miniatura|380px|Os aliñamentos de secuencias de xenoma completo son un método típico da xenómica comparada. Este aliñamento de oito xenomas da bacteria Yersinia revela 78 bloques conservados colineares localmente entre os oito taxons. Cada cromosoma foi disposto horizontalmente e os bloques homólogos en cada xenoma móstranse como rexión coas mesmas cores ligadas a través dos xenomas. As rexións que están invertidas en relación a Y. pestis KIM están desprazados baixo un eixe central do xenoma.
A xenética comparada é un campo da investigación biolóxica na cal se comparan as características xenómicas de diferentes organismos. As características xeómicas poden incluír a secuencia de ADN, xenes, orde dos xenes, secuencias reguladoras e outros puntos de referencia estruturais xenómicos. Nesta rama da xenómica, compáranse grandes partes do xenoma ou o xenoma completo resultantes dos proxectos xenoma para estudar semellanzas e diferenzas biolóxicas básicas así como as relacións evolutivas entre organismos. O principio básico da xenómica comparada é que as características comúns de dous organismos serán a miúdo codificadas por ADN que está conservada evolutivamente entre eles. Por tanto, as estratexias da xenómica comparada empezan facendo algunha forma de aliñamento de secuencias xenómicas e buscando secuencias ortólogas (secuencias que comparten unha ascendencia común) nos xenomas aliñados e comprobando en que medida estas secuencias están conservadas. Baseándose nisto, infírense a evolución do xenoma e a molecular e isto, á súa vez, pode poñerse en contexto, por exemplo, na evolución fenotípica ou na xenética de poboacións.
Empezou virtualmente axiña que se puido dispoñer, en 1995, dos xenomas completos de dous organismos (que foron os xenomas das bacterias Haemophilus influenzae e Mycoplasma genitalium), e agora a xenómica comparada é un compoñente estándar da análise de cada nova secuencia de xenómica. Coa exposición no número de proxectos xenoma debido aos avances nas tecnoloxías de secuenciación do ADN, especialmente os métodos de secuenciación de seguinte xeración a finais da década do 2000, este campo fíxose mais sofisticado, facendo posible tratar con moitos xenomas nun só estudo. A xenómica comparada revelou a existencia de grandes niveis de similitude entre organismos estreitamente relacionados, como os humanos e os chimpancés e, máis sorprendentemente, a semellanza entre organismos que teñen unha relación moi distante, como humanos e o lévedo Saccharomyces cerevisiae. Tamén mostrou a extrema diversidade da composición xénica en diferentes liñaxes evolutivas.
Historia
A xenómica comparativa ten as súas raíces na comparación dos xenomas de virus que se empezou a facer a inicios da década de 1980. Por exemplo, comparáronse os pequenos virus de ARN que infectan animais (picornavirus) e plantas (virus do mosaico de Vigna unguiculata) e viuse que compartían unha similitude de secuencia significativa e, en parte, a orde dos xenes. En 1986, publicouse o primeiro estudo xenómico comparativo a grande escala que comparaba os xenomas do virus da varicela-zóster e do virus de Epstein-Barr, que contiñan máis de 100 xenes cada un.
A primeira secuencia xenómica completa dun organismo celular foi o da bacteria Haemophilus influenzae Rd, que se publicou en 1995. O segundo artigo de secuenciación dun xenoma bacteriano que apareceu foi o da pequena bacteria parasita Mycoplasma genitalium publicado ese mesmo ano. Empezando por ese artigo, os informes de novos xenomas levaron inevitablemente a facer estudos de xenómica comparada.
Xenomas microbianos. O primeiro sistema de comparación de xenomas completos de alta resolución de xenomas microbianos de 10-15kbp desenvolvérono en 1998 Art Delcher, Simon Kasif e Steven Salzberg cos seus colaboradores do Instituto para a Investigación Xenómica (TIGR) e aplicárono á comparación de xenomas enteiros de organismos microbianos moi relacionados. O sistema denomínase MUMMER e describiuse nunha publicación na revista Nucleic Acids Research en 1999. O sistema axuda a identificar grandes redistribucións xenómicas, mutacións dunha soa base, inversións, expansións de repeticións en tándem e outros polimorfismos. En bacterias, MUMMER permite a identificación de polimorfismos responsables da virulencia, patoxenicidade e resistencia a antibióticos. O sistema foi tamén aplicado no Proxecto do Organismo Mínimo no TIGR e seguidamente a moitos outros proxectos xenómicos comparativos.
Xenomas eucariotas. O lévedo de panadaría Saccharomyces cerevisiae foi o primeiro eucariota do que se publicou a secuencia xenómica completa, en 1996. Despois da publicación do xenoma do verme nematodo Caenorhabditis elegans en 1998 e xunto co da mosca do vinagre Drosophila melanogaster en 2000, Gerald M. Rubin e o seu equipo publicaron un artigo titulado "Comparative Genomics of the Eukaryotes" ("Xenómica comparativa dos eucariotas"), no cal comparaban os xenomas dos eucariotas D. melanogaster, C. elegans e S. cerevisiae, así como o do procariota H. influenzae. Ao mesmo tempo, Bonnie Berger, Eric Lander, e os seus equipos publicaron un artigo sobre a comparación dos xenomas completos dos ratos e humanos.
Coa publicación de grandes xenomas de vertebrados na década de 2000, incluíndo o humano, o do peixe Takifugu rubripes e o do rato doméstico, liberáronse os resultados precomputados de comparacións de grandes xenomas que se podían descargar e visualizar nun buscador de xenomas. En lugar de realizar as súas propias análises, a maioría dos biólogos podían acceder a estas grandes comparacións entre especies e evitar os inconvenientes prácticos causados polo tamaño dos xenomas.
Os métodos de secuenciación de seguinte xeración, que se empezaron a usar en 2007, produciuse unha enorme cantidade de datos xenómicos e isto permitiu xerar á vez múltiples secuencias xenómicas borrador (procariotas). Estes métodos poden tamén revelar rapidamente polimorfismos dun só nucleótido, insercións e delecións mapando lecturas non ensambladas contra un xenoma de referencia ben anotado e así proporcionar unha lista de posibles diferenzas xénicas que poden ser a base de calquera variación funcional entre cepas.
Principios evolutivos
Unha característica básica da bioloxía é a evolución. A teoría evolutiva é tamén o fundamento teórico da xenómica comparativa e ao mesmo tempo os resultados da xenómica comparativa enriqueceron dunha forma sen precedentes e desenvolveron a teoría da evolución. Cando se comparan dúas ou máis secuencias xenómicas, poden deducirse as relacións evolutivas das secuencias nunha árbore filoxenética. Baseándose nunha variedade de datos xenómicos biolóxicos e no estudo de procesos de evolución vertical e horizontal, pódense comprender as partes vitais da estrutura xénica e da súa función reguladora.
A similitude dos xenomas relacionados é a base da xenómica comparativa. Se dúas criaturas teñen un antepasado común recente, as diferenzas entre os xenomas das dúas especies evolucionaron do xenoma do antepasado. Canto máis próxima é a relación entre os dous organismos, maiores son as semellanzas entre os seus xenomas. Se hai unha relación próxima entre eles, entón os seus xenomas presentarán un comportamento linear (sintenia), concretamente algunhas das secuencias xenéticas estarán conservadas. Así, as secuencias xenómicas poden utilizarse para identificar a función xénica ao analizar a súa homoloxía (similitude de secuencia) con xenes de función coñecida.
O xene FOXP2 humano e a súa conservación evolutiva móstrase nun aliñamento múltiple (na figura do fondo) nesta imaxe do UCSC Genome Browser. Nótese que a conservación tende a agruparse arredor das rexións codificantes (exóns). |miniatura As secuencias ortólogas son secuencias relacionadas de diferentes especies: un xene existe na especie orixinal, a especie divídese en dúas especies (especiación), así que os xenes das novas especies son ortólogos da secuencia que había na especie orixinal. As secuencias parálogas están separadas por clonación xénica (duplicación xénica): se un xene particular do xenoma se copia, entón a copia das súas secuencias é paráloga do xene orixinal. Un par de secuencias ortólogas denomínase par ortólogo (ortólogos); un par de secuencias parálogas denomínase par colateral (parálogos). Os pares ortólogos xeralmente teñen unha función idéntica ou similar, o cal non é necesariamente o caso dos pares colaterais, porque nos pares colaterais as secuencias tenden a evolucionar adquirindo diferentes funcións.
A xenómica comparada aproveita tanto as semellanzas coma as diferenzas nas proteínas, ARN e rexións reguladoras de diferentes organismos para inferir como actuou a selección sobre estes elementos. Os elementos que son responsables das semellanzas entre diferentes especies deberían estar conservados ao longo do tempo (selección estabilizante), mentres que os elementos responsables das diferenzas entre especies deberían ser diverxentes (selección positiva). Finalmente, os elementos que non son importantes para o éxito evolutivo do organismo non serán conservados (a selección é neutra).
Un dos obxectivos importantes neste eido é a identificación dos mecanismos da evolución do xenoma eucariota. Porén, adoita ser complicado pola multiplicade de eventos que tiveron lugar ao longo da historia de liñaxes individuais, deixando só trazas distorsionadas e superpostas no xenoma de cada organismo vivo. Por esta razón os estudos de xenómica comparada de pequenos organismos modelo (por exemplo o modelo Caenorhabditis elegans e o estreitamente relacionado Caenorhabditis briggsae) son de grande importancia para aumentar a nosa comprensión dos mecanismos xerais da evolución.
Métodos
Os métodos computacionais son necesarios para as comparacións xenómicas dada a gran cantidade de datos codificados nos xenomas. Moitas ferramentas están agora dispoñibles publicamente, e van desde comparacións de xenoma completo a análises de expresión xénica. Isto inclúe métodos para os sistemas e o control, teoría da información, análise de cadeas (strings) e minaría de datos. As estratexias computacionais seguirán sendo fundamentais para a investigación e ensinanza, especialmente cando a ciencia da información e a bioloxía xenómica se ensinan conxuntamente. miniatura|258x258px|Árbore filoxenética de especies descendentes e devanceiros reconstruídos. A cor da rama representa taxas de punto de inflexión (breakpoint) en RACFs (puntos de inflexión por millón de anos). As ramas negras representan taxas de puntos de inflexión non determinadas. As cores dos extremos representan a contigüidade da ensamblaxe: cor negra, ensamblaxe do xenoma a nivel de armazón; cor verde, ensamblaxe do xenoma a nivel de cromosoma; cor amarela, ensamblaxe do xenoma a nivel de armazón a escala de cromosoma. As cifras a carón dos nomes das especies indican o número diploide de cromosomas (se se coñece). A xenómica comparativa empeza con comparacións básicas do tamaño do xenoma e densidade de xenes. Por exemplo, o tamaño do xenoma é importante para a capacidade de codificación e posiblemente por razóns reguladoras. Unha alta densidade de xenes facilita a anotación do xenoma, a análise de selección ambiental. En contraste, unha densidade baixa de xenes dificulta o mapado de enfermidades xenéticas, como ocorre no xenoma humano.
Aliñamento de secuencias
Os aliñamentos utilízanse para captar información sobre secuencias similares como os antepasados, a descendencia evolutiva común ou unha común estrutura e función. Os aliñamentos poden facerse tanto para secuencias xenéticas coma proteicas. Os aliñamentos consisten en aliñamentos locais ou globais por pares e aliñamentos de secuencias múltiples. Un xeito de encontrar aliñamentos globais é usar un algoritmo de programación dinámico chamado algoritmo de Needleman–Wunsch. Este algoritmo pode modificarse e usarse para atopar aliñamentos locais.