Кіріспе

Бір жасушадағы немесе жасушалар популяциясындағы барлық РНК молекулаларының жиынтығы. Транскриптом – жеке жасушадағы немесе жасушалар популяциясындағы кодталатын және кодталмайтын барлық РНК транскрипттерінің жиынтығы. Бұл термин кейде белгілі бір тәжірибеге байланысты барлық РНК-ға немесе тек мРНК-ға қатысты қолданылуы мүмкін. Транскриптом термині «транскрипт» және «геном» сөздерінің қосылуынан пайда болған; ол транскрипция биологиялық процесінде транскрипттердің өндірілуімен байланысты. Транскриптомды түсіндірудің алғашқы кезеңдері 1980 жылдары жарияланған кДНК кітапханаларымен басталды. Кейіннен жоғары өнімді технологияның пайда болуы транскриптом туралы мәліметтерді жылдам және тиімді алуға мүмкіндік берді. Транскриптомды зерттеу үшін екі биологиялық әдіс қолданылады: ДНК микромассивтері (гибридтеуге негізделген әдіс) және РНК секвенциялау (реттікке негізделген тәсіл). Көптеген қоғамдық транскриптомдық деректер базасы бар.

Этимологиясы мен тарихы

Транскриптом сөзі – «транскрипт» және «геном» сөздерінің қосындысы. Ол өмір ғылымдары мен технология саласында геномдық деңгейде жүргізілетін барлық зерттеулерді білдіру үшін «-ом» және «-омика» жұрнақтарымен жасалған басқа да жаңа сөздермен бірге пайда болды. Осылайша, транскриптом және транскриптомика геном мен протеом сияқты алғашқы пайда болған сөздердің бірі болды. Жібек құртының мРНК-сы үшін кДНҚ кітапханасының жинағын көрсеткен алғашқы зерттеу 1979 жылы жарияланды. Кез келген организмнің транскриптомын атап көрсеткен және зерттеген алғашқы маңызды зерттеу 1997 жылы жарияланды, онда ген экспрессиясының сериялық талдау (SAGE) әдісі арқылы S. cerevisiae-де экспрессияланған 60 633 транскрипт сипатталды. Жоғары өнімді технологиялар мен биоинформатиканың дамуы және одан кейінгі есептеу қуатының артуы зор көлемдегі деректерді сипаттау мен талдауды тиімді әрі жеңілдетті. Бұдан кейін ген экспрессиясының сериялық талдауы (SAGE), ген экспрессиясының қақпалық талдауы (CAGE) және массивті параллельді қолтаңба тізбектеу (MPSS) сияқты әдістер пайда болды.

Құрылыс әдістері

Транскриптомика – тізбектер тізімін ("оқылымдар") объектіге ("геномдағы транскрипттерге") сәйкестендіруді қамтитын сандық ғылым. Экспрессия деңгейін есептеу үшін әрбір объектіге сәйкес келетін оқылымдардың тығыздығы саналады. Транскриптомдық тізбектерді анықтаудың екі негізгі әдісі бар. Бір әдіс тізбек оқылымдарын эталондық геномға – зерттеліп жатқан организмнің өзіне немесе оған жақын түрге бейімдейді. Екінші әдіс, de novo транскриптомдық құрастыру, қысқа тізбек оқылымдарынан транскрипттерді тікелей анықтау үшін бағдарламалық жасақтаманы пайдаланады және геномдары тізбектелмеген организмдерде қолданылады. Микромассивтік талдау жүргізілген кезде, бақылау және сынақ үлгісінен мРНК жиналады, соңғысы көбінесе ауруды көрсетеді. МРНК-ның тұрақтылығын арттыру үшін ол кДНК-ға түрлендіріледі және екі топ үшін, әдетте жасыл және қызыл түсті флуорофорлармен белгіленеді. кДНК микромассивтің бетіне жайылады, онда ол чиптегі олигонуклеотидтермен гибридтеледі және оны сканерлеу үшін лазер қолданылады. Микромассивтің әрбір нүктесіндегі флуоресценция интенсивтігі ген экспрессиясы деңгейіне сәйкес келеді және таңдалған флуорофорлардың түсіне қарай, қай үлгіде қызығушылық тудыратын мРНК-ның жоғары деңгейі бар екенін анықтауға болады. Қысқа және ұзақ РНК үшін РНК тазалау процесі әртүрлі. РНК тұтастығын РНК тұтастығы саны (RIN) көрсеткіші бойынша 28S РНК мен 18S РНК арақатынасы мен интенсивтілігін салыстыра отырып, сандық түрде бағалауға болады. РНК үлгілерін кДНК-ға түрлендіру үшін кері транскрипция қолданылады, оны жүзеге асыру үшін үш бастапқы әдіс қолданылуы мүмкін: олиго DT, кездейсоқ праймерлерді пайдалану немесе арнайы адаптерлік олиголарды қосу.

Бір жасушалы транскриптомика

Транскрипцияны жеке жасушалар деңгейінде бір жасушалық транскриптомика арқылы зерттеуге болады. Бір жасушалық РНК-ны секвенирлеу (scRNA seq) – бактерияларды қоса алғанда, бір жасушаның транскриптомын талдауға мүмкіндік беретін жақында дамыған әдіс. Бір жасушалық транскриптомикада қызығушылық тудыратын тінді құрайтын жасуша түрлерінің субпопуляциялары да ескеріледі. Бұл тәсіл эксперименттік үлгілердегі өзгерістердің фенотиптік жасушалық өзгерістерге байланысты екенін, әйтпесе нақты жасуша түрінің үлгіде артық экспрессиялануы мүмкін болатын көбеюге байланысты екенін анықтауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, жасушалық прогрессияны дифференциациялау арқылы бағалау кезінде орташа экспрессия профильдері жасушаларды даму сатысына емес, уақыт бойынша ғана реттей алады, сондықтан белгілі бір сатыларға тән гендік экспрессия деңгейлерінің өзгерісін көрсетуге қабілетсіз. Бір жасушалық транскриптомикалық әдістер сирек кездесетін жасуша популяцияларын сипаттау үшін қолданылды, мысалы, циркуляциялық ісікті жасушалар, қатты ісіктердегі қатерлі ісік түбір жасушалары және сүтқоректілердің бластоцистеріндегі эмбрионалдық түбір жасушалары. Бір жасушалық транскриптомика үшін стандартталған әдістер болмаса да, бірнеше қадамдар орындалуы керек. Бірінші қадам – жасушаларды оқшаулау, оны төмен және жоғары өнімділік техникаларын қолдану арқылы жүзеге асыруға болады. Одан кейін qPCR сатысы және содан кейін бір жасушалық RNAseq жүргізіледі, онда қызығушылық тудыратын РНК кДНҚ-ға айналады. Бір жасушалық транскриптомиканың жаңа жетістіктері тіндердің жіңішке кесінділерін криосекциялау және әрбір кесіндідегі транскриптоманы секвенирлеу арқылы тіндерді және жасушалық локализацияны сақтауға мүмкіндік береді. Тағы бір әдіс микроскоп арқылы жеке транскрипттерді көруге және олардың экспрессияланатын әрбір жеке жасушаның кеңістіктік ақпаратын сақтауға мүмкіндік береді. Адам жасушалары мен эмбриондарының транскриптомдарын талдау, эмбриондардың ерте дамуын бақылайтын молекулалық механизмдер мен сигнал беру жолдарын түсіну үшін қолданылады және теориялық тұрғыдан алғанда, ин витро ұрықтандыруда дұрыс эмбрионды таңдаудың қуатты құралы болуы мүмкін. Жүктіліктің бірінші триместрінде ин витро ұрықтандыру және эмбриондарды ауыстыру (IVT ET) кезінде плацентаның транскриптомдық құрамын талдау генетикалық экспрессиядағы айырмашылықтарды көрсетті, олар нашар перинаталды нәтижелердің жоғары жиілігімен байланысты. Мұндай түсінік тәжірибеде оңтайландыру үшін пайдаланылуы мүмкін. Транскриптомдық талдаулар сонымен қатар жұмыртқалардың криоконсервациясын оңтайландыру үшін, процесспен байланысты зақымдарды азайту арқылы қолданылуы мүмкін. Транскриптомика – дәрі-дәрмектердің қауіпсіздігін бағалау немесе химиялық тәуекелдерді бағалау үшін биомаркерлерді табудың жаңадан пайда болып, үнемі дамитын саласы. Транскриптомалар жеке адамдар арасындағы филогенетикалық қатынастарды анықтау үшін немесе транскриптомалардың сақталуының эволюциялық үлгілерін анықтау үшін де қолданылуы мүмкін. Транскриптомдық талдаулар антисенс транскрипциясының жиілігін, олардың қоршаған гендермен өзара әрекеттесу арқылы ген экспрессиясындағы рөлін және әр түрлі хромосомаларда олардың көптігін анықтау үшін пайдаланылды. РНК секвенирлеуі сонымен қатар РНК изоформаларының, бір геннен шыққан, бірақ әртүрлі құрылымдағы транскрипттердің шектеулі геномнан күрделі фенотиптерді тудыра алатынын көрсету үшін қолданылды.

Өсімдіктер

Транскриптомдық талдау өсімдік түрлерінің эволюциясы және әртараптану процесін зерттеу үшін пайдаланылды. 2014 жылы 1000 Өсімдік Геномдары жобасы аяқталды, онда viridiplantae, glaucophyta және rhodophyta тұқымдастарына жататын 1124 өсімдік түрінің транскриптомдары секвенцияланды. Белокты кодтау тізбектері кейіннен өсімдіктер арасындағы филогенетикалық байланыстарды анықтау және эволюция процесінде олардың әртараптану уақытын сипаттау үшін салыстырылды. Транскриптомдық зерттеулер піскен тозаңдағы гендік экспрессияны сипаттау және мөлшерлеу үшін қолданылды. Жасуша қабырғасының метаболизмі мен цитоскелетіне қатысты гендердің экспрессиясы артық екені анықталды. Транскриптомдық тәсілдер сонымен қатар микроспорадан піскен тозаң түйіршіктеріне дейінгі тозаңның әртүрлі даму кезеңдерінде гендік экспрессиядағы өзгерістерді қадағалауға мүмкіндік берді; сондай-ақ, Арабидопсис, күріш және темекі сияқты әртүрлі өсімдік түрлерінде осы кезеңдерді салыстыруға болады.

Басқа салалармен байланыс

Омеге негізделген басқа технологияларға ұқсас, транскриптомды талдау эксперименттік түрде гипотезаларды растау кезінде субъективті емес көзқарас жасауға мүмкіндік береді. Бұл тәсіл сонымен қатар сигнал беру жолдарының жаңа медиаторларын табуға да мүмкіндік береді. Омикаға негізделген басқа технологиялар сияқты, транскриптомды мультиомика тәсілінің аясында талдауға болады. Ол метаболомикаға толықтырылады, бірақ протеомикадан өзгеше, транскрипт пен метаболит арасында тікелей байланысты орнату мүмкін емес. Транскриптомның кіші санаттары ретінде қарастырылатын бірнеше "оме" салалары бар. Экзома транскриптомадан тек белгілі бір жасуша популяциясында табылған РНК молекулаларын қамтиды және әдетте молекулалық идентификациялардан өзге, әр РНК молекуласының мөлшерін немесе концентрациясын да қамтиды. Сонымен қатар, транскриптом транслатомадан да ерекшеленеді, ол – трансляцияға түсетін РНК жиынтығы. Мейома термині функционалдық геномикада мейотикалық транскриптомды немесе мейоз процесі кезінде түзілетін РНК транскрипттерінің жиынтығын сипаттау үшін қолданылады. Мейоз – жыныстық көбейтуге қабілетті эукариоттардың маңызды ерекшелігі, ол гомологты хромосомалардың жұптасуын, синапсты және рекомбинацияны қамтиды. Көптеген организмдерде мейоз қысқа мерзім ішінде жүзеге асырылатындықтан, мейоздық транскрипттерді анықтау мейоздық жасушаларды (мейоциттерді) оқшаулау (немесе тоғыту) қиындықтарына байланысты қиынға соғады. Транскриптомдық талдаулар сияқты, мейоманы да ірі масштабты транскриптомдық техникаларды қолдана отырып, геномдық деңгейде зерттеуге болады. Мейома сүтқоректілер мен ашытқыларда жақсы сипатталған, ал өсімдіктерде одан аз сипатталған. Танатотранскриптом – дене қайтыс болғаннан кейін 24-48 сағат ішінде ішкі органдарда экспрессиялана беретін немесе қайтадан экспрессиялана бастайтын барлық РНК транскрипттерінен тұрады. Кейбір гендерге ұрықтың дамуынан кейін тежеуге түсетін гендер жатады. Егер танатотранскриптом бағдарламаланған жасуша өлімі (апоптоз) процесімен байланысты болса, оны апоптоздық танатотранскриптом деп атауға болады. Танатотранскриптомды талдау сот медицинасында қолданылады. eQTL картасын геномиканы транскриптомикамен толықтыру үшін пайдалануға болады; ДНК деңгейіндегі генетикалық варианттар және РНК деңгейіндегі гендік экспрессия өлшемдері.

Протеомамен байланысы

Транскриптомды протеомның ішкі жиынтығы ретінде қарастыруға болады, яғни геноммен экспрессияланатын барлық ақуыздар жиынтығы. Дегенмен, салыстырмалы мРНК экспрессия деңгейлерін талдау, мРНК экспрессиясындағы шағын өзгерістердің клеткадағы сәйкес ақуыздың жалпы мөлшерінде үлкен өзгерістерге әкелуі мүмкін болғандықтан қиынға түсуі мүмкін. Гендік жиынтықты байыту талдауы деп аталатын талдау әдісі, әртүрлі жасуша популяцияларында жоғары немесе төмен реттелетін жеке гендердің орнына, бірлесіп реттелетін гендік желілерді анықтайды. Микромассивтер жасушадағы әртүрлі мРНК мөлшерін анықтауға мүмкіндік берсе де, мРНК деңгейі олар кодтайтын ақуыздардың экспрессия деңгейімен тікелей пропорционал емес. Белгілі бір мРНК молекуласын матрица ретінде пайдаланып синтезделген ақуыз молекулаларының саны, мРНК тізбегінің трансляцияны бастау ерекшеліктеріне өте байланысты; әсіресе, трансляцияны бастау тізбегінің қабілеті ақуыз трансляциясы үшін рибосомаларды тартуда маңызды рөл атқарады.