Pan-genoma: Definição, Métodos de Sequenciação e Aplicações

Introdução ao Pan Genoma

Um pan-genoma (pangenoma ou supragenoma) é o conjunto total de genes de todas as estirpes dentro de um clado na biologia molecular e genética. É a soma dos genomas de um clado numa perspetiva mais ampla. O pan-genoma é dividido em três secções: um "pan-genoma central" que contém genes encontrados em todos os indivíduos, um "pan-genoma de concha" que contém genes encontrados em duas ou mais estirpes, e um "pan-genoma de nuvem" que possui apenas genes observados em uma estirpe. Alguns autores referem-se ao genoma de nuvem como um "genoma acessório", que contém genes "dispensáveis" encontrados apenas em um subconjunto de estirpes e genes específicos de estirpe. Pelo menos nos genomas de plantas, o termo "dispensável" tem sido questionado, uma vez que os genes acessórios "desempenham um papel importante na evolução do genoma e na complexa interação entre o genoma e o ambiente."

O advento do sequenciamento de próxima geração permitiu uma análise mais aprofundada da diversidade de várias estirpes bacterianas, expandindo assim a nossa compreensão do conceito de espécie. A partir daí, estudos comparativos entre membros da mesma espécie ou género tornaram-se o método mais comum para identificar genes únicos e genes partilhados entre duas ou mais espécies, bem como para caracterizar todos os genes partilhados entre todos os indivíduos (genes homólogos) avaliados. Este método é conhecido como pan-genoma, e atualmente utiliza uma variedade de ferramentas de bioinformática, bem como uma variedade de abordagens computacionais para identificar dados genómicos e o conjunto de genes que representam um determinado táxon. Estudos de pan-genoma e suas várias técnicas têm sido até utilizados em eucariotos, particularmente em humanos, para compreender melhor a variabilidade genética que existe entre indivíduos.

Métodos de Sequenciação Utilizados em Estudos Pangenómicos

Sequenciação em Tempo Real de Molécula Única (SMRT) e Sequenciação por Nanoporos atualmente estão a comercializar tecnologias de sequenciação de moléculas únicas e leituras longas. A Sequenciação SMRT permite (1) o cultivo de pan-genomas para classificar a completa diversidade genética dentro de uma espécie, (2) a inovação de genomas de referência específicos de população para impulsionar a medicina de precisão e (3) a configuração de genomas microbianos quase completos e os seus plasmídeos numa única experiência utilizando sequenciação de genoma completo para montagem de novo. Enquanto metodologias baseadas em abordagens de sequenciação de leituras curtas também estão a ser estabelecidas para oferecer informações a nível de molécula única de longo alcance—por exemplo, a metodologia de leitura ligada da 10x Genomics.

Figura 1. Uma Abordagem de Pan-Genoma de Referência para Genómica Bacteriana Comparativa. (Méric, 2014)

Aplicações do Pangenoma

Para a análise pan-genómica, foram utilizados uma variedade de ferramentas de bioinformática, que podem ajudar a definir espécies. Pode ser viável redefinir espécies e classificá-las com base no seu conteúdo genómico, analisando todos os dados genómicos. Desde a última década, as análises pan-genómicas abriram caminho para que os investigadores criem vacinas universais que possam proteger contra todas as estirpes de uma espécie ou até mesmo contra várias espécies relacionadas.

O campo da pan-genómica patogénica foi revolucionado pelos recentes avanços na tecnologia de sequenciação do genoma, que também influenciou a gestão de doenças em explorações aquícolas. A diversidade filogenómica e as possíveis tendências evolutivas das estirpes de patógenos bacterianos aquáticos serão deduzidas através da análise rotineira do pan-genoma de patógenos aquáticos derivados do genoma, bem como os mecanismos de patogénese, incluindo os padrões estimados de transmissão de patógenos em escalas epidemiológicas.

Referências:

1. Sherman RM, Salzberg SL. Pan-genómica na era do genoma humano. Nature Reviews Genetics. Abril de 2020; 21(4).
2. Tiwary BK. Pan-genómica evolutiva e aplicações. Em Pan-genómica: Aplicações, Desafios e Perspetivas Futuras 1 de janeiro de 2020. Academic Press.
3. Méric G, Yahara K, Mageiros L, et al.Uma abordagem de pan-genoma de referência para a genómica bacteriana comparativa: identificação de novos marcadores epidemiológicos em Campylobacter patogénico. PloS one2014 Mar 27;9(3).