Патогеномика ― поле кое користи технологија за преглед со висока пропусна моќ и биоинформатика за проучување на кодирана отпорност на микроби, како и фактори на вирулентност, кои му овозможуваат на микроорганизмот да зарази домаќин и евентуално да предизвика болест. Ова вклучува проучување на геномите на патогени кои не можат да бидат одгледувани надвор од домаќинот. Во минатото, на истражувачите и медицинските работници им било тешко да ги проучуваат и разберат патогените особини на заразните организми. Со понова технологија, геномите на патогени може да бидат идентификувани и секвенционирани за многу пократко време и по пониска цена, со што е подобрена способноста за дијагностицирање, лекување, па дури и предвидување и спречување на патогени инфекции и болести. Исто така, им овозможило на истражувачите подобро да ги разберат настаните од еволуцијата на геномот - губење на ген, добивка, удвојување, преуредување - и како тие настани влијаат на отпорноста на патогенот и способноста да предизвикаат болест. Овој прилив на информации создал потреба од биоинформатички алатки и бази на податоци за да бидат анализирани и да бидат направени достапни огромни количини на податоци за истражувачите, и покренало етички прашања за мудроста на реконструкција на претходно изумрените и смртоносни патогени со цел за подобро разбирање на вирулентноста.
Историја Во претходните времиња кога била проучувана геномиката, научниците сметале дека е предизвик да бидат секвенционирани генетските информации. Полето почнало да се проширува во 1977 година кога Фред Сенгер, д-р, заедно со неговите колеги, го секвенционирале геномот на бактериофаг заснован на ДНК, користејќи метод кој сега е познат како Сенгеров метод. Сенгеровиот метод за секвенционирање на ДНК експоненцијално напредна молекуларна биологија и директно довело до способност за секвенционирање на геномите на други организми, вклучувајќи го и целосниот човечки геном.
Геномот на Haemophilus influenzae бил еден од првите геноми на организми кои биле секвенционирани во 1995 година од страна на Џ. Крег Вентер и Хамилтон Смит користејќи секвенционирање со „сачмарки“ на целиот геном. Оттогаш, развиено е поновото и поефикасно секвенционирање со висок пропусен опсег, како што се Геномско секвенционирање со т.н. „следна генерација“ и геномско секвенционирање со една клетка. Додека Сенгеровиот метод може да секвенционира по еден фрагмент на ДНК, технологијата со „следна генерација“ може да секвенционира илјадници секвенци истовремено. Со способноста за брзо секвенционирање на ДНК, биле развиени нови сознанија, како што е откритието дека со оглед на тоа што прокариотските геноми се поразновидни отколку што првично било мислено, неопходно е да бидат секвенционирани повеќе соеви во еден вид, а не само неколку. E.coli била пример за тоа зошто е ова важно, со гени кои кодираат вирулентни фактори во два соја на видот кои се разликуваат за најмалку триесет проценти. Таквото знаење, заедно со потемелно проучување на добивката, загубата и промената на геномот, им дава на истражувачите вреден увид за тоа како патогените општат во средината на домаќините и како тие се способни да ги инфицираат домаќините и да предизвикаат болест.
Патогенска биоинформатика Со овој голем прилив на нови информации, се појавила поголема побарувачка за биоинформатика, така што научниците можат правилно да ги анализираат новите податоци. Како одговор, софтвер и други алатки биле развиени за оваа намена. Исто така, од 2008 година, количината на зачувани секвенци била удвојувана на секои 18 месеци, што ја прави итна потребата за подобри начини за организирање на податоците и помагање во истражувањето. Како одговор, биле создадени многу јавно достапни бази на податоци и други ресурси, вклучувајќи ја програмата за патогени NCBI, Центарот за интеграција на ресурсите на патосистеми, Pathogenwatch, Базата на податоци за вирулентен фактор на патогени бактерии, Викторсовата база на податоци за вирулентни фактори кај човечки и животински патогени. До 2022 година, најсеквенционирани патогени биле Salmonella enterica и E. coli - Shigella. Технологиите за секвенционирање, биоинформатичките алатки, базите на податоци, статистиката поврзана со геномите на патогените и примената во форензиката, епидемиологијата, клиничката пракса и безбедноста на храната се опширно разгледани.
Анализа на микроби Патогените може да бидат прокариотски (археи или бактерии), едноклеточни еукариоти или вируси. Прокариотските геноми обично се полесни за секвенционирање поради помалата големина на геномот во споредба со евкариотите. Поради ова, постои пристрасност во пријавувањето на патогеното бактериско однесување. Без оглед на оваа пристрасност во известувањето, многу од динамичните геномски настани се слични кај сите врсти патогени организми. Геномската еволуција се јавува преку генска добивка, загуба на ген и преуредување на геномот, а овие „настани“ се забележани во повеќе геноми на патогени, при што некои бактериски патогени ги доживуваат сите три. Сепак, патогеномиката не се насочува исклучиво на разбирање на меѓудејствијата патоген со домаќин. Увидот на поединечното или соработничкото однесување на патогенот обезбедува знаење за развојот или наследувањето на факторите на вирулентност на патогенот. Преку подлабоко разбирање на малите подединици кои предизвикуваат инфекција, може да биде возможно да бидат развиени нови терапевтски средства кои се ефикасни и исплатливи.
Причина и анализа на геномската разновидност Динамични геноми со висока обликуваност се неопходни за да им биде овозможено на патогените, особено бактериите, да преживеат во променливи средини. Со помош на методите за секвенционирање со висока пропусна моќ и технологиите со сметање, можно е да бидат забележани, споредени и каталогизирани многу од овие динамични геномски настани. Геномската разновидност е важна кога се открива и третира патогенот бидејќи овие настани можат да ја променат функцијата и структурата на патогенот. Постои потреба да биде анализирана повеќе од една геномска секвенца на видот на патогенот за да бидат разбрани механизмите на патогенот. Споредбената геномика е методологија која им овозможува на научниците да ги споредуваат геномите на различни видови и соеви. Постојат неколку примери на успешни споредбени геномски студии, меѓу нив и анализа на Listeria и Escherichia coli. Некои студии се обиделе да ја решат разликата помеѓу патогени и непатогени микроби. Сепак, ова истражување се покажува како тешко, бидејќи еден бактериски вид може да има многу соеви, а геномската содржина на секој од овие соеви варира.
Еволутивна динамика Различни соеви на микроби и геномска содржина се предизвикани од различни сили, вклучувајќи три специфични еволутивни настани кои имаат влијание врз отпорноста на патогенот и способноста да предизвикаат болест, а: добивка на ген, загуба на ген и преуредување на геномот.
Губење на гените и распаѓање на геномот Губење на гените се случува кога гените се бришени. Причината зошто тоа се случува сè уште не е целосно разбрана, иако најверојатно вклучува приспособување на нова средина или еколошка ниша. Некои истражувачи веруваат дека загубата на ген всушност може да ја зголеми кондицијата и преживувањето меѓу патогените. Во ново опкружување, некои гени може да станат непотребни за опстанок, и затоа мутациите на крајот се „дозволени“ на тие гени додека не станат неактивни „псевдогени“. Овие псевдогени се забележани кај организми како што се Shigella flexneri, Salmonella enterica, и Yersinia pestis. Со текот на времето, псевдогените се бришени, а организмите стануваат целосно зависни од нивниот домаќин или како ендосимбионти или како обврзувачки интрацелуларни патогени, како што е гледано во Buchnera, Myobacterium leprae и Chlamydia trachomatis. Овие избришани гени се нарекуваат и антивирулентни гени, бидејќи е сметано дека тие можеби го спречиле организмот да стане патоген. За да биде повирулентен, да зарази домаќин и да остане жив, патогенот мораше да се ослободи од тие антивирулентни гени. Може да се случи и обратна постапка, како што било забележано при анализата на соевите на Listeria, која покажа дека намалената големина на геномот довело до непатоген сој на Listeria од патоген сој. Развиени се системи за откривање на овие псевдогени/антивирулентни гени во геномска секвенца. десно|мини|200x200пкс| Резиме на настани од динамична геномика.
Добивка и удвојување на гени Сметано е дека една од клучните сили кои ја поттикнуваат добивката на генот е хоризонталниот (страничен) пренос на гени. Тоа е од особен интерес за микробните студии бидејќи овие подвижни генетски елементи може да внесат вирулентни фактори во нов геном. Споредбена студија спроведена од Гил и колегите во 2005 година, навела дека страничниот пренос на гени можеби е причина за варијации на патогенот помеѓу Staphylococcus epidermidis и Staphylococcus aureus. Сепак, сè уште останува скептицизам за зачестеноста на страничниот пренос на гени, неговата идентификација и неговото влијание. Ангажирани се нови и подобрени методологии, особено во проучувањето на филогенијата, за да се потврди присуството и ефектот на страничен пренос на гени. Настаните за добивање на ген и удвојување на ген се урамнотежени со губење на генот, така што и покрај нивната динамична природа, геномот на бактерискиот вид останува приближно со иста големина.
Преуредување на геномот Подвижните генетски секвенци за вметнување можат да играат улога во активностите за преуредување на геномот. Утврдено е дека патогените кои не живеат во изолирана средина содржат голем број на елементи на секвенцата на вметнување и разни повторливи сегменти на ДНК. Сметано е дека комбинацијата на овие два генетски елементи помага во посредувањето на хомолошката рекомбинација. Постојат патогени, како што се Burkholderia mallei, и Burkholderia pseudomallei за кои е докажано дека покажуваат преуредувања на целиот геном поради вметнување секвенци и повторувачки сегменти ДНК. Во овој момент, ниту една студија не покажува дека настаните од преуредување на геномот директно предизвикуваат патогено однесување кај микробите. Ова не значи дека не е можно. Сепак, преуредувањата ширум геномот придонесуваат за обликувањето на бактерискиот геном, што може да ги подготви условите за други фактори да воведат или изгубат вирулентни фактори.
Еднонуклеотидни полиморфизми Единечните нуклеотидни полиморфизми, овозможуваат широк спектар на генетски варијации меѓу луѓето, како и патогени. Тие им овозможуваат на истражувачите да проценат различни фактори: ефектите на отровите од околината, како различните методи на лекување влијаат на телото и што предизвикува нечија предиспозиција за болести. Единечните нуклеотидни полиморфизми играат клучна улога во разбирањето како и зошто се случуваат мутациите. Единечните нуклеотидни полиморфизми исто така им овозможува на научниците да картираат геноми и да анализираат генетски информации.
Геноми со пан и јадро десно|мини|300x300пкс| Преглед на пан-геном. Преглед на пан-геном е најновата дефиниција за бактериски вид доаѓа од предгеномското време. Во 1987 година, било предложено дека бактериските соеви кои покажуваат >70% реасоцијација на ДНК·ДНК и споделување на карактеристични фенотипски особини треба да бидат сметани за соеви од истиот вид. Разновидноста во геномите на патогенот го отежнува идентификувањето на вкупниот број на гени кои се поврзани во сите соеви на видот на патогенот. Се смета дека вкупниот број на гени поврзани со еден вид патоген може да биде неограничен, иако некои групи се обидуваат да извлечат поемпириска вредност. Поради оваа причина, било неопходно да биде воведен концептот на пан-геномите и основните геноми. Книжевноста на пан-геномот и основниот геном, исто така, има тежнеење да има пристрасност кон известување за прокариотски патогени организми. Можеби ќе треба да биде внимавано кога се проширува дефиницијата за пан-геном или јадро-геном на другите патогени организми бидејќи нема формален доказ за својствата на овие пан-геноми.