Lidský génom
tcacaatttagacatctagtcttccacttaagcatatttagattgtttccagttttcagcttttatgactaäatcttctaaaattgtttttccctaäatgtatattttaatttgtctcaggagtagaatttctgagtcataäagcggt catatgtataaattttaggtgcctcatagctcttcaaatagtcatcccattttatacatccaggcaatatatgagagttcttggtgctccacatcttagctaggatttgatgtcaaccagtctctttaatttagatattctagtacat acaaaataatacctcagtgtaacctctgtttgtatttcccttgattaactgatgctgagcacatcttcatgtgcttattgaccattaattagtcttatttgttaaatgtctcaaatattttatacagttttacattgtgttattcatt ttttaaaaaattcattttaggttatatgtatgtgtgtgtcaaagtgtgtgtacatctatttgatatatgtatgtctatatattctggataccatctctgtttcatgcattgcatatatatttgcctatttagtggtttatcttttcat tttcttttggtatcttttcattagaaatgttatttattttgagtaagtaacatttaatatattctgtaacatttaatgaatcattttatgttatgtttagtattaaatttctgaaaacattctatgtattctactagaattgtcataa ttttatcttttatatacattgatatttttatgtcaaatatgtaggtatgtgatattatgcacatggttttaattcagttaattgttcttccagatgtttgtaccattccaacatcatttaaatcattaaatgaaaagcctttccttac tagctagccagctttgaaaatccattcatagggtttgtgttaatatatttttgttcttttttttcctttctactgatctctttatattaatacctactgtggctttatatgaagtcatggaataatacgtagtaagccctctaacact gttctgttactgttgttattgttttctcagggtactttgaaatattcgagattttattattttttagtagcctagatttcaagattgttttgacgatcaatttttgaatcaattgtcaatatttttagtaataaaatgatgatttttg attggaaatacattaaatctataagccaaattggagattattgatatattaacaaaaatgagttttccagtccatgaatgtatgcacattataaaattcattcttaagtatgtcattttttaagttttagtttcagcagtatatgttt gttacataggtaaactcctgtcatgggggttagttgtacaggttattttatcatccaggcataaagcccagtacccagtagttatcttttctgctcctctccctcctgtcaccctccactctcaagtagaccccagtttctgttgttc tcttctttgcattaatgacttctcatcatttagattgcacttgtaagtgagaacaggacgtatgtggttttctactcctgtgttagtttgctaaggataaccacctccatctccatccatgttcccacaaaagacatgatctcctttt ttatggctgcatattattccatggtatatatgtaccacattttctttatccaatctgtcattgatggacatttaggttgtttccacatcattgccgttgtaaatactgctgcagtgaatattcgtgtgtatgtctttatggtagaatg atttatattcctctgggtatatttccaagtaatgggatggttgggtcaaatggtaattctgcttttagctttttgaggaattgccatattgcctttcacaacggttgaactaatttatactcccaagagtgtataagttgttcctttt tctctgcaacctcgacatcacctgttatttatgacttttatataatagccattctgctggtctgagatggtatctcattatgattttgatttgcatttctctaatgctcagtgatattgagcttggctgcatatatgtcttcttttaa aaatatctgttcatgtcctttgcctaatttataacggggttgtttgtttttctcttgtaaatttgtttaagttccttatagattctaggtattaaaccttttttcagaggcgtggcttgcaaatattttctcccattctataggttgt ctgtttattctgttgatagtttcccttgctgtgcagaagctcttaactttaattagatccgacttgtcaatttttgctttggtcgcaattgcttttgatgttattgtcgtgaaatctttgctagttcttaggtccaggatgatattgc ccaagttgtcttccagggcttttataattttggattttacatttaagtcttaatatatttattaaatttgttagggtttcaggatacaaggacaatatagcagcaaacaatgtaaaagtaaaatctgaaaaataatagaaaacagttt aattgaacactttaccattatgtaatgcccttctttgtctttcctgatctttgttggtttgaagttcaaaaaagacaaacttaatggtacaataggtattgtagatttcaggactttctgtataaaatattttgtatatatgaataga tcattttttatttccagtctttaaacattttcttaacattttcttctattgcttcacttcactcgctaggaccatcaggacagtgttgaacagaaattgtcagactgatcatcacaactttttctagattttagaaggaaatttttct ttatttcaacataaagcagcatgttaatgccaagttttaatatgtgttatcagattgaaatttttttgtatatttctacattaccaagaatttttagcaagagtttttgttgagttttaatttaaaaatcatttgttaatttcatctg atttttttatttctctttttaccttaagagattaaactgactacagattgaatataaacaaacaaacaaacaaacaaaaactctaaaatgctgtggatcaacaccacttagtaatttgtatacttggattcaatttgctgaaattttg ttagacatttttgcgtcgatatttatgagggatgttgatctgtaaaagtattaaaatgcctttgacagattttgatagcagtgttattctggcctaataaatcaaactgaggtatgatccttccttttctatttcttaatagcatttt taaaattggtggttttttccttccttagtgaaatttaccagcaaagtaacaggccttatatttctcttgtggaaatattttaatttcaaattaatggtattttgttcttgtagggtggtaattttctctgtgtttggtcttaatggac tcttagctgatcacccagttactcagcgaggtctcttcactctggaagagctggaactccagtgtgttttagtgcagcatgaccacgggtattaccgttcaacatttaggctttatcagtgataactatttgtcctcatggagttttt gccgctgggcctacacagtttaggcttcagcttagaacacataatgaattcttatgcagatttctgcccacctttgacctttcatgatttcctcttcttgggtaagctgccttattaatctgatacacttcagcagtccagaactaca ctctttcccttctctgctcttggagatgactcttttgtctgagattcactttgctgtgctgaaaaagaaaagtgcttcaaggaagataccaaggaaaatcacagggctcatttatgtatttctcttctttcaaggactacagctttgt gttgcctatgttcaatttctgaaaataattagagcatatatactctgtgtgagaaggcaaatccagacagttagtttgtatgactagaagcagaagtctacatggagaattttacttaactgtgttatagtttctttaattatttcaa gagtatgtttaatgttccacagatctcattctataaatctttatcatcttagagctctgatactatttagaattactattccttcaaataagagattagaaacagggttatatttggggtaggttgacttacttttctgggaaccaaa gcatattaaattgaccagttttaacacacttctatgtatgcacaaagatatatatttacattctgcaaaatcattctttcctttttgaatttgaaaaggatctttggtatacagatattcaatagccagcctgaagattcatttgaat tcatttaatgtttagattcactacatgaaatgatccagaagagagtactcaaatataagtatctataacgatggaaatatacatctccactgcccaagatggtagtcatgagtcaatattgatcatgtgagacgtggcaagtgttact cagggtctcaatatttaaatgtattaagctttaattaatgtaaatttgaatttagcaaaacatgtatagcttgtggttactgttttattcagtgccaatatagaacatttccatgattacagaaagttatcttagaatactcagttct ggactattttatctggctaaattaaatgttaaaatattacaaattcatcttcaggctggctgttgaatatttttatagcaaaagtcatttataaatttaaaactcaaataattatctttttcaatatgtaaaatatgtctttacatat tctactcccttcttacatacatattctgatgtaacataggtattctcttattcatgcacactgaaatgacaacataaataattttactaagtgtcaccatataaaaaactttgaacaaaatcagattatatcactgtggatatttcta ttttgaactaacttagatgataattttaatctatatcctagatgaactttaaatcaataaaatctctcaatggtgttataaatctcaagccattagccactgattatcccatttttattcttttcatattaattttattgccatgtat gaatgctgtagcatccatgtttaaatactagttaacaaaatgcactggcatcagatacaataaggatgaaatgagatataattaggactctggtaacacacataaaattggaaagat,7' * * * r-r-r-T, * ™ ■» ™ ™ t-t-t-t, t-
ccagcttattttattttgagacagagtcttgctctctcactcaggctggagtgcagtggaccattctaggctcgctccaacctctgtctcccaaattgaagtaattctcgtgcctcaH
gtcaccaagcctggctgatttttgtagttttagtagagacggggtttcaccatgatggccaggctggtcttgaactcctggcctcaagtgactggaacacctcggcctcctaaagtgi
tttgatccaacttatttggatgaatgagttacatattttacattaaatctgttattgtgataattcttcatgttattttccatgtatagatttatatataatgtaattttaatttttbhppi^^ (dlh^^^ tataaacaggataataaaaataagacaaaaattgttgaaatgtcttcatttgactactaactttttacatgtttgttactttgaagctgttatcaatacttgtgatgtattacaatt, tattatgacacaaagtctataaattcttatattttgagatttgtatttaaataacttgtgaaatttaattttaaaataaaatttcttctatggattggtcttcaatcgaggcataaaK tatattgaatttctatattatttaacacaattataattttgctaatgaattgtaatgtttttaaaaagctaggtgaattttattaaattcattacatggcgataacacagagaaaacb aaaagcttaaaagttgttatgtagtggcagagataaaaaagtaaaacaaaaaaaagcttaaaagtttgctttactatttataggctcataagtgtaagtgtgccagaaaatgaaaaai   -. ll^s'feel^ti
aaaacacagataaagcataaagatagaatataaagatagaagcattttaatatgaggcagtgatggctttttgaagaatcccaactaaggacctacttttagttaataaataatatg' bB^^P^I^B TTTTAGGACATGGAGCAGTGACTATGAGTGCCAGAAGGCAAGAGTAGAAGCAATTGTAAAATCATGAACACTAGTTTGTAAAATCCTCACTGAGATATAATATCTGTTTGCCTCTAcB
1000 telefonních seznamů
2001, HGP - 10 let, $3 miliardy USD
2001, Celera - 2 roky, $300 milionů USD
2001, James Watson, $2 miliony USD
2008, komerčně dostupná sekvenace, $100,000 USD Applied Biosystems, 2 týdny, $60,000 USD
Intelligent Bio-systems, 24 hodin, $5,000 USD
100 genomů za $10,000 USD za 10 dnů. Odměna 10 milionů USD, platí do 4. října 2013
Pracoviště, které sekvencovaly 85% genomové sekvence
1. Whitehead Institute for Biomedical Research, Center for Genome Research, Cambridge, MA
2. The Sanger Centre, Cambridge, UK
3. Washington University Genome Sequencing Center, St. Louis, MI
4. US Department of Energy, JGI, Walnut Creek, CA
5. Baylor College of Medicine Human Genome Sequencing Center,
Houston, TX
USA, UK, Japan, Germany, China, France
Icetand
umu* Pjj^^vEŽS
* Russia
France-I ■ * Spain-' - f|t
South Alric
Jak jsme genom sekvencovali? Co lze nalézt v genomu?
Jaké je využití znalosti genomu?
^Geny podmiňující gen. choroby - poziční klonování (30 genů) >Paralogní geny (achromatopsie, CNGA3, CNGB3); (971 známých genů => 286 paralogních genů)
^Cfle zásahu medikamentů - recentni kompendium = 483 cílů, 18 nově identifikovaných; (Alzheimer's disease, ^-amyloid is generated by processing APP by BACE; BACE2 in obligatory Down's syndrom region of chromosome 21)
^Obecná biologie - hořká chuť - nová rodina G-proteinových receptoru
Jak si stojíme ve srovnání s nejbližšími příbuznými?
Které další projekty z HGP vycházejí?
Kontrolní otázka:
Kolik protein-kódujících genů obsahuje lidský genom?
Jak?     Sekvenace genomu
Genom: 3 Gb
Štěpit genom na větší kusy DNA Klonovat do BACs: 100 kb
Mapování BAC klonů podél chromosomů
Princip sekvenace
DNA polymerase
5'-TGGGCTAACAAGCAAATGATCTGTAG 3'-ACCCGATTGTTCGTTTACTAGACATC
T	G G G C T	A	A	C A A	G	c	A	A	A	I	G A T	C T	G	T	A G T
T	G G G C T	A	A	C A A	G	C	A	A	A	T	G A T	C T	G	T	A G
r	G G G C T	A	A	C A A	G	c	A	A	A	T	G A T	C T	G T		A
T	G G G C T	A	A	C A A	G	c	A	A	A	T	G A T	C T	G	T	
T	G G G C T	A	A	C A A	G	C	A	A	A	T	G A T	C T	G		
T	G G G C T	A	A	C A A	G	c	A	A	A	T	G A T	C T			
T	G G G C T	A	A	C A A	G	c	A	A	A	1	G A T	C			
T	G G G C T	A	A	C A A	G	c.	A	A	A	T	G A T				
T	G G G C T	A	A	C A A	G	c	A	A	A	T	G A				
a ■
he
TfGOCGTftflTCRTOGTCflTftGCTGTirCCTGTCTGflflflTTBTTflTCC 99_188_ ne 1?6
138
Sekvenační gel
Kompletace lidské genomové sekvence
International Human Genome Sequencing Consortium. Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature 2004 Oct 21;431(7011):931-45.
„The current genome sequence (Build 35) contains 2.85 billion nucleotides interrupted by only 341 gaps.
It covers approximately 99% of the euchromatic genome and is accurate to an error rate of approximately 1 event per 100,000 bases.
Human genome seems to encode only 20,000-25,000 protein-coding genes"
2.85 miliard nt a 341 neosekvencovaných oblastí.
1 chyba na 100 000 nt.
20 000-25 000 genů kódujících proteiny.
Co lze nalézt v genomu?
Geny (tj. protein kódující oblasti) jen <2% genomu kóduje proteiny
• geny pro nekódující RNA (rRNA, tRNA, miRNAs, atp.)
• strukturální sekvence (scaffold attachment regions)
• pseudogeny Regulační sekvence
• "junk" (zahrnující transposony, retroviry, atp.)
• 3 miliony konzervovaných nekódujících oblastí (4.7 % genomu)
O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
%CorG 41 % A orT
21%
34%   42% 45% 48% 53%
90.5% -,92% 100
LINEs
SINEs
DNA trans poson fossils'
Retro vi rus-Hke elements
Segmental duplications
Simple sequence repeats
_II_
Intro ns
Genes
Hetero chrom
Protein coding regions
REPEATS
UNIQUE
Classes of interspersed repeat in the human genome
LINEs SINEs
Retrovirus-like elements
DNA
transposon fossils
Autonomous Non-autonomous
Autonomous ■ Non-autonomous
Autonomous Non-autonomous
ORF1      ORF2 (pol)
AB
-AAA
gag       pol (env)
Length
AAA 6-8 kb 100-300 bp -mm    6-11 kb-
transposase
1.5-3 kb-
2-3 kb-
80-3,000 bp
Copy number
850,000
1,500,000
450,000
300,000
Fraction of genome
21% 13%
8%
3%
Pseudogeny
• 70 % procesované pseudogeny (retrotransponované geny)
• 30 % neprocesované pseudogeny (duplikované geny)
• -20,000
Torrents et al. Genome Res. 2003 13: 2559-67.
Number of pseudogenes and genes per Mb
Mclean et al., 2011 Nature
Bylo nalezeno 510 delecí (v regulačních oblastech)
Delece enhanceru specifického pro mozek (subventricular zone enhancer), vedoucí k expanzi mozku
Delece enhanceru pro hmatové vousky a penilní spiny
Shrnutí
> Variabilní distribuce řady parametrů (GC, CpG islands, repetice)
> 21.000±1.000 protein-kódujících genů
> Proteom je mnohem komplexnější než u bezobratlých
> Ho^^tální transfer genů vs. ztráta genu u
bezobratlých (113 genů připomíná geny bakteriální)
> 20.000-30.000 pseudogenů
> V genomu se vyskytuje asi 20 miliónů SNP
Jaké je využití znalosti genomu?
Aplikace znalostí lidského genomu
>      Geny podmiňující gen. choroby - poziční klonování
>rok 2000 - 1300 genů pro choroby s jednoduchou
mendelovskou dědičností >rok 2010 - 2900 genů > Zbývá asi 1800
>1100 genů asociovaných s 165 častými chorobami(včetně chorob infekčních) >(např. IBD 70-100 genů)
Jaké je využití znalosti genomu?
Aplikace znalostí lidského genomu
>Paralogní geny (achromatopsie, CNGA3, CNGB3); (971 známých genů => 286 paralogních genů)
>
>Cfle zásahu medikamentů - recentní kompendium = 483
CÍ1Ů, 18 nově identifikovaných; (Alzheimer's disease, P-amyloid is generated by processing APP by BACE; BACE2 in obligatory Down's syndrom region of chromosome 21)
>
> Obecná biologie - hořká chuť - nová rodina G-proteinových
receptom (TAS2R38, Kim et al. 2003)
Sekvenace genomu šimpanze
Chimpanzee Sequencing and Analysis Consortium
Initial sequence of the chimpanzee genome and comparison with the human genome.
Nature 2005 Sep l;437(7055):69-87. ^™
Thirty-five million single-nucleotide changes, five million insertion/deletion events, and various chromosomal rearrangements.
98,6 % identitity to human genome sequence Differences in gene/exon structures
35 miliónů záměn nt, 5 miliónů inzercí, delecí a dalších změn 96% identita s lidskou genomovou sekvencí Změny ve struktuře genů popř. exonů
Definitivní
HIV progrese v AIDS
Symptomatologie chřipky A
Komplikace u hepatitídy B/C
Malárie (P. falciparum)
Menopauza
Pravděpodobné
E. coli K99 gastroenteritida
Rozvoj m. Alzheimer
Koronárni atero skleróza
Karcinomy
častá
středně těžká až závažná středně těžké až závažné citliví obligátní
rezistentní kompletní
častá časté
sensitivní? částečný vzácná vzácné
Genetické rozdíly mezi současným člověkem (Člověk moudrý, Horno sapiens) a vybranými organismy na celogenomové úrovni a odhadovaná evoluční vzdálenost od posledního společného předka
Neandertálci
Hominidé nejvíce příbuzní moderním lidem
Objevili se asi před 500.000 lety
Evropa and západní Asie
Vyhynuli před 30.000 lety
bc.msn.com/id/13154
Území pravděpodobného rozšíření člověka neandertálského
DNA
> Kost nalezena v roce 1980 v chrorvatské jeskyni
* Radioizotopové datování:
38,310 ±2,130 let
Neandertálci a lidé dnešního typu se zřejmě vůbecJřT^QŽili
V naší DNA jsou stopy po neandertálské DNA (v mikrosatelitech) 1- 4 %
Kost Vi-80 (z jeskyně Vin<
No hit (200,829; 79,0%)
Pa cific Ocean
Homo floresiensis
SINGAPORE
I Pematangsiantar ■ [
Pontianaks     Malmlfisi: Samarinda buine:0«f Sulawesi
l^ÄT Hornsea
BAR I SAN MIS
PAPUA NEW GUINEA!
aPalembang giB ani a rm a si n
JavaSea Ujungpandang JAKARTA Mount   Madura B * Meraci      Flores Sea Bandung  •    , Surabaya >,1ataram YogyakarlaJ^     ^ » .
Sumbawa
Moluccas IS Banda Sea
Jayapura(-
'MÄOKE MTS IRtAN JAVA
M ew
Guinea
žil před 94.000 - 13.000 lety
Homo floresiensis
H. floresiensis was part of the Asian dispersals of the descendants of H. ergaster and H. erectus.
Genetická diverzita současného člověka
(a) mtDNA HVS I; unnooted and pruned
Které další projekty z HGP vycházejí?
The Cancer Genome Atlas (TCGA)
>Jde o vysokokapacitní sekvenaci (tj. sekvenaci téměř celého genomu) mnoha nádorových vzorků jednoho typu nádoru od mnoha různých pacientů.
> Tohle vseje plánováno pro mnoho typů nádorů. Jde tedy o jakýsi frontální útok na odhalení genetického pozadí nádorových onemocnění.
Potřebujeme sekvencovat cca 1 milion genomů
ENCODE
{Encyclopedia of DNA Elements)
>Transkripčně aktivní jsou také podstatné části genomu (molekuly DNA), o kterých se dosud soudilo, že jsou nefunkční a jsou pouhým „balastem". Přitom tato DNA tvoří okolo 98 % veškeré lidské DNA.
>Znamená to tedy, že i když RNA kódovaná touto „nefunkční" DNA není přepisována do bílkovin, tvoří se v takovém množství a na tak rozsáhlé části DNA, že nějakou její funkci lze oprávněně očekávat.
Projekt HapMap
m
> Vzorky DNA od z 269 lidí z Afriky, Japonska, Číny a USA
>Bylo identifikováno okolo 20 miliónů míst, ve kterých se lidé čtyř různých populací liší nejčastěji. (To přibližně odpovídá shodě 99,9 % mezi kterýmikoliv dvěma osobami.)
>Tato místa se označují jako SNP (jednonukleotidové polymorfismy).
> Platí přitom, že jednotlivé SNP se dědí po určitých blocích (haplotypech). Z toho vyplývá možnost definovat genom individuálního člověka jako kombinaci určitých haplotypů a pro zjištění genotypu konkrétní osoby tedy není třeba mapovat všech 10 miliónů jeho genomových míst, ale stačí genotypovat jen 300.000 - 600.000 klíčových SNP.
Zdravé lidské tělo je osídleno mnoha různými symbiotickými mikroorganismy, a to na nejrůznějších svých místech. Ačkoliv úhrnná hmotnost těchto mikroorganismů tvoří jen 1 - 2 % hmotnosti člověka, počet buněk těchto symbiontů přesahuje počet lidských buněk nejméně desetinásobně. Odhaduje se, že jen v lidském střevě žije asi tisíc bakteriálních druhů a asi sedm tisíc individuálních bakteriálních kmenů. Toto společenství mikrobů se - mimo jiné - podílí na přeměně živin, syntéze vitaminů, metabolismu cizorodých látek (např. léčiv), na stimulaci obnovování střevního epitelu, stimulaci imunitního systému atp. Soubor všech těchto mikroorganismů žijících v lidech a na nich označujeme jako lidský mikrobiom.
Projekt lidského mikrobiomu
Studium nasální mikroflóry Studium orální mikroflóry Studium gastrointestinální mikroflóry Studium kožní mikroflóry Studium vaginální mikroflóry
Mají odlišní jedinci stejný mikrobiom?
Existuje vztah mezi mikrobiomem a lidským zdravím?
Bakterií je v lidském těle asi 10x víc než eukaryotických buněk Kultivovat dokážeme asi méně než 1 % bakterií
Seznam chorob a příznaků, u kterých je předběžně uvažováno o podílu lidského mikrobiomu na jejich vývoji	
	choroba/príznak
Orgánová soustava	
*   o v kuze	lupenka (psoriasis)
	akné
	atopická dermatitida
trávicí trakt	obezita
	Crohnova choroba
	jícnový adenocarcinom
	nekrotizující enterokolitida
	ulcerózní kolitida
	syndrom dráždivého
	tračníku
urogenitální trakt	bakteriálni vaginóza
	sexuálne prenosné choroby
kombinace orgánových systémů	imunodeficience
	horečnaté stavy
Studium kožní mikroflóry
Actinobacteria
■ Corynebacterineae
■ Propionibacterineae
■ Micrococcineae Other Actinobacteria
Bacteroidetes iCyanobacteria
Firmicutes
■ Other Firmicutes
■ Staphylococcaceae
Proteobacteria
i Divisions contributing < 1 %
Unclassified
4
(Gb) Glabella
(Al) Alar crease
(Ea) External auditory canal (Na) Nare (Mb) Manubrium
(Ax) Axillary vault-
(Ac) Antecubital fossa (Vf) Volar forearm (Id) Interdigital web space (Hp) Hypothenar palm (Ic) Inguinal crease
(Urn) Umbilicus-/
(Tw) Toe web space-'      I I
Retroauricular crease (Ra) Occiput (Oc) — Back (Ba) -Buttock (Bt)
Gluteal crease (Gc) Popliteal fossa (Pc) Plantar heel (Ph)
14
Hlavními záměry projektu lidského mikrobiomu je zjistit:
>nakolik je lidská mikroflóra stabilní a proměnná v čase (např. v průběhu dne a v průběhu celého individuálního života jedince)
>nakolik jsou si vzájemně podobné mikrobiomy u členů rodiny eventuálně u členů určitého lidského společenstva a nakolik se tyto mikrobiomy liší od mikrobiomu pocházejících z jiných lidských společenství
>zda lze definovat základní mikrobiom společný všem lidem, jak je získáván a přenášen
>co ovlivňuje genetickou diverzitu mikrobiomu a jak se mění mikrobiom za různých fyziologických a patologických podmínek