Humán Genom szekvencia és variabilitás

Az előadások a következő témára: "Humán Genom szekvencia és variabilitás"— Előadás másolata:

1 Humán Genom szekvencia és variabilitás
Lecture outline: 1. Human genome sequence - the importance of the genome sequence - completed genomes - sequencing strategies: hierarchical and whole-genome shotgun - Biology and informatics of hierarchical genome sequencing 2. Human genome annotations - ab initio annotations - homology based annotations - structural annotations - the main features of the human genome sequence 3. Human genome variability - DNA sequence variations (SNPs, INDELs) - structural variations (e.g. chromosome rearrangements, copy number changes) - epigenetic variations (e.g. changes in histone structure, DNA methylaton) Gabor T. Marth, D.Sc. Department of Biology, Boston College Orvosi genomika kurzus – Debrecen, Hungary, May 2006

2 Az előadás átteknitése
1. Genom szekvenáló stratégiák, szekvenáló informatika 2. Genom érdekességek, funkcionális és struktúrális jellegzetességek a humán genomban 3. Genom variabilitás, DNS nukleotid, struktúra és epigenetikus variációk

3 1. A humán genom szekvencia

4 A nukleáris genom (kromoszóma)

5 A genom szekvencia az eredeti templát, melyen körvonalazódtak genetikai kódunk funkcionális jellegzetességei (gének, regulátor elemek, másodlagos szerkezet, harmadlagos szerkezet, stb.)

6 Teljes genomok ~3,000 Mb >100 Mb ~100 Mb ~1 Mb

7 Főbb genom szekvenáló stratégiák
Teljes-genom shotgun szekvenálás Klón-alapú shotgun szekvenálás Human Genome Project Celera Genomics, Inc.

8 Hierarchikus genom szekvenálás
BAC könyvtár készítése klón térképezés shotgun alklón könyvtár készítése szekvenálás szekvencia rekonstrukció (szekvencia összeállítása) Lander et al. Nature 2001

9 Klón térképezés – “sequence ready” térkép

10 Hierarchikus genom szekvenálás
BAC könyvtár készítése klón térképezés shotgun alklón könyvtár készítése szekvenálás szekvencia rekonstrukció (szekvencia összeállítása) Lander et al. Nature 2001

11 Shotgun alklón könyvtár készítése
Klónozó vektor BAC primer klón Alklón inzert Szekvenáló vektor

12 Hierarchikus genom szekvenálás
BAC könyvtár készítése klón térképezés shotgun alklón könyvtár készítése szekvenálás/read processing szekvencia rekonstrukció (szekvencia összeállítása) Lander et al. Nature 2001

13 Szekvenálás

14 Robotizált automatizálás
Lander et al. Nature 2001

15 Bázis „calling” PHRED bázis = A Q = 40

16 Vektor „clipping”

17 Hierarchikus genom szekvenálás
BAC könyvtár készítése klón térképezés shotgun alklón könyvtár készítése szekvenálás/read processing szekvencia rekonstrukció (szekvencia összeállítása) Lander et al. Nature 2001

18 Szekvencia összeállítása
PHRAP

19 Az ismétlődő DNS szekvenciák nehezítik az összeállítást

20 Szekvenálás befejezése (finishing)
kis szekvencia lefedettségű és/vagy rossz minőségű régiók hézag CONSED, AUTOFINISH

21 2. Humán genom annotáció

22 Genom annotáció – Célok
Fehérje kódoló gének ismétlődő elemek RNS gének GC tartalom

23 A kiindulási anyag AGCGTGGTAGCGCGAGTTTGCGAGCTAGCTAGGCTCCGGATGCGA
CCAGCTTTGATAGATGAATATAGTGTGCGCGACTAGCTGTGTGTT GAATATATAGTGTGTCTCTCGATATGTAGTCTGGATCTAGTGTTG GTGTAGATGGAGATCGCGTAGCGTGGTAGCGCGAGTTTGCGAGCT AGCTAGGCTCCGGATGCGACCAGCTTTGATAGATGAATATAGTGT GCGCGACTAGCTGTGTGTTGAATATATAGTGTGTCTCTCGATATGT AGTCTGGATCTAGTGTTGGTGTAGATGGAGATCGCGTGCTTGAG TCGTTCGTTTTTTTATGCTGATGATATAAATATATAGTGTTGGTG GGGGGTACTCTACTCTCTCTAGAGAGAGCCTCTCAAAAAAAAAGCT CGGGGATCGGGTTCGAAGAAGTGAGATGTACGCGCTAGXTAGTAT ATCTCTTTCTCTGTCGTGCTGCTTGAGATCGTTCGTTTTTTTATGCT GATGATATAAATATATAGTGTTGGTGGGGGGTACTCTACTCTCTCT AGAGAGAGCCTCTCAAAAAAAAAGCTCGGGGATCGGGTTCGAAGA AGTGAGATGTACGCGCTAGXTAGTATATCTCTTTCTCTGTCGTGCT

24 Kódoló gének – ab initio predikciók
Start kodon Stop kodon ATGGCACCACCGATGTCTACGTGGTAGGGGACTATAAAAAAAAAAA PolyA szignál Open Reading Frame = ORF

25 Ab initio predikciók Gén struktúra

26 Ab initio predikciók …AGAATAGGGCGCGTACCTTCCAACGAAGACTGGG…
splice donor hely splice acceptor hely

27 Ab initio predikciók Genscan Grail Genie GeneFinder Glimmer etc…
EST_genome Sim4 Spidey EXALIN

28 Homológián alapulú predikciók
más szervezetből származó ismert kódoló szekvencia expresszált szekvencia ACGGAAGTCT GGACTATAAA ATGGCACCACCGATGTCTACGTGGTAGGGGACTATAAAAAAAAAAA homológia által megjósolt gének Genomescan Twinscan etc…

29 Összesítés – gén predikciós rendszer
Sim4 dbEst Genewise Grail Genscan FgenesH Ensembl Otto

30 ncRNS gének Szerkezet alapján történő predikció (pl. tRNS-ek)
újabb ncRNS-ek esetén csak a homológián alapuló megközelítések voltak sikeresek

31 Ismétlődő annotáció „Repeat annotation”: szekvencia hasonlóságokon alapszik, hogy felismerjük az ismétlődő elemeket az ismétlődő szekvenciák könyvtárában

32 A humán genom térképe

33 Gén annotációk – kódoló gének száma
Lander et al. Initial sequencing and analysis of the human genome, Nature, 2001

34 Gén annotációk – gének mérete
Lander et al. Initial sequencing and analysis of the human genome, Nature, 2001

35 Gén annotációk – gének funkció
Lander et al. Initial sequencing and analysis of the human genome, Nature, 2001

36 GC tartalom és kódoló potenciál
Lander et al. Initial sequencing and analysis of the human genome, Nature, 2001

37 ncRNS-ek Lander et al. Initial sequencing and analysis of the human genome, Nature, 2001

38 Szegmentális duplikációk
Lander et al. Initial sequencing and analysis of the human genome, Nature, 2001

39 Ismétlődő elemek Lander et al. Initial sequencing and analysis of the human genome, Nature, 2001

40 Gének és ismétlődések

41 Fizikai vs. genetikai térkép (Mb/cM)

42 3. Humán genom variabilitás

43 DNS szekvencia variációk
a referencia humán genom szekvenciája 99.9%-ban azonos más ember szekvenciájával a szekvencia-variációk teszik egyedivé genetikai mintázatunkat a leggyakoribb variációs forma a „single-nucleotide polymorphisms” (SNP) – 10 millió SNP-et ismerünk ma SNP

44 DNS szekvencia variációk
inzerció-deléció (INDEL) polimorfizmusok

45 Szerkezeti variációk Speicher & Carter, NRG 2005

46 Szerkezeti variációk Feuk et al. Nature Reviews Genetics 7, 85–97 (February 2006) | doi: /nrg1767

47 Szerkezeti variánsok azonosítása
Feuk et al. Nature Reviews Genetics 7, 85–97 (February 2006) | doi: /nrg1767

48 Epigenetikus változások: kromatin struktúra
Sproul, NRG 2005

49 Epigenetikus változások : DNS metiláció
Laird, NRC 2003