Predicció de gens

Erro al crear miniatura:

Representació d'un gen en una cadena d'ADN. En general, la predicció de gens tracta de localisar en les llargues seqüències de ADN, i de forma automatizado, les subsecuencias de nucleòtits que conformen els diferents gens.

La predicció de gens (gene prediction en anglés, o també gene finding, lliteralment descobriment de gens) són aquells mecanismes que, dins de l'àrea de la biologia computacional, s'utilisen per a l'identificació algorítmica de trossos de seqüència, usualment ADN genómico, i que són biològicament funcionals. Açò, especialment, inclou els gens codificantes de proteïnes, pero també podria incloure atres elements funcionals tals com gens ARN i seqüències reguladores. L'identificació de gens és un dels primers i més importants passos per a entendre el genoma d'una espècie una volta ha segut secuenciado.

Antecedents

En 1986, i davant l'alvanç en la seqüenciació del material genètic d'organismes més senzills , el Departament d'Energia dels EE. UU. va anunciar l'iniciativa que es coneixeria com Proyecte Genoma Humà i que impulsaria de forma molt important els alvanços en la genómica i especialitats vinculades (tant de l'àmbit biològic com del tecnològic) que hem registrat en els últims anys. Este proyecte potenciava un procés escomençat uns dèu anys abans en les primeres seqüenciacions del genoma d'organismes elementals, i el seu objectiu era el coneiximent de la seqüència completa de nucleòtits del conjunt de el ADN del ser humà. Va ser culminat en 2003, i en el seu èxit va tindre mucho que ver la bioinformática en general i les aplicacions d'allineament de seqüències biològiques en particular. Pero, tant de forma paralela al procés de seqüenciació completa de el ADN, com en posterioritat al punt final del proyecte (marcat per l'obtenció de la seqüència d'alta calitat completada en abril de 2003), una tasca tan important com l'identificació de l'estructura íntima de el ADN es portava a terme tant sobre el genoma humà com sobre el d'atres organismes: l'identificació dels gens responsables de la codificació per a la producció de proteïnas i que, entre atres objectius (que ya no se circumscrivien a una bàsica classificació de material genètic en organismes inferiors), podia supondre l'identificació precisa de les causes de multitut de malalties aixina com l'obtenció de coneiximent fonamental per a tractar-les. És en este camp particular (encara que no exclusiu) a on els métodos de descobriment automàtic de gens han tingut, i seguixen tenint, una aplicació directa i transcendent. No obstant, és de resenyar que en qualsevol tasca de predicció i anàlisis automatizado de gens, les referències definitives són les dispostes pels biòlecs experts en l'àrea, els qui deuen confirmar, validar i completar el descobriment automàtic i l'anotació última dels gens.

En les seues primeres etapes, la predicció de gens es basava en una laboriosa experimentació sobre cèlules i organismes vius. L'anàlisis estadístic dels ràtios de recombinació homòloga de multitut de gens diferents podria determinar la seua orde en un determinat cromosoma, i l'informació obtinguda de tals experiments es combinaria per a crear un mapa genètic, especificant la localisació aproximada relativa entre gens coneguts. Poc a poc, i en un periodo d'aproximadament vint anys, el coneiximent que s'anava acumulant sobre vinculacions gèniques per homologia, d'un costat, i l'identificació de determinades característiques comunes (senyals funcionals, patrons, periodicitats) en les seqüències codificantes, per un atre, va permetre (junt en els alvanços i generalisació dels sistemes de tractament de l'informació) anar perfeccionant l'anàlisis automatizado d'un determinat genoma. Hui, en una exhaustiva seqüència del genoma, ademés de potents recursos computacionals a disposició de la comunitat investigadora, la predicció de gens ha segut redefinida, en gran part, com un problema computacional.

En l'actualitat, la determinació de si una seqüència és funcional deu distinguir-se de la determinació de la funció del gen o del seu producte. Esta última encara necessita experimentació in viu a través del silenciamiento gènic i atres experiments, encara que les fronteres de l'investigació bioinformática estan fent cada volta més possible la predicció de la funció d'un gen basant-se únicament en la seua seqüència.

Aproximacions extrínsecas

En sistemes de predicció de gens basats en evidències, en el genoma objectiu es busquen seqüències que siguen similars a l'evidència externa, que pren la forma d'una seqüència coneguda d'un ARN mensager (ARNm) o producte proteic. Donada una seqüència de ARNm, és trivial derivar una única seqüència genómica de ADN des de la qual haja tingut que ser transcrita. Donada una seqüència de proteïna, es pot derivar per traducció reversa del còdic genètic una família de possibles seqüències de ADN codificante. Una volta que les seqüències de ADN candidates han segut determinades, és un problema algorítmic relativament senzill el buscar eficientemente un genoma objectiu per a les coincidències, totals o parcials, exactes o inexactas. BLAST és un sistema àmpliament utilisat per a este propòsit.

Un alt grau de similitut en un ARN mensager conegut, o en un producte proteic, és una forta evidència de que una regió del genoma en qüestió és un gen codificante de proteïna. No obstant, aplicar esta aproximació sistemàticament requerix una exhaustiva seqüenciació de ARNm i productes proteics. No només açò resulta car, sino que en organismes complexos només un subconjunt de tots els gens del genoma de l'organisme s'expressen en un determinat moment, lo que significa que l'evidència extrínseca per a molts gens no està accessible fàcilment en qualsevol cultiu d'una única cèlula. Aixina, per a arreplegar esta evidència per a la majoria o per a tots els gens en un organisme complex, deuen ser estudiades varis centenars o mils de tipos de cèlules diferents, lo que representa en sí dificultats afegides. Alguns gens humans, per eixemple, podrien només expressar-se durant el seu desenroll com a embrió o feto, lo que dificultaria el seu estudi per raons ètiques.

A pesar d'estes dificultats, s'han generat unes exhaustives bases de senyes de transcripcions i seqüències de proteïnes tant per al ser humà com per a atres organismes modele importants en biologia, com les rates o el rent. Per eixemple la base de senyes RefSeq conté transcripcions i seqüències proteiques de moltes espècies diferents, i el sistema Ensembl proyecta intensivamente esta evidència en ser humà i a prou atres genomes. No obstant, és provable que abdós bases de senyes estiguen incompletes, i que continguen menudes, pero significatives, cantitats de senyes errònees.