2014 Marek Vácha. Projekt lidského genomu  přírodní vědy dosáhly působivých poznatků ve zkoumání external Universe, vnějšího světa  seriózně se mluví.

Prezentace na téma: "2014 Marek Vácha. Projekt lidského genomu  přírodní vědy dosáhly působivých poznatků ve zkoumání external Universe, vnějšího světa  seriózně se mluví."— Transkript prezentace:

1 2014 Marek Vácha

2 Projekt lidského genomu  přírodní vědy dosáhly působivých poznatků ve zkoumání external Universe, vnějšího světa  seriózně se mluví o 13 rozměrech a Hubbleův teleskop posílá fotografie i velmi vzdálených míst vesmíru  existuje ale doposud neprozkoumaný internal Universe, vesmír v nás, neméně rozsáhlý a neméně překvapivý

3 Lidský genom  má přibližnou velikost 3,2 Gb  z nichž je 2,95 Gb tvořeno euchromatinem.  28% sekvencí je transkribováno do RNA a z těchto 28% je pouhých 5% přepisováno do proteinů; což je 1,1%- 1,4% absolutní velikosti celého genomu člověka.  toto v roce 2012 již není pravda, přepisuje se do RNA snad až 90% genomu  Přes 50% genomu je tvořeno repetitivními sekvencemi: 45% genomu je tvořeno jedním ze čtyř typů parazitických DNA elementů, 3% genomu tvoří repetice jen několika bází a 5% genomu je tvořeno recentními duplikacemi velkých segmentů DNA.  Většina parazitické DNA je tvořena reverzními transkripty z RNA.  Lidský genom tak z určitého úhlu pohledu připomíná moře repetitivních sekvencí s malou příměsí genů.

4

5 Projekt lidského genomu  Navržen v 80. letech, oficiální začátek 1990  Navržen postup:  Genetická mapa  Fyzikální mapa  Úplná sekvence genomu člověka

6 Projekt lidského genomu  očekávaná doba trvání byla 15 let  očekávaná cena: 3 miliardy dolarů  1981: publikována sekvence DNA lidské mitochondrie (16 569 pb)

7 Human Genome Project  oficiálně zahájen 1990  projektu se účastnilo 20 sekvenčních center plus mnoho dalších laboratoří pracujících na menších projektech  projekt zakončen v roce 2003  sekvence každého chromosomu byla pečlivě analyzována a publikována v sérii článků; poslední se týkal chromosomu 1 a byl publikován v roce 2006

8 Pomocné projekty  vytvoření nových technologií  zlepšení technik umožňující fyzikální a genetické mapování  zlepšení technik sekvenování DNA  konstrukce databází  sekvenování genomu pěti modelových organismů  E.coli, Saccharomyces cerevisiae, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster a Mus musculus  ELSI: Etické, Legální, Sociální Implikace

9 Projekt lidského genomu  do 1970 byla pozornost zaměřena na rozdíly v strukturních genech  jenomže asi jen 1,5 % lidské DNA kóduje proteiny  a na správnou stavbu těchto proteinů je silný selekční tlak  od 70. let se začala zkoumat negenová DNA, která se výrazně liší od jednoho člověka ke druhému  …a byla vynalezena metoda zkoumající RFLPs

10 HUGO  1988 vzniká HUGO  Human Genome Organization

11 Hierarchický přístup

12 Three Stage Approach

13 Whole-genom shotgun approach Celera Genomics

14 Genetická mapa  Metoda je založena na relativních vzdálenostech markerů, které odpovídají frekvencím rekombinace (pravděpodobnosti crossing-overů)  Jako marker může sloužit buď gen a jeho fenotypový projev, nebo jakákoli jiná identifikovatelná sekvence, jako jsou RFLPs nebo mikrosatelity  Mapování skončilo nalezením cca 5000 markerů v celém lidském genomu

15 Fyzikální mapa  Se snaží vyjádřit vzdálenost mezi markery v absolutní míře, nejlépe v počtu nukleotidů  pro genom člověka byla dokončena cca 1994  DNA celého chromosomu je rozstříhána dvěma restriktázami na identifikovatelné fragmenty, které se překrývají  Je užita próba, pomocí které jsou zjišťovány fragmenty, které se překrývají  Metoda je zvána procházení chromosomu (chromosome walking)

16 Chromosome walking  Prvním klonovacím vektorem pro zisk DNA bude YAC, který obsahuje fragmenty miliony pb dlouhé  Nebo BAC, umělý bakteriální chromosom, který může obsahovat fragmenty 100 000 – 500 000 pb dlouhé  Tyto fragmenty se užívají pro chromosome walking  Finální fragmenty jsou dlouhé asi 1000pb – ty se uchovávají v plasmidech nebo virech a již se dají snadno sekvenovat

17 Procházení chromosomů

18 Veřejné consortium a Celera

19 Etika publikování výsledků  ihned poté, co byly první výsledky publikovány bylo jasné, že tyto sekvence mohou být užitečné pouze pokud budou vystaveny na síti v elektroincky čitelné formě.  1980tá léta  the European Molecular Biology Laboratory (EMBL)  the National Institute of Health (NIH)  Japanese National Institute of Genetics  tyto organizace se později spojí a vytvoří efektivní mezinárodní spolupráci zaměřenou na sdílení dat

20 Etika publikování výsledků  2003:  vznikjí společné databáze (EMBL- bank/GenBank/DDBJ)  obsahuje přes 40 miliard pb  z více než 100 000 odlišných organismů  všechny tyto tři databáze zavádějí politiku, která je zároveň odvážná a předvídavá: nechť jsou všechna data volně přístupná všem (ať již to jsou firmy, akademičtí pracovníci nebo „pan Novák“)

21 Etika publikování výsledků  na konce 80. let nejprestižnější vědecké časopisy zavedly pravidlo, že publikování nasekvenovaných dat v jedné z těchto databází je vstupní podmínka pro publikování práce v časopise.  toto pravidlo okamžitě vyvolalo konflikty: komerční firmy (a někteří akademici) viděli v nasekvenovaných sekvencích DNA intelektuální vlastnictví, které může být konvertováno na peníze. Byli často velmi zdráhaví s publikováním dat na internetu, neboť to oslabovalo možnost získání patentové ochrany a zmenšovalo hodnotu jejich „vlastnictví“.

22 Bermudská dohoda 1996  = veškerá nasekvenovaná data z HGP budou uložena do veřejně přístupných databank  každá laboratoř bude na internet svá data umísťovat denně

23 Public Consortium x Celera Genomics Francis Collins Craig Venter

24

25 Genome Gallery

26 Galerie genomů

27 Genome Gallery

28

29

30 Nature, únor 2001 V davu jsou fotografie Gregora Mendela, Jamese Watsona a Francise Cricka.

31 Science february 2001

32  1980: jedna laboratoř 1000 pb za den.  2000: jedna laboratoř 1000 pb za vteřinu, 24 hodin denně, sedm dní v týdnu.  první lidský genom: 13 let, cena 3 miliardy dolarů  Genom Jamese Watsona: čtyři měsíce (2007), cena 1 milión dolarů  2010: 3 lidé, cena každého z genomů 4 400 dolarů  2011: sekvenování trvá jeden den, cena 1000 dolarů, celkem 1 000 lidí

33 Moore´s Law  cena za sekvenování se během deseti let snížila miliónkrát  jen málo věcí na světě miliónkrát zlevní v průběhu deseti let! Moore´s Law today = computers double in power roughly every two years—an increase of more than 30 times over the course of a decade, with concomitant reductions in cost. The law is named after Intel co-founder Gordon E. Moore, who described the trend in his 1965 paper. The paper noted that the number of components in integrated circuits had doubled every year from the invention of the integrated circuit in 1958 until 1965 and predicted that the trend would continue "for at least ten years". His prediction has proven to be uncannily accurate

34

35 Sekvenování genomu neandertálce

36 Sekvenování genomu neandertálce http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/8660940.stm http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/8660940.stm  mezi 1% - 4% eurasijského genomu se zdá pocházet z neadrtálců Svante Paabo (na snímku s lebkou z neandrtálce), vůdce výzkumného týmu

37 Sekvenování genomu neandertálce http://www.eva.mpg.de/neandertal/index.html http://www.eva.mpg.de/neandertal/index.html  The Neandertal Genome Project  vzorky byly brány z neandertálců z Chorvatska, Španělska, Německa a Ruska

38

39 Pomocné projekty  vytvoření nových technologií  zlepšení technik umožňující fyzikální a genetické mapování  zlepšení technik sekvenování DNA  konstrukce databází  sekvenování genomu pěti modelových organismů  E.coli, Saccharomyces cerevisiae, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster a Mus musculus  ELSI: Etické, Legální, Sociální Implikace

40 Genom jádra a mitochondrií u člověka

41 Human Genome

42 Lidský genom

43  Sekvence DNA kódující proteiny nebo dávající vznik tRNA nebo rRNA tvoří pouhých 1,5% lidského genomu  tělo člověka se skládá z 78 000 druhů proteinů.  pokud bychom rovněž počítali introny a regulační sekvence asociované s geny, pak by celkové množství DNA, kódující i nekódující tvořilo přibližně 25 % genomu  jinak řečeno, pouhých 6 % (1,5 % z 25 %) z délky průměrného genu představuje finální genový produkt.

44  mutace (frameshift deletions) jsou v mezigenové DNA 70x častější než v genech

45

46  Jedinečná nekódující DNA  pseudogeny  genové fragmenty  malé nekódující RNA  geny, které produkují malé nekódující RNA tvoří nepatrnou část genomu; nacházejí se buď v intronech (20%), nebo v jedinečné nekódující DNA (15 %)

47 srovnání distribuce genů ve náhodně zvolené oblasti o velikosti 90 000 pb u různých organismů. Pro srovnání je uvedeno i 500 000 pb lidského chromosomu 21. Introny jsou naznačeny tence, šipky ukazují směr transkripce.

48 1980: jedna laboratoř 1000 pb za den. 2000: jedna laboratoř 1000 pb za vteřinu, 24 hodin denně, sedm dní v týdnu. první lidský genom: 13 let, cena 100 miliónů dolarů Genom Jamese Watsona: čtyři měsíce (2007), cena 1 milión dolarů 2010: 3 lidé, cena každého z genomů 4 400 doalrů 2011: sekvenování trvá jeden den, cena 1000 dolarů, celkem 1 000 lidí

49 Genom Craiga Ventera  3 milliónů SNPs  14 779 změn v sekvencích kódujících proteiny (SNPs)  20% z nich nikdy před tím nebylo zaznamenáno  2020 těchto změn změnilo sekvenci (nesynonymní aminokyselinové substituce)  u 12% předpovězena ztráta funkce proteinu  11% u genů způsobujících nemoc (disease- causing genes)

50

51 Sekvenování genomu neandertálce

52 Sekvenování genomu neandertálce http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/8660940.stm http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/8660940.stm  mezi 1% - 4% eurasijského genomu se zdá pocházet z neadrtálců Svante Paabo (na snímku s lebkou z neandrtálce), vůdce výzkumného týmu

53 Sekvenování genomu neandertálce http://www.eva.mpg.de/neandertal/index.html http://www.eva.mpg.de/neandertal/index.html  The Neandertal Genome Project  vzorky byly brány z neandertálců z Chorvatska, Španělska, Německa a Ruska