Введение

Набор всех молекул РНК в одной клетке или популяции клеток. Транскриптом – это совокупность всех РНК-транскриптов, включая кодирующие и некодирующие, в отдельной клетке или популяции клеток. Этот термин иногда используется для обозначения всех РНК или только мРНК, в зависимости от конкретного эксперимента. Термин "транскриптом" является словом-слиянием слов "транскрипт" и "геном" и связан с процессом образования транскриптов в ходе биологического процесса транскрипции. Первые этапы аннотации транскриптомов начались с библиотек кДНК, опубликованных в 1980-х годах. Впоследствии развитие высокопроизводительных технологий позволило получать данные о транскриптоме быстрее и эффективнее. Для изучения транскриптома используются два основных биологических метода: ДНК-микрочипы, основанные на гибридизации, и РНК-секвенирование, основанное на определении последовательности. Существует множество общедоступных баз данных транскриптомов.

Этимология и история

Слово "транскриптом" является словом-слиянием слов "транскрипт" и "геном". Оно появилось вместе с другими неологизмами, образованными с использованием суффиксов "ome" и "omics" для обозначения всех исследований, проводимых в геномном масштабе в области биологических наук и технологий. Таким образом, "транскриптом" и "транскриптомика" были одними из первых терминов, возникших параллельно с "геномом" и "протеомом". Первое исследование, представившее коллекцию cDNA-библиотеки для мРНК тутового шелкопряда, было опубликовано в 1979 году. Первое основополагающее исследование, в котором был упомянут и исследован транскриптом организма, вышло в 1997 году и описывало 60 633 транскриптов, экспрессируемых в *S. cerevisiae*, с использованием серийного анализа экспрессии генов (SAGE). С развитием высокопроизводительных технологий и биоинформатики, а также последующим увеличением вычислительной мощности, стало все более эффективно и просто характеризовать и анализировать огромные объемы данных. За этим последовали такие методы, как серийный анализ экспрессии генов (SAGE), анализ границ кепов экспрессии генов (CAGE) и массивно-параллельное секвенирование сигнатур (MPSS).

Способы изготовления

Транскриптомика – это количественная наука, охватывающая сопоставление списка строк ("ридов") объекту ("транскриптов" в геноме). Для расчета силы экспрессии подсчитывается плотность ридов, соответствующих каждому объекту. Существует два основных метода выведения последовательностей транскриптома. Один из подходов сопоставляет риды последовательностей с референсным геномом, либо самого организма (транскриптом которого изучается), либо близкородственного вида. Другой подход, de novo сборка транскриптома, использует программное обеспечение для выведения транскриптов непосредственно из коротких ридов последовательностей и применяется для организмов с несеквенированными геномами. При проведении анализа с помощью микромассивов мРНК выделяют из контрольного и экспериментального образцов, последний из которых обычно представляет собой образец, взятый при заболевании. РНК, представляющая интерес, конвертируется в кДНК для повышения ее стабильности и маркируется флюорофорами двух цветов, обычно зеленым и красным, для каждой из групп. кДНК распределяется по поверхности микромассива, где гибридизируется с олигонуклеотидами на чипе, и для сканирования используется лазер. Интенсивность флуоресценции в каждой точке микромассива соответствует уровню экспрессии гена, и на основе цвета выбранных флюорофоров можно определить, в каком из образцов наблюдается более высокий уровень интересующей мРНК. Процесс очистки РНК различается для коротких и длинных РНК. Целостность РНК также может быть количественно оценена путем сравнения соотношения и интенсивности 28S РНК к 18S РНК, отраженных в показателе целостности РНК (RIN). Обратная транскрипция используется для преобразования шаблонов РНК в кДНК, и для этого можно использовать три метода прайминга, включая олиго(dT), использование случайных праймеров или лигирование специальных адаптерных олигонуклеотидов.

Одноклеточная транскриптомика

Транскрипцию также можно изучать на уровне отдельных клеток с помощью одноклеточной транскриптомики. Одноклеточный РНК-секвенсинг (scRNA seq) — это недавно разработанная методика, позволяющая анализировать транскриптомы отдельных клеток, включая бактерии. При одноклеточной транскриптомике также учитываются субпопуляции клеточных типов, составляющих интересующую ткань. Этот подход позволяет определить, связаны ли изменения в экспериментальных образцах с фенотипическими клеточными изменениями, а не с пролиферацией, при которой определенный тип клеток может быть сверхэкспрессирован в образце. Кроме того, при оценке клеточной прогрессии в процессе дифференцировки, усредненные профили экспрессии способны лишь упорядочивать клетки по времени, а не по стадии развития, и, следовательно, не могут выявить тенденции в уровнях экспрессии генов, характерных для определенных стадий. Методы одноклеточной транскриптомики использовались для характеристики редких клеточных популяций, таких как циркулирующие опухолевые клетки, раковые стволовые клетки в солидных опухолях и эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) в бластоцистах млекопитающих. Хотя стандартизированных методик для одноклеточной транскриптомики не существует, необходимо выполнение нескольких этапов. Первый этап включает изоляцию клеток, которую можно проводить с использованием методов с низкой и высокой пропускной способностью. За этим следует этап qPCR, а затем одноклеточный RNA-seq, где интересующая РНК преобразуется в кДНК. Новейшие разработки в области одноклеточной транскриптомики позволяют сохранять структуру тканей и субклеточную локализацию посредством криосекционирования тонких срезов тканей и секвенирования транскриптома в каждом срезе. Другая методика позволяет визуализировать отдельные транскрипты под микроскопом, сохраняя при этом пространственную информацию каждой отдельной клетки, в которой они экспрессируются. Анализ транскриптомов человеческих яйцеклеток и эмбрионов используется для понимания молекулярных механизмов и сигнальных путей, контролирующих раннее эмбриональное развитие, и теоретически может стать мощным инструментом для правильного отбора эмбрионов при экстракорпоральном оплодотворении (ЭКО). Анализ содержания транскриптома плаценты в первом триместре беременности при ЭКО и переносе эмбрионов (ЭКО и ПЭ) выявил различия в экспрессии генов, связанные с более высокой частотой неблагоприятных перинатальных исходов. Эти данные могут быть использованы для оптимизации практики. Транскриптомный анализ также может быть использован для оптимизации криоконсервации ооцитов, снижая повреждения, связанные с этим процессом. Транскриптомика — это развивающаяся и постоянно расширяющаяся область в области поиска биомаркеров для оценки безопасности лекарственных препаратов или оценки химических рисков. Транскриптомы также могут использоваться для установления филогенетических связей между индивидуумами или для выявления эволюционных закономерностей сохранения транскриптома. Транскриптомный анализ использовался для определения частоты антисенсовой транскрипции, их роли в экспрессии генов посредством взаимодействия с соседними генами и их распространенности в различных хромосомах. RNA-seq также показал, как РНК-изоформы, транскрипты, происходящие из одного и того же гена, но имеющие различную структуру, могут обуславливать сложные фенотипы при ограниченном геноме.

Растения

Транскриптомный анализ использовался для изучения эволюции и диверсификации видов растений. В 2014 году был завершен проект «1000 геномов растений», в рамках которого были секвенированы транскриптомы 1124 видов растений из семейств виридиплантае, глаукофитов и родофитов. После этого последовательности, кодирующие белки, сравнивались для выявления филогенетических связей между растениями и определения времени их диверсификации в ходе эволюции. Транскриптомные исследования также применялись для характеристики и количественной оценки экспрессии генов в зрелой пыльце. Было установлено, что гены, вовлеченные в метаболизм клеточной стенки и функционирование цитоскелета, демонстрируют повышенную экспрессию. Транскриптомные подходы позволили отследить изменения в экспрессии генов на различных стадиях развития пыльцы, от микроспоры до зрелых пыльцевых зерен, а также сравнить эти стадии у разных видов растений, включая Arabidopsis, рис и табак.

Отношение к другим областям

Аналогично другим технологиям, основанным на омике, анализ транскриптома позволяет использовать непредвзятый подход при экспериментальной проверке гипотез. Этот подход также позволяет обнаружить новые медиаторы в сигнальных путях. Как и другие омикс-технологии, транскриптом может быть проанализирован в рамках мультиомического подхода. Он дополняет метаболомику, но, в отличие от протеомики, установить прямую связь между транскриптом и метаболитом невозможно. Существует несколько областей омики, которые можно рассматривать как подкатегории транскриптома. Экзома отличается от транскриптома тем, что включает только те молекулы РНК, которые обнаружены в определенной популяции клеток, и обычно включает количество или концентрацию каждой молекулы РНК, помимо их молекулярной идентификации. Кроме того, транскриптом отличается от транслатома, который представляет собой набор РНК, находящихся в процессе трансляции. Термин «мейома» используется в функциональной геномике для описания мейотической транскриптомы, или набора РНК-транскриптов, производимых в процессе мейоза. Мейоз – ключевая особенность полового размножения эукариот, включающая сопряжение гомологичных хромосом, синапс и рекомбинацию. Поскольку мейоз в большинстве организмов происходит в короткий период времени, профилирование мейотических транскриптов затруднено из-за сложностей изоляции (или обогащения) мейотических клеток (мейоцитов). Как и при анализе транскриптома, мейому можно изучать на уровне всего генома, используя крупномасштабные транскриптомические методы. Мейома хорошо изучена у млекопитающих и дрожжей, и несколько менее подробно – у растений. Танатотранскриптом состоит из всех РНК-транскриптов, которые продолжают экспрессироваться или начинают экспрессироваться вновь во внутренних органах мертвого тела через 24–48 часов после смерти. Некоторые гены включают те, которые ингибируются после развития плода. Если танатотранскриптом связан с процессом запрограммированной клеточной гибели (апоптозом), его можно назвать апоптотическим танатотранскриптомом. Анализ танатотранскриптома используется в судебной медицине. Картирование eQTL может использоваться для дополнения геномики транскриптомикой, объединяя генетические варианты на уровне ДНК и показатели экспрессии генов на уровне РНК.

Отношение к протеоме

Транскриптом можно рассматривать как подмножество протеома, то есть совокупность всех белков, экспрессируемых геномом. Однако анализ относительных уровней экспрессии мРНК может быть затруднен тем, что даже небольшие изменения в экспрессии мРНК могут приводить к значительным изменениям в общем количестве соответствующего белка в клетке. Один из методов анализа, известный как анализ обогащения генных наборов, выявляет скоординированно регулируемые сети генов, а не отдельные гены, которые повышаются или понижаются в разных клеточных популяциях. Хотя исследования с помощью микромассивов могут показать относительное количество различных мРНК в клетке, уровни мРНК не пропорциональны уровню экспрессии кодируемых ими белков. Число молекул белка, синтезированных на основе данной молекулы мРНК, сильно зависит от особенностей инициации трансляции последовательности мРНК; в частности, способность последовательности к инициации трансляции является ключевым фактором в привлечении рибосом для синтеза белка.