GENOMIKA.

MAPOWANIE

GENOMÓW

MAPY

GENOMICZNE

Bioinformatyka, wykład 3 (21.X.2008)

[e-mail]

„Gen”

???

Biologiczne bazy danych –

historia

Biologiczne bazy danych

– „najważniejsze”

tydzień

temu…

Wykład 3 –

spis treści

Genomika
Mapy genomowe
Markery genetyczne,

mapy genetyczne
Mapowanie fizyczne
Bazy danych map genomowych

GENOMIKA

GENOMIKA

–

–

badanie struktury i funkcjonowania genom

badanie struktury i funkcjonowania genom

ó

ó

w

w

GENOMIKA

GENOMIKA

STRUKTURALNA

GENOMIKA

PORÓWNAWCZA

GENOMIKA

FUNKCJONALNA

MAPOWANIE GENOMU:

•Mapy genetyczne
•Mapy fizyczne

SEKWENCJONOWANIE

•

Ewolucja genomów

• Ewolucja genów

•

Transkryptom

•Regulacja tranckrypcji

• Proteom

Structural

genomics

Comparative

genomics

Functional genomics

GENOMIKA

GENOMIKA

–

–

badanie struktury i funkcjonowania genom

badanie struktury i funkcjonowania genom

ó

ó

w

w

GENOMIKA

GENOMIKA

STRUKTURALNA

GENOMIKA

PORÓWNAWCZA

GENOMIKA

FUNKCJONALNA

MAPOWANIE GENOMU:

•Mapy genetyczne
•Mapy fizyczne

SEKWENCJONOWANIE

•

Ewolucja genomów

• Ewolucja genów

•

Transkryptom

•Regulacja tranckrypcji

• Proteom

Structural

genomics

Comparative

genomics

Functional genomics

II znaczenie:

=proteomika

strukturalna

Bio

logia

molekularna & bioinformatyka

Zmienność

genomu ludzkiego

Nature, 2008

•

1695 sites

of

structural

variation

(> 6kbp)

•

4 million

SNPs

•

800000 small

indels

(< 100 bp)

Zmienność

genomu ludzkiego

PubMed stats

[Oct

2008]

Genomics[MAJR]

12,606

Bioinformatics[MAJR] 8,257

Genomics

43,415

Bioinformatics

34,610

Bioinformatics

(Google) 12,200,000

Genomics

(Google) 12,100,000

Mapa genomu –

graficzna prezentacja

położenia markerów/genów na chromosomie

MAPY

GENETYCZNE

MAPY

FIZYCZNE

cM

bp

Mapy genomowe

MAPY GENETYCZNE

MAPY

FIZYCZNE

•

powstają

w oparciu o analizę

częstości rekombinacji między
badanymi markerami

•

pokazują

rozmieszczenie

markerów na chromosomie oraz
odległości genetyczne między
nimi

•

powstają

poprzez bezpośrednią

lokalizację, technikami biologii
molekularnej, badanej sekwencji
DNA w genomie

•

jednostka:

pary zasad –

pz

(ang. bp, kbp)

•

jednostka:

1cM = 1% rekombinacji
(1 crossing

–

over

na 100 mejoz)

u ludzi to ok.0,7 –

1 Mb

Mapy genetyczne

Rekombinacje

Jeżeli

markery A i B są

na

tym

samym

chromosomie,

częstość

rekombinacji

jest > 0 i < 0.5

Jeżeli

markery

A i B są

na

różnych

chromosomach,

częstość

rekombinacji

jest = 0.5.

Ten sam

chromosom

Różne

chromosomy

Bardzo

blisko

Blisko

Daleko

Częstość

CROSSING-OVER

Rzadko

Kilka

Często

Często

Sprzężenie

TAK

TAK

NIE

NIE

θ

0%

1-4%

50%

50%

Częstość

rekombinacji

(

θ

)

From: TISSUE ENGINEERING & HUMAN GENETICS LABORATORY

Marker genetyczny

–

polimorficzna sekwencja DNA

(specyficzna) z jednego miejsca na chromosomie,
używana do mapowania genetycznego,

może być

związana z fenotypem.

Jest to podstawowe narzędzie genetyka

Marker genetyczny

klasa I

(markery fenotypowe)

•

są

to geny kodujące cechy jakościowe

organizmu np. antygeny erytrocytarne, antygeny
głównego układu zgodności tkankowej
(Major Histocompatibility

Complex

-

MHC).

•

markery tej klasy indentyfikowane

są

metodami serologicznymi lub metodami
elektroforetycznymi.

klasa II

(markery DNA)

•

są

to sekwencje DNA, niekoniecznie

kodujące, np. RFLP, SSLP, SNP

•

markery

takie

jako markery

genetycze

muszą

mieć

przynajmniej dwie alleliczne

formy.

•

markery tego typu identyfikowane są

przy użyciu technik analizy molekularnej.

Markery DNA

RFLPs

(Restriction

Fragment Lenght

Polymorphisms)
Minisatelity
Mikrosatelity
SNPs (Single Nucleotide

Polymorphisms)

Markery

genetyczne cd.

RFLPs

(

R

estriction

F

ragment

L

enght

P

olymorphisms) --

polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych

Miejsce cięcia enzymu restrykcyjnego HindIII.

Markery

RFLP

:

Restriction

Fragment Length Polymorphism

Żel

Markery genetyczne cd.

Wady

markerów RFLP:

-

tylko dwie formy alleliczne

-

dużo miejsc cięcia w dużych genomach

SSLPs

(

S

imple

S

equence

L

ength

P

olymorphisms) –

polimorfizm długości prostych sekwencji

-minisatelity

-

mikrosatelity

Markery genetyczne cd.

Minisatelitarny

DNA

VNTRs

(

V

ariable

N

umber of

T

andem

R

epeats) –

zmienna liczba powtórzeń

tandemowych

•

sekwencje zawierające zmienną

liczbę

tandemowych powtórzeń

motywu

(11 –

60 pz)

•

z reguły występują

przy końcach chromosomów -

telomerach

•

liczba powtórzeń

motywu:

2 do 1000,

w zależności od ilości powtórzeń

dany

fragment DNA ma charakterystyczną

długość

(polimorfizm długości widoczny

podczas elektroforezy)

•

VNTR może być

badane metodą

PCR wraz z elektroforezą, połączoną

z hybrydyzacją

z wyznakowaną

sondą. Liczba powtórzeń

decyduje o długości

fragmentu, co z kolei wpływa na szybkości jego przemieszczania się

podczas

elektroforezy.

•

w danym locus VNTR występuje znaczna zmienność

osobnicza

Przykładowy motyw sekwencji minisatelitarnej:

AGGGCTGGAGG

Allel

1.

AGGGCTGGAGG

AGGGCTGGAGG

AGGGCTGGAGG

AGGGCTGGAGG

AGGGCTGGAGG

AGGGCTGGAGG

Allel

2.

AGGGCTGGAGG

AGGGCTGGAGG

AGGGCTGGAGG

AGGGCTGGAGG

AGGGCTGGAGG

Allel

3.

AGGGCTGGAGG

AGGGCTGGAGG

AGGGCTGGAGG

AGGGCTGGAGG

itd.

Przykładowa

analiza VNTRs

Mikrosatelitarny

DNA

STRs

(

S

hort

T

andem

R

epeats) –

krótkie sekwencje powtórzone tandemowo

•

sekwencje zawierające zmienną

liczbę

tandemowych powtórzeń

kilkunukleotydowego

motywu (1 –

4 pz)

•

motyw równomiernie rozmieszczony w genomie

•

liczba powtórzeń

motywu minisatelitarnego:

10 do 50

i w zależności od ilości powtórzeń

dany fragment DNA ma charakterystyczną

długość

(polimorfizm długości widoczny podczas elektroforezy)

•

często motyw taki może być

regularnie przerywany inną

sekwencją.

•

ulokowane są

zazwyczaj w intronach (czasami również

w eksonach

[egzonach] w postaci mniejszej liczby powtórzeń).

STR (Short

Tandem Repeats)

a analiza restrykcyjna

A1A1

A1A2

A3A4

Zalety:

- duża zmienność

-

często tworzą

multi-locus patterns

charakterystyczne dla
danego osobnika
Wady:
-

nie nadają

się

do

dokładnego mapowania
z powodu ich nielosowego
rozkładu w genomie

A1A1 A1A2 A3A4

…ACGACGACGACG…

SNPs

(

S

ingle

N

ucleotide

P

olymorphisms) –

polimorfizm pojedynczych nukleotydów

Genom ludzki: 56 mln

SNPs (6,5 mln

„validated”

SNPs) -

dbSNP

@ NCBI

Analiza SNP umożliwia wykrycie polimorfizmu pojedynczego
nukleotydu w obrębie badanej sekwencji. Klasycznie polega to na
amplifikacji określonego fragmentu genomu w reakcji PCR
i sekwencjonowaniu

uzyskanego produktu.

Zaletą

tej techniki jest wysoka wydajność

identyfikacji polimorfizmu

w obrębie badanej sekwencji, wadą

jest wysoki koszt analizy.

Markery genetyczne cd.

Analiza SNP

SNP

microarrays

molecular

beacons

Analiza sprzężeń

zaburzenia w

analizach:

-

gorące miejsca

rekombinacji

-

podwójny

crossing

–

over

Type of marker

No. of loci Features

Blood groups

~20

May need fresh blood

1910-1960

 

No easy physical localization

Electrophoretic mobility
variants of serum proteins

~30

May need fresh serum, specialized assays

1960-1975

No easy physical localization
Often limited polymorphism

HLA tissue types

1 One linked set

1970-

 

Can only test for linkage to 6p21.3

DNA RFLPs

>10

5

Two allele markers, maximum heterozygosity 0.5

1975-

 

(potentially) Initially required Southern blotting, now PCR

Easy physical localization

DNA VNTRs

>10

4

Many alleles, highly informative

(minisatellites)

 

(potentially) Tend to cluster near ends of chromosomes

1985-

 

Easy physical localization

DNA VNTRs

>10

5

Many alleles, highly informative

(microsatellites)

 

(potentially) Can type by automated multiplex PCR

Easy physical localization

1989-

 

Distributed throughout genome

DNA SNPs

>10

6

Less informative than microsatellites

(single nucleotide
polymorphisms)

(potentially) Can be typed on a very large scale by automated

equipment without gel electrophoresis

1998-

 

Markery
fenotypowe

Markery
DNA

Mapa

Cytogenetyczna

(chromosome bands) –

rozróżnialne

zabarwione

fragmenty chromosomów

(mikroskop

optyczny)

Mbps

Niska

Niska

rozdzielczo

rozdzielczo

ść

ść

Wysoka

Wysoka

rozdzielczo

rozdzielczo

ść

ść

Sequence “map”

-

całkowicie

zsekwencjonowany chromosom

1bp

.

STS sequence

mapping

–

kolejność

unikalnych

w genomie

markerów

DNA (STS)

100 kbp

Mapowanie

Fizyczne

Restriction mapping

–

kolejność

i odległości

pomiędzy

punktami

trawienia

enzymami

DNA.

100s kbp

Fluorescence

in

situ hybridisation

–

hybrydyzacja

fluorescencyjnych sond do chromosomów

100s kbp

Mapy fizyczne

FISH

(

F

luorescent

i

n

s

itu

h

ybridization) –

hybrydyzacja fluorescencyjna

in situ

Mapa fizyczna genomu

Medicago truncatula

(lucerny)

skonstruowana metodą

FISH

Mapy fizyczne cd.

STS

(

S

equence

t

agged

s

ite)

mapping

-

-

mapowanie

miejsc znakowanych sekwencją

Analiza STS

A

B

Mapa restrykcyjna

A

B

Sekwencjonowanie genomów

WGS

(whole

genome

shotgun)

Clone contig

Przeglądarki genomowe

-

Genome

Browsers

NCBI Map Viewer
UCSC Genome

Browser

(University

of

Calif., Santa Cruz)

Ensembl Map View

Ensembl

Ensembl

UCSC

NCBI

NCBI