Czytanie DNA. Jak zrozumieć miliard słów? DNA Encyklopedia Życia Warszawa 2010

Transkrypt

1 Czytanie DNA. Jak zrozumieć miliard słów? DNA Encyklopedia Życia Warszawa 2010 Dr hab. Marcin Filipecki Katedra Genetyki, Hodowli i Biotechnologii Roślin DNA Każdy żywy organizm składa się z komórek, a każda komórka ma jądro. Wikipedia ( Plant_cell_structure_svg_pl.svg/450px-Plant_cell_structure_svg_pl.svg.png) W jądrze znajduje się DNA zwinięte w chromosomy (materiał genetyczny). DNA to bardzo długa cząsteczka chemiczna łańcuch, składający się z nawet z setek milionów ogniw (czterech rodzajów A, T, C i G) ułożonych w określonej kolejności. 1

2 Gen to fragment łańcucha DNA (kilka tysięcy ogniw) zawierający informację o budowie białka. Każda komórka człowieka, zwierzęcia czy rośliny zawiera kilkadziesiąt tysięcy genów. Każdego dnia, od początków ludzkości, człowiek zjada 0,2 0,5 grama DNA czyli około kilkudziesięciu biliardów (10 15 ) różnych genów roślinnych, zwierzęcych, bakteryjnych czy wirusowych. Geny 2

3 Metody sekwencjonowania: Enzymatyczna terminacji łańcuchów DNA (100 kpz / dzień / urządzenie) Enzymatyczna rejestrująca aktywność polimerazy Hybrydyzacyjna / h. z wykorzystaniem ligazy Bezpośredni odczyt sekwencji nukleotydów na unieruchomionej pojedynczej cząsteczce Miliardy pz na dzień / urządzenie BIOINFORMATYKA Gromadzenie informacji: Literatura naukowa, Sekwencje DNA, RNA, białek, charakterystyczne motywy, Inne cząsteczki biologiczne, Struktury, Interakcje białek, Profile ekspresji, Szlaki biochemiczne, Choroby, Mapy genetyczne OGÓLNODOSTĘPNE BAZY DANYCH SQ Sequence 1634 BP; 413 A; 537 C; 378 G; 306 T; 0 other; ctatatagcg tcaatcagtt ggattaaacc cagagaccat acaccgaaca ccatgctaat 60 gcacgaaaaa ctcatggccg ggcagttctt cgatctcaag actggtaagt tggccacgcc 120 ccttggtttc tcctcgatcc gtaaactaac aaatcccctc tctctctcaa tctttgcaga 180 tcgcaagccc ctgatgcacc accaccagta ccagcaccac cagcagcaac cgctgcacca 240 cttgccgcac agccaattgc cggttcaggg atccttgggc ctgcccaaaa tggatctgta 300 cacggcctac gcctaccagc agcagttgct gggagctgcc ctcagtcagc agcaacaaca 360 gcaacagcag cagcagcaac atcagcagct gcagcagcag catacctcct ctgcagaggt 420 cctggatctt tcccgtcgat gtgacagcgt agagacgccc aggaagactc cctcgccgta 480 tcaaacaagc tacagctacg gcagtggttc cccctcggct tcgcccacca gcaatcttct 540 gtatgccgcc caaatgcaac agcagcaaca tcagcagcaa caacagcaac agcagcagca 600 gcaacaatta gcctccctgt atcccgcttt ttactacagc aacatcaagc aggagcaagc 660 // 3

4 Przetwarzanie informacji - wnioskowanie: Na potrzeby baz danych Na potrzeby projektów badawczych: Edycja i opis podstawowych cech sekwencji Wyszukiwanie charakterystycznych rejonów w sekwencjach Projektowanie oligonukleotydów Porównywanie, poszukiwanie polimorfizmu, filogenetyka Przewidywanie struktury cząsteczek istniejących Projektowanie nowych cząsteczek J.Craig Venter - wizjoner nauki czy biotechnologiczny biznesman? Genom ludzki Metagenomika Organizm syntetyczny 4

5 Adams MD i in., Science, 21 czerwca 1991 Cele projektu poznania genomu ludzkiego Ustalić sekwencję 3 miliardów par zasad z ludzkiego DNA, Zidentyfikować wszystkie z około genów w DNA człowieka, Przechowywać tę informację w bazach danych, Opracować narzędzia do analizy danych, Przenieść związane z projektem technologie do sektora prywatnego Zwrócić uwagę na wynikające z projektu problemy ważne ze względów etycznych, cywilno-prawnych i społecznych. 5

6 Sekwencjonowanie hierarchiczne w HGP: najpierw zmapowanie wielkoinsertowych klonów, potem sekwencjonowanie losowe Zastosowane przez J.C. Venter a sekwencjonowanie losowe całego genomu (whole genome shotgun sequencing) omija etap mapowania klonów Intl. Hum. Gen. Seq. Cons. (2001), Nature 409: CELERA GENOMICS Adams MD et al., (2000) Science 287(5461):

7 Human Genome Project & CELERA GENOMICS J. Craig Venter & Bill Clinton & Francis Collins Intl. Hum. Gen. Seq. Cons. (2001) Nature 409: Udział 20 ośrodków z 6 krajów Hierarchical shotgun sequencing DNA od wielu osób 15 miesięcy* Wybór kolekcji klonów o minimalnym zachodzeniu, pokrywających chromosomy Losowe sekwencjonowanie głównie klonów BAC i PAC (8 bibliotek) (wielkość fragmentów sekwencjonowanych itp. zależne od ośrodka) Pokrycie genomu 4,5 x (dla klonów) Intl. Hum. Gen. Seq. Cons. (2001) Nature 409:

8 Venter JC i in. (2001) Science 291: CELERA GENOMICS Whole genome shotgun DNA od 5 osób 9 miesięcy Wykorzystanie ntd sekwencji końców klonów o średniej długości wstawki 2, 10 i 50 kpz Włączenie sekwencji z publicznych baz danych po pofragmentowaniu na ntd kawałki Pokrycie genomu 5,11 x Venter JC i in. (2001) Science 291: Era genomów indywidualnych Genom referencyjny 2001/2003 HGP consortium & Celera Genomics Watson 2007 Venter 2007 Anonimowy Joruba, Life Sciences (Roche) JC Venter Institute Illumina (Solexa) $ $ $ $??? Intl. Hum. Gen. Seq. Cons. (2001) Nature 409: Venter JC i in. (2001) Science 291: Wheeler DA i in. (2008) Nature 452: quence.cshl.edu/ (bez informacji o wariancie ApoE) Levy S. i in. (2007) PLoS Biology 5: e254 Anonimowy Han, Chiny, 2007 Beijing Genomics Institute 8

9 Diploidalny genom J.C. Venter a Metoda Sangera 32 mln odczytów sekwencji, pokrycie genomu 7,5 x 4,1 mln zmian (12,3 Mpz) 22% zmian to nie SNP (znaczenie duplikacji!) 44% genów heterozygotycznych Zróżnicowanie osobnicze ~1-2% Levy S. i in. (2007) PLoS Biology 5: e254 Konsekwencje znajomości genomu indywidualnego Warianty genów J.C. Venter a wskazują na zwiększone ryzyko wystąpienia m.in.: choroby alkoholowej, zachowań aspołecznych, uzależnienia od papierosów, innych uzależnień, chorób serca, ch. Alzheimer a Ujawnienie własnego genomu to również ujawnienie znacznej części genomu krewnych Jak wobec takiej informacji zachowają się ubezpieczyciele i pracodawcy? Efekt obserwowanych predyspozycji zależy w znacznej mierze od interakcji na poziomie proteomu i czynników środowiskowych Levy S. i in. (2007) PLoS Biology 5: e254 9

10 UWAGA WYŚCIG!! Nagroda 10 milionów $ 100 genomów ludzkich 10 dni lub szybciej < 10,000 $ na genom Pokrycie >98% Błędy <1/ milion $ za listę 100, w tym sławy: Dziennikarz TV Larry King Kosmolog Stephen Hawking Współtwórca Google Larry Page Współtwórca Microsoft Paul Allen Finansista filantrop Michael Milken Oraz lista osób chorych wytypowana przez odpowiednie rady wspierające Startują: Visigen Biotechnologies 454 Life Sciences Foundation for Applied Molecular Evolution Reveo base4 innovation Personal Genome X-team METAGENOMIKA Zastosowanie nowoczesnych technik genomowych do badania populacji mikroorganizmów, występujących w danym środowisku, z ominięciem izolacji i hodowli laboratoryjnej poszczególnych gatunków Jo Handelsman (2004) Microbiology and Molecular Biology Reviews 68:

11 Wyprawa H.M.S. Challenger ( ) pod kierownictwem Prof. Wyville Thomson a MM str. Sprawozdania Prawie 4000 nowych gatunków Global Ocean Sampling Expedition (GOS) 11

12 Pobieranie próbek w trakcie ekspedycji GOS J.C. Venter Institute 12

13 Ekspedycja Global Ocean Sampling Pierwsza faza 8000MM 41 miejsc pobierania 7,7 mln sekwencji 6,3 mld pz 6,1 mln nowych białek 1700 brak podobieństwa Seria 3 publikacji PLOS Biology Marzec

14 Zróżnicowanie populacji drobnoustrojów, a temperatura wody 85% unikalnych sekwencji w punkatach oddalonych o 200 MM Biologia syntetyczna 14

15 Minimal genome project Mycoplasma genitalium Fraser CM et al. (1995) Science, 270: genów (482 kodujących białka 382 niezbędnych) Około pz Projekt zsyntetyzowania organizmu Sztuczny mikroorganizm - bioreaktor Piąta zasada, nowe aminokwasy Peptide Nucleic Acids (PNA) W stronę syntetycznego życia Synteza bakteriofaga ΦX174 (5386 pz) 2003 r. Transplantacja genomu M. capricolum do cytoplazmy M. mycoides LC (2007) Syteza genomu Mycoplasma genitalium pz (2008) Oligonukleotydy > 5-7 > 24 > 72 (1/8) > 144 (1/4) > 582,97 kpz (1/1) Klonowanie genomu M. mycoides w drożdżach i transplantacja do cytoplazmy M. capricolum. Transplantacja syntetycznego genomu do cytoplazmy > powstanie Synthii (Mycoplasma laboratorium) 2010? 15

16 Czy sekwencje genomów indywidualnych pomogą w leczeniu chorób? Czy w genach organizmów z mórz i oceanów jest odpowiedź na kryzys paliwowy? Czy lawinowy przyrost ilości informacji przerodzi się w jakość? Czy Synthia spełni pokładane w niej nadzieje? 16