1
1955: 46 emberi kromoszóma van 1961: mrns 1975: DNS szekvenálás 1982: gén-bank adatbázisok 1983: PCR (polymerase chain reaction) Mérföldkövek J. D. Watson F. H. C. Crick 1953 DNS szerkezet 2008 2003 Watson genomja A Humán Genom Projekt 2 befejezése
Genom kromoszóma gén DNS genotípus - allél A haploid humán kromoszóma szett 3
A DNS szerkezete P 2 nm P P P O O O O C T A G G A T C O O O O P P P 3,4 nm 10 bp P teljes hossz = 2 m 4
A kromoszóma szerkezete hiszton DNS 30 nm kromoszóma 5
Pontos méretek https://www.youtube.com/watch?v=9kqpydcnu14&list=plad3de96ca98e831e&index=4 6
Mi a rendelkezésre álló információ? 15601 ACTCGCTCGT GTGCGTGAGC GTGGCCACCG AGCGCGCCCT GCAGACGCCC ACCAACTCCT 15661 TCATCGTGAG CCTGGCGGCC GCCGACCTCC TCCTCGCTCT CCTGGTGCTG CCGCTCTTCG 15721 TCTACTCCGA GGTGAGCCGC GTCCGGCCGC ACGAGCATCC TCACCTGCTC CTCGGTTCCC 15781 CGTCCCTGTC CCTACGGAGG ACCCGGCGCG ACCCGGCCCC TTTCTGGTGC GGAGCTTCCA 15841 GCTGGGGCGG CGGCAGGGGC GCTGCGCCTT GTCCCTCGGC GATACACCCA CCGCCGCCAC 15901 CTCGCGACCT TCCACCCGCT GCGCTGTCTG TCCCCCGACC CTCGTTCCTC TTCTCCTTCC 15961 CCGTCTGTCT TGGCGTCTGT TATCCAGGAG ATGCCCGTCC TTCTATCCAG GGACCCCGGA 16021 AACAGGCGAC TTTGTCAAGC CCAGTCCCCT CCGTAGCTGG ATTTCACCTC CAGGGCAGCC 16081 AGCTGGACAG ACAGGCAGAT GCAGGCTCAG CCCCCTGGCT GCCGTGGGAC ACACACACAC 16141 ACACACTGCC ACAGCCACTG CCCACCACAC ACACCTAGTG CAGATGCTGG CACACCCCCA 16201 GAAGGAGGCT CACAGCTCGC AGGGGAGACC TGGGCTGGAC AAAACCCAGG GGAGGGGAGG 16261 GTGTGTGGGG ACCAGGCCCC TGCTGAGAAC CCTGGGGGGA AGCCTGAGGG GGAATTGGGG 16321 GATGGAGCCC ACACTCCACA CCAGGTCTGG CCCTCGAGTG GGTCGGCCTT GGTGCCAGCC 16381 CCTCTGCGGC CAGAGAAAAG CAGCTTAGGG CTGAGCTGGA GACGCGGTGT CCCCGACTGT nyers szekvencia (Humán Genom Projekt) Post-genomic era 7
A DNS két funkciója: Replikáció és a fehérje-szintézis irányítása, azaz: génkifejeződés - génexpresszió 8
A DNS-funkciói I. replikáció 1. A DNS kettős spirál szétnyílik 2. beilleszkednek a komplementer bázisok 3. két új DNS molekula jön létre https://www.youtube.com/watch?v=bee6pwugpo8&index=6&list=plad3de96ca98e831e 9
A DNS-funkciói II. fehérje szintézis A Centrális Dogma DNS (génkifejeződés) mrns fehérje https://www.youtube.com/watch?v=smtwvdbfhlo&index=1&list=plad3de96ca98e831e Plomin könyv: A molekuláris genetika "központi dogmája" Box 4.1, keretes szöveg (44. old): 10
A fehérje szintézis genetikai kódja Kodon (3 mrns betű), melyből lesz 1 aminosav (pl. UUU = phenylalanine) redundáns (gyakran több kodon határoz meg 1 aminosavat determinált (egy kodon mindig egy adott aminosavat határoz meg) univerzális (minden élőlényben ebből a 20 aminosavból épülnek fel a fehérjék) vesszőmentes (folyamatos) mrns aminosavak első betű U C A G második betű U C A G Phe Tyr Cys U Ser C Leu Stop Stop A Stop Trp G His U Leu Pro Arg C Gln A G Asn Ser U Ile Thr C Lys Arg A Met Start G Asp U Val Ala Gly C Glu A G UGCGUUAGCGUGGCCACCGAG Cys Val Ser Val Ala Thr Glu https://www.youtube.com/watch?v=rw8nkvqq8p4&index=10&list=plad3de96ca98e831e 11 harmadik betű
DNS-szekvenciából fehérjék: a kivágás=splicing variabilitása MDIÓEQLAÉÁTOREWWHFIEŐ WLDHRÚŰQOALKÓCOSTWLŐŰ QNOVAQURÜEŰAHFKUTYAMN DPRWTERELIAMNŐRZIUQRT AHQILKAKŐEQWIXYYTRAEQ JANYÁJHÁZATLKÓÜQALTYE 12
DNS-szekvenciából fehérjék: a kivágás=splicing variabilitása ok: fehérjéket kódoló szekvenciák Intronok: kivágódnak (nem íródnak át RNS-é) I. A II. kutya II. tereli IV. V. a VI. nyáj VII. VIII. at puli gén MDIÓEQLAÉÁTOREWWHFIEŐ WLDHRÚŰQOALKÓCOSTWLŐŰ QNOVAQURÜEŰAHFKUTYAMN DPRWTERELIAMNŐRZIUQRT AHQILKAKŐEQWIXYYTRAEQ JANYÁJHÁZATLKÓÜQALTYE 13
DNS-szekvenciából fehérjék: a kivágás=splicing variabilitása Ugyanarról a génrészletről alternatív fehérjék termelődhetnek! I. A II. kutya II. komondor gén IV. örzi V. a VI. VII. ház VIII. MDIÓEQLAÉÁTOREWWHFIEŐ WLDHRÚŰQOALKÓCOSTWLŐŰ QNOVAQURÜEŰAHFKUTYAMN DPRWTERELIAMNŐRZIUQRT AHQILKAKŐEQWIXYYTRAEQ JANYÁJHÁZATLKÓÜQALTYE JANYÁJHÁZTTTATLKÓÜQA at 14
15
A Humán Genom Projekt: 1989-2003 GTCCGGTCCC GGGACCCCCT GCCCAGGGTC AGAGGGGCGC CTACCTAGCT CACGGTCTTG Humán Genom Projekt Hierarchikus módszer GGCCGGAGGG AATGGAGGAG GGAGCGGGGT CGACCGCTCA GCTGTCCGCC CAGTTTCGGA GGCGGCCACG CGAGGATCAA CTGTGCAACG GGTGGGGCCG CGGCTGACCG TGGTGGTCGC J. Watson, a HGP első elnöke GGGGGCTGAG GGCCAGAGGC TGCGGGGGGG GGGCGGCGGG ATGAGCTAGG CGTCGGCGGT TGAGTCGGGC GCGGAGTCGG GGGCAGGGGG AGCGGGCGTG GAGGGCGCGC ACGAGGTCGA Markerek, clone by clone technika GGCGAGTCCG CGGGGGAGGC GGGCAGAGCC TGAGCTCAGG TCTTTCTGCG TCTGGCGGAA CGGGCCTGGG AGGGAGGTTT TGCCAGATAC CAGGTGGACT AGGGTGAGCG CCCGAGGGCC cél: egyetlen ember haploid (azaz fél) kromoszóma készletének információját felderíteni. (nem ismert, hogy ki) 1989-ben alapított állami szektor 1992: 1$/bp, 100,000 bp/év reménytelennek tűnt nemzetközi koordináció GGGACGCACG CACGGGCCGG GTAGGATGGC GCTGGCGTCG ATGCCCGCGC GCTTCAGGGC CTGGTCTGGC CGCCCCTCCA TCCTTGTCGG TTTCTCGGGT CGCGGACCCC GCGCGGCGCC GGGCGATGCT GGCCTGCCCG TGGCCACCAC CTCGCTTCAT TCCCGTCTCT TTGGGCCGCC GCATTCGTCC ACGTGCCCGT CTCTCCCTGC GCAAAATTCC AAGATGAGCA AATACTGGGC TCACGGTGGA GCGCCGCGGG GGCCCCCCTG AGCCGGGGCG GGTCGGGGGC GGGACCAGGG TCCGGCCGGG GCGTGCCCGA GGGGAGGGAC TCCCCGGCTT GCGACCCGGC GTTGTCCGCG 16
A HGP egyenes útja Hogyan keresi a matematikus az oroszlánt a sivatagban? Watson által kidolgozott Hierarchikus módszer: A Humán genom projekt fő stratégiája a genom hierarchikus lebontása mind kisebb és kisebb szerkezeti egységre, és csupán ezt követte a szekvenálási munka. Sokan kritizálták a tervet a rendkívül időigényes hierarchikus rendszer kiépítése miatt. A DNS-szekvenálás technikai kivitelezése maximum 500 betűs sorozatokban történik. Ezért a végeláthatatlan DNSmolekulákat ilyen nagyságrendű darabokra kell bontani, és csupán ezeket a kisebb fragmenteket szekvenálják. A kapott nyers szekvenciákat azután összerakják, és így készül el a végleges szekvencia. A részek összerakása azonban nem könnyű. GTCCGGTCCC GGGACCCCCT GCCCAGGGTC AGAGGGGCGC CTACCTAGCT CACGGTCTTG GGCCGGAGGG AATGGAGGAG GGAGCGGGGT CGACCGCTCA GCTGTCCGCC CAGTTTCGGA GGCGGCCACG CGAGGATCAA CTGTGCAACG GGTGGGGCCG CGGCTGACCG TGGTGGTCGC GGGGGCTGAG GGCCAGAGGC TGCGGGGGGG GGGCGGCGGG ATGAGCTAGG CGTCGGCGGT TGAGTCGGGC GCGGAGTCGG GGGCAGGGGG AGCGGGCGTG GAGGGCGCGC ACGAGGTCGA GGCGAGTCCG CGGGGGAGGC GGGCAGAGCC TGAGCTCAGG TCTTTCTGCG TCTGGCGGAA CGGGCCTGGG AGGGAGGTTT TGCCAGATAC CAGGTGGACT AGGGTGAGCG CCCGAGGGCC GGGACGCACG CACGGGCCGG GTAGGATGGC GCTGGCGTCG ATGCCCGCGC GCTTCAGGGC CTGGTCTGGC CGCCCCTCCA TCCTTGTCGG TTTCTCGGGT CGCGGACCCC GCGCGGCGCC GGGCGATGCT GGCCTGCCCG TGGCCACCAC CTCGCTTCAT TCCCGTCTCT TTGGGCCGCC GCATTCGTCC ACGTGCCCGT CTCTCCCTGC GCAAAATTCC AAGATGAGCA AATACTGGGC TCACGGTGGA GCGCCGCGGG GGCCCCCCTG AGCCGGGGCG GGTCGGGGGC GGGACCAGGG TCCGGCCGGG GCGTGCCCGA GGGGAGGGAC TCCCCGGCTT GCGACCCGGC GTTGTCCGCG 17
Az alternatív Humán Genom Projekt Az alternatív projekt GTCCGGTCCC GGGACCCCCT GCCCAGGGTC AGAGGGGCGC CTACCTAGCT CACGGTCTTG GGCCGGAGGG AATGGAGGAG GGAGCGGGGT CGACCGCTCA GCTGTCCGCC CAGTTTCGGA (Celera, Craig Venter) random szekvenálás bioinformatika A shotgun módszer GGCGGCCACG CGAGGATCAA CTGTGCAACG GGTGGGGCCG CGGCTGACCG TGGTGGTCGC GGGGGCTGAG GGCCAGAGGC TGCGGGGGGG GGGCGGCGGG ATGAGCTAGG CGTCGGCGGT TGAGTCGGGC GCGGAGTCGG GGGCAGGGGG AGCGGGCGTG GAGGGCGCGC ACGAGGTCGA GGCGAGTCCG CGGGGGAGGC GGGCAGAGCC TGAGCTCAGG TCTTTCTGCG TCTGGCGGAA CGGGCCTGGG AGGGAGGTTT TGCCAGATAC CAGGTGGACT AGGGTGAGCG CCCGAGGGCC Shotgun GGGACGCACG módszer: CACGGGCCGG GTAGGATGGC GCTGGCGTCG ATGCCCGCGC GCTTCAGGGC A CTGGTCTGGC genomot CGCCCCTCCA felszabdalták, TCCTTGTCGG ezeket TTTCTCGGGT a darabokat CGCGGACCCC szekvenálták, GCGCGGCGCC majd az átfedő szekvenciák segítségével összeillesztették. GGGCGATGCT GGCCTGCCCG TGGCCACCAC CTCGCTTCAT TCCCGTCTCT TTGGGCCGCC (a módszer bizonyítottan működött kisebb (bakteriális) genomoknál) GCATTCGTCC ACGTGCCCGT CTCTCCCTGC GCAAAATTCC AAGATGAGCA AATACTGGGC Így a hierarchikus módszert elhagyva egy gyorsabb módszert dolgozott ki. TCACGGTGGA GCGCCGCGGG GGCCCCCCTG AGCCGGGGCG GGTCGGGGGC GGGACCAGGG TCCGGCCGGG GCGTGCCCGA GGGGAGGGAC TCCCCGGCTT GCGACCCGGC GTTGTCCGCG 18
A Humán Genom Projekt eredményei 2001 Első (nyers) genom szekvencia Celera Genomics (privát szektor) Craig Venter HGP (Human Genome Project) Francis Collins NCBI:National Center of Biotechnology Information 50 évvel a DNS kettősspirál megfejtése után 2003 A HGP befejezése A posztgenomikus éra kezdete 19
A Humán Genom eredményei szabadon hozzáférhetők https://www.youtube.com/watch?v=zvnhzi-gzs4&index=18&list=plad3de96ca98e831e 3000 könyv kellene a DNS-nek (ezer oldalas, egy oldalon ezer betű) Ezt a hatalmas információ-tömeget ezért praktikusan egy szabadon hozzáférhető internetes adatbázisban tárolják. A szabadon hozzáférhető adatok helye: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/genome/guide/human/index.shtml Click on one of the chromosomes!
A hasznos információ (gének) a genom 1-2%-át foglalják el! Ma: kb. 18-20.000 fehérje kódoló gén Orvos-biológiai periódusos rendszer humán gének humán fehérjék 21
Összehasonlító vizsgálatok Csimpánz emberi genom: kb. 95%-ban azonos 22
23
A humán genom polimorf jellege GAGGGTGCGC GAGGGAGCGC GAGGGAGCGC GAGGGTGCGC GAGGGTGCGC GAGGGAGCGC Nem rokon emberek között: azonosság - 99.5% (kb. 3 millió bp különbség) Mutációk és Polimorfizmusok Ember és csimpánz: azonosság ~ 95% 24
Sajtóhibák?! GTCCGGTCCC GGGACCCCCT GCCCAGGGTC AGAGGGGCGC CTACCTAGCT CACGGTCTTG GGCCGGAGGG AATGGAGGAG GGAGCGGGGT CGACCGCTCA GCTGTCCGCC CAGTTTCGGA GGCGGCCACG CGAGGATCAA CTGTGCAACG GGTGGGGCCG CGGCTGACCG TGGTGGTCGC GGGGGCTGAG GGCCAGAGGC TGCGGGGGGG GGGCGGCGGG ATGAGCTAGG CGTCGGCGGT TGAGTCGGGC GCGGAGTCGG GGGCAGGGGG AGCGGGCGTG GAGGGCGCGC ACGAGGTCGA GGCGAGTCCG CGGGGGAGGC GGGCAGAGCC TGAGCTCAGG TCTTTCTGCG TCTGGCGGAA CGGGCCTGGG AGGGAGGTTT TGCCAGATAC CAGGTGGACT AGGGTGAGCG CCCGAGGGCC GGGACGCACG CACGGGCCGG GTAGGATGGC GCTGGCGTCG ATGCCCGCGC GCTTCAGGGC CTGGTCTGGC CGCCCCTCCA TCCTTGTCGG TTTCTCGGGT CGCGGACCCC GCGCGGCGCC GGGCGATGCT GGCCTGCCCG TGGCCACCAC CTCGCTTCAT TCCCGTCTCT TTGGGCCGCC GCATTCGTCC ACGTGCCCGT CTCTCCCTGC GCAAAATTCC AAGATGAGCA AATACTGGGC TCACGGTGGA GCGCCGCGGG GGCCCCCCTG AGCCGGGGCG GGTCGGGGGC GGGACCAGGG TCCGGCCGGG GCGTGCCCGA GGGGAGGGAC TCCCCGGCTT GCGACCCGGC GTTGTCCGCG 25
amikor a sajtóhiba végzetes A mutáció: ritka allélváltozatok (1%-nál kisebb gyakoriságú) általában monogénes öröklődésű betegségek GTCCGGTCCC GGGACCCCCT GCCCAGGGTC AGAGGGGCGC CTACCTAGCT CACGGTCTTG GGCCGGAGGG AATGGAGGAG GGAGCGGGGT CGACCGCTCA GCTGTCCGCC CAGTTTCGGA GGCGGCCACG CGAGGATCAA CTGTGCAACG GGTGGGGCCG CGGCTGACCG TGGTGGTCGC GGGGGCTGAG GGCCAGAGGC TGCGGGGGGG GGGCGGCGGG ATGAGCTAGG CGTCGGCGGT Desease genes identified TGAGTCGGGC GCGGAGTCGG GGGCAGGGGG AGCGGGCGTG GAGGGCGCGC ACGAGGTCGA GGCGAGTCCG CGGGGGAGGC GGGCAGAGCC TGAGCTCAGG TCTTTCTGCG TCTGGCGGAA CGGGCCTGGG AGGGAGGTTT TGCCAGATAC CAGGTGGACT AGGGTGAGCG CCCGAGGGCC GGGACGCACG CACGGGCCGG GTAGGATGGC GCTGGCGTCG ATGCCCGCGC GCTTCAGGGC CTGGTCTGGC CGCCCCTCCA TCCTTGTCGG TTTCTCGGGT CGCGGACCCC GCGCGGCGCC GGGCGATGCT GGCCTGCCCG TGGCCACCAC CTCGCTTCAT TCCCGTCTCT TTGGGCCGCC GCATTCGTCC ACGTGCCCGT CTCTCCCTGC GCAAAATTCC AAGATGAGCA AATACTGGGC TCACGGTGGA GCGCCGCGGG GGCCCCCCTG AGCCGGGGCG GGTCGGGGGC GGGACCAGGG TCCGGCCGGG https://www.youtube.com/watch?v=zspfvpbeelk&index=11&list=plad3de96ca98e831e GCGTGCCCGA GGGGAGGGAC TCCCCGGCTT GCGACCCGGC GTTGTCCGCG 26
veszélytelen sajtóhibák Genetikai polimorfizmusok: 1%-nál gyakoribb génváltozatok SNP VNTR G C A C T A C C C G T G A T G G G C A T T A C C C G T A A T G G 2 ismétlődés 3 ismétlődés 4 ismétlődés 5 ismétlődés Single Nucleotide Polymorphism Egypontos nukleotid variációk Variable Number of Tandem Repeats Változó számú ismétlődések 27
További diploid genomok 2007-2008 PGP-10 http://www.nature.com/news/2008/080416/full/452788b.html
A humán genom polimorf jellege GAGGGTGCGC GAGGGAGCGC GAGGGAGCGC GAGGGTGCGC Nem rokon emberek között: azonosság - 95% eltérések (polimorfizmusok) SNP, VNTR, CNV (kb. 3 millió SNP) GAGGGTGCGC GAGGGAGCGC 29
Kromoszómális foltokban mért polimorfizmusok (CNV copy number variations) News Feature Nature 437, 1084-1086 (20 October 2005) Human genome: Patchwork people Erika Check 30
Szakirodalom Sasvari-Szekely Mária. A Humán Genom Projekt. Lege Artis Medicine 2003, 13: 102-109. Sasvari-Szekely M, Szekely A, Nemoda Z, Ronai Z. A genetikai polimorfizmusok pszichológiai és pszichiátriai vonatkozásai. Kognitív idegtudomány. Pléh C, Gulyás B, Kovács G. (Eds). Osiris Kiadó Budapest 2003: 669-685. Cikk részletek (fontos részek sárgával jelölve): Check, E. 2005. Human genome: patchwork people. Nature. 437: 1084-1086. 31