Геноміка і геномна інженерія Структурна і функціональна організація

Геноміка і геномна інженерія. Структурна і функціональна організація геномів Спецкурс Лекція 3

Параметри опису геному q Розмір геному (сумарна кількість п. н. ) q Геометрія геному (кільцевий, лінійний, змішаний) q Кількість хромосом (каріотип) q GC-склад q Кількість локусів, що кодують білки q Плоїдність (більш цитологічний параметр) q Щільність кодування q Ізохори q Кількість транскрипційних факторів q Щільність поліморфічних сайтів……

Ген і оперон з точки зору генетики Б А А Б В Г

Homo sapiens – Mycoplasma pneumoniae

Homo sapiens q 23 пари лінійних хромосом q Гаплоїдний геном ~ 3× 109 п. н. q GC-склад 41 % – композитний, 5 родин ізохор q 21 тис. генів – менше 2 % геному!

98% геному Homo sapiens: q Інтрони q Транспозибельні елементи ДНК-транспозони (автономні і неавтономні) LINEs (ретро, автономні - ген зворотної транскриптази) Orf 1 Orf 2 (pol) AAAAA SINEs (ретро, неавтономні, рудимент LINE? ) – Alu елемент Усі виявлені на сьогодні транспозони розташовані в інтронах q q Унікальні послідовності з невизначеною функцією Сегментні дуплікації Повтори Неструктурований гетерохроматин Майже половина геному людини – мобільні генетичні елементи. Навіщо нам транспозони?

Весь еухроматин H. sapiens транскрибується q 92 % геному - еухроматин q Регуляторні РНК: - micro. RNA (mi. RNA) – регуляція через взаємодію з м. РНК - long intergeneic noncoding RNA (linc. RNA) – взаємодіють з білками, регулюють клітинний цикл тощо - piwi. RNA (пригнічення транспозонів у зародкових клітинах) - antisense RNA - регуляція - Xist – інактивує Х-хромосому q Згідно останніх оцінок, у геномі людини виявлено 35 тисяч транскриптів між генами А Б Некодуючі РНК: чорна матерія геному чи транскрипційний шум?

Що таке ген? q Пошук подібності до описаних генів у базах даних - Має низку недоліків q Пошук ab initio - Знання a priori про видоспецифічні особливості гена. Наприклад: - Частота вживання кодонів - GC-склад у третій позиції кодона - особливості вживання динуклеотидів - Використання даних функціональної геноміки – EST, RNAseq ATG……………. . TGA q Пошук коректної моделі гена – ключ до вичерпної анотації генома q Алгоритм Gene. Mark – ab initio пошук, потрібен тренувальний масив даних: http: //exon. gatech. edu/license_download. cgi

Що таке ген? GTGGCGCGAGCTTCTGAAACTAGGCGGCAGAGGCGGAGCCGCTGTGGCACTGCTGCGCCTCTGCTGCGCC TCGGGTGTCTTTTGCGGCGGTGGGTCGCCGCCGGGAGAAGCGTGAGGGGACAGATTTGTGACCGGCGCGG TTTTTGTCAGCTTACTCCGGCCAAAAAAGAACTGCACCTCTGGAGCGGACTTATTTACCAAGCATTGGAG GAATATCGTAGGTAAAAATGCCTATTGGATCCAAAGAGAGGCCAACATTTTTTGAAATTTTTAAGACACG CTGCAACAAAGCAGATTTAGGACCAATAAGTCTTAATTGGTTTGAAGAACTTTCTTCAGAAGCTCCACCC TATAATTCTGAACCTGCAGAAGAATCTGAACATAAAAACAACAATTACGAACCAAACCTATTTAAAACTC CACAAAGGAAACCATCTTATAATCAGCTGGCTTCAACTCCAATAATATTCAAAGAGCAAGGGCTGACTCT GCCGCTGTACCAATCTCCTGTAAAAGAATTAGATAAATTCAAATTAGACTTAGGAATGTTCCCAAT AGTAGACATAAAAGTCTTCGCACAGTGAAAACTAAAATGGATCAAGCAGATGATGTTTCCTGTCCACTTC TAAATTCTTGTCTTAGTGAAAGTCCTGTTGTTCTACAATGTACACATGTAACACCACAAAGAGATAAGTC AGTGGTATGTGGGAGTTTCATACACCAAAGTTTGTGAAGGGTCGTCAGACACCAAAACATATTTCT GAAAGTCTAGGAGCTGAGGTGGATCCTGATATGTCTTGGTCAAGTTCTTTAGCTACACCACCCTTA GTTCTACTGTGCTCATAGTCAGAAATGAAGAAGCATCTGAAACTGTATTTCCTCATGATACTACTGCTAA TGTGAAAAGCTATTTTTCCAATCATGATGAAAGTCTGAAGAAAAATGATAGATTTATCGCTTCTGTGACAGTGAAAACACAAATCAAAGAGAAGCTGCAAGTCATGGATTTGGAAAAACATCAGGGAATTCATTTA AAGTAAATAGCTGCAAAGACCACATTGGAAAGTCAATGCCAAATGTCCTAGAAGATGAAGTATATGAAAC AGTTGTAGATACCTCTGAAGAAGATAGTTTTTCATTATGTTTTTCTAAATGTAGAACAAAAAATCTACAA AAAGTAAGAACTAGCAAGACTAGGAAAAAAATTTTCCATGAAGCAAACGCTGATGAATGTGAAAAATCTA AAAACCAAGTGAAAAATACTCATTTGTATCTGAAGTGGAACCAAATGATACTGATCCATTAGATTC AAATGTAGCAAATCAGAAGCCCTTTGAGAGTGGAAGTGACAAAATCTCCAAGGAAGTTGTACCGTCTTTG GCCTGTGAATGGTCTCAACTAACCCTTTCAGGTCTAAATGGAGCCCAGATGGAGAAAATACCCCTATTGC ATATTTCTTCATGTGACCAAAATATTTCAGAAAAAGACCTATTAGACACAGAGAACAAAAGAAAGA TTTTCTTACTTCAGAGAATTCTTTGCCACGTATTTCTAGCCTACCAAAATCAGAGAAGCCATTAAATGAG GAAACAGTGGTAAATAAGAGAGATGAAGAGCAGCATCTTGAATCTCATACAGACTGCATTCTTGCAGTAA AGCAGGCAATATCTGGAACTTCTCCAGTGGCTTCTTCATTTCAGGGTATCAAAAAGTCTATATTCAGAAT AAGAGAATCACCTAAAGAGACTTTCAATGCAAGTTTTTCAGGTCATATGACTGATCCAAACTTTAAAAAA GAAACTGAAGCCTCTGAAAGTGGACTGGAAATACTGTTTGCTCACAGAAGGAGGACTCCTTATGTC CAAATTTAATTGATAATGGAAGCTGGCCACCACCACACAGAATTCTGTAGCTTTGAAGAATGCAGG TTTAATATCCACTTTGAAAAAGAAAACAAATAAGTTTATGCTATACATGATGAAACATCTTATAAA GGAAAATACCGAAAGACCAAAAATCAGAACTAATTAACTGTTCAGCCCAGTTTGAAGCAAATGCTT TTGAAGCACCACTTACATTTGCAAATGCTGATTCAGGTTTATTGCATTCTTCTGTGAAAAGAAGCTGTTC ACAGAATGATTCTGAAGAACCAACTTTGTCCTTAACTAGCTCTTTTGGGACAATTCTGAGGAAATGTTCT AGAAATGAAACATGTTCTAATAATACAGTAATCTCTCAGGATCTTGATTATAAAGAAGCAAAATGTAATA AGGAAAAACTACAGTTATTACCCCAGAAGCTGATTCTCTGTCATGCCTGCAGGACAGTGTGA AAATGATCCAAAAAGCAAAAAAGTTTCAGATATAAAAGAAGAGGTCTTGGCTGCAGCATGTCACCCAGTA

Кодон-центричні підходи q Розетка кодонів q Аналіз 3 -ї позиції кодонів

Регуляторні послідовності геному q Енхансери – ділянки геному, з яким взаємодіють білки, і які підвищують експресію генів у генних кластерах. Енхансери – цисдіючий елемент, але можуть бути на іншій хромосомі відносно до контрольованих генів. Сигнал: енхансер-промотор-ген q Інсулятори – блокатор енхансера; бар’єр для білків хроматину

Регуляція геному евкаріот - складна

Геномний ландашфт: пустелі і острови q Пустелі – сегменти хромосоми більше 500 т. п. н. , де наразі не виявлено генів, що кодують білкові продукти - 650 млн п. н. (20 %) усього геному класифіковано як пустельні райони Хромосома 8 Хромосома 11 q GC-острови – приблизно 28 тисяч, перекриваються з 5´-кінцями генів домашнього господарства -GC % більше 50 -Довжина у середньому більше 200 п. н. -Повтори не враховуються -Щільність островів пропорційна щільності генів

Що відрізняє геноми q Однонуклеотидний поліморфізм (SNP): 1 відмінність кожні 1300 п. н. ; два геноми відрізняються на 1 -2 % за SNP -Гаплотип: набір SNP у певному геномі, що статистично асоціюють -Сьогодні (грудень 2011) виявлено 3 млн SNP -Певні гаплотипи корелюють із полігенними хворобами q Варіанти за числом копій гена q Епігенетичні фактори: вагітність на селі – 4 рази менше алергій

Відмінності геномів є у фокусі: q q Персональної геноміки Порівняльної геноміки Еволюційної біології Фармакогеноміки – дисципліни, яка вивчає вплив геномних факторів на відповідь організму на ліки q Недвозначний генотип? q Недвозначний фенотип?

Сухий залишок Build 37. 3 http: //www. ncbi. nlm. nih. gov/projects/genome/guide/human/index. shtml Минуло більше 10 років з моменту опублікування послідовності геному людини. Що це дало? НЕБАГАТО НАРАЗІ – покращена діагностика, нові асоціації між генами і низкою захворювань

Геноміка найпростішого організму q Mycoplasma pneumoniae - Облігатний внутрішньоклітинний паразит - Не має клітинної стінки – натомість є триламінарна мембрана, що містить стероли (з сироватки господаря) - Не має ЦТК, не синтезує пурини і піримідини, неповний ЕТЛ - Один із найменших геномів – 816 т. п. н. - Розроблено методи культивування in vitro

Геноміка найпростішого організму q Первинний аналіз: 677 генів, 44 некодуючі РНК q Синтетичне середовище для росту мікоплазми повинне включати 19 поживних речовин q Один білок виконує кілька функцій!

Геноміка найпростішого організму Докладний аналіз: q 117 некодуючих транскриптів, 89 - антисенс q 341 оперон, з них 139 – поліцистронні q “Сходинкоподібна” експресія в оперонах q За певних умов вищезгадані оперони розділяються на 447 менших транскрипційних одиниць

Геноміка найпростішого організму Fundamental relationship between expression…. . PNAS, Lam

Геноміка найпростішого організму

Геноміка найпростішого організму q Нема зчеплення між транскрипційною активністю і трансляцією. Ефективність трансляції відіграє більшу роль ніж обіг білка

Метаболоміка найпростішого організму

Мікоплазма як надмолекулярна машина q 200 білкових “машин” усередині кожної мікоплазми

Інженерія мінімальної клітини q 400 -450 генів необхідно для “мінімального метаболізму” q Об’єми геному, клітинної стінки і рибосом – ключовий внесок у розмір клітин бактерій q В E. coli геном займає 1 -2 % об’єму клітини q В Mycoplasma – 10 -15 % q В фага Т 4 – 65 % q Кількість рибосом в E. coli - 30 тисяч, кожна діаметром приблизно 20 нм q Мінімально можлива клітина – 200 -300 нм у діаметрі q Чи можна сконструювати меншу клітину?

Антисенс-транскрипція - універсальна

Складність транскрипційної організації q Сучасні дані свідчать, що за складністю транскрипції прокаріоти мало чим відрізняються від евкаріотів q Імовірно, основна функція некодуючих РНК в прокаріотів – тонка регуляція генної експресії

Метаболічна складність прокаріотів q Прокаріоти мають унікальні способи добування енергії – анаеробність, сульфатне, амонійне дихання, азотфіксація, метаногенез тощо q Розвинутий вторинний метаболізм як важливий компонент хімічної комунікації - Більшість шляхів вторинного метаболізму криптичні

Метагеном: що нам відомо про нього q На сьогодні (грудень 2011) просеквеновано більше 10 тисяч різних геномів. Всі разом вони становлять доступний на цей момент метагеном

Метагеном прокаріотів: що відомо q Розподіл за таксономічними групами Нерівномірність інформації – внаслідок вибіркового секвенування

Що таке ген з сучасної позиції? Сукупність геномних послідовностей, що разом кодують когерентний набір функціональних продуктів, які потенційно можуть перекриватись Фрагмент геному Регуляторна (промоторнооператорна) ділянка Когерентний набір транскриптів Білки і нк. РНК

Оперон чи “транскрипційний хаб” ? 1 А Б В Г 2 3 4? ? ? 1, 2, 3, 4 – різні варіанти експресії генів у опероні, залежно від умов