Ikhtisar
Genomik komparatif adalah analisis rangkaian genom dari berbagai spesies untuk mengidentifikasi persamaan dan perbedaan yang mengungkap sejarah evolusi, elemen fungsional yang dilestarikan, dan adaptasi spesifik garis keturunan. Dengan menyelaraskan dan membandingkan genom, para peneliti dapat membedakan rangkaian yang telah dipertahankan melalui seleksi alam – dan oleh karena itu kemungkinan besar berfungsi – dari rangkaian yang menyimpang secara netral. Ketersediaan ribuan genom yang diurutkan, dari bakteri hingga manusia, telah menjadikan genomik komparatif sebagai mesin yang ampuh untuk penemuan biologis. Ini memberikan kerangka evolusi yang penting untuk memahami struktur dan fungsi genom.
Metode
Teknik genomik komparatif inti mencakup penyelarasan seluruh genom, yang mengidentifikasi blok sintenik dan penataan ulang antar spesies. Alat seperti MAUVE, MUMmer, dan LASTZ melakukan penyelarasan pada skala yang berbeda. Filogenomik merekonstruksi pohon evolusi menggunakan data seluruh genom, bukan gen tunggal, sehingga menghasilkan filogeni spesies yang kuat. Penugasan ortologi (menggunakan alat seperti OrthoFinder atau InParanoid) mengidentifikasi gen yang menyimpang melalui peristiwa spesiasi, sedangkan paralog muncul dari duplikasi gen dalam suatu garis keturunan. Analisis laju evolusi menghitung rasio dN/dS untuk mendeteksi gen dalam seleksi positif atau pemurnian. Analisis jalur konservasi di berbagai penyelarasan menunjukkan dengan tepat elemen pengatur dan RNA non-coding yang fungsional.
Aplikasi
Genomik komparatif telah menjelaskan aspek-aspek utama biologi. Ini mengidentifikasi 1% genom manusia yang berada di bawah batasan evolusi, menyoroti wilayah regulasi yang penting. Panduan ini menelusuri evolusi patogenisitas pada genetika bakteri dengan membandingkan strain yang virulen dan non-virulen. Dalam virologi, membandingkan struktur dan klasifikasi virus antar keluarga menunjukkan mekanisme replikasi yang kekal. Pendekatan komparatif mendasari anotasi genom yang baru diurutkan dengan mentransfer pengetahuan dari organisme model yang telah dipelajari dengan baik. Ketika biaya pengurutan DNA terus menurun, genomik komparatif menjadi semakin canggih, memungkinkan analisis tingkat populasi dan bahkan pangenom pada ribuan individu dalam suatu spesies.
Protokol Praktis
Untuk penyelarasan seluruh genom antara dua spesies, MUMmer menyediakan penyelarasan cepat melalui pencocokan unik maksimal (MUMs) berbasis pohon sufiks. Jalankan nucmer --maxmatch -p output reference.fasta query.fasta untuk menghasilkan file delta. Filter untuk penyelarasan yang andal dengan delta-filter -l 1000 -i 90 output.delta > filtered.delta, yang memerlukan penyelarasan minimal 1000 bp dengan identitas 90%. Konversikan ke koordinat dan visualisasikan dengan mummerplot: mummerplot -l -p output filtered.delta -R reference.fasta -Q query.fasta --postscript. Untuk analisis sintesa pada tingkat kromosom, gunakan MCScanX pada genom yang dianotasi. Siapkan hasil BLASTP antara semua pasangan protein dari kedua genom: blastp -query query.pep -db reference.pep -outfmt 6 -out blast.out. Jalankan MCScanX untuk mengidentifikasi blok collinear: MCScanX ./blast_output. Periksa plot titik sintaksis dan visualisasi kariotipe dengan RIdeogram di R atau JCVI dengan Python (menggunakan modul jcvi.graphics.karyotype). Untuk mengidentifikasi elemen non-coding yang dilestarikan (CNE), sejajarkan genom dengan LASTZ atau WGA dan ekstrak wilayah intergenik dan intronik dari penyelarasan, saring urutan dengan identitas >70% pada setidaknya 50 bp antar spesies yang menyimpang >50 juta tahun yang lalu, yang menunjukkan seleksi pemurnian. PhastCons atau PhyloP dari paket PHAST menghitung skor konservasi di berbagai penyelarasan: phastCons --target-coverage 0.3 --expected-coverage 2.5 --msa-format MAF keselarasan.maf konservasi.bed. Untuk analisis pangenome dalam suatu spesies, jalankan Panaroo pada genom bakteri: panaroo -i *.gff -o pangenome_output --clean-mode strict dan periksa matriks gen inti/aksesori. Penugasan ortologi di banyak genom menggunakan OrthoFinder: orthofinder -f proteomes_dir -t 8.
