Wykład V

GENOMY I GENOMIKA

0. Genom jest to całkowity DNA komórki, obejmujący wszystkie geny oraz sekwencje międzygenowe.

0. Wyróżnia się dwie grupy genomów, tak jak dwie grupy organizmów żywych,

czyli prokariotyczne i eukariotyczne.

 

Genomy eukariotyczne

0. składają się z genomu jądrowego i mitochondrialnego i dodatkowo u organizmów fotosyntetyzujących z chloroplastowego.

1. Wielkość: od 10 Mpz

(Mpz-milion pz) do ponad

100 000 Mpz i na ogół

wielkość koreluje

z jego złożonością.

0. Liczba chromosomów nie ma związku

z wielkością genomu

0. Większa część DNA w jądrowym genomie

nie pełni funkcji kodującej.

Genom jądrowy u wszystkich Eucaryota

składa się z liniowych

cząsteczek DNA,

które znajdują się

w chromosomach.

Genom człowieka

0. Jest typowym genomem

eukariotycznym, i tak jak

u większości składa się

z jądrowego i mtDNA,

0. i również jak u większości - genom jądrowy zawiera znakomitą większość genów.

1. Na genom jądrowy u człowieka składają się 23 liniowe cząsteczki DNA w komórce haplo- i 46 cząsteczek w komórce diploidalnej.

Genom człowieka

0. W każdej

cząstecteczce DNA jest od 55 do 250 Mpz.

0. Diploidalny zestaw chromosomów składa się z ok. 5,6 x 10⁹pz lub ok. 6 000 Mpz.

1. Łączna długość DNA wynosi ok. 2 metrów.

W latach 80-siątych ubiegłego stulecia powstał pomysł zsekwencjonowania ludzkiego genomu

0. PROJEKT POZNANIA GENOMU CZŁOWIEKA

(Human Genome Project)

HGP - Co to znaczy dla każdego z nas?

0. "Każdy człowiek ma swój

indywidualny zapis genetyczny,

który zawarty jest w podwójnym

łańcuchu DNA jądra komórkowego.

0. Badania te miały na celu ustalenie sekwencji nukleotydowej ludzkiego genomu, czyli kolejności, w jakiej położone są nukleotydy w DNA.

1. Ustalenie sekwencji ludzkiego DNA jest wstępem do zdobycia pełnej wiedzy na temat działania genów."

W pięćdziesiątą rocznicę odkrycia przez J. Watsona i F. Cricka molekularnej struktury DNA, zsekwencjonowano w całości ludzki genom.

0. wstępny opis genomu człowieka opublikowano już w roku 2000,

1. 14 kwietnia 2003 roku opublikowano dokument stwierdzający zakończenie sekwencjonowania genomu z trafnością 99,99%.

Zadania PROJEKTU POZNANIA GENOMU CZŁOWIEKA (Human Genome Project):

0. 1-  zsekwencjonowanie ludzkiego DNA

1. 2-  opracowanie map chromosomów

człowieka

0. 3-  zsekwencjonowanie genomów

organizmów modelowych

0. 4-  gromadzenie i przechowywanie danych i udostępnienie ich

1. 5-  rozwój i opracowanie ulepszonych technik biologii molekularnej w tym sekwencjonowanie.

0. Dzięki programowi poznania ludzkiego genomu cała sekwencja ułożenia zasad w genomie człowieka została poznana.

1. Jest to pierwszy krok w celu

identyfikacji poszczególnych genów

i białek przez nie

kodowanych.

Genom człowieka

0. sekwencjonowaniu poddano DNA

z haploidalnego zestawu i tylko

jedną nić liczącą 3 miliardy

nukleotydów (dlaczego?).

-Informacja kodująca w genach

stanowi około 1,1% całego DNA.

- Zawiera tylko około 35 tys. genów.

Ludzki genom

Geny i sekwencje związane z genami stanowią zaledwie 25% DNA,

0. pozostała część DNA - 75% (900Mz) nazywa się pozagenowym i jego

funkcja nie jest jeszcze

dokładnie poznana.

W genach i sekwencjach z nimi

związanych sekwencje kodujące

stanowią 10%, pozostałe to introny, oraz

sekwencje promotorowe, początkowe i

końcowe genów oraz pseudogeny.

W 70% DNA tzw. pozagenowym są sekwencje powtórzone, z których większość występuje w małej liczbie kopii lub jest wręcz unikatowa

0. pozostałe 30% składa się z wielokrotnych powtórzeń sekwencji, które mogą być rozproszone po całym genomie lub zgrupowane tandemowo

1. Sekwencje powtórzone tandemowo nazywa się DNA satelitarnym (tworzy oddzielną warstwę po odwirowaniu w gradiencie gęstości chlorku cezu w czasie frakcjonowania DNA genomowego)

DNA satelitarny

0. zawiera powtórzenia od 5 do 300pz zgrupowane tandemowo w jednostki liczące od 100 do 5 000 kpz, a sekwencja zwana alu skł. się z 300pz występuje w 300 000 kopii.

2. Większość satelitarnego jest skupiona w centromerach chromosomów (pełni tam rolę strukturalną) ale też w innych miejscach chromosomów.

Mikrosatelitarny

0. składa się z najkrótszych jednostek liczących od 2 do 6 pz

1. powtórzonych 10-12 razy.

2. Są to tzw. proste powtórzenia tandemowe STR (Simple Tandem Repeat), lub SSRs (Simple Sequence Repeats), lub STRP (Short Tandem-Repeat Polymorphism) nazywane w uproszczeniu w lit. polskiej mikrosatelitami.

STR

0. Jest ich bardzo dużo w genomie,

1. stanowią kilka % całego genomu

2. są wykorzystywane jako markery genetyczne oraz do ustalenia pokrewieństwa w populacjach człowieka.

3. Liczba powtórzeń sekwencji CA u człowieka jest cechą osobniczą.

0. Ta duża

zmienność sekwencji

mikrosatelitarnych

jest prawdopodobnie

wynikiem „poślizgu”

polimerazy DNA w czasie

replikacji tych sekwencji

prowadzącego do

wstawienia, lub co się

dzieje rzadziej do delecji

jednej lub wielu

powtórzonych

jednostek.

Minisatelitarny DNA

Zawiera polimorficzne

powtórzenia składające się

od 7 do 100pz,

0. o całkowitej długości od 1kpz do 25kpz.

1. Zmienność liczby powtórzeń sekwencji minisatelitarnego DNA w określonych miejscach genomu nazywa się polimorfizmem liczby tandemowych powtórzeń, a od nazwy angielskiej w skrócie VNTR (Variable Number Tandem Repeats).

W całym genomie
SNP
(Single Nucleotide Polymorphism)

0. – są to różnice w sekwencji 1 nukl. w tej samej pozycji w cząsteczce DNA (w sekwencjach homologicznych) występujące wśród osobników tego samego gat.

0. 1 allel – AAATTCC

1. 2 allel - AAAGTCC

W genomie człowieka jest około
2 mln miejsc SNP,

0. w których ludzie różnią się między sobą (pochodzimy od niewielkiej populacji żyjacej 3 tys. pokoleń temu)

1.  

2. W naszych genomach taka różnica zdarza się co 1200 nukl. i prawdopodobnie wystarcza do zapewnienia niepowtarzalności każdemu z nas ale też jest źródłem chorób genetycznych

Do sekwencji powtórzonych i rozproszonych w genomie zalicza się transpozony.

0. Transpozony DNA- ruchome elementy genetyczne – są to krótkie sekwencje DNA, replikujące się i wbudowujące się w różne miejsca genomu oraz zmieniające miejsce lokalizacji w genomie.

Charakterystyczne cechy sekwencji kodujących, które pozwalają na ich identyfikację

0. wyspy CpG, są to krótkie sekwencje,

1. bogate w zasady G + C (Procent par G+C w genomie człowieka 41)

2. nie ulegają metylacji (dzięki czemu łatwo można je oddzielić od reszty genomu poprzez trawienie enzymami restrykcyjnymi rozpoznającymi specyficzne sekwencje wrażliwe na metylację).

Wyspy CpG posiadają ponadto regiony wiązania czynników transkrypcyjnych lub innych białek o charakterze regulatorowym.
Wyspy CpG są markerami 56% ludzkich genów.

Geny nie są rozłożone równomiernie.

0. Najwięcej znajduje się ich w chromosomach 17, 19 i 22,

1. pary 4, 13 i 18 oraz chromosomy płciowe X i Y zawierają w porównaniu z nimi bardzo mało genów.

2. W 1 mln nukleotydów chromosomu 19 zawarte są 23 geny, podczas gdy w tej samej długości chromosomu 13 jest ich tylko 5.

Co jeszcze wiemy o ludzkim genomie

0. Wszyscy jesteśmy do siebie podobni w 99,99%

1. 90% genów mamy wspólnych z szympansem

2. Ponad 300 genów identycznych z bakteriami

3. 1 gen może kodować 3 różne białka

0. Prawdopodobnie kluczową różnicą pomiędzy naszym a szympansim DNA są subtelne zmiany w działaniu

niektórych genów związanych z rozwojem osobniczym,

0. i to na skutek tych zmian nasz mózg jest dwu-trzykrotnie większy, co pozwala nam komponować symfonie, pisać wiersze i zdobywać kosmos...

Korzyści z poznania ludzkiego genomu

0. Poznanie podłoża wszystkich chorób

1. Możliwość syntezy nowych leków (farmakogenomika)

2. Indywidualna terapia

3. Stosowanie terapii genowej

4. Poznanie predyspozycji do chorób nowotworowych

5. Poznanie ryzyka uzależnień

0. Interpretacje ludzkiego genomu będą trwać dziesiątki lat

1. tylko niektóre choroby wywoływane są mutacjami w jednym genie

2. częściej choroba jest skutkiem skomplikowanych i nie poznanych jeszcze interakcji między genami i środowiskiem

3. istnieje wiele „odmian” genu jako wynik polimorfizmu wewnątrzgatunkowego

co też wydłuży czas poznania

 

GENOMIKA.

0. Zsekwencjonowanie DNA różnych organizmów zaowocowało m.in. rozwojem nauki zwanej genomiką a obejmującą badania genomu czyli całej informacji genetycznej niezbędnej do życia i rozmnażania.

Poznanie całkowitej sekwencji DNA to jednak dopiero pierwszy krok w zrozumieniu funkcjonowania organizmów.

0. Kolejny etap to odkrycie funkcji nieznanych dotąd genów.

1. Temu celowi służą nowo powstałe dziedziny biologii molekularnej takie jak:

2. genomika funkcjonalna, genomika porównawcza,

3. transkryptomika (analiza mRNA),

4. proteomika (analiza całkowitej zawartości białek)

5. i metabolomika (analiza całkowitej zawartości metabolitów).

ANALIZA DANYCH SEKWENCYJNYCH.
Bazy danych: GenBank, i EMBL.

0. Zawierają zbiory sekwencji genów wirusów, bakterii, roślin, zwierząt i człowieka uzyskane w wyniku sekwencjonowania z laboratoriów z całego świata.

Poznanie sekwencji DNA dostarcza ogromnej ilości danych:

0. 1.miejsca sekwencji rozpoznawane przez enzymy restrykcyjne

1. 2.dotyczące budowy genów (sekwencje promotorowe, identyfikujące kodony start i stop, połączenie intron-ekson).

0. 3.Pozwalają na porównanie wybranej sekwencji z innymi sekwencjami z bazy danych w celu:

1. określenia podobieństw wskazujących na pokrewieństwo genów i konstrukcję dendrogramów ilustrujących

związki ewolucyjne

między organizmami.

Filogenetyka molekularna

0. Porównując ze sobą genomy można

określić związki ewolucyjne między nimi

i jest to zadanie filogenetyki molekularnej.

 

0. Ponieważ genom ewoluuje gromadząc mutacje, liczba różnic między sekwencjami nukleotydów w DNA genomowym dwóch gatunków powinna wskazać, jak dawno temu istniał wspólny przodek tych genomów.

1. Można założyć, że dwa genomy, które oddzieliły się w niedalekiej przeszłości będą się różnić w stopniu mniejszym niż para genomów, których ostatni wspólny przodek istniał dawno.

BOHATEROWIE GENOMlKI

0. Liczba organizmów, których genomy udało się poznać przekroczyła kilkadziesiąt.

1. Zaczęło się od wirusów-jednym z pierwszych zbadanych pod tym kątem wirusów był HIV wywołujący AIDS.

0. Pierwszym zsekwencjonowanym organizmem wolno żyjącym była pałeczka grypowa- Haemophilus influenzae,

1. Dokonano tego w sierpniu 1995 r.

2. Okazało się, że jej genom składa się z 1743 genów.

0. Escherichia coli (pałeczka okrężnicy) – 4,72 Mpz, 4,3 tys. genów

1. Helicobacter pylori - przyczyniającasię do choroby wrzodowej żołądka i dwunastnicy

2. Pierwszym organizmem wielokomórkowym,

którego genom poznano były drożdże piekarskie (Saccharomyces cerevisiae).

0. W grudniu 1998 r. pierwszym poznanym zwierzęcym genomem został genom nicienia Caenorhabditis elegans.

1. Okazało się, że genom tego robaka liczy nieco ponad 19 tys. genów.

0. W roku 2000 udało się poznać

geny muszki owocowej Drosophila melanogaster.

Liczba genów muszki ok. 13 600.

0. Pierwszą zsekwencjonowaną rośliną jest

1. (w 2000 r.) bliski krewniak kapusty - rzodkiewnik (Arabidopsis thaliana).

0. 14 kwietnia 2003 r. do grona

organizmów o poznanej

budowie DNA dołączył

Homo sapiens.

2006r zsekwencjonowano genom kury domowej

0. genom kury - około 1 mld par zasad, zawiera około 20-23 tys. genów.
   
   
   

1. Jak dotąd, jest to jedyny poznany genom kręgowca, który w toku ewolucji utracił więcej genów niż zyskał.
   
   
   

2. Analiza genomu kury pomoże w lepszym zrozumieniu, jak przebiegała ewolucja ludzi, ssaków i ptaków. (Ssaki i ptaki oddzieliły się od wspólnego przodka około 310 mln lat temu.)
   
   
   

3. Człowiek ma prawie 60 proc. genów wspólnych z kurą i w wielu przypadkach zajmują one tę samą pozycję na chromosomach, dzięki czemu genom ludzki łatwiej porównywać z genomem kury niż myszy.
   
   
   
   

HGP

0. http://www.ornl.gov./sci/techresurces/Human_Genome/home_shtml

ASPEKTY ETYCZNE I SPOŁECZNE HGP

0. Na podstawie analizy genów będzie możliwe określenie

1. *predyspozycji do wielu chorób, np. nowotworowych i zawału serca,

2. *ocenę ryzyka zapadalności na choroby uwarunkowane genetycznie

3. *dopasowanie terapii aby była skuteczniejsza,

0. *ludziom zdrowym może dać szansę na podjęcie decyzji co robić aby zachować dobre zdrowie.

1. Np. odpowiedzieć na pytanie czy mogę pić alkohol czy też szybko się uzależnię.

Dylematy

* poufność inf. genetycznych,

0. *decyzje co do wykonywania testów genetycznych przed ujawnieniem się objawów choroby

1. *jak określić warunki, które pozwalają stwierdzić, że wykonanie testu genetycznego leży w najlepiej pojętym interesie badanego

2. *czy informacja ta da korzyść czy też może stać się źródłem dyskryminacji

Ale kto zatrudni pracownika, u którego testy genetyczne wykażą podatność na raka?

0. Dlatego tylko b. ostrożna i rozważna ocena możliwych korzyści i potencjalnych zagrożeń może pomóc z perspektywy społecznej w podejmowaniu racjonalnych i wyważonych decyzji.

2007r. Od momentu, kiedy James D. Watson i Francis Crick zaproponowali swój doceniony przyznaniem Nagrody Nobla dwuniciowy model strukturalny DNA, minęły 54 lata. Tyle czasu Watson musiał czekać, by zobaczyć swój zsekwencjonowany genom. Crick nie dożył tego momentu, zmarł w 2004 roku.

0. Projekt kosztował 1 mln dol. Jego realizacją zajęły się dwie placówki: Houston's Baylor College of Medicine i należące do firmy farmaceutycznej Roche

Life Sciences

0. Richard Gibbs, dyrektor centrum sekwencjonowania genomu z Baylor, poinformował, że u Watsona odnaleziono kilka mutacji, m.in. predysponującą do zachorowania na nowotwór. W wieku dwudziestu kilku lat sławny zoolog rzeczywiście stoczył walkę z rakiem skóry.
   
   
   

1. 
   
   
   

James D. Watson

0. Zgodził się on na udostępnienie danych na temat swojego genomu w Internecie.

1. Miałoby to służyć 2 celom:

2. 1) dalszemu rozwojowi badań oraz

3. 2) przekonaniu opinii społecznej,

4. że nie należy się obawiać udostępniania

5. takich informacji.
   
   
   

0. Noblista uważa, że lęki dotyczące dyskryminacji na tle genetycznym są nadmierne rozpowszechniane. Nie powiększą na pewno nietolerancji, która jest już obecna w naszym życiu codziennym.
   
   Siedemdziesięciodziewięcioletni Watson jednak nie chciał wiedzieć, czy może zapaść na chorobę Alzheimera.

1. Wyjaśnił, że skoro nie ma na nią lekarstwa, wielu ludziom, w tym jemu samemu, taka świadomość nic nie da...