көмектеседі. 1995 жылы екі организмнің толық геномдары қолжетімді болғаннан кейін (яғни Haemophilus influenzae және Mycoplasma genitalium бактерияларының геномдары) салыстырмалы геномика қазір әрбір жаңа геномдық тізбекті талдаудың стандартты құрауы болып табылады. ДНҚ тізбектеу технологияларының, әсіресе 2000-жылдардың соңындағы жаңа буын тізбектеу әдістерінің жетістіктерінің арқасында геномдық жобалардың санының өсуімен бұл сала күрделірек болды, бұл бір зерттеуде көптеген геномдармен жұмыс істеуге мүмкіндік берді. Салыстырмалы геномика адамдар мен шимпанзелер сияқты жақын туысқан организмдер арасындағы жоғары дәрежедегі ұқсастықты, және одан да таңқаларлық, адамдар мен Saccharomyces cerevisiae ашытқысы сияқты алыс туысқан организмдер арасындағы ұқсастықты көрсетті. Сондай-ақ, әртүрлі эволюциялық тармақтардағы гендердің ерекше әртүрлілігі де көрсетілді. 1986 жылы ірі масштабтағы алғашқы салыстырмалы геномдық зерттеу жарияланды, онда әрқайсысында 100-ден астам ген бар варицелла-зостер вирусы мен Эпштейн-Барр вирусының геномдары салыстырылды. Ұялы организмнің алғашқы толық геномдық тізбегі, Haemophilus influenzae Rd, 1995 жылы жарияланды. Екінші геномдық тізбектеу жұмысы сол жылы жарық көрген Mycoplasma genitalium шағын паразиттік бактериясы болды. Осы мақаладан бастап жаңа геномдар туралы есептер міндетті түрде салыстырмалы геномдық зерттеулерге айналды. 1998 жылы Caenorhabditis elegans дөңгелек құрт геномы жарияланғаннан кейін Джеральд М. Рубин және оның командасы «Эукариоттардың салыстырмалы геномикасы» атты мақала жариялады, онда олар D. melanogaster, C. elegans және S. cerevisiae эукариоттарының, сондай-ақ H. influenzae прокариоттарының геномдарын салыстырды. Сол уақытта Бонни Бергер, Эрик Ландер және олардың командасы адам мен егеуқұйрықтың геномдарын салыстыру туралы мақала жариялады. 2000-шы жылдары омыртқалы жануарлардың ірі геномдары жарияланғанда, соның ішінде адам, жапондық шаң балығы Takifugu rubripes және егеуқұйрық, ірі геномдық салыстырудың алдын ала есептелген нәтижелері жүктеп алуға немесе геномдық шолуда қарауға қолжетімді болды. Өздерінің жеке талдауларын жүргізудің орнына, көптеген биологтар осы үлкен түрлер арасындағы салыстыруларға қол жеткізе алады және геномдардың көлемінен туындаған қиындықтардан құтылуға мүмкіндік алады. 2007 жылы алғаш рет ұсынылған жаңа буын тізбектеу әдістері зор мөлшерде геномдық деректерді өндірді және зерттеушілерге бір уақытта бірнеше (прокариоттық) геномдық тізбектерді жасауға мүмкіндік берді. Бұл әдістер жақсы түсіндірілген анықтамалық геномға жиналмаған оқылымдарды түсіру арқылы жалғыз нуклеотидтік полиморфизмдерді, енулерді және жоюларды жылдам анықтауға мүмкіндік береді, сонымен қатар штаммдар арасындағы кез келген функционалдық өзгерулердің себебі болуы мүмкін гендердің тізімін ұсынады.

In comparative genomics, synteny is the preserved order of genes on chromosomes of related species indicating their descent from a common ancestor. Synteny provides a framework in which the conservation of homologous genes and gene order is identified between genomes of different species. Synteny blocks are more formally defined as regions of chromosomes between genomes that share a common order of homologous genes derived from a common ancestor. Alternative names such as conserved synteny or collinearity have been used interchangeably. Comparisons of genome synteny between and within species have provided an opportunity to study evolutionary processes that lead to the diversity of chromosome number and structure in many lineages across the tree of life; early discoveries using such approaches include chromosomal conserved regions in nematodes and yeast, evolutionary history and phenotypic traits of extremely conserved Hox gene clusters across animals and MADS box gene family in plants, and karyotype evolution in mammals and plants. Furthermore, comparing two genomes not only reveals conserved domains or synteny but also aids in detecting copy number variations, single nucleotide polymorphisms (SNPs), indels, and other genomic structural variations. Virtually started as soon as the whole genomes of two organisms became available (that is, the genomes of the bacteria Haemophilus influenzae and Mycoplasma genitalium) in 1995, comparative genomics is now a standard component of the analysis of every new genome sequence. With the explosion in the number of genome projects due to the advancements in DNA sequencing technologies, particularly the next generation sequencing methods in late 2000s, this field has become more sophisticated, making it possible to deal with many genomes in a single study. Comparative genomics has revealed high levels of similarity between closely related organisms, such as humans and chimpanzees, and, more surprisingly, similarity between seemingly distantly related organisms, such as humans and the yeast Saccharomyces cerevisiae. It has also showed the extreme diversity of the gene composition in different evolutionary lineages. In 1986, the first comparative genomic study at a larger scale was published, comparing the genomes of varicella zoster virus and Epstein Barr virus that contained more than 100 genes each. The first complete genome sequence of a cellular organism, that of Haemophilus influenzae Rd, was published in 1995. The second genome sequencing paper was of the small parasitic bacterium Mycoplasma genitalium published in the same year. Starting from this paper, reports on new genomes inevitably became comparative genomic studies. After the publication of the roundworm Caenorhabditis elegans genome in 1998 Gerald M. Rubin and his team published a paper titled "Comparative Genomics of the Eukaryotes", in which they compared the genomes of the eukaryotes D. melanogaster, C. elegans, and S. cerevisiae, as well as the prokaryote H. influenzae. At the same time, Bonnie Berger, Eric Lander, and their team published a paper on whole genome comparison of human and mouse. With the publication of the large genomes of vertebrates in the 2000s, including human, the Japanese pufferfish Takifugu rubripes, and mouse, precomputed results of large genome comparisons have been released for downloading or for visualization in a genome browser. Instead of undertaking their own analyses, most biologists can access these large cross species comparisons and avoid the impracticality caused by the size of the genomes. Next generation sequencing methods, which were first introduced in 2007, have produced an enormous amount of genomic data and have allowed researchers to generate multiple (prokaryotic) draft genome sequences at once. These methods can also quickly uncover single nucleotide polymorphisms, insertions and deletions by mapping unassembled reads against a well annotated reference genome, and thus provide a list of possible gene differences that may be the basis for any functional variation among strains.

Эволюциядағы CNV-тің рөлі

Салыстырмалы геномика көшірме санының өзгеруін (CNV) анықтау және олардың эволюциядағы маңызын түсінуде маңызды рөл атқарады. ДНҚ-ның үлкен сегменттерінің жойылуы немесе көбейіп кетуімен байланысты CNV-лер гендердің құрылымына, дозасына және реттелуіне әсер ететін генетикалық әртүрліліктің маңызды көзі болып табылады. Бір нуклеотидтік полиморфизмдер (SNP) жиірек кездессе де, CNV-лер геномның үлкен аймақтарына әсер етеді және фенотипке және әртүрлілікке күшті әсер етуі мүмкін. Жақындағы зерттеулер CNV-лердің адам геномының шамамен 4,8–9,5% құрайтынын және олардың маңызды функционалдық және эволюциялық әсерге ие екенін көрсетті. Сүтқоректілерде CNV-лер популяциялық әртүрлілікке елеулі үлес қосады, гендік экспрессияға және әртүрлі фенотиптік белгілерге әсер етеді. Адам және шимпанзе геномдарының салыстырмалы геномикалық талдаулары CNV-лердің эволюциялық өзгерістерде жеке нуклеотидтік өзгерістерге қарағанда үлкен рөл атқаратынын көрсетті. Зерттеулер CNV-лердің геномның 2,7%-на, ал SNP-лердің 1,2%-на әсер ететінін көрсетеді, бұл жеке базалық жұптардың өзгеруінен әлдеқайда көп. Сонымен қатар, көптеген CNV-лер адамдар мен шимпанзелер арасында ортақ болғанымен, маңызды бөлігі әр түрге тән. CNV-лер адамдардағы генетикалық аурулармен де байланысты, осылайша адам денсаулығындағы олардың маңыздылығын көрсетеді. Дегенмен, CNV-лерге қатысты көптеген сұрақтар, оның ішінде олардың пайда болуы және эволюциялық бейімделуге және ауруларға қосқан үлесі әлі де жауапсыз қалды. Ағымдағы зерттеулер салыстырмалы геномдық гибридизация сияқты әдістерді қолдана отырып, осы сұрақтарға жауап беруге бағытталған, бұл CNV-лерді және олардың маңыздылығын егжей-тегжейлі зерттеуге мүмкіндік береді. Зерттеушілер адам мен шимпанзелердің шикі реттілік деректерін зерттегенде…

Салыстырмалы геномиканың маңызы

Салыстырмалы геномика медициналық зерттеулер, негізгі биология және биологиялық әртүрлілікті сақтау сияқты әртүрлі салаларда маңызды рөл атқарады. Мысалы, медициналық зерттеулерде геномдық варианттардың ағза деңгейіндегі фенотиптерге, атап айтқанда адамдардағы аурулар қаупіне қалай әсер ететінін анықтау қиындық тудырады, себебі геном үш миллиард нуклеотидтен тұрады. Бұл мәселені шешу үшін салыстырмалы геномика миллиондаған жылдар бойы өзгермеген нуклеотидтердің орналасқан жерін анықтап, шешім ұсынады. Бұл сақталған аймақтар генетикалық өзгерістер организмнің тіршілігіне зиян келтіруі мүмкін жерлерді көрсетеді, соның арқасында ауруға себеп болатын варианттарды іздеу жеңілдеді. Сонымен қатар, салыстырмалы геномика ген эволюциясының, қоршаған ортаға бейімделудің, жыныстық айырмашылықтардың және омыртқалы жануарлардың түрлері арасындағы популяциялық өзгерістердің механизмдерін анықтауға көмектеседі. Бұдан өзге, салыстырмалы зерттеулер таңдаудың геномдық іздерін – белгілі бір процестерде маңызды функцияларды атқаруына байланысты популяцияларда көбейіп, бекітілген геном аймақтарын анықтауға мүмкіндік береді. Мысалы, жануарлар генетикасындағы жергілікті малдың ауруға төзімділігі және қоршаған ортаға бейімделу қабілеті жоғары, бірақ экзотикалық тұқымдарға қарағанда өнімділігі төмен. Салыстырмалы геномдық талдау арқылы осы ерекше белгілерге жауапты геномдық іздерді анықтауға болады. Бұл іздерден алынған мәліметтерді пайдаланып, селекционерлер селекциялық стратегияны жақсарту және тұқымның дамуын ілгерілету үшін негірленген шешімдер қабылдай алады.

Әдістер

Геномдарды салыстыру үшін, геномдардағы зор дерек көлемін ескере отырып, есептеу тәсілдері қажет. Қазіргі таңда көптеген құралдар қолжетімді, олар геномдық экспрессия талдауынан бастап, толық геномды салыстыруға дейін қамтиды. Бұл жүйелер мен басқару, ақпарат теориясы, жолдар талдауы және деректерді өңдеу сияқты тәсілдерді қамтиды. Есептеу тәсілдері зерттеу және оқыту үшін маңызды болып қала береді, әсіресе ақпарат ғылымы мен геном биологиясы бірлесіп оқытылғанда. Салыстырмалы геномика геном мөлшері мен ген тығыздығының қарапайым салыстыруынан басталады. Мысалы, геном мөлшері кодтау мүмкіндігі үшін және, мүмкін, реттеу мақсатында маңызды. Жоғары ген тығыздығы геномды түсіндіруге және қоршаған ортаның таңдауына талдау жасауға көмектеседі. Керісінше, төмен ген тығыздығы, адам геномындағыдай, генетикалық ауруларды анықтауды қиындатады.

Тізбелік сәйкестендіру

Бiрiктiрулер ұқсас тізбектер туралы, мысалы, тектік байланыс, ортақ эволюциялық шығу немесе ортақ құрылым және функция туралы ақпаратты анықтау үшін қолданылады. Бiрiктiрулер нуклеотидтік және белоктық тізбектер үшін жасалуы мүмкін. Бiрiктiрулер жергілікті немесе жаһандық жұптық бiрiктiрулер мен көптiзбектi бiрiктiрулерден тұрады. Жаһандық бiрiктiрулерді табудың бiр жолы – динамикалық бағдарламалау алгоритмін қолдану, ол Нидлман-Вунш алгоритмі деп аталады, ал Смит-Уотерман алгоритмі жергілікті бiрiктiрулерді табу үшін қолданылады. Тізбек дерекқорының экспоненциалды өсуімен және ұзын тізбектердің пайда болуымен, жылдам, шамамен немесе эвристикалық бiрiктiру процедураларына қызығушылық арта түсті. Олардың ішінде FASTA және BLAST алгоритмдері жергілікті жұптық бiрiктiру үшін ең танымал. Соңғы жылдары ұзын тізбектерді бiрiктiруге арналған бағдарламалар дамытылды, мысалы, MUMmer (1999), BLASTZ (2003) және AVID (2003). BLASTZ жергілікті тәсілді қолданса, MUMmer және AVID жаһандық бiрiктiруге бағытталған. Жергілікті және жаһандық бiрiктiру тәсілдерінің артықшылықтарын пайдалану үшін тиімді стратегия – оларды бiрлесiтрiп пайдалану. Алдымен, BLAST-тың BLAT деп аталатын жылдам нұсқасы гомологты "белгі" аймақтарын анықтау үшін қолданылады. Бұл белгілер кейіннен сақталған рет пен бағдарды көрсететін жиынтықтарды анықтау үшін тексеріледі. Мұндай белгілер жиынтығы кейін жаһандық стратегияны қолдану арқылы бiрiктiрiледi. Сонымен қатар, қазіргі уақытта жүргізіліп жатқан жұмыстар үлкен геномдық тізбек деректерін өңдеу үшін қолданыстағы алгоритмдерді жылдамдығын арттыру арқылы оңтайландыруға бағытталған. Сонымен қатар, MAVID бірнеше геномды бiрiктiруге арналған ерекше жұптық бiрiктiру бағдарламасы болып табылады. Жұптық салыстыру: Геномдық тізбек деректерін жұптап салыстыру салыстырмалы гендік болжауда кеңінен қолданылады. Салыстырмалы функционалдық геномиканың көптеген зерттеулері жұптық салыстыруларға сүйенеді, онда әр геннің қасиеттері түрлердегі басқа гендердің қасиеттерімен салыстырылады. Бұл әдіс бірегей байқауларға қарағанда әлдеқайда көп салыстыруды қамтиды, бұл әр салыстыруды басқаларына тәуелді етеді. Көптiзбектi салыстыру: Көптеген геномдарды салыстыру – жұптық салыстырудың табиғи жалғасы. Мұндай салыстырулар әдетте екі филогенетикалық деңгейде сақталған аймақтарды анықтауға бағытталған: 1. Филогенетикалық із деп аталатын терең салыстырулар омыртқалылар сияқты жоғары таксономиялық топтардағы сақталуын көрсетеді. 2. Жақын арада филогенетикалық көлеңкелеу деп аталатын, жаппай салыстырулар жақын туысқан түрлер тобының сақталуын зерттейді.

Alignments are used to capture information about similar sequences such as ancestry, common evolutionary descent, or common structure and function. Alignments can be done for both nucleotide and protein sequences. Alignments consist of local or global pairwise alignments, and multiple sequence alignments. One way to find global alignments is to use a dynamic programming algorithm known as Needleman Wunsch algorithmwhereas Smith–Waterman algorithm used to find local alignments. With the exponential growth of sequence databases and the emergence of longer sequences, there's a heightened interest in faster, approximate, or heuristic alignment procedures. Among these, the FASTA and BLAST algorithms are prominent for local pairwise alignment. Recent years have witnessed the development of programs tailored to aligning lengthy sequences, such as MUMmer (1999), BLASTZ (2003), and AVID (2003). While BLASTZ adopts a local approach, MUMmer and AVID are geared towards global alignment. To harness the benefits of both local and global alignment approaches, one effective strategy involves integrating them. Initially, a rapid variant of BLAST known as BLAT is employed to identify homologous "anchor" regions. These anchors are subsequently scrutinized to identify sets exhibiting conserved order and orientation. Such sets of anchors are then subjected to alignment using a global strategy. Additionally, ongoing efforts focus on optimizing existing algorithms to handle the vast amount of genome sequence data by enhancing their speed. Furthermore, MAVID stands out as another noteworthy pairwise alignment program specifically designed for aligning multiple genomes. Pairwise Comparison: The Pairwise comparison of genomic sequence data is widely utilized in comparative gene prediction. Many studies in comparative functional genomics lean on pairwise comparisons, wherein traits of each gene are compared with traits of other genes across species. his method yields many more comparisons than unique observations, making each comparison dependent on others. Multiple comparisons: The comparison of multiple genomes is a natural extension of pairwise inter specific comparisons. Such comparisons typically aim to identify conserved regions across two phylogenetic scales: 1. Deep comparisons, often referred to as phylogenetic footprinting reveal conservation across higher taxonomic units like vertebrates. 2. Shallow comparisons, recently termed
Phylogenetic shadowing, probe conservation across a group of closely related species.

Бүкіл геномды сәйкестендіру

Бүкіл геномды сәйкестендіру (WGA) екі немесе одан көп геномдар арасындағы нуклеотид деңгейіндегі эволюциялық байланыстарды болжауды қамтиды. Ол колинеарлық тізбектерді сәйкестендіру элементтерін және гендік ортологияны болжауды біріктіреді, ал бүкіл геномдардың үлкен көлемі мен күрделі табиғаты осыны қиын міндет етеді. Бұл күрделілігіне қарамастан, осы мәселені шешу үшін көптеген әдістер пайда болды, себебі WGA филогенетикалық қорытындылар, геномды түсіндіру және функцияларды болжау сияқты геномдық ауқымды талдаулардың көптеген түрлерінде маңызды рөл атқарады. Осы ретте, SyRI (Synteny and Rearrangement Identifier) – бүкіл геномды сәйкестендіруді пайдаланатын әдістердің бірі және ол екі бүкіл геномдық жинақтың арасындағы құрылымдық және тізбектік айырмашылықтарды анықтауға бағытталған. WGA деректерді қабылдап, SyRI бастапқыда геном құрылымдарындағы айырмашылықтарды анықтайды. Содан кейін ол реттелген және реттелмеген (синтеникалық) аймақтардағы жергілікті тізбек өзгерулерін анықтайды.

Филогенетикалық реконструкция

Салыстырмалы геномиканың тағы бір есептеу әдісі – филогенетикалық реконструкция. Ол ортақ ата-бабалар арқылы эволюциялық қатынастарды сипаттау үшін қолданылады. Бұл қатынастар әдетте филогенетикалық ағаш деп аталатын ағаш түрінде бейнеленеді. Сол сияқты, коалесценттік теория – бұл популяциядағы геннің аллельдерін бір ғана ортақ ата-бабалық көшірмеге дейін, популяция мүшелері бөлісетін нүктеге дейін кері бағыттап іздеудің ретроспективті моделі. Бұл соңғы ортақ ата-баба деп те аталады. Коалесценция теориясына негізделген талдау, мутацияның пайда болуы мен популяциядағы белгілі бір аллель немесе ген таралуы арасындағы уақыт мөлшерін болжауға бағытталған. Бұл уақыт аралығы соңғы ортақ ата-бабаның қанша бұрын болғанымен тең. Мұрагерлік қатынастар филогенетикалық ағашқа ұқсас түрде визуализацияланады. Коалесценция (немесе ген генеалогиясы) дендрограммалар арқылы көрсетілуі мүмкін.

Геном карталары

Салыстырмалы геномикадағы қосымша әдіс – генетикалық карталау. Генетикалық картада синтенияны визуализациялау – хромосомалардағы гендердің сақталған тәртібін көрудің бір жолы. Бұл әдетте туысқан түрлердің хромосомалары үшін қолданылады, олардың екеуі де ортақ ата-тектен шыққан. Бұл және басқа да әдістер эволюциялық тарихты түсінуге көмектеседі. Жақында жүргізілген зерттеуде сүтқоректілердің филогенезиясы бойынша 16 ата-тектердің кариотиптері салыстырмалы геномика арқылы қайта құрастырылды. Компьютерлік қайта құрастыру сүтқоректілер эволюциясы кезінде хромосомалардың қалай өзгергенін көрсетті. Бұл даму процестерін бақылаумен байланысты жиі кездесетін таңдамалған аймақтардың сақталуы туралы түсінік берді. Сонымен қатар, бұл хромосомалардың эволюциясын және ДНК қайта құрылуымен байланысты генетикалық ауруларды түсінуге көмектесті. [[Файл:Сүтқоректілер хромосомаларының реконструкциясы.png|alt=Қатты жасыл түсті шаршылар сүтқоректілер хромосомаларының бір синтения блогы ретінде сақталғандығын көрсетеді (жеке хромосома ретінде немесе басқа MAM-мен біріктірілген), түстің реңктері хромосома ішіндегі қайта құрылымданулардың әсер еткен бөлігін көрсетеді (ең ақ реңк ең көп әсер етеді). Бөлінген блоктар хромосома аралық қайта құрылымданулардың әсеріне ұшыраған сүтқоректілер хромосомаларын көрсетеді. Жоғарғы (жасыл) үшбұрыштар хромосома ішіндегі қайта құрылымданулардың әсер еткен бөлігін, ал төменгі (қызыл) үшбұрыштар хромосома аралық қайта құрылымданулардың әсер еткен бөлігін көрсетеді. Диаграмманың оң жағында әрбір MAM-ның адам геноммен синтениялық қатынастары көрсетілген. Ешкідегі MAMX екіге бөлінгендей көрінеді, өйткені оның X хромосомасы екі жеке фрагмент ретінде құрастырылған. BOR, boreoeutherian ата-тек хромосомасы; EUA, Euarchontoglires ата-тек хромосомасы; EUC, Euarchonta ата-тек хромосомасы; EUT, eutherian ата-тек хромосомасы; PMT; Primatomorpha ата-тек хромосомасы; PRT, приматтар (Hominidae) ата-тек хромосомасы; THE, therian ата-тек хромосомасы.|thumb|upright=1.5|Адам тегіне негізделген қайта құрастырылған сүтқоректілер хромосомаларының эволюциялық тарихынан алынған сурет. Тізбек сақталуын визуализациялау – салыстырмалы тізбек талдауының қиын міндеті. Біз білетіндей, геномдық аймақтардың ұзын тізбегін қолмен тексеру өте тиімсіз. Интернетке негізделген геномдық шолғыштар геномдық аймақтардағы барлық тізбекке негізделген биологиялық ақпаратты біріктіру арқасында геномдық тізбектерді зерттеу үшін көптеген пайдалы құралдарды ұсынады. Үлкен көлемде биологиялық деректерді өңдегенде, оларды пайдалану оңай және уақытты үнемдейді. Ensembl: Ensembl жобасы омыртқалылар және басқа да эукариоттық түрлер үшін геномдық деректер базасын жасайды және осы ақпаратты онлайн тегін қолжеткізеді. MapView: Map Viewer геномдық карталар мен тізбектердің кең ауқымын ұсынады. VISTA – геномдық тізбектерді салыстырмалы талдау үшін бағдарламалар мен деректер базасының толық жиынтығы. Ол ДНК сәйкестігіне негізделген салыстырмалы талдау нәтижелерін визуализациялау үшін жасалған. VISTA-дағы салыстырмалы деректерді ұсыну шағын және ірі масштабтағы деректерге де оңай бейімделеді. BlueJay Genome Browser: Анотацияланған геномдар мен басқа геномдық элементтерді көп масштабта қарауға арналған дербес визуализациялық құрал. SyRI: SyRI – Synteny and Rearrangement Identifier, салыстырмалы геномиканың әмбебап құралы, синтениялық талдау мен визуализациялауға мүмкіндік беретін функционалдық мүмкіндіктерді ұсынады, сондай-ақ бүкіл геномдық жинақтарды (WGA) пайдалана отырып, туысқан геномдар арасындағы геномдық айырмашылықтарды болжауға көмектеседі. Synmap2: Synmap2 синтениялық картаға арнайы жасалған, генетикалық карталарды немесе жинақтарды тиімді салыстырады, туысқан организмдер арасындағы геном эволюциясы және қайта құрылу туралы түсінік береді. GSAlign: GSAlign геномдық тізбектерді дәл салыстыруды жеңілдетеді, әсіресе ірі масштабтағы салыстырмалы геномика зерттеулері үшін пайдалы, зерттеушілерге геномдар арасындағы ұқсастықтар мен айырмашылықтарды анықтауға мүмкіндік береді. IGV (Integrative Genomics Viewer): Геномдық деректерді визуализациялау және талдау үшін кеңінен қолданылатын құрал, IGV бірнеше геномдардағы сәйкестіктерді, нұсқаларды және аннотацияларды зерттеуге мүмкіндік беру арқылы салыстырмалы геномиканы қолдайды. Manta: Manta – жылдам құрылымдық вариантты анықтаушы, салыстырмалы геномика үшін маңызды, өйткені ол геномдық қайта құрылымдалуларды, мысалы, енгізулерді, жоюларды, инверсияларды және дубликацияларды анықтайды, бұл популяциялар немесе түрлер арасындағы генетикалық вариацияны түсінуге көмектеседі. CNVNatar: CNVNatar көшірме санының өзгеруін (CNV) анықтауға мамандандырылған, геном эволюциясын және популяция генетикасын түсіну үшін маңызды, әртүрлі организмдерде геномдық құрылымдық өзгерістер туралы түсінік береді. PIPMaker: PIPMaker екі геномдық тізбекті салыстыруға және оларды салыстыруға мүмкіндік береді, сақталған аймақтарды, дубликацияларды және эволюциялық нүктелерді анықтауға көмектеседі, салыстырмалы геномика талдауына көмектеседі. GLASS (Genome wide Location and Sequence Searcher): GLASS геномдардағы сақталған реттеуші элементтерді анықтауға арналған құрал, гендік реттеу және эволюцияны түсінуге бағытталған салыстырмалы геномика зерттеулері үшін маңызды. PatternHunter: PatternHunter – тізбек талдауының әмбебап құралы, геномдық тізбектердегі сақталған үлгілерді, мотивтерді және қайталауларды анықтауға мүмкіндік беретін функционалдық мүмкіндіктерді ұсынады, гендік отбасылар мен реттеуші элементтерді салыстырмалы геномикалық зерттеулеріне көмектеседі. Mummer: Mummer – бүкіл геномдық сәйкестік пен салыстыруға арналған құралдар жиынтығы, геномдар арасындағы ұқсастықтарды, айырмашылықтарды және эволюциялық оқиғаларды анықтау үшін салыстырмалы геномикада кеңінен қолданылады. Онлайн құралдарды пайдаланудың артықшылығы – осы веб-сайттар үнемі дамытылып, жаңартылып отырады. Тиімділікті арттыру үшін онлайн көптеген жаңа параметрлер мен мазмұн қолданылуы мүмкін. Бұл әдіс күшті ғана емес, сонымен қатар жылдам. Агрономдық өнімділікпен байланысты локустарды анықтаудың бұрынғы әдістеріне ата-ана штамдарының мұқият бақыланатын өсіруінің бірнеше буындары қажет болды, бұл салыстырмалы геномдық зерттеулер үшін қажет емес, уақытты көп алатын күш-жігер.

An additional method in comparative genomics is genetic mapping. In genetic mapping, visualizing synteny is one way to see the preserved order of genes on chromosomes. It is usually used for chromosomes of related species, both of which result from a common ancestor. This and other methods can shed light on evolutionary history. A recent study used comparative genomics to reconstruct 16 ancestral karyotypes across the mammalian phylogeny. The computational reconstruction showed how chromosomes rearranged themselves during mammal evolution. It gave insight into conservation of select regions often associated with the control of developmental processes. In addition, it helped to provide an understanding of chromosome evolution and genetic diseases associated with DNA rearrangements. [[File:Reconstruction of mammillian chromosomes. png|alt=Solid green squares indicate mammalian chromosomes maintained as a single synteny block (either as a single chromosome or fused with another MAM), with shades of the color indicating the fraction of the chromosome affected by intra chromosomal rearrangements (the lightest shade is most affected). Split blocks demarcate mammalian chromosomes affected by inter chromosomal rearrangements. Upper (green)triangles show the fraction of the chromosome affected by intra chromosomal rearrangements, and lower (red) triangles show the fraction affected by inter chromosomal rearrangements. Syntenic relationships of each MAM to the human genome are given at the right of the diagram. MAMX appears split in goat because its X chromosome is assembled as two separate fragments. BOR, boreoeutherian ancestor chromosome; EUA, Euarchontoglires ancestor chromo some; EUC, Euarchonta ancestor chromosome; EUT, eutherian ancestor chromosome; PMT; Primatomorpha ancestor chromosome; PRT, primates (Hominidae) ancestor chromosome; THE, therian ancestor chromosome.|thumb|upright=1.5|Image from the study Evolution of the ancestral mammalian karyotype and syntenic regions. It is a Visualization of the evolutionary history of reconstructed mammalian chromosomes based on the human lineage. Visualization of sequence conservation is a tough task of comparative sequence analysis. As we know, it is highly inefficient to examine the alignment of long genomic regions manually. Internet based genome browsers provide many useful tools for investigating genomic sequences due to integrating all sequence based biological information on genomic regions. When we extract large amount of relevant biological data, they can be very easy to use and less time consuming. Ensembl: The Ensembl project produces genome databases for vertebrates and other eukaryotic species, and makes this information freely available online. MapView: The Map Viewer provides a wide variety of genome mapping and sequencing data. VISTA is a comprehensive suite of programs and databases for comparative analysis of genomic sequences. It was built to visualize the results of comparative analysis based on DNA alignments. The presentation of comparative data generated by VISTA can easily suit both small and large scale of data. BlueJay Genome Browser: A stand alone visualization tool for the multi scale viewing of annotated genomes and other genomic elements. SyRI: SyRI stands for Synteny and Rearrangement Identifier and is a versatile tool for comparative genomics, offering functionalities for synteny analysis and visualization, aiding in the prediction of genomic differences between related genomes using whole genome assemblies (WGA). Synmap2: Specifically designed for synteny mapping, Synmap2 efficiently compares genetic maps or assemblies, providing insights into genome evolution and rearrangements among related organisms. GSAlign: GSAlign facilitates accurate alignment of genomic sequences, particularly useful for large scale comparative genomics studies, enabling researchers to identify similarities and differences across genomes. IGV (Integrative Genomics Viewer): A widely used tool for visualizing and analyzing genomic data, IGV supports comparative genomics by enabling users to explore alignments, variants, and annotations across multiple genomes. Manta: Manta is a rapid structural variant caller, crucial for comparative genomics as it detects genomic rearrangements such as insertions, deletions, inversions, and duplications, aiding in understanding genetic variation among populations or species. CNVNatar: CNVNatar specializes in detecting copy number variations (CNVs), which are crucial in understanding genome evolution and population genetics, providing insights into genomic structural changes across different organisms. PIPMaker: PIPMaker facilitates the alignment and comparison of two genomic sequences, enabling the identification of conserved regions, duplications, and evolutionary breakpoints, aiding in comparative genomics analyses. GLASS (Genome wide Location and Sequence Searcher): GLASS is a tool for identifying conserved regulatory elements across genomes, crucial for comparative genomics studies focusing on understanding gene regulation and evolution. PatternHunter: PatternHunter is a versatile tool for sequence analysis, offering functionalities for identifying conserved patterns, motifs, and repeats across genomic sequences, aiding in comparative genomics studies of gene families and regulatory elements. Mummer: Mummer is a suite of tools for whole genome alignment and comparison, widely used in comparative genomics for identifying similarities, differences, and evolutionary events among genomes at various scales. An advantage of using online tools is that these websites are being developed and updated constantly. There are many new settings and content can be used online to improve efficiency. Not only is this methodology powerful, it is also quick. Previous methods of identifying loci associated with agronomic performance required several generations of carefully monitored breeding of parent strains, a time consuming effort that is unnecessary for comparative genomic studies.

Зерттеу

Салыстырмалы геномика басқа да зерттеу салаларында жаңа мүмкіндіктерді ашады. ДНҚ тізбектеу технологиясы қолжетімдірек болған сайын, тізбектелген геномдардың саны артты. Қолжетімді геномдық деректердің артуымен салыстырмалы геномдық қорытындылардың қуаты да өсті. Осы қуаттың артуының айқын мысалы соңғы приматтар зерттеулерінде көрінді. Салыстырмалы геномдық әдістер зерттеушілерге генетикалық өзгергіштік, гендердің әртүрлі экспрессиясы және приматтардың эволюциялық динамикасы туралы бұрынғы деректер мен әдістермен анықтау мүмкін болмаған ақпаратты жинауға мүмкіндік берді.

Үлкен маймылдың геномдық жобасы

Ұлы маймыл геномдық жобасы салыстырмалы геномдық әдістерді қолданып, алты ірі маймыл түріне қатысты генетикалық өзгерісті зерттеді. Халық санының азаюына қарамастан, олардың гендік қорындағы әртүрліліктің қалыпты деңгейі анықталды. Тағы бір зерттеуде ген экспрессиясын реттеудегі белгілі механизм – ДНҚ метилирлеу үлгілерінің адамдар мен шимпанзелердің префронтальды қабығында өзгеше екені көрсетілді және бұл айырмашылық екі түрдің эволюциялық дамуына ықпал еткені анықталды.