La finalización de la secuenciación del genoma humano a principios de la década de 2000 supuso un punto de inflexión en la investigación genómica. [1] Los científicos han llevado a cabo una serie de investigaciones sobre las actividades de los genes y el genoma en su conjunto. El genoma humano contiene alrededor de 3 mil millones de pares de bases de nucleótidos, y la enorme cantidad de datos creados requiere el desarrollo de una herramienta accesible para explorar e interpretar esta información con el fin de investigar las bases genéticas de las enfermedades, la evolución y los procesos biológicos. [2] El campo de la genómica ha seguido creciendo, con nuevas tecnologías de secuenciación y herramientas computacionales que facilitan el estudio del genoma.
El navegador del genoma es una herramienta importante para estudiar el genoma. En bioinformática , un navegador de genoma es una interfaz gráfica para mostrar información de una base de datos biológica para datos genómicos. [2] Es una herramienta de software que muestra datos genéticos en forma gráfica. Los navegadores de genoma permiten a los usuarios visualizar y explorar genomas completos con datos anotados, incluida la predicción de genes, la estructura de los genes, las proteínas, la expresión, la regulación, la variación y el análisis comparativo. Los datos anotados suelen proceder de múltiples fuentes diversas. Se diferencian de las bases de datos biológicas ordinarias en que muestran datos en formato gráfico, con coordenadas del genoma en un eje con anotaciones o gráficos que llenan espacios para mostrar análisis de los genes, como la frecuencia de los genes y sus perfiles de expresión. [1] El software permite a los usuarios navegar por el genoma, ver numerosas características, analizar e investigar las relaciones entre varios elementos genómicos.
El primer navegador del genoma, conocido como Ensembl Genome Browser , fue desarrollado como parte del Proyecto Genoma Humano por un grupo de investigadores del Instituto Europeo de Bioinformática (EBI). Fue creado con el objetivo de proporcionar un recurso completo para la secuencia del genoma humano, centrándose en la anotación genética. Es una interfaz fácil de usar para explorar el genoma humano y los genomas de otros organismos. Se han creado varios navegadores de genoma más, incluido el UCSC Genome Browser , desarrollado en 2000 por Jim Kent y David Haussler , y el Genome Data Viewer del NCBI . [2] [3]
Estos exploradores de genomas pueden admitir múltiples genomas; sin embargo, otros exploradores de genomas pueden ser específicos para especies particulares. Estos navegadores pueden proporcionar un resumen de datos de bases de datos genómicas y una evaluación comparativa de diferentes secuencias genéticas en múltiples especies, y permiten visualizar los datos de varias maneras para facilitar la evaluación e interpretación de estos datos complejos. [4] [5]
Ensamblaje y anotación del genoma: brinde acceso al ensamblaje del genoma de referencia, sirviendo como marco para superponer y analizar otros datos genómicos. También incluyen anotaciones genéticas que proporcionan información sobre ubicaciones de genes, transcripciones y elementos funcionales. No existe un navegador específico que se considere el "mejor" para la anotación y el ensamblaje del genoma, ya que, en última instancia, depende de las necesidades específicas del usuario y del tipo de análisis que se realiza. Visor de genómica integradora (IGV): IGV es un navegador popular para visualizar y anotar datos genómicos, incluida la variación genómica, la expresión genética y la estructura de la cromatina. Admite una amplia gama de formatos de archivo y proporciona herramientas avanzadas para el análisis de datos.
Superposición e integración de datos: permita a los usuarios superponer e integrar diversos tipos de datos genómicos, como datos de secuenciación de ADN, datos de expresión genética y datos epigenéticos, en el genoma de referencia. Esto permite a los investigadores estudiar las relaciones entre diferentes características genómicas y conjuntos de datos. La elección del navegador de ensamblaje y anotación del genoma más adecuado varía según las necesidades de análisis específicas y las preferencias del usuario. Sin embargo, una opción popular para visualizar y anotar datos genómicos es Integrative Genomics Viewer (IGV), que ofrece una amplia gama de herramientas de análisis de datos y admite varios formatos de archivos, incluidos datos de variación genómica, expresión genética y estructura de cromatina.
Herramientas de visualización: ofrezca herramientas de visualización que permitan a los usuarios visualizar datos genómicos en varios formatos, como mapas de calor, diagramas de líneas, diagramas de barras y pistas genómicas. Estas herramientas facilitan la exploración e interpretación de datos genómicos complejos en un formato gráfico. El UCSC Genome Browser es un navegador genómico popular y completo que ofrece una amplia gama de herramientas de visualización de datos genómicos, como variación genética, expresión genética y modificaciones epigenéticas. Además, proporciona acceso a numerosos conjuntos de datos disponibles públicamente para la investigación genómica comparada. [6]
Zoom y navegación: proporcione herramientas de zoom y navegación que permitan a los usuarios explorar datos genómicos a diferentes escalas, desde el genoma completo hasta los nucleótidos individuales. Esto facilita la navegación y se centra en regiones genómicas específicas de interés. Nuevamente, UCSC es un excelente navegador para la navegación; sin embargo, el NCBI en la Figura 1, como se muestra en la siguiente figura, tiene navegación lógica e interfaz de usuario.
Búsqueda y recuperación: incluya funciones de búsqueda y recuperación que permitan a los usuarios buscar genes, regiones genómicas o elementos funcionales específicos. Esto simplifica el proceso de localización y recuperación de datos genómicos relevantes para su análisis. El navegador NCBI [7] es una herramienta valiosa para la investigación genómica debido a su extensa base de datos, su interfaz fácil de usar y su integración con otras herramientas del NCBI. Proporciona acceso a un conjunto amplio y diverso de bases de datos biológicas, incluida la base de datos GenBank, lo que facilita a los usuarios la búsqueda y recuperación de datos genómicos. Además, la interfaz fácil de usar y las opciones de búsqueda avanzada permiten búsquedas más eficientes, mientras que la integración con otras herramientas del NCBI garantiza una experiencia de búsqueda y recuperación perfecta.
Genómica comparada: algunos navegadores genómicos incluyen funciones para comparar y analizar datos genómicos de diferentes especies o cepas. Esto permite a los investigadores estudiar las relaciones evolutivas, identificar regiones conservadas y comparar ortólogos de genes. Ensembl [8] ofrece herramientas genómicas comparativas avanzadas, incluida la capacidad de comparar estructuras genéticas, alineamientos genómicos y sintenia entre diferentes organismos.
Personalización y anotaciones: puede permitir a los usuarios personalizar la visualización de datos genómicos agregando sus propias anotaciones, pistas o visualizaciones. Esto permite a los investigadores adaptar la interfaz del navegador a sus necesidades e hipótesis de investigación específicas.
Intercambio de datos y colaboración: contiene funciones para compartir datos y colaboración, como la capacidad de compartir sesiones de navegador, guardar personalizaciones o colaborar con otros investigadores en tiempo real. Esto promueve la colaboración y el intercambio de datos entre investigadores. GMOD: GMOD (Base de datos de organismos modelo genéricos) es una colección de herramientas de código abierto para crear y compartir bases de datos de genomas. Proporciona un marco para integrar datos genómicos con otros tipos de datos biológicos, como proteómica y metabolómica, y permite compartir datos y análisis con colaboradores.
Herramientas de análisis: algunos navegadores proporcionan herramientas de análisis, como herramientas para identificar genes expresados diferencialmente, predecir elementos funcionales o realizar otros análisis computacionales de los datos genómicos directamente dentro del entorno del navegador.
↵Las dos imágenes muestran las características y entradas del NCBI Genomic Browser, que es uno de muchos. La imagen de la derecha muestra la región Chr1 del gen humano. El cuadro en la parte inferior resaltado en rojo muestra las opciones personalizables como BLAST, seguimiento por acceso, detalles de ensamblaje, historial y seguimiento/datos de usuario. Estas características pueden ser diferentes en diferentes plataformas genómicas.
El navegador del genoma muestra el genoma como una serie de pistas o capas que se pueden activar o desactivar según las necesidades del usuario. Cada pista representa una característica genómica única, como genes, transcripciones, regiones reguladoras o variaciones de secuencia. El usuario puede acercar y alejar una determinada región del genoma para ver diferentes niveles de detalle o información adicional, así como navegar a regiones específicas usando una función de búsqueda o haciendo clic en una característica específica.
Además de las anotaciones genéticas, los navegadores genómicos pueden mostrar una variedad de tipos de datos diferentes, como por ejemplo:
Secuencia de ADN: se puede mostrar como una única pista lineal o como varias pistas, con diferentes colores que indican características distintas (por ejemplo, exones , intrones y repeticiones).
Datos de variación: esto incluye información sobre polimorfismo de un solo nucleótido (SNP), inserciones/eliminaciones (indeles) y variantes estructurales.
Transcriptómica: contiene información sobre niveles de expresión genética, empalme alternativo y ARN no codificantes.
Proteómica: incluye información sobre los niveles de expresión de proteínas, modificaciones postraduccionales e interacciones proteína-proteína.
Los navegadores de genoma se utilizan en diversos campos de investigación, incluida la bioinformática, la genética y la genómica clínica. Permiten a los investigadores investigar las bases genéticas de las enfermedades, la evolución y otros procesos biológicos. A continuación se muestran algunos ejemplos de cómo se utilizan los exploradores de genoma en diversos campos:
Biología evolutiva : los navegadores de genomas se utilizan para estudiar y comparar los genomas de varios organismos para identificar similitudes y diferencias en la estructura genética, el elemento regulador, la función y la secuencia repetitiva. Esto puede proporcionar una visión evolutiva de la relación entre diferentes especies y también ayudar a identificar la alteración genética que sustenta la adaptación y la especiación, además de proporcionar una visión evolutiva de la relación entre diferentes especies.
Genómica clínica: los exploradores de genoma se utilizan para estudiar las bases genéticas de las enfermedades. Al examinar el genoma de un paciente, los investigadores pueden identificar una mutación genética que puede ser responsable de la enfermedad. Los navegadores del genoma permiten a los investigadores investigar el posible impacto de estas mutaciones en la expresión genética y la función de las proteínas visualizándolas en el contexto del genoma y cómo funcionan las proteínas.