اُمیکس در پزشکی نوین: ژنومیکس، ترنسکریپتومیکس، پروتئومیکس، اپی‌ژنومیکس و متابولومیکس

در دوره‌ی پزشکی شخصی‌سازی شده (Personalized Medicine)، دسترسی به حجم بیشتر داده‌ها باعث می‌شود دانش ما درباره‌ی توسعه بیماری (Disease Development)، فرآیندهای مرتبط با پیشرفت بیماری (Disease Progression) و همچنین مسیرهای تحقیق برای ریشه‌کن کردن بیماری (Disease Eradication)، به‌طور دقیق‌تر و جامع‌تر تعریف شود.

زمینه‌های تحصیلی و مطالعاتی متعددی به وجود آمده‌اند که نتیجه‌ی پیشرفت‌های فناوری (Technology) و دانش (Knowledge) هستند و توانسته‌اند زیرساخت لازم برای دستیابی به نتایج بهتر سلامت (Improved Health Outcomes) را فراهم کنند.

در این مقاله، پنج حوزه‌ی اصلی “Omics” مورد بررسی قرار گرفته و به تشریح آن‌ها پرداخته شده است.

ژنومیکس

ژنومیکس (Genomics): شاخه‌ای از علوم است که بر ساختار (Structure)، عملکرد (Function)، تکامل (Evolution)، نقشه‌برداری (Mapping) و ویرایش ژنوم‌ها (Genome Editing) متمرکز است.

اغلب این حوزه‌ی مطالعاتی با ژنتیک (Genetics) اشتباه گرفته می‌شود یا با آن ترکیب می‌گردد؛ اگرچه ژنومیکس (Genomics) با ژنتیک مرتبط است، اما کاملاً متفاوت از آن است. هر دو با DNA و ژن‌ها (Genes) در ارتباط هستند، اما ژنتیک بیشتر بر وراثت (Inheritance) و ترکیب DNA و همچنین انتقال ژن‌های فردی تمرکز دارد.

ژنومیکس به‌طور کلی همه‌ی ژن‌ها و نحوه‌ی تعامل آن‌ها با یکدیگر را بررسی می‌کند تا بر روندهای فیزیولوژیکی (Physiological Processes) موجود در ارگانیسم تأثیر بگذارد. تغییرات خاص در یک ژن منفرد، مانند آنچه در بیماری کم‌خونی داسی شکل (Sickle Cell Disease) مشاهده می‌شود، الگوهای وراثتی قابل پیش‌بینی را ارائه می‌دهد که در حوزه ژنتیک مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

با اطلاعات گسترده‌تر از کل ژنوم، مانند پروژه‌ی ژنوم انسان (Human Genome Project)، اکنون می‌دانیم که تعاملات پیچیده‌ای بین چندین ژن وجود دارد که همراه با محیط (Environment) عمل می‌کنند و بر جنبه‌های رشد (Development)، بیماری‌ها (Diseases) از جمله سرطان (Cancer) و سایر دغدغه‌های سلامت (Health Concerns) تأثیر می‌گذارند.

ترنسکریپتومیکس

ترنسکریپتومیکس (Transcriptomics): مطالعه‌ی ترنسکریپتوم (Transcriptome) شامل تمامی رونویسی‌های RNA (RNA Transcripts) است که توسط ژنوم (Genome) تحت شرایط خاص، بر اساس نوع سلول (Cell Type) و تفاوت در بیان mRNA (mRNA Expression) تولید می‌شوند.

مطالعه‌ی ترنسکریپتوم از اوایل دهه‌ی 1990 آغاز شد و از آن زمان به بعد، پیشرفت‌های فناوری (Technological Advances) باعث شد این حوزه با سرعت بسیار بالا گسترش یابد. توانایی اندازه‌گیری بیان ژن (Gene Expression) در بافت‌های خاص (Specific Tissues)، تحت شرایط خاص و در زمان‌های متغیر، اطلاعات ارزشمندی درباره تنظیم ژنتیک (Genetic Regulation)، زیست‌شناسی (Biology) و فیزیولوژی سلولی (Cellular Physiology) ارائه می‌دهد. این حوزه به درک بهتر انسان از بیماری‌ها (Diseases)، هم در توسعه (Development) و هم در ریشه‌کنی (Eradication) آن‌ها کمک می‌کند.

یکی از نکات کلیدی در ترنسکریپتومیکس (Transcriptomics)، توانایی ذخیره‌سازی داده‌ها (Data Storage) به روشی قابل کنترل و معنا‌دار (Controlled and Meaningful) است. تکنیک‌های تجزیه و تحلیل مورد استفاده در این حوزه ابتدا با توالی‌یابی سنتی (Sanger Sequencing) و تحلیل بیان ژن (Gene Expression Analysis) آغاز شد. تکنیک‌های مدرن به طور چشمگیری کارایی تجزیه و تحلیل را با استفاده از ریزآرایه‌ها (Microarrays)، RNA-seq و توالی‌یابی موازی عظیم (Massively Parallel Signature Sequencing; MPSS) افزایش داده‌اند.

پروتئومیکس

پروتئومیکس (Proteomics): مطالعه‌ی پروتئین‌ها (Proteins) و تکنیک‌های مورد استفاده در تحلیل و تعیین آن‌ها (Analytical and Characterization Techniques) است.

پروتئومیکس (Proteomics) می‌تواند مختص یک گونه خاص (Specific Species)، یک اندام (Organ) باشد یا به‌عنوان یک حوزه‌ی مطالعاتی گسترده به کار رود. پروتئوم (Proteome) می‌تواند در هر سلول (Cell) متفاوت باشد و با گذشت زمان تغییر کند. پروتئوم (Proteome) با ترنسکریپتوم (Transcriptome) مرتبط است، زیرا پروتئوم (Proteome) نتیجه‌ی رونویسی (Transcription) است؛ با این حال، علاوه بر بیان RNA (RNA Expression)، عوامل پیچیده‌ی دیگری نیز در ساختار و عملکرد پروتئین‌ها نقش دارند.

پروتئومیکس (Proteomics) بررسی زمان و شرایط محیطی بیان پروتئین‌ها (Temporal and Environmental Protein Expression) و همچنین روند تولید و تجزیه پروتئین‌ها (Protein Synthesis and Degradation) را شامل می‌شود. علاوه بر این، پژوهشگران در این حوزه به حرکت پروتئین‌ها در ارگانیسم (Protein Trafficking) و نحوه‌ی دخالت آن‌ها در مسیرها یا فرآیندهای فیزیولوژیکی (Physiological Pathways and Processes) علاقه‌مند هستند.

حوزه‌ی دیگری که در پروتئومیکس (Proteomics) بررسی می‌شود، تکنیک‌های شناسایی و طبقه‌بندی پروتئین‌ها (Protein Identification and Classification Techniques) است که از جمله‌ی رایج‌ترین آن‌ها می‌توان به طیف‌سنجی جرمی (Mass Spectrometry) و الکتروفورز در ژل افتراقی (Differential Gel Electrophoresis; DIGE) اشاره کرد.

اپی‌ژنومیکس

اپی‌ژنومیکس (Epigenomics): مطالعه‌ی تغییرات اپی‌ژنتیکی (Epigenetic Changes) در سراسر ژنوم (Genome) است.

اپی‌ژنوم (Epigenome) را می‌توان به تابلویی تشبیه کرد که با هدایت دقیق ارتباطات ژنتیکی به سمت فرآیندهای درست، در زمان و مکان مناسب، از فعالیت‌های سلولی بیشترین بهره‌وری را به دست می‌آورد. اپی‌ژنومیکس (Epigenomics) بر تجزیه و تحلیل تغییرات اپی‌ژنتیکی (Analysis of Epigenetic Modifications) در ماده‌ی ژنتیکی سلول (Cellular Genetic Material) تمرکز دارد و سرنخ‌های مهمی در مورد مکانیسم‌ها و عملکرد تنظیم ژن (Mechanisms and Functions of Gene Regulation) در ژن‌های مختلف سلول یا ارگانیسم فراهم می‌کند.

فاکتورهای اپی‌ژنتیکی (Epigenetic Factors) ترکیبات شیمیایی (Chemical Compounds) هستند که با اصلاح DNA (DNA Modification)، تولید مستقیم پروتئین و بیان ژن (Gene Expression) را تنظیم می‌کنند.

گاهی این ترکیبات اپی‌ژنتیکی روی ژنوم به عنوان نشانگر (Markers) شناخته می‌شوند، زیرا توالی DNA را تغییر نمی‌دهند، بلکه تعیین می‌کنند کدام مناطق باید یا نباید رونویسی (Transcribed) شوند. این تغییرات می‌توانند برای برخی ژن‌ها دائمی (Permanent) باشند، در حالی که برخی دیگر بسته به محیط سلولی (Cellular Environment) و فرآیندهای فیزیولوژیکی (Physiological Processes)، موقتی (Temporary) هستند.

علاوه بر این، علائم اپی‌ژنتیکی (Epigenetic Marks) می‌توانند از نسلی به نسل دیگر (Transgenerationally) منتقل شوند و همین ویژگی موجب می‌شود برخی الگوهای اپی‌ژنتیکی برای هر فرد خاص منحصر‌به‌فرد (Unique) باشند.

انواع رایج اصلاحات اپی‌ژنتیکی شامل متیلاسیون DNA (DNA Methylation) است؛ فرآیندی که طی آن گروه‌های متیل (Methyl Groups) به بازهای DNA اضافه می‌شوند تا ژن‌ها به‌صورت “روشن (On)” یا “خاموش (Off)” علامت‌گذاری شوند. نشانگر اپی‌ژنتیکی (Epigenetic Marker) شناخته‌شده‌ی دیگر، اصلاح هیستون (Histone Modification) است که بر نحوه‌ی بسته‌بندی DNA در هسته (DNA Packaging in the Nucleus) اثر می‌گذارد. در این فرآیند، DNA به دور هیستون‌ها (Histones) پیچیده می‌شود تا ساختار متراکم‌تری مانند کروموزوم (Chromosome) ایجاد کند؛ اصلاح هیستون‌ها سبب می‌شود نواحی خاصی از DNA “پنهان” شوند و هیستون‌ها بسته به فعالیت آن سلول، به‌صورت “روشن” یا “خاموش” علامت‌گذاری شوند.

متابولومیکس

متابولومیکس (Metabolomics): شاخه‌ای از علوم زیستی است که به مطالعه‌ی متابولیت‌ها (Metabolites) درون سلول‌ها (Cells)، مایعات بدن (Body Fluids)، بافت‌ها (Tissues) یا کل ارگانیسم (Organism) می‌پردازد.

متابولومیکس (Metabolomics) در حوزه‌ی مطالعاتی خود شامل ارزیابی بسترها و محصولات متابولیکی (Assessment of Metabolic Substrates and Products) است که تحت تأثیر عوامل ژنتیکی (Genetic Factors) و عوامل محیطی (Environmental Factors) قرار دارند. پس از تجزیه و تحلیل (Analysis)، غلظت متابولیت‌ها (Metabolite Concentration) می‌تواند به‌عنوان شاخصی کلیدی برای درک فرآیندهای بیوشیمیایی (Biochemical Processes) بدن در نظر گرفته شود.

به‌طور خاص، این زمینه بر ارزیابی و تجزیه و تحلیل ترکیبات آلی با وزن مولکولی پایین (Low-Molecular-Weight Organic Compounds) تمرکز دارد؛ هرچند این ترکیبات محدود به قندها (Sugars)، لیپیدها (Lipids)، اسیدهای آمینه (Amino Acids)، اسیدهای چرب (Fatty Acids)، ترکیبات فنلی (Phenolic Compounds) و سایر مولکول‌های زیستی نیستند.

این متابولیت‌ها در واقع اجزای سازنده‌ی زیستی (Biological Building Blocks) محسوب می‌شوند که در فرآیندهای فیزیولوژیکی طبیعی بدن مورد استفاده (Utilized)، بازیافت (Recycled) و بازکاربرد (Reused) قرار می‌گیرند تا تعادل متابولیکی ارگانیسم حفظ شود.