Projekt lidského genomu: stručná historie a biologie

Prezentace na téma: "Projekt lidského genomu: stručná historie a biologie"— Transkript prezentace:

1 Projekt lidského genomu: stručná historie a biologie
2015 Marek Vácha Projekt lidského genomu: stručná historie a biologie

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 2013: asi každý nukleotid se někdy přepíše 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 krátký pohled do historie

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 ( 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 Hierarchický přístup

11 Three Stage Approach

12 Whole-genom shotgun approach Celera Genomics

13 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 markerů v celém lidském genomu

14 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)

15 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 – 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

16 Procházení chromosomů

17 Veřejné consortium a Celera

18 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

19 Etika publikování výsledků
2003: vznikjí společné databáze (EMBL-bank/GenBank/DDBJ) obsahuje přes 40 miliard pb z více než 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“)

20 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“.

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

22 Public Consortium x Celera Genomics Francis Collins Craig Venter

23

24 Genome Gallery

25 Galerie genomů

26 Genome Gallery

27

28

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

30 Science february 2001

31 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 dolarů 2011: sekvenování trvá jeden den, cena dolarů, celkem lidí

32 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

33 lidský genom: biologie

34 Genom jádra a mitochondrií u člověka

35 Human Genome

36 Lidský genom

37 Sekvence DNA kódující proteiny nebo dávající vznik tRNA nebo rRNA tvoří pouhých 1,5% lidského genomu
tělo člověka se skládá z 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.

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

39

40 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 %)

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

42 Genom Craiga Ventera 3 milliónů SNPs
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)

43 2010: Homo neanderthalensis

44 Sekvenování genomu neandertálce

45 Sekvenování genomu neandertálce http://news. bbc. co
mezi 1% - 4% eurasijského genomu se zdá pocházet z neadrtálců Svante Paabo (na snímku s lebkou z neandrtálce) , vůdce výzkumného týmu

46 Sekvenování genomu neandertálce http://www. eva. mpg
The Neandertal Genome Project vzorky byly brány z neandertálců z Chorvatska, Španělska, Německa a Ruska