صناعة الدواجن المتكاملة 1

السيتوزين والجوانين تتواجد بالقرب من التسلسلات الكودية coding sequencesفي

%٥٠

من جينات الحيوانات الثديية وعملية methylationللحامض النووي DNA مسئولة عن اخماد كروموسوم × وبصمة الجينوم والنسخ الجيني لانسجة معينه التي تحدث خلال التمييز الخلوي cellular differentiationبسبب أهمية epigenomicsفي التعبير الجيني ،وقد طور الباحثين الانظمة الدقيقة للحامض النووي DNAوطرق تسلسل الحامض النووي DNAبالجيل التالي لصالح البروفيل الجيني لجزر CpGفي جينوم الانسان .يستفاد من حامض الفوليك والمركبات الغذائية الصغري الأخري في انتاج methyl donor S-adenosyl methionineولذلك يقترح بأن التغذية غير الكافية ربما تؤثر

علي اضافة مجموعة الميثانيل .DNA METHYLATIONS

) (٩التعنقد ) Clusteringالعنقودية(:

عدد كبير من النقاط النهائية المحللة في تجارب الاوميكس ) omicsاكثر من ٢٠٠٠٠ نسخه( تمكن من ملاحظة الانماط ،الهامة في البيانات حتي بعد التصفية والتحليل الاحصائي .ولقد تم تطوير عدد من طرق تعنقد العناقيد للتغلب علي هذه المشكلة ومن اكثر الطرق الشائعة طرق tree basedوالتي من امثلتها طريقة التعنقد المتسلسلة hierarchicalوالأشكال البيانية graphicalالمبينه علي خرائط التنظيم الذاتي self organiaingبالاضافة الي هذه الطرق هناك طرق اخري تستخدم قيم المتوسطات قبل التصفية لإزالة التغير المنخفض او التغيرات غير المعنوية التي تعتبر غير ضرورية ومن جهة اخري يمكن استنتاج وظائف الجينات من الأنماط المطابقة بواسطة العناقيد )مثل الجينات التي لها عنقود نسخ ذات وظائف متشابهة(.

) (١٠المعلومات الحيوية للأومكس : Bioinformatics الهدف الرئيسي لل bioniformaticsهو مطابقة انماط داخل معقد البيانات المستخصلة

من طرق التحليل omicالعالية الكثافة.

١٠٢١

) (١١تحليل شبكة إتصالات المعمل :Network Analysis مطلوب في الانظمة مطابقة العلاقات بين الجزئيات التي تمثل طرق جديدة لفهم صعوبة التنظيم البيولوجي وهذه العلاقات يمكن ان تكون بين البروتينات dimeriztionالتي تنشط المعقد ،الكاينيز kinasesالمفسفرة للبروتينات الاخري ،البروتينات والحامض النووي DNAمثل :نسخ العامل المرتبط الاحماض النووية )الحامض النووي Micro RNA المنظم لتعبير (RNAمعين البروتينات ونواتج التمثيل الغذائي )مثل :الدهون النشطة بيولوجيا المنظمة للمستقبلات ومن جهة اخري هناك علاقات أخري تربط بين المسارات، لذلك يمكن الإعتقاد بأن شبكة المعمل توليفة من النماذج او وحدات قياس modulesكل منها يعتبر مسار منظم او عملية يتم التعرف عليها بواسطة المجموعة العلمية.

ولقد اصبح ايجاد هذه الشبكات العملية مشكلة لمطابقة الارتباطات او الأنساب وتقدير قوتها وتخيلها وهناك الكثير من شبكات العمل التي تبني حسابات تستخدم في بيانات الاوميكس ففي هذه الشبكات تلاحظ البروتينات ونواتج التمثيل الغذائي لعقد بينما تلاحظ التأثيرات المتداخلة بين البروتينات أو نواتج التمثيل الغذائي في صورة خطوط.

الطرق البيولوجية وأدوات الاوميكس من اجل اكتشاف المرقم البيولوجي:

Systems Biology And Omics Tools For Biomarkers Discovery:

الآداة الأولي غالبا ما تستخدم تحليلات الاومكس لتصوير الحالة البيولوجية وبعد ذلك تستخدم العناصر الضرورية للبروفيل كمرقم بيولوجي .ونظريا يتأثر المرقم الحيوي بالعوامل الخارجية المذهلة .ولتوضيح هذه النقطة تستطيع ان ننظر الي مجال تمثيل الحديد ..فحالة الحديد الغذائية يمكن تقييمها عن طريق قياس فيرتين سيرم الدم serum ferritinولكن هذا المقياس يدحض بواسطة الالتهاب المزمن الذي يستطيع ان يخفي نقص الحديد وتتأثر مستويات بروتينات السيرم الاخري بتغييرات حالة الحديد )مستويات عالية=حالة حديد عاليه( حيث يتأثر بروتين الترانسفيرين transferringوبالتالي

فإن تقرير كل من مستويات

الفيرتين ومستقبل الترانسفيرين والمرقم بالسيرم في وقت واحد عند حدوث التهاب يمكننا تقييم حالة الحديد والتخلص من الحالة التي يسببها الالتهاب المصاحبة للمرض المزمن او الحاد ولقد استخدمت الاوميكس omicsلمطابقة المقاييس التي يمكن عن طريقها عمل مرقم

١٠٢٢

فعال يستخدم في تقدير وتحديد اورام خبيثة معينه :كما يستفاد ايضا من الاوميكس في تقييم حالة المركب الغذائي او الظروف المرتبطة بالتغذية التي اثبتت مقاومة لطريقة المرقم الواحد )علي سبيل المثال :العناصر الغذائية الصغري التي من امثلتها عنصر الزنك(.

إستخدام طرق بيولوجية لتحديد اشكال جديدة للتنظيم بواسطة مركب غذائي او حالة تمثيلية:

Use Of Systems Biology To Define New Modes Of Regulation By A

Nutrient Or Metabolic State:

الإداة الثانية لاستخدام الانظمة البيولوجية هي التعرف علي مجموعات الجينات transcripetsالنسخ ،البروتينات المركبات الناتجة من التمثيل الغذائي والتي تنظم تحت ظروف معينه .وهذه المجموعات يمكن تنظيمها من خلال مسارات بيولوجية معروفه او مجموعات مساقة عن طريق الارتباط الوراثي .statistical correlation تفهم الانظمة البيولوجية : Understanding The Systems Biology Approcahc هناك طريقة واحدة لعمل بحث للأنظمة البيولوجية من اجل امداد هيكل framework يساعد علي فهم مشكلة بحثية تتعلق بالتغذية وذلك من خلال منظور الانظمة البيولوجية

)شكل .(٥٥

شكل ) (٥٥خطوات تحليل النظم البيولوجية

١٠٢٣

التصميم التجريبي : Experimental Design

يعتبر التصميم التجريبي من أهم خطوات مشروع بحث الانظمة البيولوجية الاداة الثالثة

وذلك لمبررات عديدة منها:

أولا :يعتبر التخطيط التجريبي المناسب ضروريا للتركيز علي البحث واستخدام مصادر فعالة .حيث نحتاج الي نقاط وقت مضاعفة لجمع بيانات عن التراكيب المظهرية العديدة.

فعلي سبيل المثال :نقاط الوقت المبكرة ربما تكون أكثر معلوماتيه لقياس التنظيم النسخي tranxcriptional regulationالمباشر )مثل :استخدام نواسخ transcriptomicاو استخدام كروماتين الترسيب المناعي chromatin immunoprecipitationبالتزاوج مع تسلسل الحامض النووي DNAالعالي الكثافة .ومن جهة اخري فإن نقاط الوقت المتأخرة تكون اكثر معلوماتيه في تقييم انتاج البروتين او في التغيرات التي تحدث في عملية

التمثيل الغذائي

ثانيا :استخدام ظروف مضاعفة يجب اختيارها حتي نستطيع تقدير وتقييم مظهر التنظيم علي نطاق اكبر وأوسع .والعمل الناتج من أنظمة نموذجية مثل الخميرة حيث يتواجد خطوط حاسمة لكل ٦٧٠٠جين خميرة يوضح لنا ان تحليل النواسخ لجميع الخطوط يسمح للحاسب الآلي اظهار علاقات بيولوجية جديدة للعمليات التنظيمية.

ثالثا :تكرار العينة ضروريا ليكون للدراسة قوة احصائية كافية لاظهار فروق بيولوجية هامة بين المعاملات وفي النهاية يجب ان تتحكم الخطة التجريبية في جميع المتغيرات الخارجية حتي لا تنسب أي تغيرات غير غامضة للمعاملة موضع الاهتمام.

الخريطة الجينية والتقدم الجيني : Genetic Mapping And Forward Genetic الوراثة المتقدمة وقياس التركيب المظهري ثم بعد ذلك تقدير الارتباطات مع التباينات في التركيب الوراثي تعتبر وسيلة هامة لدراسة تمثيل ووظيفة المركبات الغذائية .والفكرة الأساسية لهذه الطريقة تبدأ مع حقيقة ان التباينات الطبيعية للتسلسل تظهر داخل الجينوم .ويعتبر هذا التباين وراثيا والمفيد في الوراثة المتقدمة ان هذه التباينات الوراثية يجب ان تؤثر علي

١٠٢٤

التراكيب المظهرية ،وعلي سبيل المثال :مستويات العناصر المعدنية بالأنسجة او معدل

اكسدة الاحماض الدهنية.

وفي النهاية بخلاف ذلك فإن الطفرات النادرة التي تشكل اساس الأمراض الوراثية العديدة والتي تسبب تراكيب مظهرية نهائية علي سبيل المثال :طفرات في النحاس الناقل لانزيمات مركب الطاقة ATPالمسئولة عن مرض Menkesكما ان التغيرات المظهرية الناتجه من التباين الطبيعي المتعرف عليها بواسطة الوراثة المتقدمة تعتبر غير مميته ولكن ينتج عنها فروق شديدة بين الأفراد المستقلة ،والهدف هو استخدام تباينات في التراكيب المظهرية التي تنتج من استراتيجيات التربية المحكمة او من خلال انساب pedigreesلرسم خريطة لموضع التباين الوراثي الطبيعي الذي يتحكم في التركيب المظهري وطريقة الوراثة المتقدمة لا تقدم أي افتراضات عن الجينات التي تؤثر علي الصفة ،ولكنها تسمح بتباينات في التركيب المظهري المباشرة لنا الي مناطق الجينوم المحتوية علي متنوعات وراثية لها تأثير

بيولوجي معنوي.

ومن جهة اخري يستفاد من الوراثة المتقدمة في الحالات التي لا نستطيع من خلال المعرفة الكافية عن تمثيل مركب غذائي لتبرير عمل جين حاسم او نقل جين في الفئران او عندما يكون للفئران حيوية طبيعية مستمرة عند اكتشاف جين مرشح .candidate ويتم ارتباط التراكيب المظهرية الهامة المتعلقة بالتغذية بالتباين الطبيعي من خلال مسارين هما الخريطة الجينية والاربتاط الجيني .ولقد استخدم التحليل المتواصل داخل العائلات الكبير وموضع الصفة الكمية QTLفي الهجن المحكمة بين خطوط التربية الداخلية للفئران لتصحيح التباين في تركيب مظهري الي تباينات متسلسلة في الجينيوم.

علم الوراثة المتقدمة لصالح التغذية تم تقييمه حديثا علي تمثيل عنصر الحديد حيث رسمت الجينات المتحكمة في %٣٠من التباين في مستويات حديد الطحال بين الخطوط الوراثية للفئران المرباه داخليا الي كروموسوم ٩٠وداخل هذا الموقع تم مطابقة التباين في جين Mon laواستخدمت هذه المعلومة لتحديد كون هذا الجين مكون هام لتمثيل حديد الطحال

١٠٢٥

واعادة دورة حديد كرات الدم الحمراء داخل خلايا macrophagesوبالتالي فإن الوراثة المتقدمة تسمح للباحثين باضافة جزئية اخري لهذه الصورة المعقدة.

مدي أهمية وصحة النتائج المتحصل عليها من أدوات الاوميك عاليه الكثافة:

How Important Is Validation Of Results From High Density Omic

Tools :

يجب ان تكون التجربة المتعلقة بالاوميكس omicsقوية وموجودة منها نسخ منشورة بحثيا ومن الممارسة القياسية التأكيد علي التغيرات في تحت مجموعة نسخ التعبير المميزة او البروتينات مع الأدوات التقليدية وهذا يوجد ثقة في جودة النتائج المستخلصة من برنامج

الأوميك.

التكلفة المتزنة والمحتوي : Blancing Cost And Content من زمن مضي كانت تكلفة الجمع المثالي للبيانات من تجارب الانظمة البيولوجية عالية وكان الوقت ودراسة استجابة الجرعة في الخلايا والحيوانات او الانسان ليست بعيدة عن الطبيعي ،وتكلفة استخدام ادوات "اوميك" عديدة وخاصة علي العديد من الانسجة اصبحت ضخمة ولهذا السبب استخدم العلماء استراتيجتين من اجل احتواء التكلفة ففي الاستراتيجية الأولي يركز الباحثون علي اداة "اوميك" واحدة لها أهمية بالموضع الذي يتعلق بتساؤلهم البيولوجي والباحثون لفيتامين Aأو Dربما يفحصون ال Transcriptomeبسبب تفهمهم الجيد بأن للنواتج التمثيلية لهذه المركبات تعتبر منظمات مباشرة للتعبير الجيني .كما أن الباحثين لتأثير الأحماض الأمينيه ذات السلسلة المتفرعة علي الأداء الطبيعي ربما يدرسون بروتيوم proteomeالعضلات بسبب التاثير البنائي anabolicالمعدل عن طريق اشارات m TORعند مستوي البروتين .وباحثون اخرون ربما يختبرون ميتابولوم metabolome السيرم بعد التغذية علي علائق تحتوي علي مستويات مختلفة من المركبات الغذائية الكبري وفي الاستراتيجية الثانية .لا يحدث تقليل لتكلفة التجارب ولان توزع التكلفة عبر مجموعات بحثية كثيرة وفي هذه الحالة يعمل الباحثون كفريق وليس كل علي حدة في المعمل ويأخذ كل عضو في الفريق مسئولية مسألة واحدة في النظام حيث يكون اهتمامهم وخبرتهم اكبر

في هذه المسألة.

١٠٢٦

مطابقة التغيرات المعنوية في نظام بعد الاضطراب:

Identifying Significant Changes In A System After Perturbation :

يعتبر التحليل الاحصائي احد الأمور غير المعتمد قيمة للأنظمة البيولوجية ومدي اهمية التحليل الاحصائي للتجارب والنواحي الأخري للأنظمة البيولوجية .أولا :عند غياب الاحصاء لا يستطيع الباحث تقييم واقعية كل من الفروق الملحوظة بين مجموعات المعاملات التجريبية ،ارتباط التباين الوراثي مع التراكيب المظهرية السائدة ،أو اغناء مسارات معينه او شبكة عمل منظمة بعد معاملة وعندما تكون التغيرات الكبيرة ذات أهمية بيولوجية تصبح مجموعة التغيرات الصغيرة في مستويات النسخ لكثير من مكونات المسار او العملية البيولوجية هامة ايضا .ثانيا :استخدام اختبار t.testمع مستوي معنويه p p0.5لا يكون كافيا لاختيار المعنوية الاحصائية لانه يتجاهل أهمية معدلات خطأ النمط ) type Iايجابيات خاطئه( ومن جهة أخري فإن طرق التصحيح الاحصائية مثل ) Bonferroniقيمة أ/عدد المقارنات علي سبيل المثال (٦-١٠ ×٢.٥ = ٢٠٠٠٠/٠,٥ تعتبر قديمة جدا لانها تؤدي الي معدل خطأ عالي للنمط ) type IIخطأ سلبي( ونتيجة لذلك طور علماء الاحصاء طرقا مثل طريقة معدل اكتشاف الخطأ FDRلاتزان النمط typesومشاكل معدل خطأ النمط type IIوذلك عند عمل مقارنات مستقلة عديدة وهناك طريقة اخري لتقليل مشكلة المقارنة المتعددة حيث يستبعد فيها الصخب في اجراء الاكتشاف .فعلي سبيل المثال بالرغم من قدرة الانظمة الدقيقة علي قياس ..جميع النسخ transcriptالمعبرة في جسم الانسان فان بعضا من هذه النسخ يعبر عنها في كل خلية او نسيج .وبإزالة النسخ من مجموعة البيانات يمكن تقليل عدد المقارنات المستقلة وتقليل مشكلة المقارنات المستقلة التي تسبب معدلات خطأ عاليه للنمط type Iوزيادة القدرة علي

اكتشاف الفروق بين مجاميع المعاملات.

في النهاية تتحسن القدرة علي اكتشاف الفروق المعنوية عن طريق مكررات العينة ويفيد هذا التكرار في حالة التباين البيولوجي في البروتين ونواتج التمثيل الغذائي او عندما يكون

مستوي النسخة عاليا.

١٠٢٧

النماذج الحسابية للعمليات التمثيليه والفسيولوجية:

Mathematical Modeling Of Metabolic And Physiologic Process :

يمكن تمثيل العلاقة بين المتغيرات في النظام البيولوجيا كنموذج حسابي وهذا ما نعمله عندما نرسم رسما بيانيا لاستجابة الجرعة حيث يعبر عن العلاقة بين الجرعة والناتج كخط انحدار ...وكلما زادت صعوبة النظام كلما كانت العلاقات البيانية البسيطة بين المقياسين غير وافية لتوضيح البيولوجيا .وتحت هذه الظروف يمكن استخدام حسابات للمشاهدات التجريبية لخلق نموذج مبسط للنظام .وهذه الطريقة تكون ذات ديناميكية عند تمثيل المركبات الغذائية )مثل :تمثيل الكالسيوم( ولقد حاول الباحث lee Baldwinتطويرنماذج تنبؤية لكيفية تنظيم التغذية لتمثيل الطاقة واداء الحيوانات المجترة.

من أمثلة النماذج الحسابية الفعالة نوعية وعمق البيانات المتاحة لبناء النماذج .ومع التقدم الظاهر في توليد بياناتنا نتيجة لحقبة الأوميكس بدأ الباحثون يعتقدون ان نمذجة الأنظمة البيولوجية تكون ممكنه وعلي العكس تماما يصعب تطوير النماذج الكمية ونتيجة لذلك فإن اول خطوة في العملية هي اخذ المعرفة التجريبية الموجودة واستخدامها في بناء نموذج خام،

ويتحسن هذاالنموذج الخام باجراء تجارب اضافية.

قوة قاعدة البيانات المنشورة : The Power Of Public Database تكلفة اجراء تجربة انظمة بيولوجية باستخدام ادوات الاوميكس omicsيمكن جعلها متوسطة لكثير من الباحثين .والبديل لاجراء تجارب اولية هو اعادة تحليل التجارب المتاحه في قواعد البيانات المنشورة .وفي جدول ) (١٨٠العديد من قواعد البيانات المفيدة وعلي سبيل المثال:

اعادة تخزين لقواعد

بيانات المتعلقة بالمادة الوراثية والنسخ هي تعبير جيني Gene (GEO) expression Ominbusعند NCBIولقد طابق بحث لحامض الفوليك٧ قواعد بيانات و ٣٤سلسلة بيانات بالاضافة الي ذلك ربما يكون هناك تعهد جوهري للباحثين لتعلم كيفية استخدام ادوات المعلوماتيه البيولوجية التي تسمح للباحث عمل ادراك او احساس لهذه القواعد البياناتية ومن جهة اخري فإن تحليل هذه القواعد البياناتيه ربما تسمح لباحث توليد بيانات تمهيدية لبحث اضافي او كبيانات تمهيدية لتطبيق مسلم به.

١٠٢٨

: Integration Of Data Types توحيد انماط البيانات ومعظم الباحثين يعملون مع.الهدف من الأنظمة البيولوجية هو توليد نموذج تنبؤي للنظام نمط واحد من البيانات )وعلي سبيل المثال الميتابولوم او الترانس كريبتوم( ولكن مثاليا وهذا لا يتضمن فقط انماط بيانات الاوميكس.تستخدم جميع انماط البيانات في وقت واحد المتنوعة ولكنه ايضا يتضمن بيانات تحليلية علي المرضي وبيانات تخيل من العينات البيولوجية وغيرها وكل خطوه في مكونات التحليل الاساسية تحاول تفسير الكثير من التغير لتوحيد المعلومات المتعلقةPCA والتباين في البيانات بقدر الامكان ولقد استخدم الباحثون ووجدوا ان توليفة منQTL بالأنماط الجينية المرتبطة بالحديد لاستخدامها في تحليل منmapping الهيموجلوبين والمكونات الخلوية والحديد الكلي بالبلازما كانت أكثر فائدة

.الصفات المستقلة

( قطاع لأدوات تحليل البيانات المتاحة المنشورة للأنظمة البيولوجية٢٣١) جدول

Name

Bioconductor

Website

www.bioconductor.org/

Signifi cance

Analysis

of

Microarrays

(SAM)

GenePattern

www-stat.stanford.

edu/∼tibs/SAM/

Description

Open source and open development software

project for the analysis and comprehension of

omic data (based on R programming

language).

Excel-based tool for statistical analysis of

omic data.

www.broad.mit.edu/

tools/software.html

www.broad.mit.edu/

tools/software.html

A genomic analysis platform with access to

more than 125 tools for analysis of omic data.

Gene Set

A computational method that determines if a

Enrichment

set of genes with a

Analysis

common function (e.g. lipid metabolism) are

(GSEA)

signifi cantly altered

by treatment/condition.

GenMAPP

www.GenMAPP.org

Tool for visualizing omic data on maps

representing

biological

pathways

and

groupings of genes. Statistical analysis for

nrichment of changes in maps can be

determined.

Cytoscape

www.cytoscape.org/

Tool for conducting network analysis and

visualizing the results.

aSee Gehlenborg et al. (2010) for a comprehensive list of various omic analysis tools.

١٠٢٩

استخدام الطرق الاحصائية التي تدمج المعرفة السابقة داخل التحليل:

Application of statical approaches that incorporate prior knowledge

into the analysis :

هناك مسائل عديدة تحد من الاستفادة من الطرق الاحصائية التقليدية عند استخدامها في بحوث الانظمة البيولوجية فعلي سبيل المثال :معدلات الاكتشاف الايجابية الخاطئة العالية بسبب مشكلة المقارنة المتعددة ،انتهاك افتراض الاستقلال بين المرقمات الجينية ،عدم المقدرة علي ادماج المتغيرات البيئية ،الصفات المرتبطه داخل النماذج والتحليل ومن جهة اخري نظ ار لان معظم الباحثين يتعلمون الاحصاء من منظور التكرار frequentist perspectiveفان طرق التحليل من منظور Bayesianسوف تتطلب تدريبا اكثر.

بالاضافة الي ذلك هناك برامج اقل لاحصاء Bayesianوتعتبر المتطلبات الحسابية

لاحصاء Bayesianعائقا لمعظم علماءالبيولوجيا.

الفينولات العديدة بالقهوة وسرطان الصدر : Coffee polyphenols and breast cancer وجد ان القهوة من أكثر المشروبات الشعبية المفضلة في كل دول العالم وحديثا اظهرت الارتباطات العكسية بين المتناول من القهوة وخطورة سرطان القولون والكبد والصدر ولقد لوحظ بحثيا ان استهلاك فنجان قهوة يوميا يقلل بنسبة %٤٩من خطورة سرطان الجزء العلوي من المعدة والأمعاء في العشيرة اليابانيه بينما لوحظ في دراسات اخري ان الرجال الذين يشربون بانتظام القهوة تقل خطورة اصابتهم بسرطان البروستاتا وذلك عندما يقل

محتوي القهوة من الكافين.

الارتباط العكسي بين المتناول في القهوة وسرطان القولون يمكن تفسيره بوجود المركبات الفينولية في القهوة وفيما بين طريق المركبات الفينولية المختلفة في القهوة تعتبر احماض hydroxyconnamicمن اكثر هذه المركبات تواجدا وتظهرفي صورة استر -وتعتبر القهوة المصدر الرئيسي لحامض 5-caffeoylquinic Chlorogenicفي وجبه الانسان ويتراوح المتناول اليومي من مشروب القهوة من ٠,٥الي ١جرام .ولقد اظهرت الدراسات ان %٣٣من المتناول من حامض Chlorogenicو %٩٥من حامض Caffeicيمتص

١٠٣٠