Jaroslav Petr VÚŽV Uhříněves petr@vuzv.cz Lidský genom Jaroslav Petr VÚŽV Uhříněves petr@vuzv.cz

26. červen 2000 – „den G“

Craig Venter „Ptám se: Je moje práce tak kvalitní, aby si zasloužila Nobelovu cenu? Odpovídám si: Ano!“

Francis Collins

John Sulston

Lidský genom Publikován 2001 Zveřejňován na databázích na internetu Databáze HGP a databáze Celery

„Úplnost“ genomu v „den G“ Sekvence bohaté na geny přečteny z 90% Sekvence chudé na geny přečteny ze 70% Statisíce „mezer“ Spousta chybně určených písmen Prohozeny celé dlouhé úseky

Dnešní stav Sekvence bohaté na geny přečteny z 99% Sekvence chudé na geny přečteny z 80% Spolehlivost přečtených písmen 0,001% Mnoho „genů“ se ukázalo jako pseudogeny = „rozložené“ geny Doplněny dlouhé opakující se úseky

Shotgun – vynechává opakující se úseky o délce 20 kbp

Perspektiva 20% opakujících se sekvencí nelze stávajícími technikami číst Nepředpokládá se dokončení do roku 2010 Už teď bylo dosaženo více, než byl cíl při startu projektu Human Genom Utratilo se dvakrát více peněz

Lidský genom 3,2 miliardy „písmen“ genetického kódu Asi 20 - 25 tisíc genů Geny tvoří nejvýše 1,5% genomu Velký podíl opakujících se sekvencí (48%) Virové sekvence – 5% Individuální variabilita 0,1%

Virové sekvence Endogenní retroviry aktivní mohou vyvolat nádorové bujení neaktivní bez funkce – „šrot“ virové geny s novou funkcí syncytin

Bílkoviny - proteom Funkce je s určitostí známa asi u 6000 bílkovin. Trojrozměrná struktura je známa asi u 1600 bílkovin.

Lipidy, cukry

Variabilita lidské dědičné informace

SNP single nucleotide polymorphism ¨když se lišíme jedním písmenem“ A A A C G T C C C A A C C G T C C C 10 milionů „běžných“ SNP „běžný“ = má jej aspoň 1% lidstva

Haplotyp kombinace SNP „když se lišíme jedním písmenem vícekrát“ A A A C G T C C C A T A C C T A A C C G T C C C A T A G C T A A G C G T C C C A T A C C T

CNP copy number polymorphism „když toho máme víc nebo nic“ Někdo má na chromozomu 1 kopii genu, jiný jich může mít 12, někdo nemá žádnou. Takových úseků lidské DNA je známo asi 70. Mají délku až 1 Mbp.

Vysoká míra heterozygotnosti CNP V dědičné informaci jednoho člověka není na chromozomálním páru prakticky nikdy stejný počet CNP. Zřejmě by to bylo letální.

Polymorfismus v síle exprese „když nám geny brzdí nebo jedou na plný plyn“ Je geneticky podmíněný

Konzervativní nekódující sekvence (CNS) Myš sdílí s člověkem 5% DNA Ale geny tvoří jen 1,5% Sdílí nekódující sekvence Ty musejí mít velký význam Některé se udržely v genomu 330 milionů let Geny se mění 2x častěji než CNS Je jich asi 60 000 (geny 25 000)

Geny a choroby 1 400 genů má přímý vztah k nějaké chorobě Jedná se většinou o choroby vyvolané poruchou jednoho genu Je možné provést testy, např. cystická fibróza Huntingtonova choroba hemofilie Zdravý HD

Předimplantační diagnostika Problémy etické právní

Capital D - Deaf

Komplexní choroby např. cukrovka, rakovina, schizofrenie Náchylnost podmiňuje větší počet genů faktory vnějšího prostředí Pátrá se po variantách genů v malých populacích rodiny uzavřené populace

Vysoce rizikové alely Jsou vzácné Pro jednotlivce významné Pro populaci malý význam 150 vysoce rizikových alel pro Alzheimerovu chorobu Tvoří 5% všech případů Alzheimerovy choroby

Středně rizikové alely Vyskytují se relativně často Pro jednotlivce méně významné Pro populaci významné Středně riziková alela genu ApoE4 pro Alzheimerovu chorobu má na svědomí 20% všech případů Alzheimerovy choroby.

Pro pochopení lidského genomu je nutné studovat i genomy dalších organismů

1984 – přečten EB virus

1995 Haemophilus influenzae

1998 Caenorhabditis elegans

Hmyz nejpočetnější skupina živočichů

Včela – sociální hmyz

Sumka Ciona intestinalis

Čtverzubci 20 000 genů 300 milionů bp Takifugu rubripes Tetraodon nigroviridis 20 000 genů 300 milionů bp

Úloha „zbytečné“ DNA CNS – jsou tak konzervovány, že musejí mít významnou roli Retrotranspozony – „skákající geny“ regulují aktivitu genomu při vzniku vajíčka a na počátku vývoje embrya ALE Myš se obejde bez 3 Mbp „zbytečné“ DNA

Kur – první pták

Myš

Zveřejněn 2002 Základ pro zkoumání lidského genomu Tvorba modelů pro lidské dědičné defekty a modelů pro léčbu

Genový knokaut

Myši s knokautovaným genem pro nNOS - agresivita

Studium a léčba chorob

Doogie – gen „přidá plyn“

Potkan

Pes – nejrůznorodější zvíře

Skot

Myostatin – brzdí nadměrný růst svalů

Svalové dystrofie

Genetický doping?

Odolnost k námaze Delší varianta genu ACE

Sirtuiny

Kdo jsme? Odkud přicházíme? Kam směřujeme?

Gen ASPM Mutace – mikrocefalie častá u obyvatel Asie Gen má zmožen úsek o délce 60 bp C.elegans – 2x Octomilka – 24x Myš – 61 Člověk, šimpanz – 74 zmnožení před 7 miliony roků

Lidský a šimpanzí genom Liší se 1,5% písmen genetického kódu Liší se ale vloženými a ztracenými sekvencemi - od 30 do 50 000 bp Lidé více vložených sekvencí - transpozony Úplně se shoduje se jen 17% genů 20% genů se liší natolik, že mají odlišnou funkci

Největší rozdíl - exprese Játra mají zhruba stejné spektrum aktivních genů Mozek má výrazně odlišné spektrum aktivních genů

Myosin žvýkacích svalů Člověk má mutaci MYH16 -10 x oslabuje žvýkací svaly umožňuje růst mozkovny Mutace je stará 2,5 milionu roků

GLUD2 glutamát dehydrogenáza Před 23 mil. roků vytvořena jako kopie genu GLUD1 mRNA osvojena retorovirem Vnesení provirové DNA do pohlavních buněk Rychle několik mutací Ideální pro práci v mozku Zabezpečuje rychlou likvidaci neurotransmiterů

Beta-katenin Zvýšená exprese zvětšuje plochu mozkové kůry

Neandrtálec Lapedo Podle mitochondriální DNA není naším předkem Anatomické studie tvrdí opak.

Homo floresiensis Pokusy izolovat DNA

Morfin

B a Z DNA A – artefakt B – obvyklá A B Z Z – považovaná za artefakt, ale má vliv na aktivitu genů A B Z 100 000 míst se Z-konformací Viry je mění na B-konformaci, aby snížily obranyschopnost buňky.

Z- DNA interakce s bílkovinami

Netypické struktury DNA Nešroubovicovité konformace (telomery) Smyčky DNA- vychlípení ke středu jádra-aktivace

Interakce DNA s bílkovinami Spojení DNA s bílkovinami je dynamické Opakované odpojení a připojení Histony 1x/min.

Chromozomy putují jádrem Narušená lokalizace vyvolává chorobné stavy – např. leukémie.

Regulace na úrovni RNA Dvouvláknová RNA a RNA interference mikroRNA Alternativní sestřih Trans-splicing

dsRNA DICER siRNA RISC mRNA štěpení mRNA komplexem RISC štěpení endonukleázami

miRNA prekurzor štěpení miRNA mRNA Štěpení Represe mRNA translace DICER štěpení miRNA mRNA Štěpení mRNA Represe translace

Epigenetické změny DNA Aktivace a inaktivace genů – metylace a demetylace cytosinu Remodelace chromatinu – metylace, acetylace, fosforylace histonů – vzniká histonový kód Inaktivace X chromozomu u XX Imprinting

Metylace DNA

Konzumace B12, kyseliny listové, betainu a cholinu Gen „agouti“ B12 Kyselina listová

Matka s demetylovaným genem agouti má potomky se silně metylovaným genem

Podávání cholinu březím samicím potkana mění funkce mozku mláďat – přetrvá do dospělosti metyltransferáza Cholin DNA Metylace genů potlačujících množení neuronů v hipokampu. metyl

Choroby vyvolané poruchou regulace epigenetických změn Gen MECP2 – vliv na konfiguraci chromatinu – mutace – u dětí postupná ztráta řeči a chůze Gen pro metyltransferázu – mutace – deformity obličeje, poruchy imunity Gen ATRX – řídí metylaci DNA a konfiguraci chromatinu – mutace – mentální retardace, anemie, abnormality močových a pohlavních orgánů

Epigenetické změny jsou dědičné Hladomor v Holandsku 1945 – rodily se malé děti - jejich děti jsou také menší Švédsko 1890-1920 střídavě hladomory a hojnost – děti rodičů dobře živených před pubertou vyšší šance na cukrovku – děti rodičů hladovějících před pubertou – méně srdečních chorob