Introducción a la Genómica
GENÓMICA, PROTEÓMICA Y BIOINFORMÁTICA
Desarrollo de estrategias terapéuticas para el nuevo milenio.
Curso de Post-Grado de la UB Enero 2006
Dra. Sílvia AtrianDepartament de Genètica
Universitat de Barcelona
GENOMAS
S. XXIS. XX
1975
GENES
1900
Sílvia Atrian, UB.
Genética Molecular
1950Ingenierí
a Genética
Genética
Genómica
La Genómica: sus etapas
EL PASADO: inicio de la Genómica
METODOLOGÍA
EL PRESENTE:desarrollo de la Genómica DATOS
EL FUTURO: uso de la Genómica INTEGRACIÓN
Sílvia Atrian, UB.
La Genómica: sus etapas
EL PASADO: inicio de la Genómica
METODOLOGÍA
Sílvia Atrian, UB.
La Genómica vs. La secuenciación DNA
F. Sanger & W. Gilbert
Fago x174 Sanger (Nature, 1977)
Secuenciación DNA
Sílvia Atrian, UB., adaptada de Alfonso Valencia, CNB.
Genomas: archaeas, procariotas
& eucariotas
Genómica ( T. Roderick, 1986)
Secuenciación automática Bioinformática
virus
Las dimensiones de los genomas
103
bacterias 106
levaduras107
mamíferos3x109
* en nucleótidos
humano3x109
108
plantas1010
insectos
Sílvia Atrian, U.B.
Las estrategias de secuenciación
CLASICO
Mapa ordenadode segmentos
Secuenciación
ATCCGGCATAGCATGAC...
1 2 3
SHOT-GUN
Secuenciación
ATCCGGCATAGCATGAC...
Ordenación
1 2 3
Sílvia Atrian, UB.
Los proyectos Genoma
Sílvia Atrian, U.B.
Patógenos & Parásitos
¿Cuáles?:
El hombre
Modelos
Eubacteria
Aquifex aeolicus Bacillus subtilis
Bacillus halodurans C-125 Borrelia burgdorferi
Buchnera sp. APS Campylobacter jejuni Chlamydia muridarum Chlamydia trachomatis
Chlamydophila pneumoniae J138 Chlamydophila pneumoniae
Deinococcus radiodurans R1
Escherichia coli Haemophilus influenzae
Helicobacter pylori Helicobacter pylori J99
Mycobacterium tuberculosis Mycoplasma genitalium
Mycoplasma pneumoniae Neisseria meningitidis MC58 Neisseria meningitidis Z2491
Pseudomonas aeruginosa Rickettsia prowazekii
Synechocystis PCC6803 Treponema pallidum Thermotoga maritima
Ureaplasma urealyticum Vibrio cholerae
Xylella fastidiosa
Archaea
Aeropyrum pernix K1 Archaeoglobus fulgidus Halobacterium sp. NRC-1
Methanococcus jannaschii Methanobacterium thermoautotrophicum Pyrococcus abyssi Pyrococcus horikoshii
Sílvia Atrian, UB.
Distintos microorganismos procariotas.
http://www.tigr.org/tdb/mdb/mdb.htmlProyectos Genoma procariotas.
Eucariotas unicelulares.
http://alces.med.umn.edu/Candida.htmlProyecto Genoma de Candida albicans.
http://glamdring.ucsd.edu/others/dsmith/dictydb.htmlProyecto Genoma de Dictyostelium discoideum.
http://www.mips.biochem.mpg.deProyecto Genoma de Neurospora crassa.
http://ben.vub.ac.be/malaria/mad.htmlProyecto Genoma de Plasmodium falciparum.
http://www.wehi.edu.au/biology/malaria/who.htmlProyecto Genoma de Plasmodium falciparum.
http://genome-www.standford.edu/Saccharomyces/Proyecto Genoma de Saccharomyces cerevisiae.
Invertebrados.
http://www.ab.a.u-tokyo.ac.jp/sericulture/shimada.htmlProyecto Genoma de Bombyx mori.
http://www.ddbj.nig.ac.jp/htmls/c-elegans/html/CE_INDEX.htmlProyecto Genoma de Caenorhabditis elegans.
http://flybase.bio.indiana.edu/Proyecto Genoma de Drosophila melanogaster.
http://klab.agsci.colostate.edu/Proyecto Genoma del Mosquito.
Vegetales.
http://ars-genome.cornell.eduProyectos Genoma de diversos vegetales.
http://www.arabidopsis.org/Proyecto Genoma de Arabidopsis thaliana.
http://rgp.dna.affrc.go.jp/Proyecto Genoma de Oryza sativa.
http://aestivum.moulon.inra.fr/imgd/Proyecto Genoma de Zea mays.
Sílvia Atrian, UB.
Vertebrados.
http://zfish.uoregon.edu/Proyecto Genoma del pez zebra.
http://www.ri.bbsrc.ac.uk/chickmap/chickgbase/manager.htmlProyecto Genoma del pollo.
http://locus.jouy.inra.fr/cgi-bin/bovmap/intro2.plProyecto Genoma de la vaca.
http://mendel.berkeley.edu/dog.htmlProyecto Genoma del perro.
http://www.informatics.jax.org/Proyecto Genoma del ratón.
http://ratmap.gen.gu.se/Proyecto Genoma de la rata.
Diversos Proyectos Genoma.
http://www.sanger.ac.uk/ProjectsDiversos Genomas eucariotas.
http://www.mips.biochem.mpg.deDiversos Genomas eucariotas.
Sílvia Atrian, UB.
El genoma humano
http://www.nhgri.nih.gov
http://www.sanger.ac.uk
http://www.celera.com
Interactive access to DNA and protein sequences:http://www.ensembl.org/
Images of chromosomes, maps, loci:http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/guide/
Gene map:http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genemap99/
Overview of human genome structurehttp://hgrep.ims.u-tokyo.ac.jp
Single-nucleotide polymorphisms:http://snp.cshl.org/
Human genetic disease:http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim/http://www.geneclinics.org/profiles/all.html
Social, ethical, legal issues:http://www.genome.gov/page.cfm?pageID=10001618
La Genómica: sus etapas
EL PRESENTE:desarrollo de la Genómica DATOS
Sílvia Atrian, UB.
¿ Qué “Genómica” ?
Genómica estructural:
Genómica funcional:
Sílvia Atrian, UB.
secuenciación, mapaje de genes,
anotación genómica, estructura/función proteínas
el genoma en funcionamiento
(transcritos y proteínas)* el desarrollo
* el mantenimiento* la disfunción
¿ Qué Genómica ?
Genómica estructural:
Genómica funcional:
Genómica comparada
Proteómica
Genómica evolutivaFarmaco-Genómica
Sílvia Atrian, UB.
secuenciación, mapaje de genes,
anotación, identificación proteínas
el genoma en funcionamiento
non-mRNAs
La anotación de genomas, la identificación de proteínas y
asignación de funciones
Grandes modelos de Genómica estructural:
Los genomas procariotas
Sílvia Atrian, UB.
Genómica estructural y comparada
Función
Secuencia
Estructura
Los espacios de secuencia, estructura y función
Genómica estructural
Genómica funcional
Alfonso Valencia, CNB.
by The Genequiz Consortium
Sílvia Atrian, UB., adaptada de Alfonso Valencia, CNB.
The GeneQuiz assignments
Similares a proteínas de estructura conocidaMODELADO
Similares a proteínas de función conocidaPREDICCIÓN DE LA FUNCIÓN
Similitudes débilesFUNCION TENTATIVA
Similares a proteínas de función desconocida : FAMILIAS HUERFANAS
Sin ninguna similitud conocidaSECUENCIAS ÚNICAS
http://www.genomes.org/services/follow: genequiz
http://www.genomes.org/services/follow: genequiz
Alfonso Valencia, CNB.
Haemophilus influenzae (1995)Helicobacter pyloriMycobacterium tuberculosisVibrio cholera
Genomas de patógenos bacterianos
Genómica estructural/comparadaGenómica funcional
Genes de patogeneidad, de virulencia y de resistencia
Genes metabólicos, exclusividad procariota y de patógenos
Sílvia Atrian, UB.
Desarrollo de agentes terapéuticos
Genes de determinantes antigénicosDesarrollo de vacunas
Genes exclusivos de especies, cepas patógenas
Desarrollo de tests diagnósticos
Plasmodium malariaTrypanosoma sueño, ChagasLeishmaniasis leishmaniasis
Schistosoma bilharziaOnchocerca filariasis
Genomas de parásitos eucariotas
Técnicas necesidad de desarrollo de:
-gene manipulación génica in vivo (knockouts, transgénicos)
-sistemas de transfección
-sistemas de expresión de genes en estos organismosSílvia Atrian, UB.
Sílvia Atrian, UB.
FEBRERO 2001:
Consorcio Público
Celera Genomics
Sílvia Atrian, UB.
n patrones codificantes mRNA proteínas
los RNA auto-funcionales
1 gen ~ región de DNA
Defectos sistemáticos de las anotaciones:
- los ORF < 100 aminoàcidos
- los ORF de RNA como producto final
35 % genes (ORF) humanos:lectura múltiple
Los ~40.000 genes (ORF) humanos:se multiplicarán por …..:
Sílvia Atrian, UB.
El número de proteínas maduras será infinitamente mayor
El número de interacciones será infinitamente mayor
Lección de humildad: Complejidad y número de genes
levadura6000
* pb
La complejidad de las interacciones, no el número de
elementoscodificantes
Arabidopsis 25000
13000Drosophila
.
C.elegans
19000
Sílvia Atrian, U.B.
30000
Sílvia Atrian, UB.
La anotación de los Proyectos Genoma es en si mismo un
Proyecto tanto o más imponente.
Sílvia Atrian, UB.
Las técnicas:
- mutagénesis por disrupción génica
- interferencia de RNA
- los ensayos de interacciones proteicas
- los DNAchips y DNAarrays
- los análisis masivos de transcritos
El genoma en funcionamiento,
Genómica funcional:
Grandes modelos de Genómica Funcional:
La levadura: S.cerevisiae
16 cromosomas, 13 Mb de DNA
1) ±6000 proteínas potenciales, 140 rRNA, 40 snRNA, 275 tRNA
2) Duplicaciones de grandes regiones genómicas
3) Compactación extrema del genoma
Saccharomyces cerevisiae: 1996.El primer eucariota, el primer modelo.
Su genoma
Sílvia Atrian, UB.
Genoma
El transcriptoma
Transcriptoma 1 Transcriptoma 2 Transcriptoma 3
tiempo espacio cantidad
Sílvia Atrian, UB.
La Microchips de DNA
x 65000Sílvia Atrian, UB.
x 1046
Proyectos EUROFAN (1, 2)
Cepa Gen A
¿ Viabilidad ?
¿ Fenotipo ?
¿ Comportamiento ?
Función Gen A
Gen A
tag
tag
Target sequence (5’ y 3’ de cada ORF )
KanMX4
Sílvia Atrian, UB.
Saccharomyces cerevisiae: 1996.El primer eucariota, el primer modelo.
G.F. en enfermedades vasculares
Mouse como modelo: la mayoría se suponen poligénicas.
Rubin & Tall. (2000) Nature 407.
2) Mutagénesis química: “Phenotype-driven”: screening de
parámetros bioquímicos, fisiológicos y morfológicos adecuados:
anormalidades cardíacas y metabolismo lipídico: miles F1, cientos
mutantes (UK + Germany).
1) Genómica comparada interespecífica de regiones reguladoras
Sílvia Atrian, UB.
3) Mutagénesis dirigida insercional: “Genotype-driven” :el gen a
evaluar: eliminado o substituido por un mutante, por inyección
pronuclear y recombinación dirigida.
Genómica funcional: Interferencia de RNA
Silvia Atrian, UB
GEN x mRNA x Proteína x
RNA x de doble cadena
Funciona con grado de dependencia de:* tipos de organismo
*tipos de tejido*etapa del desarrollo
Aplicaciones:* anulación dirigida (espacio/tiempo) de la expresión de un gen * terapia
La Genómica: sus etapas
EL FUTURO: uso de la Genómica INTEGRACIÓN
Sílvia Atrian, UB.
1. Secuencia genómica conocida: creación de genomas/seres en el laboratorio
Verano 2002: Síntesis virus animal (polio-7000pb), 3 años
Verano 2003: Síntesis bacteriófago (5400pb), 2 semanas
200?: Síntesis nueva especie bacteriana (~500.000pb)Genoma Mycobacterium:
La Genómica: sus etapas
EL FUTURO: uso de la Genómica INTEGRACIÓN
Sílvia Atrian, UB.
2. Función genómica conocida: predicción total de comportamientos/
creación de células virtuales
Necesidad de conocer la red total de interacciones entreproductos génicos (proteínas/RNA/DNA).
6217 ORF
Intereracción probada experimentalmente
(2H) ~ 500
Con homólogos que participan en una misma
VM ~ 2391
Perfiles filogenéticos ~ 20749
Con homólogos fusionados
~ 45502
Con patrón de expresión correlacionado
(arrays) ~ 26013
93000
Parejas de
Interrelación
Sílvia Atrian, UB.
S. cerevisiaeUetz et al. (2000) Nature 403:623-631Ito et al. (2000) PNAS 97:1143-1147
Interacción proteica: Y2H sistemático
C. elegansWalhout et al. (2000) Science 287:116-122
Nature, 2001
Sílvia Atrian, UB.
La Biología Molecular Integrativa
Genómica
Proteómica
Regulación de expresión génica
Vías y redes metabólicas
Cascadas de señales
Estructuras multiméricas
Bioinformática
E-cell Virtual cellSílvia Atrian, UB.
Yeast & other
Minicell
S.XXI: La Biología Molecular de los conjuntos
Los genomas
Los transcriptomas
Los proteomas
Genómica
Proteómica
Bioinformática
Sistema biológico
Sílvia Atrian, UB.
Los metabolomasLos ORFomasLos interactomasLos recombinomas. . . . . . . . . .
Sílvia Atrian, UB.
Science, 16.02.2001.