Überblick
Die funktionelle Genomik zielt darauf ab, die Lücke zwischen Genomsequenz und biologischer Funktion zu schließen, indem sie die Rollen von Genen, ihren Produkten und ihren Interaktionen systematisch auf genomweiter Ebene charakterisiert. Während die strukturelle Genomik den statischen Bauplan der DNA eines Organismus liefert, fragt die funktionelle Genomik, was jedes Element tut, wann und wo es aktiv ist und wie es an zellulären Netzwerken teilnimmt. Das Feld integriert Daten aus Transkriptomik, Proteomik und Hochdurchsatz-Perturbationsscreenings, um jedem Gen eine biologische Funktion zuzuweisen. Diese systembiologische Perspektive ist für das Verständnis komplexer Phänotypen unverzichtbar geworden.
Methoden
Mehrere Hochdurchsatz-Ansätze treiben die funktionelle Genomik an. Loss-of-Function-Screens verwenden RNA-Interferenz (RNAi) oder CRISPR-Cas9-Bibliotheken, um Gene systematisch auszuschalten und die phänotypischen Konsequenzen zu beobachten. Gain-of-Function-Screens übersprimieren cDNA-Bibliotheken, um Gene zu identifizieren, die bestimmte Phänotypen steuern. Protein-Interaktionskartierung (mittels Yeast-Two-Hybrid oder Affinitätsreinigung-Massenspektrometrie) erstellt genomweite Interaktionsnetzwerke. Genexpressionsprofilierung mittels RNA-seq oder Microarrays deckt Koexpressionsmuster auf, die auf funktionelle Beziehungen hindeuten. Die Integration verschiedener Datentypen durch maschinelles Lernen sagt die Genfunktion mit zunehmender Genauigkeit voraus und weist Annotationen wie Gene-Ontology-Begriffe auf der Grundlage von Multi-Omics-Belegen zu.
Anwendungen
Die funktionelle Genomik treibt Entdeckungen in allen Bereichen des Lebens voran. In der Krebsforschung identifizieren CRISPR-Screens Gene, die für das Tumorwachstum essentiell sind, sowie Gene, deren Verlust Arzneimittelresistenz verleiht. In der Mikrobiologie lokalisieren genomweite Fitness-Assays Gene, die für die Pathogenese erforderlich sind. Zu den landwirtschaftlichen Anwendungen gehört die Identifizierung von Genen, die Ertrag, Stresstoleranz und Nährstoffgehalt kontrollieren, durch die Kombination von Rekombinanter DNA-Technologie und funktionellem Screening. Das Feld entwickelt sich mit Einzelzelltechnologien und in vivo CRISPR-Screens weiter, die die Genfunktion in nativen Gewebekontexten aufdecken und uns einer vollständigen funktionellen Annotation des Genoms näherbringen.
