متابولومیکس و ژنومیکس دام و طیور: چشم انداره های تعیین فنوتیپ در آینده و کاربرد آن در اصلاح دام
رستم عبداللهی |
۰۵ تیر ۱۳۹۶

آقای محمد قادرزاده لطف کردند و ترجمه مقاله ای در اتباط با متابولومیکس را برای درج در وبلاگ فراهم کردند. امروز ه به لطف توسعه در فناوری های توالی یابی و تکنیک های شناخت آنزیم ها و متابولیت ها، مطالعه تغییرات ژنتیکی و بیوشیمایی از سمت ژنوم به سمت فنوتیپ نسبتا آسان شده است. مثلا از سمت ژنوم یا DNA اگر به سمت فنوتیپ حرکت کنیم به ترتیب با مجموعه mRNAهایی که در فرآیند بیان ژن تولید می شود (ترانسکریپتومیکس)، از mRNA به سمت مجموعه پروتیین های که تولید می شوند (پروتئومیکس)، از Proteomics به سمت مجموعه متابولیت های هایی که در بدن تولید می شود (متابولومیکس) و نهایتا مجموعه این متابولیت ها منجر به تولید فنوتیپ صفات مختلف می شود و علم مطالعه آنها را فنومیکس (Phenomics) می گویند و بررسی همزمان این فرآیند حرکت از ژنوم به فنوتیپ سیستم بیولوژی (System Biology) یا ژنتیک سیستمی (System Genetics) می­گویند. مقاله زیر استفاده از مجموعه متابولیت های تولید شده جهت پیش بینی عملکرد یا فنوتیپ افراد را بررسی کرده است و این نوید را می دهد که در آینده اطلاعات متابولومیکس هم جهت پیش بینی های مرتبط با بیماری های و یا صفات تولیدی استفاده خواهند شد.  با این وجود سوالی که همیشه در این راه ذهن بنده را مشغول کرده با فرض عدم جهش، ژنوم هر فرد از بدو تولد تا زمان بلوغ و مرگ ثابت است اما بیان  ژن ها، تولید پروتیین ها، تولید متابولیت بسته به زمان، مکان و شرایط محیطی تغییر می کنند و لذا پیش بینی که با کمک بیان ژن ها برای فنوتیپ یک فرد انجام می شود برای بافت خاص، سن خاص،  زمان خاص و شرایط خاص انجام می گیرد و ممکن است برای بافت دیگر، زمان دیگر،  سن دیگر و شرایط دیگر معتبر نباشد از طرفی با حرکت از سمت ژنوم به سمت فنوتیپ واسطه ها (دلالان) به شدت افزایش می یابند و پیدا کردن روابط علت و معلولی بسیار پیچیده می شود. با این وجود هنگامی که میخواهیم از سمت ژنوم به سمت بیان ژن، تولید پروتیین، تولید متابولیت و نهایتا فنوتیپ را مطالعه کنیم باید به بیشتر از دو بعد نگاه کنیم و روش های آماری مبتنی بر مدل های خطی جوابگوی اینچنین ارتباطات و بررسی اینچنین شبکه هایی نخواهند بود و قطعا به سمت روش های Machine Learning و آنالیز شبکه (Pathway Analysis) باید روی آورد.

فایل pdf مقاله را از طریق لینک زیر دانلود کنید.

متابولومیکس و ژنومیکس دام  و طیور

چکیده:

متابولومیکس یک زمینه نو ظهور آنالیز متابولویت هاست که به شناسایی، تعیین کمیت در شمار زیاد نمونه های بیولوژیکی (مانند شیر، پلاسما و سرم) می پردازد و بینش جالبی در مورد شکاف بین ژنوتیپ و فنوتیپ فراهم می کند که ممکن است شامل صفات تولیدی مانند نرخ رشد، تولید شیر، تجمع چربی در بدن و دیگر صفات اقتصادی بشوند.

  • متابولومیکس در اصلاح دام ممکن است نخستین سنگ بنای تعیین فنوتیپ در آینده باشد. که نیاز به بهبود و توصیف صفت دارد و پیش­بینی ارزشهای اصلاحی را بهبود می بخشد و با کاستی های شیوه های سنتی  مقابله می کند و شیوه­ای جدیدی در برنامه­های اصلاح نژادی ­باشد.
  • تلفیق متابولومیکس با اطلاعات ژنومیکس در چند  پژوهش جدید، نوید آینده ای درخشان را می­دهد.
  • تاکنون مطالعات پویش ژنومی با ارتباط بین متابوتیپ­ها  و ژنوم تحت عنوان (mGWAS)، در گاو و خوک توانسته اند جایگاه های ژنی معنی داری را شناسایی کنند که تولید متابوتیت را کنترل می کنند.
  • روش هایی تشکیل شبکه براساس مفاهیم سیستم ­های ژنتیکی برای باز کردن پیچیدگی­های اطلاعات متابولومیکس، و ارتباطات داده های متابولومیکس با دیگر داده­های اومیکس بکار برده شده است.
  • با استفاده از متابولیت­ها، صفات جدید و  قدیمی مرتبط با معماری ژنتیکی بهتر تعریف می شوند و متابولیت­ها فرصت­هایی را برای کاربردهای نو در اصلاح دام فراهم خواهند آورد.

مقدمه:

پژوهش آرچیبلد گارود حدود ۱۰۰ سال قبل با عنوان ” خطای مادرزادی متابولیسم” منتشر شد و روشی را ابداع نمود که ارتباط بین بیوشیمی و ژنتیک را نشان می­داد که متعاقباً نظریه­ی “یک ژن- یک آنزیم” بوسیله  بیدل و تاتوم (۱۹۴۱) بوجود آمد. در این مطالعات پیشگام، برخی متابولیت­ها (پیش ماده­های بیوشیمایی یا فرآورده­های واکنش­های آنزیمی به عنوان نشانگرها­ “نمونه­های حاصل از تغییرات رفتار شیمیایی” معرفی شدند (گارود ۱۹۰۲).

چندین مورد متنوع از محصولات یا پیش ماده­های بیوشیمیایی مؤثر در دام و طیور نیز توصیف شده است. به عنوان بوی ماهی در شیر گاو و تخم مرغهایی که دارای بوی ماهی و لکه هستند که به علت سطوح مختلف (تری متیل آمین) است که باعث جهش­های مختلفی در همان ژن (flavin-containing mono-oxygenase 3; FMO3) می شود که در انسان مسئول تری متیل آمینوریا یا سندرم بوی ماهی میشود. .(OMIM #602079; Dolphinet al., 1997; Lundén et al., 2002; Honkatukia et al., 2005

به هر حال نمونه­های متعدد در همه موجودات وجود دارد. ما حالا میدانیم که متابولیت­ها دامنه گسترده و متنوعی را در میان افراد نشان می­دهند (که از پس زمینه­ی ژنتیکی افراد ناشی می­شود) و شرایط محیطی (که تحت عنوان اثرات متقابل ژنتیک و محیط توصیف شده اند) که به عنوان نشانه­های بالینی برای نشان دادن و کشف وضعیت سلامتی و بیماری بکار می روند.

حتی اگر تفاوت­های متابولیکی زیادی در شناسایی مکانیسم­های موثر بر فنوتیپ­های مهم توسعه یافته باشند ما هنوز هم خصوصیات کامل همه متابولیت­های تولیده شده در سیستم­های بیولوژیکی را در ارگانیسم­های پیچیده مانند انسان و گیاه بدست می آوریم (Patti et al., 2012).. متابولوم اولین بار توسط اولیور (۱۹۹۸) معرفی شد که حجمی از مولکول­های ارگانیکی کوچک را نشان می دهد که در طی مسیر­های بیوشیمیایی مختلف در پروسه­های بیوشیمیایی مختلف ایجاد می­شوند.

متابولومیکس زمینه­ی آنالیز، کمیت سنجی و تعیین خصوصیات بیولوژی در پروسه­های آزمایشی را نشان می­دهد.

متابولومیک دارای چندین رویکرد ترکیبی است که آنالیز ریاضی و شیمیایی را از  داده کاوی، تفسیر داده­ها بدست می­آورد که شامل: بیواستاتیک، بیوشیمی و بیوانفورماتیک است.

متابولومیکس بازخوانی مولکولی مجدد، وضعیت شیمیایی، یک سیستم زیستی است که می تواند توسط گونه­های متابولیکی و سطوح آنها که از ترکیب بیان ژن و فاکتور­های محیطی مشتق شده­اند را به تصویر بکشد. این تصور یک بینش جالب را بوجود می آورد که فنوتیپ­های حد وسط نامیده می­شوند (Fiehn, 2002; Houle et al., 2010).

بین فضای ژنومیک (یا سطح) و فنوتیپ خارجی یا نهایی یک واسطه وجود دارد (شکل ۱).

  • در اصلاح دام، فنوتیپ­های خارجی می­­توانند بصورت صفات اقتصادی مانند (نرخ رشد، تولید شیر و ترکیب چربی) در نظر گرفته شوند. بنابراین در این زمینه، چالش بکارگیری متابولومیکس جهت تولید فنوتیپ­های متابولیک (یا متابوتیپ­ها) به عنوان فنوتیپ­های حد وسط، جهت تأمین اطلاعات ارزشمند جهت فهم پروسه­های زیستی مرتبط با صفات اقتصادی در تولیدات حیوانی می­شود. این صفات می­توانند  صفات تولیدی معمولی یا صفات جدیدی باشند که با روش­های معمولی نمی توانند مورد بررسی قرار گیرند.

  • متابوتیپ­ها می­توانند به عنوان برآوردگر بیشتر فنوتیپ­های پیچیده و فنوتیپ­هایی که می­توانند در اواخر عمر حیوان ظاهر شوند و اندازه­گیری آنها سخت است، در نظر گرفته شوند. متابولیت­ها می­توانند با دیگر اطلاعات اومیکس مانند (ترانسکریپتومیکس و پروتئومیکس) شرح و تجزیه  صفات پیچیده را  کامل کنند.

    در این مقاله چگونگی تولید اطلاعات متابولیک توصیف می شود و در این مقاله به چگونگی تلفیق اطلاعات ژنومیکی و متابولومیکی در اصلاح دام پرداخته می شود.

    در مقایسه با دیگر رویکرد­های اومیکس مانند ژنومیکس، ترانسکریپتومیکس،  متابولومیکس یک شکاف تکنولوژی دارد که مانع از دقیق و کامل بودن کل متابولوم می­شود. این مسئله عمدتاً به دلیل ناهمگنی ذاتی متابولیت­ها و بی ثباتی بیشتر گونه­های مولکولی است.

    در بیشتر نمونه­ها متابولیت­ها بوسیله تکنیک­هایی مانند HPLC  و MS اسپکترومتری حجمی و زونانس مغناطیسی هسته ای NMR اندازه­گیری می­شوند.

  • متابولیت ها بیشتر در آزمایشات متابولیک بدون هدف، آشکار شده­اند و ساختار و اساس آنها ناشناخته باقی مانده است.

    بسته به نوع طراحی آزمون سئوالی که می بایست جواب داده شود این است که داده­های متابولیک چگونه با استفاده از روشهای آماری مناسب  مورد بررسی قرار گیرند (reviewed in Ren et al., 2015). به عنوان مثال روشهای آماری چند متغیره می تواند به عنوان پایه­ای برای مدل­های پیش بینی ساختمان مورد بهره برداری قرار گیرند (Alonso et al., 2015).

    به منظور استخراج اطلاعات از داده­های متابولیکی مسیرها و آنالیز شبکه می بایست بکار گرفته شوند. تجزیه تحلیل مسیر­ها بر اساس گروه­های متابولیتی مرتبط با هم هستند که زیرمجموعه ای از واکنش­های آنزیمی هستند. مسیر­های زیستی در پایگاه­های مانند دانشنامه­ی ژن­ها و ژنوم کیوتو (KEGG; Kanehisa et al., 2014) و  در دیگر پایگاه­ها  سازمان دهی شده ­اند.

متابولومیک کاربردی در ژنتیک و ژنومیک دام و طیور

این اطلاعات واسطه ای بطور جایگزین ممکن است  کمک به فهم فرآیندهای زیستی با زمینه­­ی ژنتیکی متفاوت در میان حیوانات کنند و می­توانند بینش هایی برای کاربردهای جدید آن در اصلاح دام، مرتبط با فیزیولوژی و ژنتیک فراهم کنند.

استفاده از متابولومیکس نیازمند رویکرد­های روش شناسی جدید است که می بایست با روشهای معمول ژنتیکی در هم آمیزند. در این زمینه بطور مثال می توان گفت که (مقایسه بین نژاد­ها یا لاین­ها)  بطور غیر مستقیم فرض می­کند که فاکتور­های ژنتیکی ممکن است تفاوت­های متابولیتی ایجاد کنند. فاکتورهای ژنتیکی مشتق شده از حیوانات نر و ماده ممکن است منجر به تفاوت­های متابولومی در بین دو جنس شود.

برخی مطالعات نشان داده­اند که سطوح و میزان تغییر متابولیت­ها بوسیله ژنتیک کنترل می­شود (مانند وراثت پذیری) که این مسئله می تواند به عنوان نقطه­ی شروعی برای این امر باشد که ممکن است متابولیت­ها از نظر ژنتیکی دچار تبعیض شده باشند.

بررسی همزمان پویش ژنومی با متابولیت­ها mGWAS  شروع ارتباط مستقیم تنوع ژنومیکی با سطوح متابوتیپ­های در بافت­های مربوطه است.

سئوالات و فرض­های مطرح شده در رابطه با استفاده متابولیت­ها در دام و طیور در جدول زیر خلاصه شده است.

فرصت­هایی بوسیله­ی mGWAS جهت افشای ماهیت ناشناخته متابولیت­ها (در آنالیز­های بدون هدف متابولیکی) بوجود آمده است که به عنوان ژن­های مرتبط با خصوصیاتشان شناسایی شده است که منجر به آشکار شدن ویژگی بیوشیمیایی آنها می­شود (Rueedi et al., 2014).

در حیوانات مطالعاتی در مورد آزمون عملکرد خوک­ها با استفاده از متابولومیکس بر روی پلاسما انجام شده است (Fontanesi etal., 2014, 2015). و همچنین در گاو شیری نیز با استفاده از  متابولومیکس بدون هدف در شیر بررسی شده (Buitenhuis et al., 2013).

 

سامانه­ های زیستی و سیستم­های ژنتیکی: تلفیق متابولومیکس در اصلاح دام

پیچیدگی سیستم­های زیستی نیازمند روش­های غیر متعارف به منظور توصیف اثرات متقابل بین سطوح مختلف اطلاعات بیولوژیکی پویایی بین آنهاست.

اهداف سامانه­های زیستی بدست آوردن یک نظر کلی در مورد صفات پیچیده مانند (صفات تولیدی و…) نمایش پاسخ­ها، جمع اوری و انالزیز چند سطحی داده­ها، فرموله کردن فرض­ها با توصیف کل فرآیند­ها با مدل­های ریاضی است (Kitano, 2002)..

سیستم­های ژنتیکی بخشی از سامانه­های زیستی هستند که عوامل مختل کننده­ی تنوع ژنتیکی در درون جمعیت­ها هستند.

سیستم­های ژنتیکی جهت توصیف معماری کلی صفات تولیدی مفید هستند (Kadarmideen et al., 2006) .

واضح است که برخی اطلاعات از دست رفته ممکن است یک تقریب را ایجاد کنند که این ممکن است در اثر میانگیری فنوتیپی باشد (Fu et al., 2009)

که شواهدی وجود دارد که این اختلافات در بیان زن وجود دارند که این اختلافات به سطح دیگر  (مثلاً پروتئین­ها یا متابولیت­ها) منتقل نمی شوند. این می­تواند یک فایده باشد اگر متابولیت­ها فقط شامل سطوح نزدیک به فنوتیپ­های نهایی باشند (مثلاً در صفات تولیدی) که در اصلاح دام مهم هستند.

پروفایل­های متابولیتی شیر  فقط برای پیش انتخاب مجموعه SNPهای که در صفت تولید شیر بررسی شده اند، بکار گرفته شده­اند. (Melzer et al., 2013b).

بهرحال پتانسیل سود اطلاعات متابولیکی (هنوز یک چالش است) که می­توان داده­های متابولیکی را به روش­های ژنومیکی پیش بینی  SNPها اضافه نمود یا حتی می توان داده­های فنوتیپی را با برنامه­های انتخاب ژنومی تلفیق نمود.

این تلفیق زمانی مفید است که تعداد حیوانات دارای فنوتیپ جمعیت­های تأیید کوچک باشد، هنگامیکه وراثت پذیری صفت پایین باشد، هنگامی که یک صفت فنوتیپی مورد نظر دقیق مد نظر باشد و هنگامیکه یک صفت بطور دقیق و مستقیم در حیوانات قابل اندازه گیری نباشد مانند مقاومت در مقابل بیماری­ها، که نیازمند این است که حیوانات با پاتوژن­ها به چالش کشیده شوند.

اولین تلاش برای تلفیق اطلاعات متابولیکی و ارزش­های قابل پیش بینی بوسیله  Ehret et al. (2015)  گزارش شد که مدل­های قابل پیش بینی  را برای ریسک کتوزیس تحت بالینی در ۲۰۰ گاو را با  ادغام با اطلاعات SNP و با تمرکز بر متابولیت­های که قبلاً توصیف شده بودند، ارتباط با این نقص در گاوهای شیری برقرار شد. بر اساس این تحقیقات اولیه واضح است که اغام اطلاعات متابولیکی در مدل­های پیش بینی ژنومیکی و بطور یکسان در رویکردهای انتخاب ژنومی نیازمند پشیرفت­های روش شناسی است.

نتیجه گیری

متابولومیکس کاربردی در اصلاح دام ممکن است سنگ بنای روش­های ” نسل جدید تعیین فنوتیپ” باشد که نیاز به تصحیح، تشریح بهبود صفات، و به نوبه­ی خود، پیش بینی ارزش­های اصلاحی دارد تا در روش­های جدید و معمول در برنامه­های انتخاب حیوانات استفاده شود. صفات جدید  و سنتی که مرتبط با معماری ژنتیکی هستند با استفاده از اطلاعات متابولیکی فرصت­هایی را برای کاربرد­های جدید در اصلاح دام فراهم نموده اند. به عنوان مثال نوتروژنومیکس در حیوانات بر اساس تلفیق اطلاعات متابولیکی براساس متابولیت­های خاص (که همچنین مواد مغذی هستند)  و ژنومیکس است. نشانگرهای زیستی، حالت­های فیزیولوژیکی خاص یا استعدادهای حیواناتی هستند که به عنوان نژادهای قوی تر پرورش یافته اند. در حال حاضر متابولومیکس فقط به مقابله با پرسش­هایی در چند گونه (گاو، خوک وطیور) برخاسته است. کاربردهای آن در دیگر گونه­ها مورد انتظار است بطوریکه بتواند منافع خود را از طریق جواب دادن به سئوالات زیستی با افزدون ارزشها در اهداف اصلاح نژاد نشان دهد. مشکلات عملی جمع آوری نمونه­ها، نحوه طراحی آزمایش­ها باید مورد توجه قرار گیرد و همچنین حساسیت­های پروفایل پروفایل­های متابولیکی در شرایط محیطی در نظر گرفته شود. به عبارت دیگر در حال حاضر محدودیتهایی که در مورد انداره گیری های پروفایلهای متابولیتی وجود دارد ممکن عملا آنرا حذف کند و فقط تکنولوژی های ژنومیک فعلاً کارا باشند. به هر حال فواید این زیمنه مطالعاتی مورد انتظار است و استفاده از اطلاعات متابولیکی در اصلاح دام و ژنتیک و توسعه روش شناسی ها جدید برای آن منجر به بهتر شدن رویکرد­های جامع در عصر اومیکس می شود.

منبع:

Fontanesi, Luca. “Metabolomics and livestock genomics: Insights into a phenotyping frontier and its applications in animal breeding.” Animal Frontiers ۶٫۱ (۲۰۱۶): ۷۳-۷۹٫

 
avatar