متصفح جينوم جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز

طُوِّر متصفح جينوم جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز (UCSC) عام 2000 على يد الطالب جيم كينت والأستاذ ديفيد هاوسلر في الجامعة نفسها، بهدف إتاحة الوصول العام إلى مسودة تسلسل الجينوم البشري التي أنتجها مشروع الجينوم البشري . ^{[ 5 ]} في 7 يوليو/تموز 2000، نشرت جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز أول مسودة عمل للجينوم البشري على الإنترنت، مصحوبةً بنسخة أولية من متصفح الجينوم. ^{[ 5 ]} مكّن هذا الإصدار الباحثين في جميع أنحاء العالم من الوصول إلى بيانات الجينوم واستكشافها بشكل تفاعلي. تلقى المشروع تمويلًا مبكرًا من معهد هوارد هيوز الطبي (HHMI) والمعهد الوطني لأبحاث الجينوم البشري (NHGRI). ^{[ 6 ]} في عام 2002، نشر الفريق وصفًا تفصيليًا لمتصفح الجينوم في مجلة أبحاث الجينوم ، موضحًا قاعدة بياناته القائمة على MySQL وواجهة الويب الخاصة به. ^{[ 7 ]} تضمن المتصفح مسارات شرح متنوعة، بما في ذلك تنبؤات الجينات، ومحاذاة mRNA / EST ، وعلامات SNP ، وكلها معروضة في عرض قابل للتمرير. ^{[ ٧ ]} كما يمكن للمستخدمين إضافة مسارات مخصصة لعرض بياناتهم جنبًا إلى جنب مع الشروح الرسمية. وفي العام نفسه، توسع المتصفح ليشمل جينوم الفأر، مما سهّل دراسات علم الجينوم المقارن. وقد طُرحت أدوات مثل BLAT (أداة محاذاة شبيهة بـ BLAST) وLiftOver لتحسين محاذاة التسلسل وتحويل الإحداثيات بين تجميعات الجينوم المختلفة. ^{[ ٨ ]}

بين عامي 2004 و2010، أضاف متصفح جينوم جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز (UCSC) العديد من الجينومات الإضافية، بما في ذلك جينومات الفئران والدجاج والكلاب والشمبانزي، وغيرها. ^{[ 9 ]} وقد أتاح تطوير خوارزميات محاذاة السلسلة والشبكة إمكانية محاذاة الجينومات الكاملة بين الأنواع، كما عرض مسار الحفظ العناصر المحفوظة تطوريًا. ^{[ 10 ]} ولمواكبة تدفق البيانات من التقنيات الجينومية الجديدة، قدمت جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز (UCSC) رسومًا بيانية للجينوم في الفترة 2007-2008، مما مكّن المستخدمين من رسم مجموعات البيانات على مستوى الجينوم، مثل قيم p لدراسات الارتباط ، عبر الجينومات الكاملة. ^{[ 11 ]} كما طبق المتصفح تنسيقات البيانات الثنائية BigBed وBigWig في عام 2010، مما سهّل عرض مجموعات بيانات التسلسل واسعة النطاق بكفاءة. ^{[ 12 ]}

في عام 2011، أطلقت جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز (UCSC) مراكز بيانات المسارات، مما أتاح للباحثين الخارجيين دمج مسارات الشرح الخاصة بهم في متصفح الجينوم عبر عناوين URL خارجية. ^{[ 13 ]} لعبت جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز دورًا محوريًا في مشروع ENCODE (موسوعة عناصر الحمض النووي) منذ إطلاقه عام 2003. وقد حسّنت هذه الميزة الجديدة بشكل كبير من كيفية تفاعل الباحثين مع مجموعات البيانات الجينومية واسعة النطاق وعرضها. استضاف المتصفح مجموعة واسعة من بيانات الجينوم الوظيفي التي أنتجها مشروع ENCODE، بما في ذلك ChIP-seq و RNA-seq واختبارات فرط حساسية DNase . ^{[ 14 ]} كما دمج المتصفح بيانات من مشروع الألف جينوم ، مما وفر وصولًا شاملًا إلى بيانات التباين الجيني البشري. ^{[ 15 ]} في عام 2013، دخلت جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز في شراكة مع مشروع GENCODE لاعتماد شروح الجينات عالية الجودة الخاصة به. في عام 2015، حلت مجموعة جينات GENCODE (تجميع GRCh38/hg38) محل المسار الداخلي لجامعة كاليفورنيا في سانتا كروز كمجموعة الجينات الافتراضية لمتصفح الجينوم البشري. ^{[ 16 ]}

ابتداءً من عام 2016، وسّع متصفح جينوم جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز (UCSC) نطاق إمكانياته من خلال دمج مجموعات البيانات السريرية وبيانات المتغيرات الجينية، بما في ذلك تلك الموجودة في قاعدة بيانات ClinVar وموارد جينوم السرطان المختلفة. ^{[ 17 ]} وفي عام 2017، أطلقت جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز متصفح خلايا UCSC، وهو منصة مصاحبة مصممة للتعامل مع مجموعات بيانات تسلسل الخلايا المفردة وعلم النسخ المكاني . ^{[ 18 ]} كما دمج المتصفح بيانات من مشروع التعبير الجيني في الأنسجة (GTEx)، موفرًا موارد تصويرية للتعبير الجيني عبر مختلف الأنسجة البشرية. ^{[ 19 ]} يستضيف المتصفح حاليًا أكثر من 180 تجميعًا جينوميًا لأكثر من 100 نوع، بما في ذلك تجميع الجينوم البشري الكامل من التيلومير إلى التيلومير (T2T-CHM13) الذي أصدره اتحاد T2T في عام 2022. ^{[ 20 ]} تحوّل تمويل متصفح جينوم جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز ليعتمد حصريًا على منح المعاهد الوطنية للصحة، مع استمرار الدعم من المعهد الوطني لأبحاث الجينوم البشري. في عام 2022، اعتُرف بالمتصفح كواحد من أوائل موارد البيانات الحيوية الأساسية العالمية ، مما يُبرز دوره المحوري في أبحاث علوم الحياة ويضمن له تمويلًا طويل الأجل على وجه السرعة. ^{[ 5 ]} اعتبارًا من عام 2025، لا يزال متصفح جينوم جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز أداةً أساسيةً ومتاحةً مجانًا للباحثين في جميع أنحاء العالم، حيث يستخدمه عشرات الآلاف يوميًا ويتم تحديثه بانتظام ببيانات جينومية ووظائف جديدة. ^{[ 5 ]}

أسفل الصور المعروضة في متصفح جينوم جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز، توجد إحدى عشرة فئة من المسارات الإضافية التي يمكن اختيارها وعرضها بجانب البيانات الأصلية. يستطيع الباحثون اختيار المسارات التي تُمثل استفساراتهم على أفضل وجه، مما يسمح بعرض بيانات أكثر ملاءمةً بناءً على نوع البحث وعمقه. وهذه الفئات هي كالتالي:

• 
  مسارات متصفح جينوم UCSC للفئات: التخطيط والتسلسل، الجينات وتوقعات الجينات، النمط الظاهري، المتغيرات، والأدبيات، التباين، الجينوم البشري الشامل - HPRC، mRNA و EST.
• 
  مسارات متصفح جينوم UCSC للفئات: التعبير، وتسلسل الحمض النووي الريبوزي أحادي الخلية، والتنظيم، وعلم الجينوم المقارن، والتكرارات.

يستضيف موقع جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز مجموعة من أدوات تحليل الجينوم. تتيح كل أداة للمستخدمين إنشاء التسلسلات، والبحث عنها، وتعديلها للعثور على تسلسلات أو أنماط متشابهة. هذه الأدوات متاحة للاستخدام مجانًا بشكل عام للأغراض الأكاديمية، والمنظمات غير الربحية، والأفراد المهتمين بعلم الجينوم.

تشمل الأدوات التي طورتها جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز: متصفح الجينوم، وBLAT، وIn-Silico PCR، ومتصفح الجداول، وLiftOver، وREST API، ومُكامل شرح المتغيرات، وفرز الجينات، ورسم بياني للجينوم، ومُكامل البيانات، وUShER، وتفاعلات الجينات، وVisiGene، وDNA Duster، وProtein Duster، وصانع صور PNG لشجرة التطور. يتوفر كود المصدر لـ BLAT وLiftOver ومتصفح الجينوم للتنزيل على موقع جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز .

تشمل الأدوات المفيدة الأخرى التي تعمل مع تنسيقات ملفات UCSC ما يلي: BEDOPS، bedtools، bwtool CrossMap، CruzDb، G-OnRamp، libBigWig، MakeHub، RTrackLayer، trackhub، twobitreader، ucsc-genomes-download، و Wiggle Tools.

BLAT ^{[ 27 ]} أداةٌ لمحاذاة التسلسلات بصيغة FASTA، تُفيد في العثور على التسلسلات ضمن التسلسل الضخم (الجينوم البشري = 3.23 مليار قاعدة [جيجابايت]) لأيٍّ من الجينومات المُختارة. يُمكن للمستخدمين لصق التسلسل في مربع النص أو تحميل ملف يحتوي عليه. كما تُتيح الأداة إمكانية تخصيصها وفقًا لاحتياجات المستخدم، حيث يُمكنه اختيار الجينوم والتجميع الذي ينتمي إليه التسلسل، ونوع الاستعلام، وترتيب النتائج، ونوع الإخراج. عند استخدام BLAT على الحمض النووي، يتم العثور على التسلسلات التي تتشابه قواعدها بنسبة 95% أو أكثر، والتي يبلغ طولها 25 قاعدة أو أكثر. تُفهرس الأداة الجينوم في الذاكرة، مُتضمنةً جميع التسلسلات المُتداخلة المكونة من 11 قاعدة، بزيادة قدرها 5 قواعد، ما لم تكن هناك تكرارات. باستخدام برنامج BLAT على البروتينات، يتم العثور على تسلسلات الأحماض الأمينية التي تتشابه بنسبة 80% أو أكثر، والتي يبلغ طولها 20 حمضًا أمينيًا أو أكثر. يقوم البرنامج بفهرسة الجينوم في الذاكرة لجميع التسلسلات الرباعية المتداخلة، مع زيادة عدد التسلسلات بمقدار 5، ما لم تكن هناك تكرارات. وقد طوّر جيم كينت برنامج BLAT، ويمكن الاطلاع على مزيد من المعلومات حول البرنامج على موقعه الإلكتروني .

تتيح أداة "مخططات الجينوم" للمستخدمين عرض جميع الكروموسومات دفعة واحدة، وعرض نتائج دراسات الارتباط على مستوى الجينوم (GWAS). يمكن للمستخدمين تخصيص المجموعة التصنيفية للكائن الحي، ونوع الجينوم والتجميع، وألوان المخطط، وعتبة الدلالة الإحصائية. كما يمكنهم تحميل بياناتهم الخاصة، أو استيراد تجميعات قواعد البيانات، أو ضبط تخطيط المخطط، ونمطه، وتخطيط الكروموسومات. يتوفر دليل إرشادي أكثر تفصيلاً للمستخدمين الراغبين في الاستفادة القصوى من جميع الميزات في " دليل مستخدم مخططات الجينوم" .

تستخدم أداة LiftOver ^{[ 28 ]} محاذاة الجينوم الكامل لتحويل التسلسلات من تجميعة إلى أخرى أو بين الأنواع. يمكن للمستخدم إدخال إحداثيات الجينوم والتعليقات التوضيحية في مربع النص أو تحميل الملف إلى النظام. يتم تحديد الجينوم والتجميعة الأصليين أولاً، بالإضافة إلى الجينوم والتجميعة الجديدين اللذين سيتم التحويل إليهما. يمكن تخصيص المدخلات ضمن فئتين: المناطق المحددة بواسطة chrom:start-end (من BED 4 إلى BED 6) والمناطق ذات بنية الإكسون-الإنترون (عادةً النسخ، BED 12). يمكن تخصيص المناطق المحددة بواسطة chrom:start-end للسماح بمناطق إخراج متعددة، وتحديد الحد الأدنى لحجم التطابق في الاستعلام، وتحديد الحد الأدنى لحجم السلسلة في الهدف. يمكن تخصيص المناطق ذات بنية الإكسون-الإنترون لتحديد الحد الأدنى لنسبة كتل المحاذاة أو الإكسونات التي يجب تعيينها؛ إذا لم يتم تعيين إكسون، فسيتم استخدام أقرب قاعدة مُعينة.

تُعدّ واجهة برمجة تطبيقات REST الخاصة بجامعة كاليفورنيا في سانتا كروز (UCSC) الطريقة الأساسية للتفاعل البرمجي. فهي تُمكّن المستخدمين من إرسال طلبات HTTP لاسترجاع التسلسلات الجينومية، ومسارات الشرح، والمعلومات المتعلقة بالجينات. ورغم أن واجهة برمجة التطبيقات نفسها مستقلة عن لغة البرمجة، إلا أنه يُمكن لمطوري بايثون دمجها بسهولة باستخدام مكتبات مثل requests. كما تُسهّل أدوات وواجهات برمجة التطبيقات التي طوّرها المجتمع استخدام واجهة برمجة التطبيقات في بيئات المعلوماتية الحيوية القائمة على بايثون.

تشمل الاستخدامات الشائعة لواجهة برمجة تطبيقات REST الخاصة بجامعة كاليفورنيا في سانتا كروز في بايثون ما يلي:

• استرجاع التسلسل – تنزيل تسلسلات النيوكليوتيدات من إحداثيات جينومية محددة
• الوصول إلى بيانات الجينات - الوصول إلى البيانات المنسقة من RefSeq وGENCODE وجداول الجينات الأخرى
• استعلامات بيانات التباين – الحصول على معلومات حول تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs) أو عمليات الإدخال أو المتغيرات الهيكلية في مناطق محددة
• استخراج معلومات المسار – سرد المسارات والبيانات الوصفية المتاحة لبنية جينوم معينة
• تكامل خطوط المعالجة – أتمتة الاستعلامات في سير العمل الأكبر لعلم الجينوم المقارن أو الوظيفي

هذه الإمكانيات تجعل واجهة برمجة التطبيقات مفيدة للوحات المعلومات المخصصة، وخطوط أنابيب التعليقات التوضيحية الآلية، والتحليل اللاحق في أدوات مثل Jupyter Notebooks أو Snakemake.

طلبات الاستيراد# تحديد نقطة النهاية والمعلمات url = "https://api.genome.ucsc.edu/getData/sequence" params = { "genome" : "hg38" , "chrom" : "chr1" , "start" : 1000000 , "end" : 1000100 }# إرسال الطلب response = requests.get ( url , params = params ) data = response.json ( )​# عرض تسلسل الحمض النووي print ( "التسلسل المسترجع: " , data [ "dna" ])

تطلب هذه الشفرة التسلسل من الموضع 1,000,000 إلى 1,000,100 على تجميع الجينوم البشري hg38، وتعيد قواعد الحمض النووي الخام. توضح هذه الشفرة كيف يمكن للباحثين الوصول إلى محتوى الجينوم دون الحاجة إلى تنزيل مجموعات البيانات الكاملة.

هذه المرونة تجعل واجهة برمجة تطبيقات REST مثالية للوصول السريع والقابل للبرمجة إلى موارد الجينوم الخاصة بجامعة كاليفورنيا في سانتا كروز.

على الرغم من سهولة الوصول إلى واجهة برمجة تطبيقات REST الخاصة بجامعة كاليفورنيا في سانتا كروز، إلا أنها محدودة بما يلي:

• حدود المعدل وقيود حجم الطلب
• عدم وجود خيارات تصفية معقدة (مقارنة بالاستعلامات المتقدمة في MySQL أو متصفح الجداول)
• لا يوجد نظام مصادقة مدمج للبيانات الحساسة (مثل المسارات الخاصة)

بالنسبة لمجموعات البيانات الكبيرة أو التحليلات الجماعية، قد يفضل المستخدمون تنزيل المسارات الكاملة أو العمل مع قاعدة بيانات متصفح جينوم UCSC محليًا.

• وثائق واجهة برمجة تطبيقات REST لمتصفح جينوم جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز