10.3 علم الجينوم والبروتيوميات
أهداف التعلم
بنهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:- تعريف علم الجينوم وعلم البروتيوميات
- تعريف تسلسل الجينوم الكامل
- شرح التطبيقات المختلفة لعلم الجينوم وعلم البروتيوميات
بدأت دراسة الأحماض النووية باكتشاف الحمض النووي (DNA)، وتطورت إلى دراسة الجينات والشظايا الصغيرة، وقد توسعت الآن لتشمل مجال علم الجينوم (genomics). علم الجينوم هو دراسة الجينومات بأكملها، بما في ذلك المجموعة الكاملة من الجينات، وتسلسلاتها النيوكليوتيدية وتنظيمها، وتفاعلاتها داخل النوع الواحد ومع الأنواع الأخرى. أصبحت التطورات في علم الجينوم ممكنة بفضل تقنية تسلسل الحمض النووي (DNA). وكما أدت تكنولوجيا المعلومات إلى خرائط جوجل التي تمكننا من الحصول على معلومات مفصلة حول المواقع في جميع أنحاء العالم، تُستخدم المعلومات الجينومية لإنشاء خرائط مماثلة للحمض النووي (DNA) للكائنات الحية المختلفة.
رسم خرائط الجينومات
رسم خرائط الجينوم هو عملية تحديد مواقع الجينات على كل صبغي (كروموسوم). الخرائط التي يتم إنشاؤها قابلة للمقارنة بالخرائط التي نستخدمها للتنقل في الشوارع. الخريطة الوراثية (genetic map) هي رسم توضيحي يسرد الجينات ومواقعها على الصبغي. توفر الخرائط الوراثية الصورة الكبيرة (على غرار خريطة الطرق السريعة بين الولايات) وتستخدم الواسمات الوراثية (على غرار المعالم). الواسم الوراثي هو جين أو تسلسل على صبغي يظهر ارتباطًا وراثيًا بصفة ذات أهمية. يميل الواسم الوراثي إلى أن يورث مع الجين ذي الأهمية، وأحد مقاييس المسافة بينهما هو تكرار إعادة التركيب أثناء الانقسام المنصف. أطلق علماء الوراثة الأوائل على هذا اسم تحليل الارتباط.
الخرائط الفيزيائية (Physical maps) تتعمق في التفاصيل الدقيقة لمناطق أصغر من الصبغيات (على غرار خريطة طريق مفصلة) (شكل 10.11). الخريطة الفيزيائية هي تمثيل للمسافة الفيزيائية، بالنيوكليوتيدات، بين الجينات أو الواسمات الوراثية. كل من خرائط الارتباط الوراثي والخرائط الفيزيائية ضرورية لبناء صورة كاملة للجينوم. إن وجود خريطة كاملة للجينوم يسهل على الباحثين دراسة الجينات الفردية. تساعد خرائط الجينوم البشري الباحثين في جهودهم لتحديد الجينات المسببة للأمراض البشرية المتعلقة بأمراض مثل السرطان وأمراض القلب والتليف الكيسي، على سبيل المثال لا الحصر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام رسم خرائط الجينوم للمساعدة في تحديد الكائنات الحية ذات الصفات المفيدة، مثل الميكروبات التي لديها القدرة على تنظيف الملوثات أو حتى منع التلوث. قد يؤدي البحث الذي يتضمن رسم خرائط جينوم النبات إلى طرق تنتج غلات محاصيل أعلى أو إلى تطوير نباتات تتكيف بشكل أفضل مع تغير المناخ.
توفر الخرائط الوراثية الخطوط العريضة، بينما توفر الخرائط الفيزيائية التفاصيل. من السهل فهم سبب أهمية كلا النوعين من تقنيات رسم خرائط الجينوم لإظهار الصورة الكبيرة. تُستخدم المعلومات التي يتم الحصول عليها من كل تقنية بالاشتراك لدراسة الجينوم. يُستخدم رسم خرائط الجينوم مع الكائنات النموذجية المختلفة التي تُستخدم للبحث. لا يزال رسم خرائط الجينوم عملية مستمرة، ومع تطوير تقنيات أكثر تقدمًا، يُتوقع المزيد من التقدم. يشبه رسم خرائط الجينوم إكمال أحجية معقدة باستخدام كل قطعة بيانات متاحة. يتم إدخال معلومات رسم الخرائط التي يتم إنشاؤها في المختبرات في جميع أنحاء العالم في قواعد بيانات مركزية، مثل المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية (NCBI). تُبذل الجهود لجعل المعلومات أكثر سهولة في الوصول إليها للباحثين والجمهور العام. وكما نستخدم أنظمة تحديد المواقع العالمية بدلاً من الخرائط الورقية للتنقل عبر الطرق، يسمح لنا NCBI باستخدام أداة عرض الجينوم لتبسيط عملية استخراج البيانات.
رابط للتعلم
الوراثة المندلية البشرية عبر الإنترنت (OMIM) هو فهرس إلكتروني قابل للبحث للجينات البشرية والاضطرابات الوراثية. يعرض هذا الموقع رسم خرائط الجينوم، ويفصل أيضًا تاريخ وبحث كل صفة واضطراب. انقر على الرابط للبحث عن الصفات (مثل استخدام اليد) والاضطرابات الوراثية (مثل السكري).
تسلسل الجينوم الكامل
على الرغم من التقدم الكبير في العلوم الطبية في السنوات الأخيرة، لا يزال الأطباء في حيرة من أمر العديد من الأمراض، ويستخدم الباحثون تسلسل الجينوم الكامل (Whole genome sequencing) للوصول إلى جوهر المشكلة. تسلسل الجينوم الكامل هو عملية تحدد تسلسل الحمض النووي (DNA) للجينوم بأكمله. يعتبر تسلسل الجينوم الكامل نهجًا قويًا لحل المشكلات عندما يكون هناك أساس وراثي في جوهر المرض. توفر العديد من المختبرات الآن خدمات لتسلسل الجينومات بأكملها وتحليلها وتفسيرها.
في عام 2010، استُخدم تسلسل الجينوم الكامل لإنقاذ صبي صغير كانت أمعاؤه تعاني من خراجات غامضة متعددة. خضع الطفل لعدة عمليات في القولون دون جدوى. أخيرًا، كشف تسلسل الجينوم الكامل عن خلل في مسار يتحكم في الاستماتة (موت الخلية المبرمج). استُخدم زرع نخاع العظم للتغلب على هذا الاضطراب الوراثي، مما أدى إلى شفاء الصبي. كان أول شخص يتم تشخيصه بنجاح باستخدام تسلسل الجينوم الكامل.
كانت الجينومات الأولى التي تم تسلسلها، مثل تلك التي تنتمي إلى الفيروسات والبكتيريا والخميرة، أصغر من حيث عدد النيوكليوتيدات من جينومات الكائنات الحية متعددة الخلايا. تُعرف الآن جينومات الكائنات النموذجية الأخرى، مثل الفأر (Mus musculus)، وذبابة الفاكهة (Drosophila melanogaster)، والديدان الأسطوانية (Caenorhabditis elegans). يُجرى قدر كبير من البحث الأساسي على الكائنات النموذجية (model organisms) لأنه يمكن تطبيق المعلومات على كائنات حية أخرى. الكائن النموذجي هو نوع يُدرس كنموذج لفهم العمليات البيولوجية في الأنواع الأخرى التي يمكن تمثيلها بواسطة الكائن النموذجي. على سبيل المثال، تستطيع ذبابات الفاكهة استقلاب الكحول مثل البشر، لذلك تمت دراسة الجينات التي تؤثر على الحساسية للكحول في ذبابات الفاكهة في محاولة لفهم التباين في الحساسية للكحول لدى البشر. يساعد تسلسل الجينومات بأكملها في جهود البحث في هذه الكائنات النموذجية (شكل 10.12).
نُشر أول تسلسل للجينوم البشري في عام 2003. يتزايد عدد الجينومات الكاملة التي تم تسلسلها باطراد ويشمل الآن مئات الأنواع وآلاف الجينومات البشرية الفردية.
تطبيقات علم الجينوم
لقد أدى إدخال تسلسل الحمض النووي (DNA) ومشاريع تسلسل الجينوم الكامل، وخاصة مشروع الجينوم البشري، إلى توسيع قابلية تطبيق معلومات تسلسل الحمض النووي (DNA). يُستخدم علم الجينوم الآن في مجموعة واسعة من المجالات، مثل الميتاجينوميات، وعلم الجينوم الدوائي، وعلم جينوم الميتوكوندريا. التطبيق الأكثر شيوعًا لعلم الجينوم هو فهم الأمراض وإيجاد علاجات لها.
التنبؤ بخطر الإصابة بالأمراض على المستوى الفردي
يتضمن التنبؤ بخطر الإصابة بالأمراض فحص وتحديد الأفراد الأصحاء حاليًا عن طريق تحليل الجينوم على المستوى الفردي. يمكن التوصية بالتدخل بتغييرات في نمط الحياة والأدوية قبل ظهور المرض. ومع ذلك، فإن هذا النهج هو الأكثر قابلية للتطبيق عندما تنشأ المشكلة من طفرة جينية واحدة. لا تمثل هذه العيوب سوى حوالي 5 بالمائة من الأمراض الموجودة في البلدان المتقدمة. معظم الأمراض الشائعة، مثل أمراض القلب، متعددة العوامل أو متعددة الجينات، وهو ما يشير إلى سمة ظاهرية تحددها جينان أو أكثر، وكذلك عوامل بيئية مثل النظام الغذائي. في أبريل 2010، نشر علماء في جامعة ستانفورد تحليل الجينوم لفرد سليم (Stephen Quake، عالم في جامعة ستانفورد، الذي تم تسلسل جينومه)؛ وتنبأ التحليل بميله لاكتساب أمراض مختلفة. تم إجراء تقييم للمخاطر لتحليل نسبة خطر Quake للإصابة بـ 55 حالة طبية مختلفة. تم العثور على طفرة وراثية نادرة أظهرت أنه معرض لخطر الإصابة بنوبة قلبية مفاجئة. كما توقع أن يكون لديه خطر بنسبة 23 بالمائة للإصابة بسرطان البروستاتا وخطر بنسبة 1.4 بالمائة للإصابة بمرض الزهايمر. استخدم العلماء قواعد البيانات والعديد من المنشورات لتحليل البيانات الجينومية. على الرغم من أن تسلسل الجينوم أصبح ميسور التكلفة بشكل أكبر وأدوات التحليل أصبحت أكثر موثوقية، إلا أن القضايا الأخلاقية المحيطة بتحليل الجينوم على مستوى السكان لا تزال بحاجة إلى المعالجة. على سبيل المثال، هل يمكن استخدام هذه البيانات بشكل مشروع لفرض رسوم تأمين أكثر أو أقل أو للتأثير على التصنيفات الائتمانية؟
تحرير الجينات
لآلاف السنين، انخرط البشر في مستوى معين من التحكم في الجينات والوراثة فيما يتعلق بالنباتات والحيوانات التي نعتمد عليها. توجد التكنولوجيا الآن لممارسة هذا التحكم بشكل مباشر أكثر عن طريق تغيير الحمض النووي (DNA) للكائنات الحية بدقة. يُشار إلى هذه التقنية عادةً باسم CRISPR، لأجزاء الحمض النووي (DNA) التي تستهدفها: "تكرارات متناظرة قصيرة متباعدة بانتظام ومتجمعة". في الأساس، يحتوي الحمض النووي (DNA) على تسلسلات متكررة مع "فواصل" بينها. إن نوكليازات CRISPR المرتبطة (المعروفة باسم "Cas") هي إنزيمات يمكنها تحديد الشريط والالتصاق به وقصه في مواقع دقيقة. في عام 2012، طورت Jennifer Doudna و Emmanuelle Charpentier طريقة لدمج نوكلياز Cas مع "الحمض النووي الريبي (RNA) الموجه" المنتج صناعيًا والذي يقود النوكلياز إلى مواقع مختارة على شريط الحمض النووي (DNA). أحدث هذا الاكتشاف ثورة في تحرير الجينات. استخدم الباحثون في جميع أنحاء العالم CRISPR للتلاعب بالحمض النووي (DNA) الفعلي للنباتات والحيوانات وخطوط الخلايا المخبرية والمرضى البشريين (في التجارب). حصلت Doudna و Charpentier على جائزة نوبل لعملهما.
يُعد تحرير الجينات واعدًا للغاية لأنه يمكن استخدامه تجريبيًا لفهم الأمراض أو القيود الكائنية، ثم تطبيقه للتغلب على هذه المشكلات. على سبيل المثال، في تجربة بشرية، أُزيلت الخلايا السرطانية من شخص، وتم تحريرها لإزالة خصائصها السرطانية على مستوى الحمض النووي (DNA)، وأُعيد إدخالها إلى المريض حتى تتمكن تلك الخلايا المحررة الآن من التكاثر واستبدال الخلايا السرطانية. يزيد استخدام خلايا الشخص نفسه من احتمالية القبول والنجاح.
مثل تطبيقات علم الجينوم الأخرى، تثير إمكانية تحرير الجينات مباشرة عددًا من القضايا الأخلاقية. تدعم كل من Doudna و Charpentier، بالإضافة إلى العديد من مهندسي الجينات الآخرين، تطبيقات CRISPR معينة فقط. وتضع العديد من الحكومات والكيانات الأخرى إرشادات صارمة بشأن استخدامات هذه التكنولوجيا القوية.
دراسات الارتباط على مستوى الجينوم
منذ عام 2005، أصبح من الممكن إجراء نوع من الدراسات يسمى دراسة الارتباط على مستوى الجينوم، أو GWAS. GWAS هي طريقة تحدد الاختلافات بين الأفراد في تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs) التي قد تكون متورطة في التسبب في الأمراض. هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص للأمراض التي قد تتأثر بتغيير جيني واحد أو العديد من التغييرات الجينية عبر الجينوم. من الصعب جدًا تحديد الجينات المتورطة في مثل هذا المرض باستخدام معلومات التاريخ العائلي. تعتمد طريقة GWAS على قاعدة بيانات وراثية قيد التطوير منذ عام 2002 تسمى مشروع HapMap الدولي. قام مشروع HapMap بتسلسل جينومات عدة مئات من الأفراد من جميع أنحاء العالم وحدد مجموعات من SNPs. تتضمن المجموعات SNPs التي تقع بالقرب من بعضها البعض على الصبغيات، لذا تميل إلى البقاء معًا من خلال إعادة التركيب. حقيقة أن المجموعة تبقى معًا تعني أن تحديد SNP واحد كواسم هو كل ما يلزم لتحديد جميع SNPs في المجموعة. هناك عدة ملايين من SNPs تم تحديدها، ولكن تحديدها في الأفراد الآخرين الذين لم يتم تسلسل جينومهم بالكامل أسهل بكثير لأنه لا يلزم سوى تحديد SNPs الواسمة.
في تصميم شائع لدراسة GWAS، يتم اختيار مجموعتين من الأفراد؛ مجموعة مصابة بالمرض، والمجموعة الأخرى غير مصابة. يتم مطابقة الأفراد في كل مجموعة في خصائص أخرى لتقليل تأثير المتغيرات المربكة التي تسبب اختلافات بين المجموعتين. على سبيل المثال، قد تختلف الأنماط الجينية لأن المجموعتين مأخوذتان في الغالب من أجزاء مختلفة من العالم. بمجرد اختيار الأفراد، وعادة ما يكون عددهم ألفًا أو أكثر لكي تنجح الدراسة، يتم الحصول على عينات من الحمض النووي (DNA) الخاص بهم. يتم تحليل الحمض النووي (DNA) باستخدام أنظمة آلية لتحديد اختلافات كبيرة في نسبة SNPs معينة بين المجموعتين. غالبًا ما تفحص الدراسة مليون أو أكثر من SNPs في الحمض النووي (DNA). يمكن استخدام نتائج GWAS بطريقتين: يمكن استخدام الاختلافات الجينية كواسمات للاستعداد للمرض لدى الأفراد غير المشخصين، ويمكن أن تكون الجينات المحددة أهدافًا للبحث في المسار الجزيئي للمرض والعلاجات المحتملة. من النتائج الفرعية لاكتشاف ارتباطات الجينات بالأمراض تشكيل شركات تقدم ما يسمى بـ "علم الجينوم الشخصي" الذي سيحدد مستويات المخاطر لأمراض مختلفة بناءً على مجموعة SNPs لدى الفرد. العلم وراء هذه الخدمات مثير للجدل.
نظرًا لأن GWAS تبحث عن ارتباطات بين الجينات والأمراض، فإن هذه الدراسات توفر بيانات لأبحاث أخرى حول الأسباب، بدلاً من الإجابة على أسئلة محددة بحد ذاتها. لا يعني الارتباط بين اختلاف جيني ومرض بالضرورة وجود علاقة سبب ونتيجة. ومع ذلك، قدمت بعض الدراسات معلومات مفيدة حول الأسباب الوراثية للأمراض. على سبيل المثال، حددت ثلاث دراسات مختلفة في عام 2005 جينًا لبروتين يشارك في تنظيم الالتهاب في الجسم ويرتبط بمرض يسبب العمى يسمى التنكس البقعي المرتبط بالعمر. وقد فتح هذا آفاقًا جديدة للبحث في سبب هذا المرض. تم تحديد عدد كبير من الجينات المرتبطة بمرض Crohn’s باستخدام GWAS، وقد اقترحت بعض هذه الجينات آليات افتراضية جديدة لسبب المرض.
علم الجينوم الدوائي
يتضمن علم الجينوم الدوائي (Pharmacogenomics) تقييم فعالية وسلامة الأدوية بناءً على معلومات من التسلسل الجينومي للفرد. يمكن استخدام معلومات تسلسل الجينوم الشخصي لوصف الأدوية التي ستكون الأكثر فعالية والأقل سمية بناءً على النمط الجيني للمريض الفردي. يمكن أن توفر دراسة التغيرات في التعبير الجيني معلومات حول ملف نسخ الجينات في وجود الدواء، والذي يمكن استخدامه كمؤشر مبكر لاحتمال حدوث آثار سامة. على سبيل المثال، الجينات المشاركة في النمو الخلوي وموت الخلية المتحكم فيه، عند اضطرابها، يمكن أن تؤدي إلى نمو الخلايا السرطانية. يمكن أن تساعد الدراسات على مستوى الجينوم أيضًا في العثور على جينات جديدة متورطة في سمية الأدوية. قد لا تكون البصمات الجينية دقيقة تمامًا، ولكن يمكن اختبارها بشكل أكبر قبل ظهور الأعراض المرضية.
الميتاجينوميات
تقليديًا، كان علم الأحياء الدقيقة يُدرّس من منظور أن الكائنات الدقيقة تُدرس بشكل أفضل في ظروف المزرعة النقية، والتي تتضمن عزل نوع واحد من الخلايا وزراعته في المختبر. نظرًا لأن الكائنات الدقيقة يمكن أن تمر بعدة أجيال في غضون ساعات قليلة، فإن ملفات التعبير الجيني الخاصة بها تتكيف مع بيئة المختبر الجديدة بسرعة كبيرة. من ناحية أخرى، تقاوم العديد من الأنواع الزراعة في عزلة. لا تعيش معظم الكائنات الدقيقة ككيانات معزولة، بل في مجتمعات ميكروبية تُعرف باسم الأغشية الحيوية. لكل هذه الأسباب، ليست المزرعة النقية دائمًا أفضل طريقة لدراسة الكائنات الدقيقة. الميتاجينوميات (Metagenomics) هي دراسة الجينومات الجماعية للأنواع المتعددة التي تنمو وتتفاعل في بيئة معينة. يمكن استخدام الميتاجينوميات لتحديد أنواع جديدة بسرعة أكبر ولتحليل تأثير الملوثات على البيئة (شكل 10.13). يمكن الآن أيضًا تطبيق تقنيات الميتاجينوميات على مجتمعات حقيقيات النوى العليا، مثل الأسماك.
إنشاء وقود حيوي جديد
يُستخدم علم الجينوم للكائنات الدقيقة لإيجاد طرق أفضل لتسخير الوقود الحيوي من الطحالب والبكتيريا الزرقاء. المصادر الرئيسية للوقود اليوم هي الفحم والنفط والخشب ومنتجات نباتية أخرى مثل الإيثانول. على الرغم من أن النباتات موارد متجددة، لا تزال هناك حاجة لإيجاد المزيد من مصادر الطاقة المتجددة البديلة لتلبية متطلبات الطاقة لسكاننا. العالم الميكروبي هو أحد أكبر الموارد للجينات التي تشفر إنزيمات جديدة وتنتج مركبات عضوية جديدة، ولا يزال غير مستغل إلى حد كبير. يحمل هذا المورد الوراثي الهائل القدرة على توفير مصادر جديدة للوقود الحيوي (شكل 10.14).
علم جينوم الميتوكوندريا
الميتوكوندريا هي عضيات داخل خلوية تحتوي على الحمض النووي (DNA) الخاص بها. يتحور الحمض النووي للميتوكوندريا بمعدل سريع وغالبًا ما يستخدم لدراسة العلاقات التطورية. ميزة أخرى تجعل دراسة جينوم الميتوكوندريا مثيرة للاهتمام هي أنه في معظم الكائنات الحية متعددة الخلايا، ينتقل الحمض النووي للميتوكوندريا من الأم أثناء عملية الإخصاب. لهذا السبب، غالبًا ما يستخدم علم جينوم الميتوكوندريا لتتبع الأنساب.
علم الجينوم في التحليل الجنائي
استُخدمت المعلومات والقرائن التي تم الحصول عليها من عينات الحمض النووي (DNA) الموجودة في مسارح الجريمة كأدلة في قضايا المحاكم، واستُخدمت الواسمات الوراثية في التحليل الجنائي. أصبح التحليل الجينومي مفيدًا أيضًا في هذا المجال. في عام 2001، نُشر أول استخدام لعلم الجينوم في الطب الشرعي. كان جهدًا تعاونيًا بين المؤسسات البحثية الأكاديمية ومكتب التحقيقات الفيدرالي (FBI) لحل القضايا الغامضة للجمرة الخبيثة (شكل 10.15) التي نُقلت عن طريق خدمة البريد الأمريكية (US Postal Service). حُولت بكتيريا الجمرة الخبيثة إلى مسحوق معدٍ وأُرسلت بالبريد إلى وسائل الإعلام واثنين من أعضاء مجلس الشيوخ الأمريكيين. أصاب المسحوق الموظفين الإداريين وعمال البريد الذين فتحوا الرسائل أو تعاملوا معها. توفي خمسة أشخاص، وأصيب 17 بالمرض من البكتيريا. باستخدام علم الجينوم الميكروبي، حدد الباحثون أن سلالة معينة من الجمرة الخبيثة استُخدمت في جميع الرسائل؛ وفي النهاية، تم تتبع المصدر إلى عالم في مختبر دفاع بيولوجي وطني في Maryland.
علم الجينوم في الزراعة
يمكن لعلم الجينوم أن يقلل من التجارب والإخفاقات المتضمنة في البحث العلمي إلى حد معين، مما قد يحسن جودة وكمية غلات المحاصيل في الزراعة (شكل 10.16). يساعد ربط الصفات بالجينات أو البصمات الجينية على تحسين تربية المحاصيل لتوليد هجائن ذات أفضل الصفات المرغوبة. يستخدم العلماء البيانات الجينومية لتحديد الصفات المرغوبة، ثم ينقلون تلك الصفات إلى كائن حي مختلف لإنشاء كائن حي معدّل وراثيًا جديد، كما هو موضح في الوحدة السابقة. يكتشف العلماء كيف يمكن لعلم الجينوم تحسين جودة وكمية الإنتاج الزراعي. على سبيل المثال، يمكن للعلماء استخدام الصفات المرغوبة لإنشاء منتج مفيد أو تعزيز منتج موجود، مثل جعل محصول حساس للجفاف أكثر تحملًا للموسم الجاف.
علم البروتيوميات
البروتينات هي النواتج النهائية للجينات التي تؤدي الوظيفة المشفرة بواسطة الجين. تتكون البروتينات من أحماض أمينية وتلعب أدوارًا مهمة في الخلية. جميع الإنزيمات (باستثناء الريبوزيمات) هي بروتينات وتعمل كمحفزات تؤثر على معدل التفاعلات. البروتينات هي أيضًا جزيئات تنظيمية، وبعضها هرمونات. تساعد بروتينات النقل، مثل الهيموغلوبين، في نقل الأكسجين إلى أعضاء مختلفة. الأجسام المضادة التي تدافع ضد الجسيمات الغريبة هي أيضًا بروتينات. في حالة المرض، يمكن أن تتأثر وظيفة البروتين بسبب التغيرات على المستوى الجيني أو بسبب التأثير المباشر على بروتين معين.
البروتيوم هو المجموعة الكاملة من البروتينات التي تنتجها خلية معينة. يمكن دراسة البروتيومات باستخدام معرفة الجينومات لأن الجينات تشفر الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA)، والحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) يشفر البروتينات. تُسمى دراسة وظيفة البروتينات علم البروتيوميات (proteomics). يكمل علم البروتيوميات علم الجينوم وهو مفيد عندما يرغب العلماء في اختبار فرضياتهم التي استندت إلى الجينات. على الرغم من أن جميع الخلايا في الكائن الحي متعدد الخلايا تحتوي على نفس المجموعة من الجينات، فإن مجموعة البروتينات المنتجة في الأنسجة المختلفة تختلف وتعتمد على التعبير الجيني. وبالتالي، فإن الجينوم ثابت، لكن البروتيوم يتغير وديناميكي داخل الكائن الحي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تضفير الحمض النووي الريبي (RNA) بشكل بديل (قصه ولصقه لإنشاء تركيبات جديدة وبروتينات جديدة)، ويتم تعديل العديد من البروتينات بعد الترجمة. على الرغم من أن الجينوم يوفر مخططًا، فإن البنية النهائية تعتمد على عدة عوامل يمكن أن تغير تقدم الأحداث التي تولد البروتيوم.
تُدرس جينومات وبروتينات المرضى الذين يعانون من أمراض معينة لفهم الأساس الوراثي للمرض. أبرز الأمراض التي تُدرس باستخدام مناهج البروتيوميات هو السرطان (شكل 10.17). تُستخدم مناهج البروتيوميات لتحسين فحص السرطان والكشف المبكر عنه؛ ويتم تحقيق ذلك من خلال تحديد البروتينات التي يتأثر تعبيرها بعملية المرض. يُطلق على البروتين الفردي اسم المؤشر الحيوي (biomarker)، بينما تُسمى مجموعة البروتينات ذات مستويات التعبير المتغيرة البصمة البروتينية (protein signature). لكي يكون المؤشر الحيوي أو البصمة البروتينية مفيدًا كمرشح للفحص المبكر والكشف عن السرطان، يجب أن يُفرز في سوائل الجسم مثل العرق أو الدم أو البول، بحيث يمكن إجراء فحوصات واسعة النطاق بطريقة غير جراحية. المشكلة الحالية في استخدام المؤشرات الحيوية للكشف المبكر عن السرطان هي ارتفاع معدل النتائج السلبية الكاذبة. النتيجة السلبية الكاذبة هي نتيجة اختبار سلبية كان ينبغي أن تكون إيجابية. بعبارة أخرى، لا يتم اكتشاف العديد من حالات السرطان، مما يجعل المؤشرات الحيوية غير موثوقة. بعض الأمثلة على المؤشرات الحيوية البروتينية المستخدمة في الكشف عن السرطان هي CA-125 لسرطان المبيض و PSA لسرطان البروستاتا. قد تكون البصمات البروتينية أكثر موثوقية من المؤشرات الحيوية للكشف عن الخلايا السرطانية. يُستخدم علم البروتيوميات أيضًا لتطوير خطط علاج فردية، والتي تتضمن التنبؤ بما إذا كان الفرد سيستجيب لأدوية معينة والآثار الجانبية التي قد يعاني منها الفرد. يُستخدم علم البروتيوميات أيضًا للتنبؤ باحتمالية تكرار المرض.
طور المعهد الوطني للسرطان برامج لتحسين الكشف عن السرطان وعلاجه. تعد Clinical Proteomic Technologies for Cancer و Early Detection Research Network جهودًا لتحديد البصمات البروتينية الخاصة بأنواع مختلفة من السرطانات. تم تصميم Biomedical Proteomics Program لتحديد البصمات البروتينية وتصميم علاجات فعالة لمرضى السرطان.