Read Time:35 Minute

ഡോ.നന്ദു ടി.ജി.

Project Manager

The Institute for Stem Cell Science and Regenerative Medicine (inStem), Bengaluru

പരിണാമപഠനങ്ങൾക്ക് ജീനോമിക്സ് എങ്ങനെ വഴികാട്ടിയാകുന്നു ? ജനിതകവ്യതിയാനത്തിന് കാരണമാകുന്ന ഓരോ ഘടകത്തെയും ജീനോമിക്‌സ് ഉപയോഗിച്ച് എങ്ങനെ വിശകലനം ചെയ്യാം ? എവല്യൂഷണറി ജീനോമിക്‌സിന്റെ സാധ്യതകളും പരിമിതികളും വിശദീകരിക്കുന്ന ലേഖനം. 2024 മാർച്ച് ലക്കം ശാസ്ത്രഗതിയിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചത്.

പരിണാമവും ജീനോമിക്സും

ഒരു ജീവിയുടെ ജനിതക നിർദേശങ്ങളുടെ സമ്പൂർണ്ണ കൂട്ടമാണ് ജീനോം. ഒരു ജീവിയുടെ വളർച്ചയ്ക്കും വികാസത്തിനും പ്രവർത്തനത്തിനും ആവശ്യമായ എല്ലാ വിവരങ്ങളും ഇതിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. ചിലതരം വൈറസുകൾ ഒഴികെ, മിക്ക ജീവികളുടേയും ജീനോം ഡിയോക്‌സിറൈബോന്യൂക്ലിക് ആസിഡ് അഥവാ ഡി എൻ എ എന്ന ജൈവതന്മാത്രകളാൽ നിർമ്മിതമാണ്. ഡി എൻ എ-യുടെ അടിസ്ഥാന ഘടകമാണ് ന്യൂക്ലിയോടൈഡുകൾ.

ജീനോമിനെക്കുറിച്ച് പഠിക്കുന്ന ശാസ്ത്രശാഖയാണ് ജീനോമിക്സ്. ജീനുകളും അതിന്റെ പ്രവർത്തന ഘടകങ്ങളും ഒരു ജീവിയുടെ ജീനോമിൽ എങ്ങനെ ഇടപഴകുന്നു എന്ന് മനസ്സിലാക്കാൻ ഗവേഷകർക്ക് ഈ ശാസ്ത്രശാഖയിലൂടെ സാധിക്കും. ജീനോം സീക്വൻസിങ്/ശ്രേണീകരണം വഴിയാണ് ഒരു ജീവിയുടെ ജനിതക വസ്തുവിന്റെ ക്രമം മനസ്സിലാക്കുന്നത്, അതിനാൽ ശ്രേണീകരണം ജീനോമിക്‌സിന് ഒഴിച്ചുകൂടാനാവാത്ത സാങ്കേതിക വിദ്യയാണ്. അടുത്ത തലമുറ ജനിതക ശ്രേണീകരണ വിദ്യകളുടെ (next generation sequencing technologies-NGS) ആവിർഭാവം ജീനോമിക്‌സിൽ വിപ്ലവകരമായ മാറ്റം കൊണ്ടുവന്നു.

വിവിധ കാലഘട്ടങ്ങളിൽ ജീനോമിനുണ്ടാകുന്ന മാറ്റങ്ങളുടെ ഫലമായാണ് പരിണാമം സംഭവിക്കുന്നത്. ഈ ജനിതക മാറ്റങ്ങൾ എങ്ങനെ പുതിയ സ്പീഷീസുകളുടെയും അനുകൂലനങ്ങളുടെയും (adaptation) ആവിർഭാവത്തിന് കാരണമാകുന്നു എന്ന് മനസ്സിലാക്കാൻ ജീനോമിക്‌സ് ഉപയോഗിച്ചുള്ള പഠനത്തിന് കഴിയും. NGS, ജീനോമിക്‌സിൽ ഉണ്ടാക്കിയ മുന്നേറ്റങ്ങൾ പരിണാമ ഗവേഷണ രംഗത്തും വലിയ തരത്തിലുള്ള അലയൊലികൾ സൃഷ്ടിച്ചു. ദശലക്ഷക്കണക്കിന് ഡി എൻ എ കഷ്ണങ്ങളുടെ സമാന്തര ശ്രേണീകരണം (parallel sequencing) സാധ്യമാക്കിയ NGS, ജീനോമിക്‌സ് അടിസ്ഥാനമാക്കിയ പരിണാമ ഗവേഷണത്തെ അഭൂതപൂർവമായ വേഗത്തിൽ മുന്നോട്ട് ചലിപ്പിച്ചു.

ഒന്നാം തലമുറ ജനിതക ശ്രേണീകരണ വിദ്യയായ സാംഗർ സീക്വൻസിങ് ഉപയോഗിച്ച് ഒറ്റ ജീനോ ജീനോമിന്റെ ചെറിയ വിഭാഗങ്ങളോ മാത്രമേ പഠിക്കാൻ സാധിച്ചിരുന്നുള്ളൂ. ഇത് പരിണാമ ഗവേഷണത്തെ വളരെ ശ്രമകരവും ചെലവേറിയതുമാക്കി. എന്നാൽ NGS-ന്റെ ആവിർഭാവം, വ്യക്തിഗത ജീനോം മുതൽ ഒരു വലിയ സമൂഹത്തിന്റെ ജീനോം വരെ പഠിക്കാൻ ഗവേഷകർക്ക് അവസരം നൽകി. ഇത് പരിണാമ പ്രക്രിയയെക്കുറിച്ച് കൂടുതൽ വിശാലവും കൂടുതൽ വിശദവുമായ ചിത്രം ഗവേഷകർക്ക് നൽകി.

പരിണാമത്തിന് കാരണമാകുന്ന ജനിതക വ്യതിയാനങ്ങളും ജീനോമിക്സും

ഉൽപരിവർത്തനങ്ങൾ (mutations), റാൻഡം ജെനറ്റിക് ഡ്രിഫ്റ്റ് (random genetic drift), പ്രകൃതി നിർധാരണം അഥവാ പ്രകൃത്യാ ഉള്ള തിരഞ്ഞെടുപ്പ് (natural selection), ജീൻ പ്രവാഹം (Gene Flow) എന്നീ ജനിതക വ്യതിയാനങ്ങളാണ് പരിണാമത്തിന്റെ മുഖ്യ പ്രേരകശക്തികൾ. മേല്പറഞ്ഞ പരിണാമത്തിന് കാരണമാകുന്ന പ്രതിഭാസങ്ങളെക്കുറിച്ച് വിലപ്പെട്ട ഉൾക്കാഴ്ചകൾ നൽകുവാൻ ജീനോമിക്‌സിന് സാധിക്കും. കൂടാതെ, പരമ്പരാഗത രീതികളേക്കാൾ വളരെ വേഗത്തിൽ, വലിയ അളവിൽ ജനിതക വ്യതിയാനങ്ങളുമായി ബന്ധപ്പെട്ട വിവരങ്ങൾ ഉൽപാദിപ്പിക്കുവാനും വിശകലനം ചെയ്യാനും ജീനോമിക്‌സ് സങ്കേതങ്ങൾക്ക് സാധിക്കും. ജീവിവർഗങ്ങളുടെ രൂപപെടലിനേയും ജനസംഖ്യയേയും ജനിതക വ്യതിയാനങ്ങൾ എങ്ങനെ സ്വാധീനിക്കുമെന്ന് ജനിതക ശ്രേണീകരണത്തിന്റെ ഫലങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് മനസ്സിലാക്കാൻ കഴിയും. ജനിതക വ്യതിയാനത്തിന് കാരണമാകുന്ന ഓരോ ഘടകത്തെയും ജീനോമിക്‌സ് ഉപയോഗിച്ച് എങ്ങനെ വിശകലനം ചെയ്യാമെന്ന് താഴെ വിശദീകരിച്ചിരിക്കുന്നു.

ഉൽപരിവർത്തനങ്ങൾ അഥവാ മ്യൂട്ടേഷൻസ്

ഒരു ജീവിയുടെ ജീനോമിൽ സംഭവിക്കുന്ന മാറ്റത്തെയാണ് ഉൽപരിവർത്തനം അഥവാ മ്യൂട്ടേഷൻ എന്ന് പറയുന്നത്. ജീനോമിൽ ഉടനീളമുള്ള മ്യൂട്ടേഷനുകൾ വലിയ തോതിൽ തിരിച്ചറിയാനും അവയുടെ വിശദമായ വിശകലനത്തിനും ജീനോം പഠനത്തിന് സാധിക്കും. മ്യൂട്ടേഷനുകളിൽ, സിംഗിൾ ന്യൂക്ലിയോടൈഡ് പോളിമോർഫിസങ്ങൾ (SNPs ന്യൂക്ലിയോടൈഡുകളുടെ ക്രമത്തിലുള്ള ചെറിയ വ്യതിയാനങ്ങൾ), ഇൻഡൽസ് (Insertions and deletions) ഒരു ഡി എൻ എ തന്മാത്രയിൽ ന്യൂക്ലിയോടൈഡുകളുടെ കൂടിച്ചേരലും/നീക്കം ചെയ്യലും), ജനിതക വസ്തുവിന്റെ ഘടനാപരമായ മാറ്റം (structural variations /large scale changes in the genome’s organization) എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്നു. മ്യൂട്ടേഷനുകളുടെ തരങ്ങൾ, ആവൃത്തികൾ (frequency), ജീൻ തലത്തിലും ഫീനോടൈപ്പിലും (പ്രകടരൂപം) ഉണ്ടാകാവുന്ന പ്രത്യാഘാതങ്ങൾ എന്നിവ മ്യുട്ടേഷനുകളുടെ ജീനോമിക വിശകലനത്തിലൂടെ ശാസ്ത്രജ്ഞർക്ക് മനസ്സിലാക്കാൻ കഴിയും.

മ്യൂട്ടേഷൻ നിരക്കുകൾ പ്രവചിക്കുന്നതിനും ജനിതക വൈവിധ്യത്തിൽ പാരിസ്ഥിതിക ഘടകങ്ങളുടെ സ്വാധീനം വിലയിരുത്തുന്നതിനും ജീനോമിക്‌സ്, ശാസ്ത്രജ്ഞരെ സഹായിക്കുന്നു. ജനസംഖ്യാ തലത്തിൽ (population level) അല്ലെങ്കിൽ ജീവിസമൂഹത്തിൽ (population/ഒരേ സ്പീഷീസിൽപെട്ട ജീവികളുടെ കൂട്ടം) വ്യാപരിക്കുന്ന മ്യൂട്ടേഷൻ നിരീക്ഷിക്കാൻ ജീനോമിക്‌സ് ഉപയോഗിക്കുന്നുണ്ട്. പരിണാമത്തിലും അതിജീവനത്തിലും മ്യൂട്ടേഷനുകൾക്കുള്ള സ്വാധീനത്തെക്കുറിച്ച് പഠിക്കാൻ ഇത്തരം നിരീക്ഷണങ്ങൾ ഉപകാരപ്രദമാണ്. കൂടാതെ, ബാക്ടീരിയ, വൈറസ് തുടങ്ങിയ സൂക്ഷ്മാണുക്കളുടെ ജീനോമിക മ്യൂട്ടേഷൻ ഡാറ്റ ഉപയോഗിച്ച് ആന്റിമൈക്രോബിയൽ പ്രതിരോധം (AMR) പോലുള്ള പൊതുജനാരോഗ്യ പ്രശ്‌നങ്ങളെ പുറത്തുകൊണ്ടുവരാൻ സാധിക്കും.

റാൻഡം ജെനറ്റിക് ഡ്രിഫ്റ്റ് അഥവാ പര്യായ ജീനുകളുടെ വിഗതി

ജീവിസമൂഹത്തിലെ (population) യാദൃശ്ചികമായ സംഭവങ്ങൾമൂലം പര്യായ ജീനുകളുടെ/അല്ലീലുകളുടെ (alleles- ലെ ഒരു ജീനിന്റെ വ്യത്യസ്ത രൂപങ്ങൾ) ആവൃത്തിയിൽ സംഭവിക്കുന്ന മാറ്റങ്ങളെയാണ് റാൻഡം ജെനറ്റിക് ഡ്രിഫ്റ്റ്/ പര്യായ ജീനുകളുടെ വിഗതി എന്ന് വിളിക്കുന്നത്. ജനസംഖ്യയിൽ ജെനറ്റിക് ഡ്രിഫ്റ്റിന്റെ സ്വാധീനം പഠിക്കാൻ ജീനോമിക്‌സ് ഉപയോഗപ്രദമാണ്. വ്യത്യസ്ത ജീവിസമൂഹത്തിൽ നിന്നുള്ള ജീവികളുടെ വലിയ തോതിലുള്ള ജീനോമിക് വിവരങ്ങൾ വിശകലനം ചെയ്യുന്നതിലൂടെ, സംഭവിച്ച അല്ലീലിക് ഡ്രിഫ്റ്റിന്റെ അളവ് കണക്കാക്കാൻ ശാസ്ത്രജ്ഞർക്ക് കഴിയും. വൈവിധ്യമാർന്ന ജീവിസമൂഹങ്ങളിൽനിന്ന് ലഭിക്കുന്ന വലിയ അളവിലുള്ള ജീനോമിക് ഡാറ്റ ഉപയോഗിച്ച് ഗവേഷകർക്ക് ക്രോമസോമിനുള്ളിലെ ലക്ഷക്കണക്കിന് സ്ഥാനങ്ങളിൽ (loci) ഉള്ള അല്ലീലുകളുടെ ആവൃത്തി (frequency) നിർണ്ണയിക്കാൻ സാധിക്കും. ഇത് വ്യത്യസ്ത ജീവിസമൂഹങ്ങൾക്കുള്ളിലും ഇടയിലുമുള്ള അല്ലീലിക് മാറ്റങ്ങളുടെ ഒരു സമഗ്ര ചിത്രം നൽകും.

കൂടാതെ, ജെനറ്റിക് ഡ്രിഫ്റ്റിന്റെ ഗതി നിർണ്ണയിക്കാനും ക്രമം, പരിണതഫലങ്ങൾ എന്നിവ തിരിച്ചറിയാനും ജീനോമിക്‌സ് ഗവേഷകരെ സഹായിക്കുന്നു. ജനിതക വൈവിധ്യത്തെയും ജീവിസമൂഹത്തിന്റെ പരിണാമ പാതയെയും സ്വാധീനിക്കുന്ന പ്രക്രിയകളെക്കുറിച്ചുള്ള ശാസ്ത്രലോകത്തിന്റെ ധാരണ വിപുലീകരിക്കാൻ ഈ അറിവ് സഹായിക്കും.

ജീൻ ഫ്‌ളോ അഥവാ ജീൻ പ്രവാഹം

ജീവിസമൂഹങ്ങൾ തമ്മിലുള്ള ജനിതക വസ്തുക്കളുടെ കൈമാറ്റത്തെയാണ് ജീൻ ഫ്‌ളോ/ജീൻ പ്രവാഹം എന്ന് വിളിക്കുന്നത്, ഈ പ്രതിഭാസം ജൈവ വൈവിധ്യത്തിന്റെ പരിണാമത്തിൽ പ്രധാന പങ്ക് വഹിക്കുന്നു. ജീൻ പ്രവാഹത്തിന്റെ തോത് കണക്കാക്കുന്നതിനും അതിനെ പിന്തുടരുന്നതിനും ജീനോമിക്‌സ് സങ്കേതങ്ങൾക്ക് പ്രധാന പങ്ക് വഹിക്കാൻ സാധിക്കും. പുതിയ ജീവിവർഗങ്ങളുടെ രൂപപെടൽ (Speciation), പുതിയ സാഹചര്യങ്ങളുമായുള്ള ജീവജാലങ്ങളുടെ പൊരുത്തപ്പെടൽ (Adaptation/അനുകൂലനം), എന്നിവയെക്കുറിച്ചുള്ള വിലയേറിയ ഉൾക്കാഴ്ചകൾ ജീനോമിക് ഡാറ്റയ്ക്ക് നൽകാനാകും. വ്യത്യസ്ത ജീവിസമൂഹങ്ങളിൽ നിന്നുള്ള ജീവികളുടെ ജീനോമുകൾ വിശകലനം ചെയ്യുന്നതിലൂടെ, ശാസ്ത്രജ്ഞർക്ക് ജീൻ പ്രവാഹത്തിന്റെ അളവ് കണക്കാക്കാൻ കഴിയും. പരിണാമത്തിൽ ജീൻ ഫ്‌ളോയുടെ സ്വാധീനവും പഠിക്കാൻ ഈ വിവരങ്ങൾ ഉപയോഗിക്കാം.

ജീനുകളുടെ പരിണാമ സഞ്ചാരം പിന്തുടരുന്നതിന് ജീനോമിക്‌സിനെ ഉപയോഗപ്പെടുത്താൻ സാധിക്കും. ജീനോമിക പാദമുദ്രകൾ എന്നറിയപ്പെടുന്ന, കഴിഞ്ഞ ജനിതക പ്രവാഹത്തിന്റെ ഫലമായുണ്ടാകുന്ന ജനിതക വ്യതിയാനങ്ങളെ വിശകലനം ചെയ്തുകൊണ്ടാണ് ഇത് ചെയ്യുന്നത്. വിവിധ ജീവിസമൂഹങ്ങളുടെയോ സ്പീഷീസുകളുടെയോ ജനിതക ഘടന താരതമ്യം ചെയ്തുകൊണ്ടാണ് ജീനോമിക പാദമുദ്രകൾ തിരിച്ചറിയാറുള്ളത്. ആദ്യകാല മനുഷ്യ കുടിയേറ്റങ്ങളും അതിന്റെ ഫലമായുണ്ടായ ജീൻ പ്രവാഹവും എങ്ങനെ ആധുനിക മനുഷ്യനെ രൂപപ്പെടുത്തിയെന്ന് മനസ്സിലാക്കാൻ ജീനോമിക പഠനങ്ങൾ വലിയ സംഭാവനകൾ നൽകിയിട്ടുണ്ട്.

പ്രകൃതി നിർധാരണം

ചില വിശേഷഗുണങ്ങൾ പുലർത്തുന്ന ജീവികൾ, മറ്റ് ജീവികളെ അപേക്ഷിച്ച് കൂടുതൽ നിലനിൽക്കാനും പ്രത്യുൽപാദനം നടത്താനുമുള്ള സാധ്യതയുണ്ട്, ഇതിനെയാണ് പ്രകൃത്യാ ഉള്ള തിരഞ്ഞെടുപ്പ്/പ്രകൃതി നിർധാരണം എന്ന് പറയുന്നത്. ഇതിന്റെ ഫലമായി ജീവിത സാഹചര്യങ്ങളോട് കൂടുതൽ പൊരുത്തപ്പെടുന്നതും കൂടുതൽ അതിജീവന ശേഷി ഉള്ളതും അടുത്ത തലമുറയിലേക്ക് അവയുടെ ജീനുകൾ കൈമാറാൻ ശേഷി ഉള്ളതുമായ ജീവികൾ പരിണമിക്കുന്നു.

വിവിധ വർഗങ്ങളിൽ പെട്ട ജീവികളുടെ ജീനോമുകൾ താരതമ്യം ചെയ്യുന്നതിലൂടെ പ്രകൃതി നിർധാരണത്തിന് വിധേയമാകുന്ന ജീനുകളെ തിരിച്ചറിയാൻ കഴിയും. ഈ ജീനുകൾക്ക് ജീവികളുടെ നിലനിൽപ്പിലും അനുരൂപീകരണത്തിലും (adaptation), പുനരുൽപാദനത്തിലും പ്രധാന പങ്ക് വഹിക്കുന്നവയായിരിക്കും. കൂടാതെ, തിരഞ്ഞെടുപ്പിന് പിന്നിലുള്ള പ്രക്രിയക്കുറിച്ച് കൂടുതൽ ഉൾക്കാഴ്ചകൾ നൽകാനും ജീനുകൾ തമ്മിലുള്ള പരസ്പരപ്രവർത്തനം ജീവികളുടെ രൂപത്തിൽ (phenotype) വരുത്തുന്ന മാറ്റങ്ങളെക്കുറിച്ച് പഠിക്കാനും ജീനോമിക്‌സ് ഡാറ്റ ഉപയോഗപ്രദമാണ്. ഉദാഹരണത്തിന്, പ്രകൃതി നിർധാരണത്തിന്റെ ഫലമായി ഉണ്ടാകുന്ന ആന്റിബയോട്ടിക് പ്രതിരോധ ജീനുകളെ കുറിച്ച് മനസ്സിലാക്കാൻ, ജീനോമിക്‌സ് ഡാറ്റ, ഗവേഷകർക്ക് ഉപയോഗപ്രദമാണ്.

പരിണാമ ജീനോമിക്‌സും അതിന്റെ അനുബന്ധ പഠനമേഖലകളും

കാലക്രമത്തിൽ,ഘടനയിലോ വലുപ്പത്തിലോ ഒരു ജീനോം മാറുന്ന പ്രക്രിയയാണ് പരിണാമം.ഈ പ്രക്രിയയെ മനസ്സിലാക്കാൻ പരിണാമ ജീവശാസ്ത്രത്തിന്റെ തത്വങ്ങളും ജീനോമിക്‌സും ഒത്തുചേരുന്ന ഒരു പഠന മേഖലയാണ് പരിണാമ/എവൊല്യൂഷനറി ജീനോമിക്‌സ്. പരിണാമം പഠിക്കുന്നതിനുള്ള വിവിധ സമീപനങ്ങളെ ശാസ്ത്രശാഖ ഉൾക്കൊള്ളുന്നു. പരിണാമ സമ്മർദങ്ങളോടുള്ള പ്രതികരണത്തിൽ ജീനോമുകൾ എങ്ങനെ മാറുന്നുവെന്നും, ഈ മാറ്റങ്ങൾ ജീൻ പ്രവർത്തനത്തെയും ജീവജാലങ്ങളുടെ പ്രകടരൂപങ്ങളെയും എങ്ങനെ ബാധിക്കുന്നു എന്ന് മനസ്സിലാക്കാൻ പരിണാമ ജീനോമിക്‌സ് ശാസ്ത്രസമൂഹത്തെ സഹായിക്കുന്നു.

ഒരു ജീവിയുടെ ജീനോമിന്റെ വിശകലനം, ജീവിവർഗങ്ങളുടെ പരിണാമ ചരിത്രം, അനുകൂലനം, വ്യതിചലനം (divergence) എന്നിവയെക്കുറിച്ച് ഉൾക്കാഴ്ചകൾ നൽകുവാൻ ജീനോമിക്‌സിനാകും. കൂടാതെ, ജൈവവൈവിധ്യത്തിന് പിന്നിലുള്ള തന്മാത്രാ തലത്തിലുള്ള പ്രവർത്തനരീതികളും കാലക്രമത്തിൽ ജീനുകളുടെയും ജീനോമുകളുടെയും പരിണാമത്തിന് കാരണമാകുന്ന പ്രക്രിയകളും മനസ്സിലാക്കൽ എന്നിവ ഇതിന്റെ ലക്ഷ്യങ്ങളാണ്.

ആരോഗ്യം, വിള മെച്ചപ്പെടുത്തൽ തുടങ്ങി മനുഷ്യനെ നേരിട്ട് ബാധിക്കുന്ന പ്രശ്‌നങ്ങൾക്ക് പരിഹാരം കാണാൻ സാധിക്കത്തക്ക വിധത്തിൽ എവൊല്യൂഷനറി ജീനോമിക്‌സിന്റെ പ്രാധാന്യം വർധിച്ചു. ഉദാഹരണത്തിന്, ജനിതക വ്യതിയാനങ്ങളും രോഗങ്ങളും തമ്മിലുള്ള ബന്ധങ്ങൾ കണ്ടെത്തുന്നതിനും അതിൽ പ്രകൃതി നിർധാരണം പോലുള്ള പരിണാമ ഘടകങ്ങൾ ചെലുത്തുന്ന സ്വാധീനം അന്വേഷിക്കുന്നതിനും ജനിതക വ്യതിയാനങ്ങൾക്കായുള്ള സമ്പൂർണ്ണ-ജീനോം പരിശോധന (Genome-Wide Association Study-GWAS) പോലെയുള്ള സങ്കേതങ്ങൾ ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നു.

എവൊല്യൂഷനറി ജീനോമിക്‌സിന്റെ മറ്റ് അനുബന്ധ ശാഖകളും പരിണാമ പഠനത്തിന് സംഭാവനകൾ നൽകുന്നുണ്ട്. പരിണാമ പഠനത്തിന് എവൊല്യൂഷനറി ജീനോമിക്‌സിന് പരിപൂരകമായ ജീനോമിക്‌സിന്റെ മറ്റ് ശാഖകളും പരിണാമ പഠനത്തിൽ അവയ്ക്കുള്ള പ്രാധാന്യവും ചുവടെ വിശദീകരിച്ചിരിക്കുന്നു.

കമ്പാരറ്റീവ് ജീനോമിക്‌സ് അഥവാ ജീനോമുകളുടെ താരതമ്യ പഠനം: താരതമ്യത്തിലൂടെയുള്ള പരിണാമ പഠനം

കമ്പാരറ്റീവ് (താരതമ്യ) ജീനോമിക്‌സ് എന്നത് വാക്ക് സൂചിപ്പിക്കുന്നതുപോലെ വ്യത്യസ്ത ജീവിവർഗങ്ങളുടെ ജീനോം സീക്വൻസുകൾ താരതമ്യം ചെയ്യുന്ന ഒരു പഠന മേഖലയാണ്. വിവിധ ജീവികളുടെ ജീനോം താരതമ്യം ചെയ്യുന്നതിലൂടെ ഗവേഷകർക്ക് ജീനോമുകൾ തമ്മിലുള്ള സാമ്യങ്ങളും വ്യത്യാസങ്ങളും തിരിച്ചറിയാനാകും. കമ്പാരറ്റീവ് ജീനോമിക്‌സിന്റെ മുഖ്യ ലക്ഷ്യം വിവിധ ജീവി വർഗങ്ങൾ എങ്ങനെ പരിണമിച്ചുവെന്ന് മനസ്സിലാക്കുകയും, ജീനോമുകളിലെ, ജീനുകളുടെയും നോൺകോഡിങ് (non coding) മേഖലകളുടെയും, പ്രവർത്തനം നിർണ്ണയിക്കുക എന്നതാണ്. ഇതിലൂടെ ജീവജാലങ്ങളുടെ പരിണാമ ചരിത്രം, പരിണാമത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന പ്രക്രിയകൾ, വിവിധ ജീവികളുടെ ജീനോമുകളുടെ പ്രവർത്തനം, ക്രമീകരണം, എന്നിവ മനസ്സിലാക്കാൻ സാധിക്കും. മനുഷ്യന്റെയും വിവിധ വർഗങ്ങളിൽ ജീവികളുടെയും ജീനോമുകൾ താരതമ്യം ചെയ്യുന്നതിലൂടെ, വ്യത്യസ്ത വർഗത്തിൽപ്പെട്ട ജീവികളുടേയും മനുഷ്യന്റെയും DNAയിൽ കാണുന്ന പരിണാമപരമായി സംരക്ഷിക്കപെട്ട (conserved genes), പൊതുവായി കാണുന്ന, ജീനുകളെക്കുറിച്ച് മനസ്സിലാക്കാൻ കഴിയും.

ജീവജാലങ്ങൾ തമ്മിലുള്ള പരിണാമ ബന്ധങ്ങളും അവയുടെ ഡി എൻ എ-യിലെ അനുബന്ധ വ്യത്യാസങ്ങളും, വിശകലനം ചെയ്യുന്നതിലൂടെ, കാലക്രമത്തിൽ ജീവജാലങ്ങളുടെ രൂപവും വളർച്ചയും പെരുമാറ്റവും എങ്ങനെ മാറിയെന്ന് മനസ്സിലാക്കാൻ ശാസ്ത്രജ്ഞർക്ക് കഴിയും. ജീവികൾ തമ്മിലുള്ള സൂക്ഷ്മമായ വ്യത്യാസങ്ങൾ കണ്ടെത്തുന്നതിലൂടെ, ആരോഗ്യ ശാസ്ത്രം, ജൈവസാങ്കേതിക വിദ്യ, ജന്തു ശാസ്ത്രം, മൃഗ സംരക്ഷണം, കൃഷി തുടങ്ങിയ മേഖലകളിൽ കമ്പാരറ്റീവ് ജീനോമിക്‌സിന് വിപുലമായ സംഭാവനകൾ നൽകാൻ കഴിയും.

മനുഷ്യവികാസം, പെരുമാറ്റം, ഉപാപചയം (metabolism), രോഗ സാധ്യതാ പഠനം തുടങ്ങിയ മേഖലകളിൽ പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യാൻ ഗവേഷകർ കമ്പാരറ്റീവ് ജീനോമിക്‌സ് ഉപയോഗിക്കുന്നുണ്ട്. പെരുമാറ്റം, നാഡികൾ, വികാസപരിണാമം, എന്നിവയുമായി ബന്ധപ്പെട്ട്, വിവിധ സ്പീഷ്യസിൽപ്പെട്ട ജീവികൾ പങ്കിടുന്നതോ ബന്ധമുള്ളതോ ആയ, പുതിയ ജീനുകൾ കണ്ടെത്തുന്നതിന് ഇത്തരത്തിലുള്ള പഠനങ്ങൾക്ക് സാധിക്കും. കൂടാതെ, മനുഷ്യനിലും മറ്റ് സ്പീഷീസിലും പൊതുവായി കാണുന്ന രോഗകാരികളായ ജീനുകളുടെ താരതമ്യപഠനം മനുഷ്യരിലെ രോഗമൂർഛയെക്കുറിച്ച് പുതിയ ഉൾക്കാഴ്ചകൾ നൽകും. ഉദാഹരണത്തിന്, ഏകദേശം 60% ത്തോളം ജീനുകൾ മനുഷ്യരിലും പഴയീച്ചകളിലും പൊതുവായി കാണപ്പെടുന്നു. കൂടാതെ, കാൻസറിന് കാരണമാകുന്ന മനുഷ്യജീനുകളിൽ മൂന്നിൽ രണ്ടും പഴയീച്ചകളിൽ കാണപ്പെടുന്നു. അതിനാൽ, കാൻസർ പഠിക്കാനുള്ള മാതൃകാ ജീവിയായി പഴയീച്ച വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.

പോപ്പുലേഷൻ ജീനോമിക്‌സ്: ജീവി സഞ്ചയത്തിന്റെ ജനിതകം

ഒരു സ്പീഷീസിലെ ജനസംഖ്യയുടെ (population)/ജീവി സമൂഹത്തിന്റെ ജനിതക വ്യതിയാനങ്ങൾ പഠിക്കുന്ന ശാസ്ത്രശാഖയാണ് ജനസംഖ്യാ ജീനോമിക്‌സ്. ഇതിലൂടെ പരിണാമത്തെക്കുറിച്ചും ജനിതകഘടനയെക്കുറിച്ചും ആഴത്തിലുള്ള വിലയിരുത്തലിന് ഗവേഷകരെ ഈ പഠനശാഖ സഹായിക്കുന്നു. ഒരു ജീവിസമൂഹത്തിലെ (population) ജീവികളുടെ (individuals) ജീനോമിക് ഡാറ്റ വിശകലനം ചെയ്യുന്നത്തിലൂടെ ജനിതക വൈവിധ്യം, പ്രകൃതിനിർധാരണം, മറ്റ് പരിണാമ പ്രക്രിയകൾ എന്നിവയുടെ ക്രമം പഠിക്കാൻ സാധിക്കും.

മനുഷ്യന്റെ പൂർവിക പശ്ചാത്തലങ്ങളും അവർ ജീവിച്ചിരുന്ന പരിസ്ഥിതിയുടെ അടിസ്ഥാനത്തിലുള്ള അവയുടെ കാലക്രമേണയുള്ള രൂപവൽക്കരണവും പോപ്പുലേഷൻ ജീനോമിക്‌സ് ഉപയോഗിച്ച് അറിയാൻ കഴിയും. കൂടാതെ, കുടിയേറ്റ ചരിത്രം, രോഗങ്ങൾക്കുള്ള സാധ്യത, എന്നിവ ഈ ശാസ്ത്രശാഖ ഉപയോഗിച്ച് പഠിക്കാൻ കഴിയും. ഉദാഹരണത്തിന്, ജനസംഖ്യാ ജീനോമിക്‌സ് ഉപയോഗിച്ച്, ശാസ്ത്രജ്ഞർക്ക് ചില രോഗങ്ങൾ ചില ജനസമൂഹങ്ങളിൽ എന്തുകൊണ്ടാണ് കൂടുതലായി കാണപ്പെടുന്നതെന്ന് കണ്ടെത്താൻ കഴിയും. ഇത്തരം കണ്ടെത്തലുകൾ രോഗങ്ങൾ തടയുന്നതിനും ചികിത്സിക്കുന്നതിനുമുള്ള, മികച്ച മാർഗങ്ങൾ വികസിപ്പിക്കാൻ സഹായിക്കും.

ഫൈലോ ജീനോമിക്‌സ് അഥവാ വംശജനിതക ജീനോമിക്‌സ്: ജീനോമുകളിലൂടെ ജീവവൃക്ഷത്തെ മനസ്സിലാക്കാനുള്ള പഠനം

ജീവികളുടെ പരിണാമ ചരിത്രം പുനർനിർമ്മിക്കുന്നതിന് പരിണാമ ജീവശാസ്ത്രവും ജീനോമിക്‌സും സംയോജിക്കുന്ന ഒരു ശാസ്ത്രശാഖയാണ് ഫൈലോജെനോമിക്‌സ്. മുഴുവൻ ജീനോമുകളോ ജീനോമുകളുടെ വലിയ ഭാഗങ്ങളോ ഉപയോഗിച്ച് ജീവികളുടെ പരിണാമ ചരിത്രങ്ങൾ പുനർനിർമ്മിക്കുക എന്നതാണ് ഫൈലോജെനോമിക്‌സിന്റെ ലക്ഷ്യം. വൈവിധ്യമാർന്ന ജീവജാലങ്ങളുടെ ജീനോമിക് ഡാറ്റയുടെ വൻതോതിലുള്ള ലഭ്യത, ജീവികൾ തമ്മിലുള്ള പരിണാമ ബന്ധത്തെക്കുറിച്ച് ആഴത്തിലുള്ള അനുമാനങ്ങൾ സൃഷ്ടിക്കപെടുന്നതിന് കാരണമായി. ഇതിന്റെ ഫലമായി കൂടുതൽ വംശജനിതകവിജ്ഞാനീയ കമ്പ്യൂട്ടർ പ്രോഗ്രാമുകൾ വികസിക്കപ്പെട്ടു.

ഒരൊറ്റ ജീനിനേക്കാൾ ജീനോമിക തലത്തിലുള്ള പരിണാമ ബന്ധങ്ങളുടെ ചിത്രം വരച്ചുകാട്ടാനാണ് ഫൈലോ ജീനോമിക്‌സ് ശ്രമിക്കുന്നത്. ജീനോമിക് ഡാറ്റ ഉപയോഗിക്കുന്നതിനാൽ പരമ്പരാഗത ഫൈലോജെനെറ്റിക് രീതികളെ അപേക്ഷിച്ച് ഫൈലോജെനോമിക്‌സ് പരിണാമ ചരിത്രത്തെക്കുറിച്ച് കൂടുതൽ സമ്പന്നവും കൂടുതൽ സമഗ്രവുമായ ചിത്രം നൽകുന്നു. ജീനിന്റെ പ്രവർത്തനം, പരിണാമ ബന്ധങ്ങളുടെ സ്ഥാപനം, ജീനുകളുടെ ഇരട്ടിക്കൽ/നഷ്ടം തുടങ്ങിയവ പഠിക്കൽ, തിരശ്ചീനമായ ജീൻ കൈമാറ്റത്തിന്റ പ്രവചനം/പുനവരലോകനം എന്നിവ ഫൈലോജെനോമിക്‌സിലൂടെ സാധിക്കും.

പാലിയോ ജീനോമിക്‌സും പുരാതന ഡി എൻ എ-യും: ഡി എൻ എയിലൂടെ ഭൂതകാലത്തിന്റെ അനാവരണം

പുരാതന കാലത്ത് ജീവിച്ചിരുന്ന ജീവികളുടെ ഫോസിലുകളിൽ നിന്ന് വേർതിരിച്ചെടുത്ത ഡി എൻ എ ഉപയോഗിച്ച് ജനിതക വിശകലനത്തിലൂടെ ഭൂതകാലത്തിന്റെ രഹസ്യങ്ങൾ അനാവരണം ചെയ്യുന്ന ശാസ്ത്രശാഖയാണ് പുരാതന ജീനോമിക്‌സ്. പുരാതന ഡി എൻ എ-യെ ആധുനിക ജീനോമുകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുന്നതിലൂടെ, ഗവേഷകർക്ക് വംശനാശം സംഭവിച്ച ജീവികളെ പഠിക്കാനും പരിണാമ വംശാവലികളെ പുനർനിർമ്മിക്കാനും വലിയ കാലഘട്ടത്തിൽ ഉണ്ടാകുന്ന ജനസംഖ്യാ മാറ്റങ്ങൾ പിന്തുടരാനും കഴിയും. ആധുനിക ജൈവവൈവിധ്യത്തിന്റെ ഉദ്ഭവത്തിലേക്ക് വെളിച്ചം വീശിക്കൊണ്ട് പാലിയോജെനോമിക്‌സ് കഴിഞ്ഞകാല പരിതസ്ഥിതികളിലേക്കും പരിണാമ പാതകളിലേക്കും ഒരു ജാലകം പ്രദാനം ചെയ്യുന്നു. പുരാതന ജീനോമിക്‌സ് മനുഷ്യന്റെ പരിണാമം, കുടിയേറ്റ രീതികൾ, പുരാതന രോഗാണുക്കൾ/രോഗങ്ങൾ, മൃഗങ്ങളുടെയും സസ്യങ്ങളുടെയും വളർത്തൽ എന്നിവയെക്കുറിച്ചുള്ള ഉൾക്കാഴ്ചകൾ നൽകുന്നു. ആഫ്രിക്കയിൽനിന്ന് ലോകത്തിന്റെ വിവിധ ഭാഗങ്ങളിലേക്കുള്ള കുടിയേറ്റം, നിയാണ്ടർത്താൽ, ഡെനിസോവൻ മനുഷ്യർക്ക് ആധുനിക മനുഷ്യരുമായുള്ള ബന്ധം, ക്ഷയം, പ്ലേഗ് എന്നീ രോഗങ്ങളുടെ പരിണാമം, കാട്ടുചെടികളിൽ നിന്ന് വിളകളിലേക്കുള്ള മാറ്റം എന്നീ കണ്ടെത്തലുകൾക്ക് പുരാതന ജീനോമിക്‌സ് നിർണ്ണായകമായ സംഭാവനകൾ നൽകിയിട്ടുണ്ട്.

എവൊല്യൂഷനറി ജീനോമിക്‌സ്: പരിമിതികൾ

ഇപ്പോൾ ലഭ്യമായുള്ള ജീനോമുകൾ ഭൂമിയിലെ ജൈവ വൈവിധ്യത്തെ പൂർണ്ണമായും പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നില്ല. ഒറ്റപ്പെട്ടതോ തീവ്രമായതോ, ആയ സാഹചര്യങ്ങളിൽ വസിക്കുന്ന ജീവിവർഗങ്ങളുടെ ജീനോം ഡാറ്റയുടെ ലഭ്യത വളരെ കുറവാണ്. ഇത് ചില വംശാവലികളുടെ പരിണാമത്തെക്കുറിച്ചുള്ള സമഗ്രചിത്രം ലഭിക്കുന്നതിന് തടസ്സമാകുന്നു. ജീൻ നിയന്ത്രണത്തിലും, മറ്റ് കോശവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട പ്രക്രിയകളിലും പങ്കെടുക്കുന്ന നോൺ-കോഡിങ് ഡി എൻ എ-യുടെ (non-coding DNA) ശ്രേണീകരണ വിവരങ്ങളുടെ കുറഞ്ഞ ലഭ്യത ഇത്തരം ജനിതക പ്രദേശങ്ങളുടെ പരിണാമത്തിന്റെ അറിവിനെ അപൂർണ്ണമാക്കുന്നു. എപ്പിജെനെറ്റിക് മാറ്റങ്ങളെക്കുറിച്ചുള്ള (ഡി എൻ എ ക്രമത്തിൽ മാറ്റം വരുത്താതെ കോശങ്ങൾ ജീൻ പ്രവർത്തനത്തിൽ വരുത്തുന്ന മാറ്റം) പഠനം ജീൻ നിയന്ത്രണവും പരിണാമവും മനസ്സിലാക്കാൻ നിർണ്ണായകമാണ്. പക്ഷേ, എപ്പിജെനെറ്റിക് ഡാറ്റയെ പരിണാമ ജീനോമിക്‌സ് വിശകലനങ്ങളിലേക്ക് സംയോജിപ്പിക്കുന്ന സാങ്കേതിക വിദ്യ ഇപ്പോഴും അതിന്റെ പ്രാരംഭ ഘട്ടത്തിലാണ്. അവസാനമായി ജീനോം മാലിന്യങ്ങൾ തെറ്റായ അനുമാനങ്ങൾക്ക് കാരണമാകാറുണ്ട്. ഉദാഹരണത്തിന്, ആധുനിക ജീവികളുടെ ഡി എൻ എ സാന്നിധ്യം പുരാതന ജീനോം ഡാറ്റയുടെ തെറ്റായ വ്യാഖ്യാനത്തിന് കാരണമാകുന്നു. എന്നാൽ, ജനിതകശ്രേണീകരണ രംഗത്ത് ഇപ്പോഴുണ്ടാകുന്ന പുരോഗതികൾ മുകളിൽ പറഞ്ഞ പരിമിതികളെ തരണം ചെയ്യാൻ ശേഷിയുള്ളവയാണ്.

പരിണാമ ജനിതക പഠനത്തിന് ജീനോമിക്‌സ് നൽകിയ സംഭാവനകൾ നിസ്തുലമാണ്. പുതുതലമുറ ജീനോം ശ്രേണീകരണ സാങ്കേതിക വിദ്യയുടെ വികാസം വലിയ തോതിലുള്ള ജീനോമിക ഡാറ്റയുടെ ലഭ്യതയ്ക്ക് കാരണമായി. ഇത് പരിണാമത്തെക്കുറിച്ചും പരിണാമത്തിന്റെ പ്രേരകശക്തികളായ ജനിതക വ്യതിയാനങ്ങളെക്കുറിച്ചും ആഴത്തിലുള്ള ഉൾക്കാഴ്ചകൾ ലഭിക്കുന്നതിന് കാരണമായി. കൂടാതെ ആരോഗ്യം, കൃഷി, മൃഗപരിപാലനം, ജൈവ വൈവിധ്യ സംരക്ഷണം തുടങ്ങി, മനുഷ്യനെ നേരിട്ട് ബാധിക്കുന്ന മേഖലകളിൽ വിപ്ലവകരമായ മാറ്റങ്ങൾ കൊണ്ടുവരാൻ പരിണാമ ജീനോമിക്‌സിന് കഴിഞ്ഞു.

വളരെ വേഗത്തിൽ വികസിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്ന ഒറ്റകോശ ശ്രേണീകരണം (Single-Cell sequencing), ദീർഘ വായന ശ്രേണീകരണ സാങ്കേതികത വിദ്യ (Long Read Sequencing Technology-third and fourth generation sequencing technology), എവൊല്യൂഷണറി എപ്പിജീനോമിക്‌സ് എന്നിവയ്ക്ക് നിലവിലുള്ള ജീനോമിക്‌സ് സാങ്കേതിക വിദ്യകളുടെ പരിമിതികൾ തരണം ചെയ്യാനും എവൊല്യൂഷനറി ജീനോമിക്‌സിന്റെ ഭാവി രൂപപ്പെടുത്താനും സാധിക്കും.

2024 മാർച്ച് ലക്കം ശാസ്ത്രഗതിയിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചത്

അധികവായനയ്ക്ക്

Slatko, B.E., Gardner, A.F., & Ausu-bel, F. M. (2018). Overview of Next-Generation Sequencing Technologies. Current Protocols in Molecular Biology, 122(1). https://doi.org/10.1002/cpmb.59
Anisimova Editor, M. (n.d.). Evolutionary Genomics Statistical and Computational Methods Second Edition Methods in Molecular Biology 1910. http://www.springer.com/series/7651
Simon, A., & Coop, G. (n.d.). The contribution of gene flow, selection, and genetic drift to five thousand years of human allele frequency change. https://doi.org/10.1101/2023.07.11. 548607
Su, M., Satola, S. W., & Read, T. D. (2019). Genome-Based Prediction of Bacterial Antibiotic Resistance. Journal of Clinical Microbiology, 57(3). https://doi.org/10.1128/JCM.01405-18
Tigano, A., & Friesen, V. L. (2016). Genomics of local adaptation with gene flow. In Molecular Ecology (Vol. 25, Issue 10, pp. 2144-2164). Blackwell Publishing Ltd. https://doi.org/10.1111/mec.13606
Sackton, T.B. (2020). Studying Natural Selection in the Era of Ubiquitous Genomes. In Trends in Genetics (Vol. 36, Issue 10, pp. 792-803). Elsevier Ltd. https://doi.org/10. 1016/j.tig.2020.07.008
Zhang, J. (2023). What Has Geno-mics Taught An Evolutionary Biologist? In Genomics, Proteomics and Bioinformatics (Vol. 21, Issue 1, pp. 1-12). Beij-ing Genomics Institute. https://doi.org/10.1016/j.gpb.2023. 01.005
Ellegren, H. (2008). Comparative genomics and the study of evolution by natural selection. In Molecular Ecology (Vol. 17, Issue 21, pp. 4586-4596). https://doi.org/10.1111/j.1365-294X.2008.03954.x
Saeb, A.T.M., & Al-Naqeb, D. (2016). The Impact of Evolutionary Driving Forces on Human Complex Diseases: A Population Genetics Approach. In Scienti-fica (Vol. 2016). Hindawi Limited. https://doi.org/10.1155/2016/2079704
Shaffer, H. B., & Purugganan, M. D. (2013). Introduction to theme “genomics in ecology, evolution, and systematics.” In Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics (Vol. 44, pp. 1-4). Annual Reviews Inc. https://doi.org/10.1146/annu-rev-ecolsys-081913-123118
Tiwary, B. K. (2020). Evolutionary pan-genomics and applications. In Pan-genomics: Applications, Challenges, and Future Prospects (pp. 65-80). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817076-2.00003-2
Stephan, T., Burgess, S. M., Cheng, H., Danko, C. G., Gill, C. A., Jarvis, E. D., Koepfli, K.-P., Koltes, J. E., Lyons, E., Ronald, P., Ryder, O. A., Schriml, L. M., Soltis, P., Vande-woude, S., Zhou, H., Ostrander, E. A., & Karlsson, E. K. (n.d.). Darwinian genomics and diversity in the tree of life. https://doi.org/10.1073/pnas.2115644119/-/DCSupple-mental
https://www.genome.gov/genetics-glossary/Population-Genomics
https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/Comparative-Genomics-Fact-Sheet#:~: text=Comparative% 20genomics% 20is%20a%20field, genome%20 sequences%20of% 20different%20 species.