Курс лекций по выбору «ГЕНОМИКА И ПРОТЕОМИКА» , лекция 3 Чемерилова Валентина Ивановна, к. б. н. , доцент Проект «Геном человека» Рекомендуемое чтение: 1. Барри Шулер «Зачем нам геномика» http: //www. snob. ru/selected/entry/4729 2. К. Г. Скрябин. "Геном как книга". 1 -я и 2 -я лекции http: //www. lifesciencestoday. ru/index. php/academic-skrjabin/604 -genom-kakkniga-1
Научные и технологические условия 1980 -х годов: • методы клонирования ДНК; • метод секвенирования Фреда Сэнгера; • применение компьютерных технологий в генетике стали катализатором дискуссий по секвенированию геномов некоторых видов живых организмов. Первым был полностью секвенирован геном бактериофага Φ-X 174; (5 368 нуклеотидов) в 1977 - 80 г. В июне 1985 года в Университете Калифорнии в Санта-Крус началось совещание, направленное на изложение практических задач секвенирования генома человека.
• Идея создания проекта для картирования и секвенирования человеческого генома была предложена в США в 1986 г. и начата в 1988 г. по инициативе лауреата Нобелевской премии отца двойной спирали Джеймса Уотсона. • В 1988 Национальный институт здоровья (US National Institutes of Health (NIH)) создал Объединенный комитет для разработки плана этого проекта. • В 1990 г. проект «Геном человека» (HGP — human genome project) был запущен официально, благодаря государственному финансированию со стороны США лабораторий US National Institutes of Health (NIH) и Department of Energy (министерства энергетики). Стартовый объем годового финансирования составил в США 30, а в России 10 миллионов долларов.
В 1989 г. к проекту присоединилась Россия по инициативе академика Александровича Баева. Координатор - Институт молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН. По проекту работает около 100 групп, исследуют 3 -, 13 - и 19 -ю хромосомы. Далее присоединились лаборатории институтов стран: Франции, Великобритании, Германии, Японии, Китая, Бразилии, (>50). 1903 -1994 гг В выполнении проекта задействовано несколько тысяч ученых, специализирующихся в биологии, химии, математике, физике и технике, даже таких малых стран, как Швеция, Дания, Нидерланды. В 1999 г. создана международная организация по изучению генома человека: The Human Genome Organization (HUGO), г. Бетесда (США), вице-президентом которой несколько лет был академик А. Д. Мирзабеков. Сейчас наш представитель проф. Н. К. Янковский. 1937 -2003 гг
ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА Основная цель проекта HGP – определить последовательность всех оснований ДНК, составляющих гаплоидный набор генома человека и установить локализацию всех генов, что помогло бы выяснить причины наследственных заболеваний и этим открыть пути к их лечению. Геном человека — это около 3, 2 миллиардов нуклеотидных звеньев, распределенных между 23 парами хромосом в ядре; всего около двух метров ДНК в каждой клетке. 2 n=46 3. 2 х109 п. н. Проект «Геном человека» планировал определить последовательность в общей сложности 12 раз.
Для решения проблемы было сформулировано пять основных задач: 1. составление детальной генетической карты каждой хромосомы - разрешение 2 Мб; 2. составление полных физических карт низкого разрешения каждой хромосомы - разрешение 0, 1 Мб; 3. составление физической карты высокого разрешения всего генома в виде охарактеризованных по отдельности клонов - разрешение 5 Кб; 4. полное секвенирование ДНК - разрешение 1 н. ; завершить к 2004 году 5. нанести на полностью завершенную секвенсовую карту все гены человека и определить их функциональное значение к 2005 году. (95%-ный охват генома человека за 15 лет): Ожидали, что, когда все указанные цели будут достигнуты, исследователи определят все функции генов и разработают методы биологического и медицинского применения полученных данных.
В ходе запланированных работ планировали секвенировать геномы других организмов: Е. coli (4. 6 Мб) D. melanogaster (180 Мб) S. cerevisiae (12. 1 Мб) М. musculus (2700 Мб) С. elegans (97 Мб) A. thaliana (125 Мб)
По научной значимости для биологии проект HGP сравнивают со значением открытия периодической системы для химии.
Сидней Бреннер: «… Секвенированием должны заниматься заключенные!» Самая маленькая хромосома (Y) Самая большая (1) Весь геном 50 Мб; 250 Мб; 3200 Мб При методах первого поколения: самый большой участок ДНК, выделяемый препаративно из хромосом на самом лучшем оборудовании можно было секвенировать Стоимость 0, 35 Мб, ок. 0, 001 Мб/день от 0, 05 до 0, 1 Мб/год 1 -2 $ за 1 основание 30 тыс. дней непрерывной работы при стоимости только секвенирования (без учета всех остальных операций) 3 млрд долларов 1 млн п. н. = 1 Мб (мегабаза); 1 тыс. п. н. = = 1 кб (килобаза)
Стоимость секвенирования генома человека 1988 3 млрд $ 1990 1991 США 1992 -1995 1996 1997 1998 Один из самых дорогостоящих научных проектов в истории цивилизации 60 млн $ 135 млн $ 165 до 187 млн $ 200 млн $ 225 млн $ 253 млн $ 2001 Done it! 2009 100’ 000 $ (4 000 $) 2014 1’ 000 $ Соотношение финансирования в 1990 г. Россия: США – 1: 1000.
Биоинформатика – наука, занимающаяся изучением биологической информации с помощью математических, статистических и компьютерных методов. Экспериментальные лаборатории Сервера NCBI, EMBL, DDJB Электронные базы данных в Internet • Gen. Bank • Uni. Gene • TIGR • TRANSFAC • SWISS-PROT • Pubmed • Med. Line Любой специалист в мире может практически беспрепятственно войти в эти банки данных и воспользоваться для исследовательских целей собранной там информацией.
Необходимо решение этических, юридических и социальных аспектов проекта HGP: Программа ЭЮСА или англ. ELSI (The Ethical, Legal and Social Implications Research Program): (1) Защита частной жизни и устранение дискриминации при использовании и интерпретации генетической информации; (2) Проблема переноса и применения генетических знаний, полученных в исследовательских лабораториях, в клиническую практику; (3) Информированное согласие участников генетических исследований; (4) Общественное просвещение и профессиональное образование.
Временная шкала, отражающая начало и выполнение работ по геномным проектам
Прочтение первого миллиарда пар нуклеотидов заняло у мирового научного сообщества 4 года, следующий миллиард был прочтен за 4 месяца. Июнь 2000 г. Lander e. a. , Nature (2001), v. 409, p. 860
Крег Вентер, The Institute for Genome Research (TIGR) В сентябре 1999 г. в частной компании Celera были начаты исследования по проекту «Геном человека» . В июне 2000 г. расшифровка последовательности генома была завершена. Сиквенс генома человека занял 9 месяцев 10 дней и 200 млн долларов за 2000 год, что составило 60% от средств, затраченных госбюджетом США на эту программу за тот же период. Метод дробовика или «шот-ган» (Shotgun)
Первый черновой вариант генома человека – 2001 г. • последовательность не соответствовала ни одному конкретному человеку (12 добровольцев): 2 европейца, 1 африканец, 1 китаец, 1 мексиканец (2 женщины, 3 мужчин); • геном был прочтен с точностью в 10 раз ниже необходимой (заданная точность — не более одной ошибки на 10000 нуклеотидов, с такой точностью было прочтено лишь 25% последовательностей; • • прочтено только 3 раза; 50 тыс. пробелов в последовательности ДНК, суммарный размер которых был около 150 Мб; • не расшифрованы 15% генома, которые представлены гетерохроматином; • частично описаны выявленные в нуклеотидном тексте гены и регуляторные последовательности. «Чистовую версию» (с уровнем ошибок не выше 1 на 10 000 нуклеотидов) закончили к 2003 г. , т. е. к пятидесятилетнему юбилею открытия двойной спирали ДНК
В течение последних лет исследования проводились в следующих направлениях: • Компьютерный анализ полного генома человека и его частей на основе информации в открытых базах данных. Разработка принципиально новых подходов к хранению, обработке и получению структурной информации из баз данных на основе вновь созданного программного обеспечения. • Идентификация новых генов на основе физического, хромосомного и функционального картирования, клонирования и секвенирования. Структурный и функциональный анализ вновь найденных генов и регуляции их активности. • Установление cause-and-effect генетических отношений между генами и предрасположенностью к широко распространенным заболеваниям различной природы. Выявление роли индивидуальных генов и их мутаций в этиологии и развитии некоторых заболеваний человека. • Развитие методов генной и геномной диагностики заболеваний человека на основе знания физической карты и последовательностей нуклеотидов. • Разработка методов генной терапии моногенных заболеваний на основе знаний о молекулярно-генетических механизмах их возникновения и развития. • Разработка открытых юридических, этических, законодательных, правовых, социальных и других аспектов исследований генома и использования информации о структуре и свойствах геномов отдельных людей. Предсказания путей развития медицины и здравоохранения на основе нового уровня знаний о геноме человека и формулирование соответствующих практических предложений.
К 2011 г. полностью секвенированны геномы: 42 ЭУКАРИОТ (1014 в работе, 36, 8% близки к завершению), среди них 10 простейших; 6 животных; 19 грибов; 6 растений. 1431 ПРОКАРИОТ 2559 ВИРУСОВ и 41 ВИРОИДОВ Caenorhabditis elegans - 1998 г. Arabidopsis thaliana Columbia-O – 2000 г. Oryza sativa Japonica – 2002 г. 2007 г. Pan troglodytes verus – 2006 г. Drosophila virilis 1. 25535 – 2009 г. Zea mays B 73 - 2970 Мб – 2009 г. Sus scrofa Duroc – 2009 г. Mus musculus – 2010 г. 2970 Мб $2 млн 2 месяца Геномы К. Вентера и Дж. Уотсона
Френсис Коллинс директор Национального института геномных исследований США выделяет ряд приоритетных задач, решаемых сегодня с помощью постгеномных технологий: • генотипирование 2 тыс. человек (по 400 тыс. однонуклеотидных замен у каждого) по цене 10 тыс. долл. за генотип (или меньше); • разработка и внедрение методики секвенирования ДНК на 4 -5 порядков более дешевой, чем существующие, то есть геном человека должен стоить ~1000 долл. ; • создание технологий синтеза молекул ДНК (синтетические гены, геномы) по цене до 10 центов за основание, то есть стоимость синтеза одного гена должная быть от 10 до 10 тыс. долл. ; • разработка методов определения метилирования ДНК в одной клетке; • создание технологий, позволяющих проводить одномоментный мониторинг всех белков в клетке.
Секвенирование - заводской процесс на ABI Prizm 3700 at the Whitehead Institute, Center for Genome Research. Цикл непрерывный при 15 мин труда оператора в сутки Celera - секвенирует более 1, 5 млрд п. н. в месяц. Personal Genome Machine стоит около $100 000.
Секвенирование ДНК с помощью графеновых нанопор. Художественное изображение молекулы ДНК, проходящей через мельчайшее отверстие в графеновом слое толщиной в один атом, находящемся на Si/Si. Nчипе. (Credit: Image courtesy Cees Dekker lab TU Delft / Tremani).
580 070 п. н. 484 гена Синтетическая биология.
Скачать презентацию Курс лекций по выбору ГЕНОМИКА И ПРОТЕОМИКА
Лекция 3 Проект Геном человека.ppt