Lidský genom

Jaroslav PetrJaroslav PetrVÚŽV UhříněvesVÚŽV Uhříněves

petrpetr@@vuzv.czvuzv.cz

Lidský genomLidský genom

26. červen 2000 – „den G“26. červen 2000 – „den G“

Craig VenterCraig Venter

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

Francis CollinsFrancis Collins

John SulstonJohn Sulston


Publikován 2001Publikován 2001

Zveřejňován na Zveřejňován na databázích na databázích na internetuinternetu

Databáze HGP a Databáze HGP a databáze Celerydatabáze Celery

„„Úplnost“ genomu v „den G“Úplnost“ genomu v „den G“

Sekvence bohaté na geny Sekvence bohaté na geny

přečteny z 90%přečteny z 90%

Sekvence chudé na geny Sekvence chudé na geny

přečteny ze 70%přečteny ze 70%

Statisíce „mezer“Statisíce „mezer“

Spousta chybně určených písmenSpousta chybně určených písmen

Prohozeny celé dlouhé úsekyProhozeny celé dlouhé úseky

Dnešní stavDnešní stavSekvence bohaté na geny Sekvence bohaté na geny přečteny z 99%přečteny z 99%

Sekvence chudé na geny Sekvence chudé na geny přečteny z 80%přečteny z 80%

Spolehlivost přečtených písmen Spolehlivost přečtených písmen 0,001%0,001%

Mnoho „genů“ se ukázalo jako Mnoho „genů“ se ukázalo jako pseudogeny = „rozložené“ genypseudogeny = „rozložené“ geny

Doplněny dlouhé opakující se Doplněny dlouhé opakující se úsekyúseky

Shotgun – vynechává opakující Shotgun – vynechává opakující se úseky o délce 20 kbpse úseky o délce 20 kbp

PerspektivaPerspektiva

20% opakujících se sekvencí nelze 20% opakujících se sekvencí nelze stávajícími technikami číststávajícími technikami číst

Nepředpokládá se dokončení do roku Nepředpokládá se dokončení do roku 20102010

Už teď bylo dosaženo více, než byl cíl Už teď bylo dosaženo více, než byl cíl při startu projektu Human Genompři startu projektu Human Genom

Utratilo se dvakrát více penězUtratilo se dvakrát více peněz


3,2 miliardy „písmen“ genetického 3,2 miliardy „písmen“ genetického kódukódu

Asi 20 - 25 tisíc genůAsi 20 - 25 tisíc genů

Geny tvoří nejvýše 1,5% genomuGeny tvoří nejvýše 1,5% genomu

Velký podíl opakujících se sekvencí Velký podíl opakujících se sekvencí (48%)(48%)

Virové sekvence – 5%Virové sekvence – 5%

Individuální variabilita 0,1%Individuální variabilita 0,1%

Endogenní retroviry Endogenní retroviry

aktivní aktivní

mohou vyvolat nádorové bujenímohou vyvolat nádorové bujení

neaktivníneaktivní

bez funkce – „šrot“bez funkce – „šrot“

virové geny s novou funkcívirové geny s novou funkcí

syncytinsyncytin

Virové sekvenceVirové sekvence

Bílkoviny - proteomBílkoviny - proteom

Funkce je s určitostí známa asi Funkce je s určitostí známa asi

u 6000 bílkovin.u 6000 bílkovin.

Trojrozměrná struktura je známa asiTrojrozměrná struktura je známa asi

u 1600 bílkovin.u 1600 bílkovin.

Lipidy, cukryLipidy, cukry

Variabilita lidské dědičné Variabilita lidské dědičné informaceinformace

SNP SNP single nucleotide polymorphismsingle nucleotide polymorphism

¨když se lišíme jedním ¨když se lišíme jedním písmenem“písmenem“

A A A A AA C G T C C C C G T C C C

A A A A C C C G T C C CC G T C C C

10 milionů „běžných“ SNP 10 milionů „běžných“ SNP „„běžný“ = má jej aspoň 1% lidstvaběžný“ = má jej aspoň 1% lidstva

HaplotypHaplotypkombinace SNPkombinace SNP

„když se lišíme jedním „když se lišíme jedním písmenem vícekrát“písmenem vícekrát“

A A A A A A C G T C C C A T A C G T C C C A T A CC C T C T

A A A A C C C G T C C C A T A C G T C C C A T A GG C T C T

A A A A GG C G T C C C A T A C G T C C C A T A C C C TC T

CNP CNP copy number polymorphismcopy number polymorphism

„když toho máme víc nebo nic“„když toho máme víc nebo nic“

Někdo má na chromozomu Někdo má na chromozomu 1 kopii genu,1 kopii genu,jiný jich může mít 12,jiný jich může mít 12,někdo nemá žádnou.někdo nemá žádnou.

Takových úseků lidské Takových úseků lidské DNA je známo asi 70.DNA je známo asi 70.Mají délku až 1 Mbp.Mají délku až 1 Mbp.

Vysoká míra heterozygotnosti Vysoká míra heterozygotnosti CNPCNP

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

Polymorfismus v síle expresePolymorfismus v síle exprese„když nám geny brzdí „když nám geny brzdí

nebo jedou na plný plyn“nebo jedou na plný plyn“

Je geneticky podmíněnýJe geneticky podmíněný

Konzervativní nekódující Konzervativní nekódující sekvence (CNS)sekvence (CNS)

Myš sdílí s člověkem 5% DNAMyš sdílí s člověkem 5% DNA

Ale geny tvoří jen 1,5%Ale geny tvoří jen 1,5%

Sdílí nekódující sekvenceSdílí nekódující sekvence

Ty musejí mít velký významTy musejí mít velký význam

Některé se udržely v genomu 330 milionů letNěkteré se udržely v genomu 330 milionů let

Geny se mění 2x častěji než CNS Geny se mění 2x častěji než CNS

Je jich asi 60 000 (geny 25 000)Je jich asi 60 000 (geny 25 000)

Geny a chorobyGeny a choroby

HDZdravýZdravý

1 400 genů má přímý vztah 1 400 genů má přímý vztah

k nějaké choroběk nějaké chorobě

Jedná se většinou o choroby Jedná se většinou o choroby vyvolané poruchou jednoho vyvolané poruchou jednoho genugenu

Je možné provést testy, např.Je možné provést testy, např.

cystická fibrózacystická fibróza

Huntingtonova chorobaHuntingtonova choroba

hemofiliehemofilie

Předimplantační diagnostikaPředimplantační diagnostika

Problémy Problémy - etické etické - právníprávní

Capital D - DeafCapital D - Deaf

Komplexní chorobyKomplexní choroby

např. cukrovka, rakovina, schizofrenienapř. cukrovka, rakovina, schizofrenieNáchylnost podmiňujeNáchylnost podmiňuje

- větší počet genů větší počet genů - faktory vnějšího prostředífaktory vnějšího prostředí

Pátrá se po variantách genů v malých Pátrá se po variantách genů v malých populacích populacích

- rodinyrodiny- uzavřené populaceuzavřené populace

Vysoce rizikové alelyVysoce rizikové alely

Jsou vzácnéJsou vzácné

Pro jednotlivce významnéPro jednotlivce významné

Pro populaciPro populaci

malý význammalý význam

150 vysoce rizikových alel 150 vysoce rizikových alel pro Alzheimerovu chorobupro Alzheimerovu chorobu

Tvoří 5% všech případů Tvoří 5% všech případů Alzheimerovy chorobyAlzheimerovy choroby

Středně rizikové alelyStředně rizikové alely

Vyskytují se relativně častoVyskytují se relativně často

Pro jednotlivce méně Pro jednotlivce méně významnévýznamné

Pro populaci významnéPro populaci významné

Středně riziková alela genu Středně riziková alela genu ApoE4 pro Alzheimerovu ApoE4 pro Alzheimerovu chorobu má na svědomí chorobu má na svědomí 20% všech případů 20% všech případů Alzheimerovy choroby.Alzheimerovy choroby.

Pro pochopení lidského genomu Pro pochopení lidského genomu je nutné studovat i genomy je nutné studovat i genomy

dalších organismůdalších organismů

1984 – přečten EB virus1984 – přečten EB virus

1995 Haemophilus 1995 Haemophilus influenzaeinfluenzae

1998 Caenorhabditis 1998 Caenorhabditis eleganselegans

Hmyz Hmyz nejpočetnější skupina živočichůnejpočetnější skupina živočichů

Včela – sociální hmyzVčela – sociální hmyz

Sumka Ciona intestinalisSumka Ciona intestinalis

ČtverzubciČtverzubci

Tetraodon nigroviridisTetraodon nigroviridis

Takifugu rubripesTakifugu rubripes

20 000 genů20 000 genů300 milionů bp300 milionů bp

Úloha „zbytečné“ DNAÚloha „zbytečné“ DNA

CNS – jsou tak konzervovány, že musejí mít CNS – jsou tak konzervovány, že musejí mít významnou rolivýznamnou roli

Retrotranspozony – „skákající geny“ Retrotranspozony – „skákající geny“ regulují aktivitu genomu při vzniku vajíčka regulují aktivitu genomu při vzniku vajíčka a na počátku vývoje embryaa na počátku vývoje embrya

ALEALE

Myš se obejde bez 3 Mbp „zbytečné“ DNAMyš se obejde bez 3 Mbp „zbytečné“ DNA

Kur – první ptákKur – první pták

MyšMyš

Zveřejněn 2002Zveřejněn 2002

Základ pro zkoumání Základ pro zkoumání lidského genomulidského genomu

Tvorba modelů pro Tvorba modelů pro lidské dědičné defekty lidské dědičné defekty a modelů pro léčbua modelů pro léčbu

Genový knokautGenový knokaut

Myši s knokautovaným genem Myši s knokautovaným genem pro nNOS - agresivitapro nNOS - agresivita

Studium a léčba chorobStudium a léčba chorob

Doogie – gen „přidá plyn“Doogie – gen „přidá plyn“

PotkanPotkan

Pes – nejrůznorodější zvířePes – nejrůznorodější zvíře

SkotSkot

Myostatin Myostatin – brzdí nadměrný růst svalů– brzdí nadměrný růst svalů

Svalové dystrofieSvalové dystrofie

Genetický doping?Genetický doping?

Odolnost k námazeOdolnost k námaze

Delší varianta genu ACEDelší varianta genu ACE

SirtuinySirtuiny

Kdo jsme? Odkud přicházíme? Kdo jsme? Odkud přicházíme? Kam směřujeme?Kam směřujeme?

Gen ASPMGen ASPM

Mutace – mikrocefalie častá Mutace – mikrocefalie častá u obyvatel Asieu obyvatel Asie

Gen má zmožen úsek Gen má zmožen úsek o délce 60 bpo délce 60 bp

- C.elegans – 2xC.elegans – 2x- Octomilka – 24xOctomilka – 24x- Myš – 61Myš – 61- Člověk, šimpanz – 74Člověk, šimpanz – 74

zmnožení před 7 miliony rokůzmnožení před 7 miliony roků

Liší se 1,5% písmen genetického kóduLiší se 1,5% písmen genetického kódu

Liší se ale vloženými a ztracenými sekvencemi Liší se ale vloženými a ztracenými sekvencemi - od 30 do 50 000 bp- od 30 do 50 000 bp

Lidé více vložených sekvencí Lidé více vložených sekvencí

- transpozony- transpozony

Úplně se shoduje se jen 17% genů Úplně se shoduje se jen 17% genů

20% genů se liší natolik, 20% genů se liší natolik,

že mají odlišnou funkciže mají odlišnou funkci

Lidský a šimpanzí genomLidský a šimpanzí genom

Největší rozdíl Největší rozdíl - exprese- exprese

Játra mají zhruba Játra mají zhruba stejné spektrum stejné spektrum aktivních genů aktivních genů

Mozek má Mozek má výrazně odlišné výrazně odlišné spektrum spektrum aktivních genůaktivních genů

Myosin žvýkacích svalůMyosin žvýkacích svalů

Člověk má mutaci MYH16 Člověk má mutaci MYH16 -10 x oslabuje žvýkací svaly-10 x oslabuje žvýkací svaly-umožňuje růst mozkovnyumožňuje růst mozkovnyMutace je stará 2,5 milionu rokůMutace je stará 2,5 milionu roků

Před 23 mil. roků vytvořena Před 23 mil. roků vytvořena jako kopie genu GLUD1jako kopie genu GLUD1mRNA osvojena retorovirem mRNA osvojena retorovirem Vnesení provirové DNA do Vnesení provirové DNA do pohlavních buněkpohlavních buněkRychle několik mutacíRychle několik mutacíIdeální pro práci v mozkuIdeální pro práci v mozkuZabezpečuje rychlou likvidaci Zabezpečuje rychlou likvidaci neurotransmiterůneurotransmiterů

GLUD2 GLUD2 glutamát dehydrogenázaglutamát dehydrogenáza

Beta-kateninBeta-katenin

Zvýšená exprese Zvýšená exprese zvětšuje plochu zvětšuje plochu mozkové kůrymozkové kůry

NeandrtálecNeandrtálec

Podle mitochondriální DNA není naším Podle mitochondriální DNA není naším předkempředkem

Anatomické studie tvrdí opak.Anatomické studie tvrdí opak.

LapedoLapedo

Homo floresiensisHomo floresiensis

Pokusy izolovat DNAPokusy izolovat DNA

MorfinMorfin

B a Z DNAB a Z DNA

A B A B ZZ

A – artefaktA – artefakt

B – obvykláB – obvyklá

Z – považovaná Z – považovaná za artefakt, ale za artefakt, ale má vliv na má vliv na aktivitu genůaktivitu genů

100 000 míst se Z-konformací100 000 míst se Z-konformacíViry je mění na B-konformaci, Viry je mění na B-konformaci, aby snížily obranyschopnost buňky.aby snížily obranyschopnost buňky.

Z- DNA Z- DNA interakce s bílkovinamiinterakce s bílkovinami

Netypické struktury DNANetypické struktury DNA

Nešroubovicovité Nešroubovicovité konformace konformace (telomery)(telomery)

Smyčky DNA- Smyčky DNA- vychlípení ke vychlípení ke středu jádra-středu jádra-aktivaceaktivace

Interakce DNA s bílkovinamiInterakce DNA s bílkovinami

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

Chromozomy putují jádremChromozomy putují jádrem

Narušená lokalizace Narušená lokalizace vyvolává chorobné stavy vyvolává chorobné stavy – – např. leukémie.např. leukémie.

Regulace na úrovni RNARegulace na úrovni RNA

Dvouvláknová RNA aDvouvláknová RNA a

RNA interferenceRNA interference

mikroRNAmikroRNA

Alternativní sestřih Alternativní sestřih

Trans-splicingTrans-splicing

DICERDICER

RISCRISCmRNAmRNA

dsRNAdsRNA

siRNAsiRNA

štěpení mRNA komplexem RISCštěpení mRNA komplexem RISC

štěpení endonukleázamištěpení endonukleázami

DICERDICER

miRNAmiRNAprekurzorprekurzor

štěpeníštěpení

miRNA

Represe Represe translacetranslace

mRNAmRNA

Štěpení Štěpení mRNAmRNA

Epigenetické změny DNAEpigenetické změny DNA

Aktivace a inaktivace genů – Aktivace a inaktivace genů – metylace a demetylace cytosinumetylace a demetylace cytosinu

Remodelace chromatinu – Remodelace chromatinu – metylace, acetylace, fosforylace metylace, acetylace, fosforylace histonů – vzniká histonový kódhistonů – vzniká histonový kód

Inaktivace X chromozomu u XXInaktivace X chromozomu u XX

ImprintingImprinting

Metylace DNAMetylace DNA

Konzumace B12, kyseliny Konzumace B12, kyseliny listové, betainu a cholinu listové, betainu a cholinu

B12B12

Kyselina listováKyselina listová

Gen „agouti“Gen „agouti“

Matka s demetylovaným Matka s demetylovaným genem agouti má potomky se genem agouti má potomky se

silně metylovaným genemsilně metylovaným genem

Podávání cholinu březím samicím Podávání cholinu březím samicím potkana mění funkce mozku mláďat – potkana mění funkce mozku mláďat –

přetrvá do dospělostipřetrvá do dospělosti

CholinCholin

metylmetyl

DNADNA

metyltransferázametyltransferáza

Metylace genů potlačujících Metylace genů potlačujících množení neuronů v hipokampu.množení neuronů v hipokampu.

Choroby vyvolané poruchou Choroby vyvolané poruchou regulace epigenetických změnregulace epigenetických změn

Gen MECP2 – vliv na konfiguraci chromatinu – mutace – u dětí postupná ztráta řeči a chůzeGen pro metyltransferázu – mutace – deformity obličeje, poruchy imunityGen ATRX – řídí metylaci DNA a konfiguraci chromatinu – mutace – mentální retardace, anemie, abnormality močových a pohlavních orgánů

Epigenetické změny jsou Epigenetické změny jsou dědičnédědičné

Hladomor v Holandsku 1945 Hladomor v Holandsku 1945 – – rodily se malé dětirodily se malé děti

- jejich děti jsou také menší- jejich děti jsou také menšíŠvédsko 1890-1920 Švédsko 1890-1920 střídavě hladomory a hojnost střídavě hladomory a hojnost

– – děti rodičů dobře živených před děti rodičů dobře živených před pubertou vyšší šance na cukrovku pubertou vyšší šance na cukrovku

– – děti rodičů hladovějících před děti rodičů hladovějících před pubertou – méně srdečních pubertou – méně srdečních chorobchorob

Lidský genom

Documents