Pan Genoma

A Introdução do Sequenciamento do Pan Genoma

O conceito de pan-genoma abrange a totalidade dos genes presentes em todas as estirpes dentro de uma determinada espécie, oferecendo assim uma perspetiva abrangente sobre a diversidade genética que transcende as limitações das sequências genómicas individuais. Inclui dois componentes principais:

• Genoma Central: Este segmento compreende genes presentes de forma ubíqua em todas as estirpes da espécie. Estes genes essenciais estão tipicamente associados a funções biológicas fundamentais e características fenotípicas primárias, refletindo assim a estabilidade evolutiva da espécie. Por exemplo, em Escherichia coliOs genes essenciais incluem aqueles implicados em processos celulares fundamentais, como a replicação do DNA e a transcrição.
• Genoma Variável (Acessório/Dispensável): Em contraste, este segmento abrange genes que são encontrados apenas em um subconjunto de estirpes ou indivíduos dentro da espécie. Estes genes acessórios frequentemente codificam adaptações específicas ou características únicas, incluindo fatores como resistência a antibióticos ou virulência. Por exemplo, em Streptococcus pneumoniae, os genes acessórios contribuem para variações na patogenicidade e perfis de resistência entre diferentes estirpes.

Através do estudo abrangente do pan-genoma, os investigadores podem obter insights sobre o espectro completo de variabilidade genética dentro de uma espécie, facilitando uma compreensão mais profunda das suas dinâmicas evolutivas, adaptações funcionais e potencial resposta a pressões ambientais.

Figura 1. Composição de um pan-genoma

A busca pela sequenciação do pan-genoma envolve aproveitar sequenciação de alto rendimento tecnologias juntamente com ferramentas de bioinformática sofisticadas. Esta abordagem implica a construção meticulosa de bibliotecas de sequenciamento, seguida pelo sequenciamento abrangente de indivíduos, subespécies ou linhagens dentro de uma espécie. A montagem subsequente dessas sequências leva ao desenvolvimento de um mapa do pan-genoma. Este mapa serve para enriquecer o repositório genético da espécie e permite a investigação de questões biológicas cruciais, contribuindo significativamente para a nossa compreensão da diversidade genética e dos processos evolutivos.

Por que a Pesquisa do Pan-Genoma é Essencial

No extenso curso da evolução, influenciado por fatores geográficos e ambientais, organismos individuais desenvolvem características genéticas altamente únicas. Um único genoma de referência é insuficiente para abranger a informação genética completa de uma espécie inteira. Em outras palavras, confiar apenas num único genoma de referência para estudos sobre domesticação genética e variação pode resultar na perda de conteúdo genómico significativo, uma vez que muitas sequências únicas não estão representadas no genoma de referência.

Além disso, a diminuição do custo do sequenciamento do genoma tornou a investigação do pan-genoma cada vez mais viável nos últimos anos. Esta redução de custos facilita a exploração da diversidade genética a uma profundidade e escala que antes eram inatingíveis. Consequentemente, o estudo dos pan-genomas tornou-se um campo em expansão, oferecendo profundas percepções sobre a complexidade da informação genómica e o potencial adaptativo das espécies.

Diferença Entre o Pan-Genoma e o Genoma Completo

O conceito de genoma completo refere-se ao conjunto total de material genético encontrado dentro de um único indivíduo ou estirpe, normalmente utilizado como referência em investigação genómica. Em contraste, o pan-genoma amalgama informações genéticas de múltiplos indivíduos ou estirpes, oferecendo uma paisagem genética mais holística e abrangente da espécie.

Diferenças Chave

• ÂmbitoO genoma completo delineia a arquitetura genética de uma única estirpe. Em contraste, o pan-genoma encapsula todas as variantes genéticas presentes em várias estirpes, capturando assim um espectro mais amplo e inclusivo de diversidade genética.
• ResoluçãoA análise do pan-genoma elucida variações genéticas que podem permanecer indetectadas quando se confia apenas em um único genoma de referência. Isso abrange genes acessórios únicos que impulsionam características e adaptações específicas de estirpes.

Por exemplo, a análise do pan-genoma de Mycobacterium tuberculosis revela uma considerável variabilidade genética entre diferentes estirpes, um fator de importância primordial para compreender os mecanismos de resistência a medicamentos e para o desenvolvimento de intervenções terapêuticas eficazes.

Vantagens do Pan Genoma

• Enriquecer a informação genómica da espécie através do sequenciamento das subespécies e indivíduos.
• Encontre rapidamente genes ou variações estruturais de genes relacionados a características importantes com base no estudo do genoma variável.
• Estude as diferenças dentro das espécies a partir da perspetiva de sequências genéticas únicas.
• Pequena população, eficiente em termos de custo e tempo.

Aplicações do Pan Genoma

• Evolução das Espécies e FilogenéticaAjuda a traçar relações evolutivas e diversidade genética entre espécies.
• Descoberta e Criação de CaracterísticasIdentifica genes associados a características desejáveis para a melhoria do melhoramento de culturas.
• Pesquisa de PatógenosRevela variações genéticas em patógenos relacionadas com a virulência e resistência, informando as medidas de controlo.
• Estudos Ecológicos e AmbientaisFornece informações sobre as adaptações das espécies a diferentes ambientes e nichos ecológicos.

Fluxo de Trabalho do Pan Genoma

Especificações do Serviço

	Requisitos de Amostra Tipo de Amostra: DNA Genómico; Biblioteca de fragmentos pequenos: ≥1 μg; Biblioteca de fragmentos grandes de 2 Kb a 6 Kb: ≥20 μg; Biblioteca de fragmentos de 10 Kb: ≥30 μg; Bibliotecas de fragmentos grandes de 20 Kb e 40 Kb: ≥60 μg; Para o sequenciamento de genoma completo, a quantidade necessária de DNA da amostra é de aproximadamente 500 μg a 1 mg; Concentração da amostra: Biblioteca de fragmentos pequenos ≥30 ng/μl; Biblioteca de fragmentos grandes: ≥133 ng/μl; Pureza da amostra: a razão OD260/280 deve estar entre 1,8 e 2,0. Todo o DNA deve ser tratado com RNase e não deve apresentar degradação ou contaminação. Nota: Os montantes de amostra são listados apenas para referência. Para informações detalhadas, por favor contacte-nos com os seus pedidos personalizados.
Clique	Estratégia de Sequenciamento Genoma simples (tamanho do genoma <2Gb, heterozigose <0,5%, rácio de sequências repetidas <50%); Genoma complexo (tamanho do genoma >2Gb, heterozigosidade >0,5%, proporção de sequências repetidas >50%); leituras longas ONT leituras ultra-longas ONT Leituras longas contínuas da PacBio (CLRs) Leituras HiFi da PacBio
	Análise Bioinformática Fornecemos múltiplas análises de bioinformática personalizadas: Construção do pan-genoma Avaliação de assembleia Anotação do genoma Anotação de sequência repetida Anotação da função do gene Anotação de RNA não codificante Análise genómica comparativa Análise biológica ...e mais Nota: Os dados recomendados e os conteúdos de análise apresentados são apenas para referência. Para informações detalhadas, por favor contacte-nos com os seus pedidos personalizados.

Pipeline de Análise

Entregáveis

• Os dados de sequenciação originais
• Resultados experimentais
• Relatório de análise de dados
• Detalhes no Pan Genoma para a sua escrita (personalização)

Resultados da Demonstração

Os resultados parciais estão mostrados abaixo:

Referências

1. Liu Y, Du H, Li P, et al. Pan-genoma de soja selvagem e cultivada. Célula2020, 182(1):162-76.
2. Chen J, Liu Y, Liu M, et al. A análise do pangenoma revela variações genómicas associadas a características de domesticação no milheto de escova. Genética da Natureza. 2023, 55(12):2243-54.

Perguntas Frequentes sobre o Pan Genoma

1. Quantas amostras são necessárias para o sequenciamento do pan-genoma?

Um mínimo de dois indivíduos ou subespécies é essencial para iniciar uma análise de pan-genoma. No entanto, para alcançar uma compreensão mais exaustiva da diversidade genética dentro de uma espécie, deve ser considerado um número maior de amostras. A inclusão de amostras adicionais aumenta significativamente a resolução da variação genética e leva a um mapa de pan-genoma mais abrangente.

2. É necessário um genoma de referência para a análise do pan-genoma?

A utilização de um genoma de referência na análise do pan-genoma não é estritamente obrigatória, mas pode ser benéfica. Um genoma de referência serve como um quadro inicial para a anotação de genes e análise comparativa. No entanto, o objetivo principal dos estudos de pan-genoma é descobrir variações genéticas que transcendem o âmbito de um único genoma de referência. Assim, a análise do pan-genoma é projetada para identificar e incorporar a diversidade genética além da representada por qualquer genoma de referência, garantindo uma captura holística da paisagem genómica da espécie.

3. Que tipos de análises são realizadas nos serviços padrão de pan-genoma?

Montagem do Pan-Genoma: Inclui análise do conteúdo de GC, análise da profundidade de sequenciamento e construção de super-scaffolds utilizando genomas de referência.

Anotação Estrutural do Pan-Genoma: Envolve a previsão dos genomas núcleo e acessório, a anotação de sequências repetidas e a identificação de RNAs não codificantes.

Estudos de Caso do Pan Genoma

Análises de pangenoma revelam o impacto de elementos transponíveis e ploidia na evolução das espécies de batata.

Jornal: Atas da Academia Nacional de Ciências
Fator de impacto: 12,779
Publicado: 24 de julho de 2023

Fundo

BatataSolanum tuberosum) é uma cultura global chave com rica diversidade genética. Originando-se nas terras altas dos Andes, abrange múltiplos níveis de ploidia. Este estudo apresenta o pan-genoma de batata mais abrangente, combinando sequências de 296 acessos e identificando 132.355 pangenes. A análise destaca a diversidade genética, adaptação e relações evolutivas dentro da secção Solanum. Petota.

Materiais e Métodos

Resultados

1. O Pangenoma de Solanum Secção Petota

O pangenoma compreende 296 amostras de batata com origens e níveis de ploidia diversos, incluindo 154 Gbp de montagens novas e públicas, resultando em 514.888 contigs e 132.355 modelos de genes.

Fig 1. O Solanum secção Petota pangenoma.

2. Variação PAV em Genes que Codificam Proteínas

A variação nos genes codificadores de proteínas entre amostras é influenciada pela ploidia e pela domesticação, afetando o número de genes e a seleção.

Fig 2. Conteúdo genético dos acessos incluídos no Solanum secção Petota pangenoma baseado em PAV.

3. Agrupamento das Acessões com Base no Conteúdo Genético

A análise filogenética e a PCA identificam clades e subgrupos distintos, refletindo variações no conteúdo genético.

Fig 3. Uma árvore filogenética de máxima verossimilhança construída usando dados de PAV para o Solanum secção Petota pangenoma.

4. A Variação no Conteúdo Genético Distinque Clados e Subgrupos

As diferenças no conteúdo genético são notáveis entre os clados, destacando características evolutivas e de adaptação.

5. Conteúdo de TE no Pangenoma

O pangenoma contém 75,5% de elementos transponíveis, com variação significativa específica de clado e diferenças no conteúdo de TE.

Conclusão

A sobrevivência futura das culturas de batata em meio às alterações climáticas depende da conservação da biodiversidade e da sua integração em novos cultivares. Um pangenoma de 296 acessos de 60 Solanum seção Petota as espécies revelam que o PAV, especialmente a variação de TE, desempenha um papel na especiação e mostra um aumento do conteúdo de TE em materiais propagados in vitro, semelhante à atividade de TE induzida por stress natural.

Referência

1. Bozan I, Achakkagari SR, Anglin NL, et al. Análises do pangenoma revelam o impacto dos elementos transponíveis e da ploidia na evolução das espécies de batata. Atas da Academia Nacional de Ciências. 2023, 120(31):e2211117120.